燃氣鍋爐低氮排放技術改造實踐

朱恒剛

摘 要：根據國家《大氣污染防治行動計劃》、上海市《鍋爐大氣污染物排放標準》新的要求，從2020年1月1日起，所有燃氣鍋爐氮氧化物排放水平應控制在50 mg/m3以內，為響應政府號召，根據某大樓實際情況，對大樓使用的4臺燃氣鍋爐進行低氮排放改造，選擇了加裝煙氣循環FGR系統，以減低氮氧化合物的排放，經過一段時間運行，第3方檢測，達到了國家規定的鍋爐氮氧化物排放水平應控制在50 mg/m3以內。

關鍵詞：鍋爐燃燒器;低氮排放;技術改造

中圖分類號：TU995? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來上海市進行的清潔能源替代工作，有力地支撐了上海環境空氣質量的改善。上海市SO2、PM10和PM2.5年均濃度降幅顯著分別下降48%、27%和25%。與此同時上海市NOx的下降幅度偏小，僅為14%。這樣的環境空氣質量變化是由于上海市能源結構調整和清潔能源替代工作促成的。消減煤炭消費量、降低汽柴油中硫含量等措施是環境空氣中SO2、PM10和PM2.5濃度降低的重要原因。

1 項目概況

1.1 改造背景

該項目為上海國貿中心鍋爐低氮改造工程，目前大樓使用的4臺HX102S鍋爐均為英國克萊斯頓鍋爐廠1990年出產的蒸汽鍋爐，鍋爐蒸發量為4 t/h，額定蒸汽溫度為183℃，鍋爐工作壓力1.0 MPa。改造前實測氮氧化物排放水平約為128 mg/m3，基本符合上海市《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB31/387—2014）中規定的低氮氧化物排放低于150 mg/m3要求。

1.2 改造依據及改造要求

2018年上海市為貫徹《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》和《上海市環境保護條例》，加強對鍋爐大氣污染物的排放控制，對《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB31/387—2014），進行了修訂，規定到2020年9月30日，在用鍋爐執行表1規定的排放限值。自2020年10月1日起，在用鍋爐（生物質燃料鍋爐除外）執行表2規定的排放限值。

據此要求，對大樓使用的4臺鍋爐進行低氮改造，以達到上海市《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB31/387—2014），修訂版的要求即氮氧化物排放低于50 mg/m3。

1 工藝改造方案

1.1 改造方案分析

燃氣鍋爐由于天然氣的理化特性導致其主要的污染物為氮氧化物。主要通過改進燃燒技術來降低燃燒過程中NOx的生成與排放，其主要途徑有：降低燃料周圍的氧濃度，減小爐內過剩空氣系數，降低爐內空氣總量，或減小一次風量及揮發分燃盡前燃料與二次風的混和，降低著火區段的氧濃度;在氧濃度較低的條件下，維持足夠的停留時間，抑制燃料中的氮生成NOx，同時還原分解已生成的NOx;在空氣過剩的條件下，降低燃燒溫度，減少熱力型NOx的生成。低氮燃燒技術一般可使NOx的排放量降低30%～60%。

在燃氣燃燒器的設計及布置方案中有3點。1）燃料分級：有煙氣內循環、燃氣和空氣高速差配合等類型;燃料分級，即燃料分成如果干股注入較大的燃燒空間中進行燃燒，釋放的熱量被較大空間內的煙氣吸收，從而使煙氣的溫度得到降低，該技術也稱為“火焰分割”。相比較于中心單噴頭的擴散火焰而言，燃料分級（火焰分割）的技術措施能明顯地降低煙氣的核心溫度。2）空氣分級：有燃燒器噴嘴的空氣分級和爐膛空間上的空氣分級;空氣分級，即空氣分成如果干股噴入，實現燃氣和空氣在燃燃燒過程中有不同的空燃比。a）一種是燃氣噴頭中將空氣分為如果干圈。b）一種是在爐膛空間上空氣分級，即燃燒器的主燃區為貧氧燃燒，空氣分階段地注入，從而使氣體燃料分階段地燃燒、逐漸地釋放熱量，最終降低煙氣溫度。核心機制在于：通過空氣分級、造成氣體燃料的不完全燃燒，同時不完全燃燒的煙氣產物又能在一定程度上促進燃料型NOx的還原制：NOx+CO==CO2+N2;NOx==XN HCN，CN>N2）燃料分級和空氣分級對NO生成量的影響可以從圖1的曲線中得到直觀的了解到偏離正常空燃配比時會對NOx的降低有較大的作用。3）煙氣再循環：有傳統煙氣再循環和O2/CO2煙氣再循環。

