對某鍋爐燃燒器環保改造原理的應用探究

成才林 高興民

摘? 要：該文論述了燃氣（天然氣）鍋爐在燃燒過程中產生氮氧化物（NOX）的機理，提出了降低氮氧化物濃度的3條途徑：一是采用具有超低氮功能的低氮燃燒器;二是增設煙氣再循環系統;三是增加燃燒器智能調節控制系統。根據這一原理，某單位改造了現有的3臺鍋爐，從實踐的結果來看，運行效果良好，鍋爐氮氧化物的排放數值由改造前的102mg/m3降低到了改造后的29mg/m3，達到了環保排放的要求。

關鍵詞：燃燒器? 氮氧化物? 煙氣再循環? 應用探究

中圖分類號：TU758.7 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）09（a）-0067-03

Abstract： This paper discusses the mechanism of nitrogen oxides （NOx） produced in the combustion process of gas （natural gas） boilers， and puts forward three ways to reduce the concentration of nitrogen oxides. One is to adopt the low nitrogen burner with ultra-low nitrogen function， the second is to add flue gas recirculation system， and the third is to increase the intelligent control system of burner. According to this principle， a unit has reformed the existing three boilers. According to the practice results， the operation effect is good. The NOx emission value of the boiler is reduced from 102mg/m3 to 29mg/m3， which meets the requirements of environmental protection.

Key Words： Burner; NOx; Flue gas recirculation; Application research

某單位現有2011年出廠的燃氣（天然氣）鍋爐3臺（1臺10t，2臺15t），負責整個單位采暖熱源供給。3臺鍋爐在投入使用時各項污染物排放指標均能達到當時標準要求，但是按照目前環保部門“在用鍋爐需通過改造使氮氧化物排放濃度不高于50mg/m3力爭不高于30 mg/m3”的要求，鍋爐目前狀況無法達標排放，需要加以改造。

1? 氮氧化物生成的原理

1.1 氮氧化物的分類與生成機理

燃氣（以天然氣為例，主要成分甲烷HC4）鍋爐在工作的過程中，所產生的廢氣氮氧化物（NOX）生成于空氣中的氮氣、氧氣以及燃料中的微量氮氣，共分熱力型NOX、快速型NOX和燃料型NOX這3種氮氧化物。

熱力型NOX，它是空氣中的氮氣（空氣的主要成分是78%的氮氣和21%的氧氣）和氧氣在高溫下發生化學反應生成的NOX，因為需要1500℃以上的高溫，所以生成的此類氮氧化物稱作熱力型NOX;快速型NOX，它是天然氣中的主要成分甲烷HC4，有一小部分在高溫狀態下首先分解成碳氫類原子團后，與NX反應生成HCN、CN等類物質，然后它們再被氧化生成NOX，因為它們的反應速度極快，瞬間完成，所以生成的此類氮氧化物稱作快速型NOX;燃料型NOX，它是燃料中的微量氮氣在燃燒過程中首先因受熱而分解，再接著被氧化而生成的NOX，因為此時的NOX來源于燃料中的氮氣，故稱此類氮氧化物為燃料型NOX。

對于天然氣鍋爐，因為天然氣中氮氣的含量微小（大約占1.1%），因而產生的氮氧化物可以忽略不計，所以天然氣鍋爐燃燒工作過程中產生的氮氧化物基本上屬于熱力型NOX和快速型NOX，那么只需考慮如何大幅降低熱力型NOX、快速型NOX的影響即可。

1.2 熱力型NOX產生的化學分析

熱力型NOX的生成是進入爐膛的助燃空氣，亦即N2和O2，在高溫下首先由O2分解成氧原子與氮氣分子發生下列鏈式反應：O+N2=NO+N，N+O2=NO+O，其中第一個反應起主導控制作用，其反應條件與溫度、氧原子的濃度有關，隨著環境溫度的上升和氧原子濃度的增大，總的反應產物也隨之增大。由于最終的總反應N2+O2=2NO，2NO+O2=2NO2是吸熱反應，所以降低溫度、降低氧氣含量會使熱力型NOX的生成量明顯降低。

