燃氣鍋爐低氮排放的經濟性分析

呂曉軍，王 彬

（1. 陜西建工金牛集團股份有限公司，陜西 西安 710043；2. 西安陜鼓動力股份有限公司，陜西 西安 710075）

2015年，北京市發布實施了《鍋爐大氣污染物排放標準》。該標準規定自2017年4月1日起新建鍋爐氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm。2017—2018年，各地方參照北京市環保政策實施燃氣鍋爐低氮改造：一是新建鍋爐房，包括煤改氣項目，鍋爐環保指標按照氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm執行；二是對已建成的燃氣鍋爐進行低氮改造，將氮氧化物排放 ≤ 80 mg·Nm的燃燒器更換為氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm的燃燒器。地方政府同時制定了資金獎補政策，促進燃氣鍋爐低氮改造項目的實施。煙氣再循環（FGR）技術是目前實現氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm的燃燒器普遍采用的技術。本文主要介紹了FGR技術的原理和特點，并從鍋爐熱效率、鋼耗量、NO減排量三個方面對低氮鍋爐進行經濟性分析，提出在鍋爐和燃燒器設計中需要攻關的問題。

1 燃氣鍋爐低氮排放技術

1.1 NOx的生成途徑

（1）熱力型NO空氣中的N在900 ℃時，開始與O反應生成NO，此時反應速度比較緩慢。當溫度到達1300 ℃以上時，NO產出量快速上升，由此產生的NO生成量取決于溫度。（2）燃料型NO燃料中含有的NO在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化生成NO，其生成量主要取決于空氣、燃料的體積混合比（氧氣濃度）。（3）快速型NO燃料燃燒產生的碳氫化合物撞擊燃燒空氣中的N生成CN、HCN，再經過高溫氧化而生成NO（反應迅速，大約60 ms）?？焖傩蜕傻腘O所占比例不到5%，在溫度低于1300 ℃時，幾乎沒有快速型NO生成。天然氣中含氮量較低，因此，控制熱力型NO是降低NO排放的主要手段。

1.2 燃氣鍋爐低氮燃燒技術

目前，主流燃燒器廠家主要是通過降低爐膛溫度以及調整空氣與燃料的混合程度來實現低NO排放。因此，研究降低NO的技術首先是從燃燒器本身優化設計著手，采用特殊設計的燃燒頭，實現分段燃燒、爐內循環，從而實現NO排放50～80 mg·Nm的目標；再配合煙氣外循環技術，可以實現氮氧化物排放≤ 30 mg·Nm的目標。

2 燃氣鍋爐FGR技術概述

FGR技術是將部分低溫煙氣在燃燒器的吸入口側送入風機后與空氣混合，并通過風機出口側的調節送入爐內或直接將其通入爐內，以增加煙氣的流速及降低爐膛內的溫度來降低熱力型NO的形成，在送入煙氣側進行煙氣循環率的控制。隨著高溫輻射區的逐漸減少，熱力型 NO的生成得到有效的控制。FGR系統的關鍵參數是煙氣再循環率，即再循環煙氣量與不采用煙氣再循環時的煙氣量之比。

2.1 FGR煙風道布置

FGR技術是目前比較成熟且廣泛應用的降低NO排放的技術。不論是采用一體機的燃燒器還是采用分體機的燃燒器，都可以采用FGR技術來降低NO排放。通過控制煙氣的再循環率，可實現NO減排40%以上。

（1）采用一體機的燃氣鍋爐FGR系統

一體機燃燒器FGR管道布置如圖1所示。采用一體機的燃氣鍋爐FGR系統煙風道及FGR再循環煙道結構簡單。煙氣從鍋爐本體出來再經過節能器降溫后從煙囪排出；FGR再循環煙道將經節能器后的部分低溫煙氣抽取回燃燒器，與空氣匯合后再送入爐膛參與燃燒。低溫煙氣一方面吸收火焰的熱量，降低火焰溫度，另一方面降低反應區的氧量，有效降低了熱力型NO的生成。

（2）采用分體機的燃氣鍋爐FGR系統

分體機燃燒器FGR管道布置如圖2所示。采用分體機的燃氣鍋爐FGR系統中再循環煙氣在進入鼓風機前與空氣混合；空氣可以是冷風，也可以經空氣預熱器預熱后再與再循環煙氣混合，然后將混合風送入燃燒器。

圖2 分體機燃燒器FGR管道布置Fig. 2 FGR pipeline layout of the split-type burner

2.2 FGR對受熱面傳熱的影響

煙氣再循環的投入改變了吸熱量份額。隨著煙氣再循環率的增加，爐膛內溫度降低，使爐膛的輻射吸熱量減少。但是，煙氣在爐膛內的停留時間減少，爐膛出口煙溫變化不大；對流受熱面由于煙氣量增加，煙速提高，煙氣側放熱系數增加，對流傳熱量增加。

隨著煙氣再循環率的增加，輻射換熱量減少，煙氣在爐內的滯留時間減少，勢必對鍋爐的熱效率產生影響。因此，在使用煙氣再循環技術時，過量空氣系數盡量保持在1.0～1.1 之間，這樣既可以降低FGR對熱效率的影響，又可以降低NO的排放。試驗證明，煙氣再循環率應控制在 10%～20%左右。

2.3 FGR對運行穩定性的影響

（1）燃燒穩定性

FGR低溫煙氣匯入爐膛，使爐膛溫度降低，煙氣流速增加，燃燒穩定性也會隨著煙氣再循環率增加而降低，燃燒會出現抖動及熄火等現象，導致鍋爐只能低負荷運行，嚴重影響鍋爐出力。所以，燃氣燃燒器的設計運行在降低NO的同時應保證其爐內火焰穩定及燃燒效率。