煙氣再循環，通過從尾部排放煙氣抽取一部分比例的煙氣與空氣混合，從而降低了助燃氣體的氧氣濃度，在降低了化學反應速率的同時，降低了火焰核心溫度，從而避免大量熱力型NOx的生成。另外，再循環煙氣中包含的NOx氣體可以通過N+NO反應來降低NO的生成量，且氧氣濃度的降低也能驅使NO反應體系的化學平衡朝NO生成量減少的方向偏移。

2.2 工藝改造技術——FGR煙氣再循環技術

燃氣鍋爐低氮燃燒改造中，煙氣再循環技術FGR是其中常用改造技術之一。

將部分煙氣回收進入燃燒器再次利用，進入爐膛的熱風可以提高效率，更節能。并在煙氣口增加蝶閥。氣再循環原理：將部分低溫煙氣直接送入爐內，或與空氣（一次風或二次風）混合送入爐內，因煙氣吸熱和稀釋了氧濃度，使燃燒速度和爐內溫度降低，因而熱力NOx減少，可減少60%～70%，一般煙氣外循環FGR量不超過15%。圖2為FGR系統示意圖。

該大樓根據現場情況以及技術要點，采取低氮燃燒器+煙氣循環FGR系統，在進行控制器、燃燒器的改進，燃燒器沒有全部更換，進行局部更換，既達到降低氮氧化合物的排放，也節約改造成本。

2.3 工藝改造方案實施

更換上英國騰飛首創特殊設計的多火焰噴嘴，燃燒器的主火焰由多股小火焰組成，均勻地降低火焰表面溫度，避免局部高溫的產生，由此減少NOx的產生，如圖3所示。

低氮設計加長了燃燒筒長度，可以在火焰根部形成煙氣內循環。在熱力學作用下，燃余煙氣在區域3被引流回火焰中心，該股回流煙氣可形成貧氧燃燒、減緩燃燒過程，從而降低火焰中心溫度和超低NOx濃度。

加裝煙氣循環FGR系統：在燃燒器低氮改造的基礎上，根據現場使用情況定做設計煙氣循環FGR系統（如圖4所示），將合適溫度合適量的煙氣從鍋爐煙道處引入燃燒器與助燃風充分混合，進一步降低NOx的排放。

將部分燃燒煙氣吸回，進入燃燒器，與空氣混合燃燒，形成貧氧混合空氣參與燃燒，既能有效降低火焰溫度，又能破壞形成氮氧化物的各分子按比例相遇的概率。由于煙氣再循環，燃燒煙氣熱容量大，燃燒中心溫度降低，NOx減少幅度明顯[1]。

控制系統改造：燃燒器運行控制采用RatiotronicTM6000系列燃燒程序控制器，該RatiotronicTM6000系列由英國DUNPHY燃燒器公司與英國ETC公司共同研發。其優點在于可以精確控制燃燒器的運行，高度的機電一體化，迅速接收反饋信號快速調節，保持最佳高效的運行;配置的燃料控制步進電機、助燃風控制步進電機、FGR控制步進電機實現各種空/燃比獨立調整，在低氮燃燒系統中能精確控制燃氣燃油、助燃風、FGR回流煙氣間的協調運行，達到最佳燃燒狀態，節約了能源，大樓改造設備清單表見表3。

2 改造效果

該工程于2019年10月23日完成工程改造，經上海市特種設備監督檢驗所對鍋爐進行外部檢驗，符合相關要求檢驗合格。上海工業鍋爐研究所有限公司對鍋爐低氮排放和鍋爐能效測試均符合DB31/387—2018和DB31/T1057—2017標準要求檢驗合格。

通過本次低氮排放的過燃燒器的改造、加裝煙氣循環FGR系統、改造控制系統，達到了上海市鍋爐氮氧化物排放水平應控制在50 mg/m3以內的標準。

3 結語

該次改造不改動鍋爐的承壓部分，不取消或修改鍋爐控制部分的安全聯鎖保護，由于增加了FGR的控制變量，運行控制采用RatiotronicTM6000系列燃燒程序控制器，該RatiotronicTM6000系列由英國DUNPHY燃燒器公司與英國ETC公司共同研發。其優點在于可以精確控制燃燒器的運行，高度的機電一體化，迅速接收反饋信號快速調節，保持最佳高效的運行;配置的燃料控制步進電機、助燃風控制步進電機、FGR控制步進電機實現各種空/燃比獨立調整，在低氮燃燒系統中能精確控制燃氣、助燃風、FGR回流煙氣間的協調運行，達到最佳燃燒狀態，節約能源。同時，RatiotronicTM6000系列控制器可監控火焰、閥組泄漏、壓力溫度、液位、燃氣流量、風量變化等20余組參數，因此可以很好地滿足鍋爐的運行要求。改造后的鍋爐運行工況良好，達到低氮環保要求。

參考文獻

[1]張曉紅.燃氣鍋爐低氮改造措施與應用效果[J].工程技術研究，2020，5（8）：12-13.