超低氮燃燒技術在燃氣鍋爐上的研究與應用

婁彥龍

上海碳索能源服務股份有限公司

0 引言

根據全國各地陸續出臺的鍋爐廢氣排放標準，NOx 排放限值降低至50 mg/m3甚至30 mg/m3以下。加快推進全國中小鍋爐提標改造超低氮排放工作，進一步減少污染物排放，改善空氣環境質量，勢在必行。

1 概述

超低氮燃燒技術是目前市場上應用較為普遍的新技術，燃氣鍋爐超低氮改造技術主要分為燃燒中和燃燒后的NOx 控制。通常國際上把燃燒中NOx控制措施統稱為一次措施，把燃燒后的NOx控制措施統稱為二次措施，即末端煙氣脫硝治理技術。本文主要分析燃氣鍋爐領域NOx 的排放現狀及產生機理，介紹在中小型燃氣鍋爐燃燒過程中常用的超低氮燃燒技術及案例應用。

2 NOx的排放現狀及產生機理

燃料在燃燒過程中產生NOx可分為三種類型：燃料型、熱力型、快速型。NOx的主要成分是NO和NO2,其中NO 的比例＞95%，廢氣排入空氣后，NO會迅速氧化為NO2，因此環境空氣的污染指標以NO2為主。兩者的產生分別有各自不同的機理，燃氣鍋爐產生的NOx主要是熱力型NOx

2.1 燃料型NOx

燃料型NOx 是燃料中的氮元素在650 ℃以上高溫環境中氧化生成的，由燃料中的氮元素揮發至離子狀態后與高濃度O2化合而成。由于目前市場上的天燃氣氮含量極少，基本上可以忽略。

2.2 熱力型NOx

空氣中的氮元素在900 ℃以上高溫下持續氧化生成的NOx，即為熱力型NOx。該類型NOx 由于只在高溫中形成，而且其生成過程是一個不分支連鎖反應，即捷里多維奇反應式，見式（1）～（3）：

通過大量相關實驗研究，得出一個結論：NOx產生量的重要決定性因素是燃燒器的燃燒溫度。在900～370 ℃溫度區間時，NOx 的生成速率比較緩慢；但是當溫度升到1 600 ℃以上時，NOx 即快速上升，之后溫度每提高90～110 ℃，反應速率也將增大5～8倍。

2.3 快速型NOx

歷史上，Fenimore做過碳氫燃料預混火焰的軸向NO分布實驗，該實驗結果表明：在反應區附近可能會快速生成NOx，即稱其為“快速NOx”，即我們通常說的費尼莫爾反應機理。快速型NOx 是在高濃度天燃氣燃燒條件下產生。它的形成主要由三個影響因素，即CH原子團的濃度及形成過程、氮氣分子反應生成氯化物的速率和氮氧化物間相互轉化率，相關反應式如式（4）～（7）所示：

3 超低氮燃燒改造技術

超低氮燃燒改造技術主要從燃氣鍋爐的燃燒源頭著手，即通過燃燒過程中控制。根據第2 部分詳述的NOx 生成機理，若要降低其生成量，最重要的手段是控制燃燒過程的溫度和時間。其主要的影響控制因素分別為空燃比、助燃空氣的溫度、燃燒區溫度場分布、后燃燒區的冷卻狀態和燃燒器機頭的內部結構布局等。詳見以下4 種超低氮技術。

3.1 濃淡燃燒技術

濃淡燃燒，是人為將整個燃燒過程區分為若干個不同空燃配比的階段，使燃燒過程分別在過濃燃氣區、過淡燃氣區和燃盡區分階段完成。主要目的是延緩燃盡，降低燃燒高溫區的溫度以減少NOx的生成，進而使NOx生成量持續降低。

3.2 分級燃燒技術

燃料的分級燃燒技術，即所謂的再燃燒技術，其特點是將燃燒過程分成3 個區域：第一燃燒區主要是氧化性或弱還原性氣氛；第二燃燒區，由于爐內的二次燃料送入，使其表現為還原性氣氛。在高溫和還原環境中，生成CH.，該原子團與第一燃燒區生成的NOx 反應，主要生成N2。在第二燃燒區的上方，送入的二次風使燃料再次燃燒完全，此區域即為燃盡區，該部分的二次風也稱為燃盡風。燃盡過程中雖然會再次生成少量的NO，但從總體看，采用分級燃燒技術后，燃氣鍋爐的NOx 最終排放量還是呈現明顯降低的趨勢。