（2）鍋爐穩定性

在2012年以來的“煤改氣”過程中，SZS型燃氣鍋爐在運行中暴露出一些不穩定問題。從該型鍋爐幾十年的設計運行經驗分析，一般蒸發量40 t·h（或熱功率29 MW）以下的鍋爐穩定性良好。但是大型化以后，鍋爐高度增加，自支撐結構的穩定性下降，對膜式壁、對流管束、煙風道的結構強度提出更高的要求。這些問題已經引起各鍋爐廠家的重視：一方面對膜式壁、對流管束進行加強，提高受熱面的剛度，增加穩定性；一方面降低煙氣流速，避免對流管束因為卡門渦街現象而產生共振影響結構剛度。另外，爐膛火焰穩定性也影響鍋爐本體的穩定，當火焰脈動頻率與爐體或煙風道振動頻率相同時，爐體或煙風道會產生振動，這時就要對燃燒作進一步調整。

3 FGR低氮燃燒技術的經濟性分析

以SZS130-1.6-Q型燃氣蒸汽鍋爐為例，分析煙氣再循環對鍋爐熱效率、風機功率、鋼材消耗和氮氧化物減排的影響。

3.1 鍋爐設計參數

額定蒸發量為130 t·h；額定蒸汽壓力為1.6 MPa；額定蒸汽溫度為204 ℃；排煙溫度為80 ℃；鍋爐效率為95%；燃料為天然氣，其低位發熱量為33077.3 kJ·Nm。

3.2 煙氣再循環對鍋爐熱效率的影響

鍋爐采用分體式燃燒器，FGR取煙點在節能器后，在不考慮冷凝器的情況下建立計算模型，獲得不同煙氣再循環率下的鍋爐性能參數。煙氣再循環率對能效的影響如表1所示。

表1 煙氣再循環率對能效的影響
Tab. 1 Effect of FGR rate on energy efficiency

煙氣再循環率/% 總煙氣量/（Nm3·h-1） FGR煙氣量/（Nm3·h-1） 排煙溫度/℃ 天然氣耗量/（Nm3·h-1） 鍋爐熱效率/%0116901 0 169 9637 92.0210 116901 11690 175 9645 91.9515 116901 17535 178 9660 91.8120 116901 23380 181 9675 91.67

從表1中數據可知，隨著煙氣再循環率的提高，鍋爐排煙溫度逐漸升高，熱效率降低。但是熱效率的變化很小，這主要是因為再循環煙氣增加后，爐膛輻射換熱量降低，但是對流管束換熱增加，因此，總體熱效率變化不大。

FGR再循環率為15%時燃料比不投用FGR時多消耗23 Nm·h。經計算，單臺鍋爐一個采暖季多消耗燃氣量66240 Nm。

3.3 煙氣再循環對風機功率的影響

在額定工況下，分別對煙氣再循環率為0%和15%兩種工況的風量、壓頭（進行了溫度、海拔修正并考慮了儲備系數）進行計算。風機功率計算結果如表2所示。

表2 風機功率計算結果
Tab. 2 Calculation of the fan power

煙氣再循環率% 風量/（m3·h-1） 壓頭/Pa 功率/kW 0126802 6920 35015 145823 8994 450

通過計算分析，投入FGR以后，由于煙氣量增加，對流管束煙氣流速增加，鍋爐煙氣流動阻力增大，風機功率增大，在相同負荷下耗電量增加。

3.4 煙氣再循環對鍋爐鋼材消耗的影響

隨著煙氣再循環率的提高，煙氣量增加，對流管束煙氣流速增加；爐膛火焰燃燒不穩定，火焰脈動。因此，在鍋爐設計時，就應考慮投入FGR對鍋爐穩定性造成的影響。一般對燃燒器采取調整配風、優化燃燒頭等方法提高燃燒器火焰的穩定性，減小脈動。而對于鍋爐則采取加強受熱面的方法提高整體剛度，例如采用大直徑厚壁管代替小直徑薄壁管、膜式壁外圍增加剛性梁等。投用FGR時燃氣鍋爐的鋼耗量比未投用FGR時增加10% ～15%。

3.5 煙氣再循環對鍋爐氮氧化物排放的影響

投用FGR以后，燃氣鍋爐氮氧化物排放低于30 mg·Nm，平均排放質量濃度為19.6 mg·Nm，優于陜西省最新的執行標準DB 61/1226—2018《鍋爐大氣污染物排放標準》中50 mg·Nm的要求。參照環保指標，可實現減排30.4 mg·Nm，即每燃燒1 Nm的天然氣，可減排352.6 mg的NO，環保效益明顯。從以上三點分析可以看出，燃氣鍋爐投用FGR以后，NO減排效果明顯，排放指標低于地方排放指標。但是，隨著再循環率的提高，鍋爐總體熱效率下降。如何在不影響鍋爐熱效率的情況下實現減排目標是鍋爐和燃燒器設計中需要解決的問題。

4 結語

FGR技術是實現燃氣鍋爐低氮排放的成熟技術，但是實際應用過程中遇到的燃燒穩定性、鍋爐穩定性、鍋爐效率下降、耗氣量增加、鋼耗量增加等問題也不能忽視。本文介紹了利用FGR技術降低NO排放的原理和特點，分析了FGR技術的經濟性。結果表明，煙氣再循環率的合理控制可以兼顧低氮排放和鍋爐熱效率。但是，由于投用FGR后鍋爐熱效率的下降不可避免，下一步應提高鍋爐熱效率，將FGR對鍋爐熱效率的影響降到最低，更好地實現節能減排的目標。