結論：控制鍋爐排放熱力型NOX數量的方法可以概括為：降低燃氣火焰中心區的最高溫度;降低鍋爐爐膛內的平均溫度[1];實現較低空氣量的供給，即降低氧氣濃度。

1.3 快速型NOX產生的化學分析

以天然氣為例說明燃氣鍋爐在工作過程中所發生的化學反應。未參與燃燒的CH4會分解出大量的CH、C2等原子團，它們會在高溫的作用下和空氣中N2分子發生化學反應，包含CH+N2=HCN+N，C2+N2=2CN等。然后，火焰中存在的大量OH、O原子團，與上述產物發生如下反應：CN+O2=NCO+O，HCN+OH=NCO+H2，HCN+O=NCO+H。最后，NCO被氧化生成NO，反應如下：NCO+O=NO+CO，NCO+OH=NO+CO+H，則生成了快速型氮氧化物[2]。

結論：在鍋爐燃燒天然氣過程中，未參與燃燒而是先分解成CH類原子團的天然氣數量極少，所以快速型NOX，實際生成量很少，在考慮控制NOX的生成時，可以忽略快速型NOX的存在這一因素。

2? 鍋爐改造技術方案

根據以上氮氧化物產生的機理，重點從以下3個方面來考慮減少熱力型NOX的生成量。

2.1 超低氮燃燒器需與現有鍋爐相匹配

氮氧化物的形成與爐膛尺寸、爐膛內部結構都有直接關系，與鍋爐爐膛內壁耐火材料的熱吸收、熱反射性能也有一定的聯系，所以我們在設計燃燒器的時候，必須結合鍋爐的具體情況，明確鍋爐的具體參數，才能使燃燒器和鍋爐相適應，體現出低氮燃燒器應有的價值[3]。比如采用定制模擬仿真設計技術，使燃燒器與原有鍋爐最佳匹配，燃燒火焰適合爐膛尺寸，可以使燃燒與排放達到最佳運行狀態;采用氣槍分層、分段布置的技術，使空氣與燃氣混合均勻，燃燒充分，穩定無震動，可以有效降低氮氧化物的生成;燃燒器的喉部采用耐高溫不銹鋼材質，對于提高喉部質量、降低喉部溫度、進而降低氮氧化物的生成量也有一定作用。

2.2 增加煙氣再循環管道（FGR）

FGR煙氣回流措施降低氮氧化物排放的機理：煙氣的特點是含氧量低，其中還摻雜有不參與燃燒的氣體，包括氮氣、水汽、二氧化碳、二氧化氮等。取自鍋爐煙道底部的煙氣，經煙氣再循環管道與燃燒空氣混合后，就稀釋了助燃空氣中氧的含量，進入爐膛內實現低氧燃燒，使NOX的生成量減少了，達到鍋爐煙氣氮氧化物含量低的目的[4]。

2.3 增加智能調節控制系統

不像實驗室的理想狀態下的運行數據那么精準，NOX的生成機理其實非常復雜，但我們還是能夠推導出它的生成與爐膛火焰的溫度、助燃氧氣的濃度有關。隨著高科技的發展，低氮燃燒器的智能調節控制系統，能夠實時監測NOX生成量，以此來判斷NOX是否符合我們設定的排放標準，再自動調節天然氣、助燃空氣的供給比例，從而達到滿足煙氣中的NOX的含量要求。

3? 結語

新型超低氮燃燒器配合煙氣再循環系統是能夠實現氮氧化物達標排放的。某單位根據這一理論，對其三臺鍋爐進行了改造，更換了超低氮燃燒器，增設了煙氣再循環系統，更換了智能控制系統。在運行過程中，由當地環保部門監測，其氮氧化物的排放數值由改造前的102mg/m3降低到了23mg/m3，實現了達標排放。

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