3.3 超級混合技術

超級混合燃燒技術是另一種典型燃燒形式，主要分為部分混合和超級混合燃燒。超級混合燃燒是指燃燒前，天燃氣與O2已經在燃燒器內進行充分混合，這種技術的燃燒溫度高、強度大，對當量比可進行完全控制，進而能夠實現對燃燒溫度的控制，從而控制熱力型NOx的生成量。

因此在降低NOx生成方面，超級混合燃燒技術具有很大的優勢，相比較于非混合燃燒技術，至少可降低80%左右的NOx生成量。

3.4 煙氣再循環（FGR）技術

FGR 技術即從鍋爐出口煙道上抽取部分煙氣（低溫段）與助燃空氣在充分混合后再送進鍋爐爐膛燃燒。FGR技術不但可降低燃燒溫度，而且能降低O2濃度，該技術在燃料為天燃氣時可以降低40%～60%左右的NOx的量。

主要原理為：通過燃燒氣氛中O2/CO2體積比對NOx 生成量及NO/NOx 的比率的顯著影響。當過量空氣系數為1時，NOx的排放隨O2/CO2體積比的變化情況見圖3-1。

圖3 -1 NOx量隨O2/CO2體積比的變化圖

從圖3-1 中可以看到NOx 的排放量隨O2體積比的升高而增加，且增加幅度很大。這是因為在燃燒過程中，N基本是以HCN的形式存在，HCN在貧氧與富氧情況下與O2的總反應如式（8）-式（15）所示：

由式（8）和（9）可見，貧氧條件下，HCN 最終生成N2；富氧條件下，則生成NO，O2濃度的增加促進N到NOx的轉化。

由式（10）至式（15）可見，在較低溫度下，較高CO2濃度往往促使部分CO 的生成，CO 直接還原NO 的同時生成C＊活性基團，C＊活性基團則作為催化還原劑，使NO 被還原為N2，從而降低NOx的生成。

4 技術應用（實例）

4.1 上海某卷煙廠蒸汽鍋爐超低氮改造

上海某卷煙廠鍋爐房原有2臺蒸發量20 t/h 威曼雙爐膽燃氣蒸汽鍋爐，每臺鍋爐配置2臺燃燒器。每臺燃燒器功率7 900 kW，鍋爐工作壓力1.15 MPa，進水溫度為104 ℃，飽和蒸汽溫度209 ℃，改造前的NOx排放濃度為108 120 mg/Nm3～120 mg/Nm3。

2019 年9 月底完成超低氮改造，采用國內上海華之邦分體式W-SLG10-AB 型低氮燃燒器，電子比例式調節，同時采用煙氣外循環技術。此燃燒器經技術改造后，經檢測鍋爐NOx排放濃度降低至40 mg/Nm3，單臺鍋爐的NOx減排量為1 920 kg/年。

4.2 寶龍集團真空熱水鍋爐超低氮改造

上海寶龍集團奉賢、七寶、嘉定、曹路、泥城、華新等6個基地原有24臺真空熱水鍋爐，鍋爐由浙江上能鍋爐有限公司提供的真空熱水鍋爐，并以潔凈的天然氣作為能源，進/出口溫度為50 ℃/60 ℃，出水壓力1.6 MPa，改造前的NOx排放濃度為150 mg/Nm3。

2019 年9-12 月底陸續完成超低氮改造，采用國外進口意大利百得一體式TBG LXME FGR 型超低氮燃燒器，電子比例式調節，同時采用煙氣外循環技術。此技術改造后，經檢測，鍋爐NOx 排放濃度降低至50 mg/Nm3，整個集團鍋爐的NOx減排量約為7 800 kg/年。

5 總結

《打贏藍天保衛戰三年行動計劃2018-2020年》的發布，NOx 污染治理工作依然面臨著嚴峻的考驗，全國各地的政府部門不僅陸續提高鍋爐大氣污染物的排放標準，排放限值普遍定在3 050 mg/Nm3～50 mg/Nm3，而且還加大了檢查力度和超標排放的處罰力度，以罰促改、以查促治、以治提升環境，形成一個有效的閉環。

具體的改造實例，驗證了通過更換低氮燃燒器+FGR 技術，可以將中小型蒸汽及熱水鍋爐的NOx排放降低至50 mg/Nm3以下。