采用分級低氮燃燒技術對燃氣鍋爐燃燒改進的研究

蔡玲，畢克剛*，畢永江，耿衛東

(1. 昆明市節能監察支隊，云南昆明 650031；2. 楚雄州質量技術監督綜合檢測中心，云南楚雄 675000)

隨著社會的發展，社會工業化程度逐漸加快，經濟發展取得了較大的發展與進步，但由此帶來的環境問題也成為了社會發展的重要問題之一[1-2]。目前，環境大氣污染問題尤為嚴重，氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒、酸性氣體及重金屬等均會對大氣環境帶來嚴重危害[3]。NOx是一種可以直接影響人體健康的環境污染物，極易引發溫室效應；更為嚴重的是，NOx可與空氣中的其他污染物結合，形成光化學煙霧，對環境帶來更加嚴重的危害[4]。由鍋爐排放產生的NOx占環境中NOx總量的40%左右[5]。因此，若要減少環境中的NOx的總量，需要嚴格控制鍋爐的NOx排放量。

大型燃氣鍋爐的應用較為廣泛，燃氣鍋爐在油田勘探、居民取暖、城市用電等方面均發揮了重要作用，對人們的正常生活以及工業發展影響較大[6]。現階段我國工業中大部分鍋爐運行的時間較長，部分鍋爐超負荷運行[7]。隨著我國環境標準越來越嚴格，運行時間較長的鍋爐已無法滿足當前環境標準的要求[8]。基于環境與經濟因素的雙重考慮，對鍋爐進行低氮燃燒改造尤為重要[9-10]。

筆者采用理論分析與實際計算方法相結合的方式，考察了目標燃氣鍋爐采用煙氣再循環技術后的各項參數指標，并根據指標對鍋爐低氮燃燒的煙氣再循環技術進行分析，旨在為后續燃氣鍋爐的低氮燃燒提供科學有效的借鑒。

1 研究概況

1.1 鍋爐燃燒中NOx的生成機理

鍋爐燃燒時會產生的大量的NOx，NOx是含氮化合物的總稱，常見的NOx主要包括NO、NO2、N2O以及N2O3等[11]。在實際應用中將NOx按照生成途徑的不同主要分為3種：熱力型NOx(又稱為溫度型NOx)、快速型NOx及燃料型NOx[12]。N2與O2在高溫條件下發生氧化反應而形成的NOx被稱為熱力型NOx[13]。通過燃料產生的CH原子團撞擊N2分子，形成HCN類化合物，隨即再與空氣中的氧氣反應生成NOx，經該途徑生成的NOx被稱為快速型NOx[14]。燃料中的氮化合物在燃燒過程中發生熱分解，并進一步氧化生成的NOx則被稱為燃料型NOx[15]。由于燃氣鍋爐在應用時燃料中不存在氮化合物，因此實際運行中燃氣鍋爐的NOx主要為熱力型NOx及快速型NOx。

快速型NOx產生時的環境溫度較低，一般為900～1 300 ℃，并且產生時間較短，在燃氣鍋爐的NOx中占比較少，φ約占10%[16]。在燃氣鍋爐的實際應用中，熱力型NOx占比最大，φ約為90%。

大量研究表明，熱力型NOx的生成主要受溫度的影響，當環境溫度低于1 500 ℃時，熱力型NOx的生成量較少，當環境溫度高于1 500 ℃時，NOx的生產量會逐漸增多，并且溫度每升高100 ℃，熱力型NOx的生成速率會提高約6倍[17]。在燃氣鍋爐的實際運行中，鍋爐內部燃燒程度不一，爐內溫度分布不均，因此較易出現局部區域熱力型NOx產生量較多的情況。

1.2 燃氣鍋爐主要結構

該研究中燃氣鍋爐的主要結構見圖1。

圖1 燃氣鍋爐結構示意

由圖1可見：該燃氣鍋爐主要可以分為燃氣部分、煙氣部分及給水部分等。煙氣主要在輻射段產生，經過渡段、過熱段、對流段，最后經煙氣出口排出。燃氣從燃氣系統輸入，之后與氧化劑在鍋爐爐膛內燃燒。給水部分則主要對系統進行換熱，以免環境溫度過高而影響鍋爐構筑物的安全運行。

1.3 改造方案

常用的鍋爐分級低氮燃燒技術有煙氣再循環技術、空氣分級低氮燃燒技術、燃料分級低氮燃燒技術、鍋爐低氮燃燒技術、旋流燃燒技術及富氧燃燒技術等[18-24]。結合所研究的燃氣鍋爐實際情況，對比分析了不同分級燃燒方法的優缺點，結果見表1。

表1 不同分級低氮燃燒技術的對比分析

由表1可見：空氣分級低氮燃燒技術雖然應用范圍廣泛，結構也相對簡單，但具體的減排效果較差；低氮燃燒器的減排效果較好，但其結構復雜，成本較高，應用條件的要求也較高，不適用于該燃氣鍋爐的實際情況；煙氣再循環技術的減排效果高于空氣分級低氮燃燒技術，且造價及使用成本也明顯低于低氮燃燒器技術[25-26]。綜上分析，采用煙氣再循環技術進行煙氣低氮燃燒研究。

2 結果與討論

2.1 燃氣鍋爐氧化劑及煙氣體積的變化

在進行煙氣計算時，假定燃料得到了充分燃燒，燃燒裝置采用常壓臥式燃氣鍋爐，額定功率350 kW，通過調節閥門保持煙氣中氧體積分數為3.5%，使過量空氣系數維持在1.1左右。氧化劑以及煙氣中的有效成分均為O2、N2、CO2以及H2O。分別考察了在不同煙氣循環率下的氧化劑以及煙氣中有效成分的體積分數分布情況，具體結果見圖2～3。

圖2 氧化劑中有效成分體積分數的變化情況

由圖2可見：當煙氣再循環率為0時，CO2以及H2O的體積分數均為0，N2以及O2的體積分數分別為0.745以及0.255。隨著煙氣再循環率的逐漸增加，CO2以及H2O的體積分數逐漸升高，N2以及O2的體積分數逐漸下降。煙氣再循環率為20%時，CO2以及H2O的體積分數分別為0.020以及0.04，N2以及O2的體積分數分別為0.729以及0.211。

由圖3可見：當煙氣再循環率為0時，煙氣中CO2以及H2O的體積分數分別為0.081和0.184；N2以及O2的體積分數分別為0.713以及0.022；當煙氣再循環率為20%時，CO2以及H2O的體積分數分別為0.083和0.187；N2以及O2的體積分數分別為0.714以及0.016。由此可知隨著煙氣再循環率的上升，在煙氣中，CO2以及H2O的體積分數逐漸升高，但是升高幅度較小。

圖3 煙氣中有效成分體積分數的變化情況

圖2及圖3中有效成分體積分數產生變化的主要原因是煙氣的引入改變了氧化劑的組成和預混氣體的成分，進而影響化學反應過程，使得反應熱釋放率發生變化，從而影響了有效成分的變化。

2.2 燃氣鍋爐的燃料使用量的變化

在鍋爐負荷值為50%，75%，100%，煙氣再循環率分別為0，10%，20%的條件下，分析了在使用煙氣再循環技術后燃氣過濾燃料使用量的變化，具體結果見圖4。

圖4 鍋爐燃料使用量的變化情況

由圖4可見：當煙氣再循環率為0時(沒有使用煙氣再循環技術)，3種鍋爐負荷條件下的燃煤使用量分別為931.43，1 397.15，1 862.86 m3/h；當煙氣再循環率為20%時，3種鍋爐負荷條件下的燃煤使用量分別為926.56，1 587.48，1 851.21 m3/h。該結果表明在同一鍋爐負荷條件下，隨著煙氣再循環率的提高，鍋爐的燃料使用量整體呈逐漸減少的趨勢，同時也可證明煙氣再循環技術的優越性。

2.3 煙氣鍋爐燃燒性質分析

考察了不同煙氣再循環率及不同鍋爐負荷與排煙溫度的關系，結果見圖5。

圖5 不同煙氣再循環率及鍋爐負荷與排煙溫度的關系

由圖5可見：當鍋爐負荷為50%時，煙氣再循環率分別為0，10%，20%時的排煙溫度分別為103.98，105.81，107.66 ℃，表明當鍋爐負荷相同時，煙氣再循環率越高，煙氣的溫度也越高，這主要是由于煙氣循環率升高后，煙氣的流速也會顯著升高，在鍋爐內的停留時間縮短，吸熱減少，由此導致煙道出口處的煙氣溫度升高。

當煙氣再循環率為0時，鍋爐負荷分別為50%，75%，100%時，排煙溫度分別為103.98，126.24，152.78 ℃，表明鍋爐負荷越大，煙氣溫度越高，這主要是由于鍋爐負荷增加后，煙氣流速增大，進而導致排煙溫度升高。

在鍋爐運行負荷為100%，過量空氣系數為1.1的條件下，考察了鍋爐燃燒效率與煙氣再循環率的關系，結果見圖6。

圖6 不同煙氣再循環率對燃燒效率的影響

由圖6可見：當煙氣再循環率為0時，煙氣燃燒效率為90.31%，當煙氣再循環率為20%時，煙氣燃燒效率為90.80%，隨著煙氣再循環率升高，煙氣的燃燒效率也逐漸升高，但燃燒效率升高的速率逐漸降低，這主要是由于隨著煙氣再循環率的升高，煙氣排煙溫度也會上升，進而影響了燃燒效率的升高速率。

綜上分析，鍋爐燃燒溫度與NOx的產生量的關系較大，鍋爐燃燒溫度降低，NOx產生量會明顯降低。因此，該研究也考察了使用煙氣再循環技術后煙氣再循環率對理論燃燒溫度的影響，結果見圖7。

圖7 理論燃燒溫度的變化情況

由圖7可見：當煙氣再循環率為0時，鍋爐內的理論燃燒溫度為1 950.34 ℃，當煙氣再循環率為20%時，鍋爐內的理論燃燒溫度為1 748.39 ℃，降低了201.95 ℃，表明隨著煙氣再循環率的逐漸升高，鍋爐的理論燃燒溫度逐漸下降，進而降低NOx產生量，達到低氮燃燒的目的。

3 結論

通過理論分析與實際計算相結合的方法，對目標燃氣鍋爐進行了研究，主要考察了使用煙氣再循環技術對燃氣鍋爐燃燒特性的影響，得出以下結論。

1)隨著煙氣再循環率的增大，氧化劑中的CO2以及H2O的體積分數逐漸升高，但升高幅度較低；煙氣中的CO2以及H2O的體積分數升高幅度較小。

2)在相同鍋爐負荷條件下，煙氣再循環率升高，燃料的使用量也逐漸減少，煙氣排放的溫度有小幅提升。

3)對于鍋爐的燃燒性質而言，隨著煙氣再循環率提高，煙氣的燃燒效率也逐漸升高，但是增幅較小。當煙氣再循環率為20%時，理論燃燒溫度下降了201.95 ℃，表明使用煙氣再循環技術可以有效降低鍋爐燃燒溫度，進而減少NOx的排放量。

該研究對燃氣鍋爐燃燒的各項指標均進行了考察，具有較好的實際參考價值，但沒有對鍋爐改造后的長期運行情況進行對比分析，在后續研究中將重點針對該問題進行討論。