鍋爐低氮改造關鍵設備及技術分析

韓家才

（天津市特種設備監督檢驗技術研究院，天津 300050）

隨著我國科技的不斷進步及研究的不斷深入，在燃料燃燒的領域中，燃料一直是能量的重要來源，但是在如今研究階段中，燃燒的利用效率不僅低下，而且在其燃燒的過程中甚至會產生大量的有害氣體，比如氮氧化物，這對我們生存的環境造成了一定的污染。為了更好的解決這一問題，燃料在經過燃燒之后，必須要經過科學的處理，才能夠降低污染物的排放含量。隨著環境意識的不斷增強，國家環保部門也是連續出臺了各項保護環境的政策，于是對燃料燃燒技術提出了更高的要求，因此合理改造低氮燃燒技術，能夠有效的提高燃料燃燒的效率，更能夠起到保護環境的作用，因此在鍋爐工作運行的過程中，加強低氮燃燒技術的改造是勢在必行的。

1 低氮燃燒技術

低氮改造主要是在鍋爐的源頭和鍋爐的尾部進行的，簡單的來說就是控制好燃燒過程、處理好煙氣排放，對于鍋爐燃燒工作中，低氮燃燒技術是常用的控制處理方法，根據氮氧化物的生成原理，要想在鍋爐工作中減少氮氧化物的生成量，就需要合理控制好燃燒的過程，比如對燃燒時間、燃燒溫度進行控制，更要處理好煙氣排放工作。鍋爐低氮燃燒技術發展到如今，主要是采用以下技術措施來合理控制氮氧化物的生成和排放。

1.1 空氣分級燃燒

當燃料和空氣達到一個合適的混合比例后，燃料的燃燒速度越快，則燃燒溫度也會更高，為了降低燃料的燃燒溫度和燃燒強度，需要讓燃料與空間之間進行分階段的混合，這樣通過燃燒的還原性原理，能夠更好的抑制氮氧化物的生成，與此同時，在較低的空氣系數情況下，燃料完全燃燒，更能夠有效避免因為空氣系數過高而導致的排煙損失。

1.2 燃料分級燃燒

燃料的分級燃燒主要是指從不同的區域，在燃燒室內噴入燃氣，然后將全部噴入的燃料進行分區域、分階段的燃燒，其中一級燃燒，是指在氧氣很充足的條件下，燃燒過程中會產生一定含量的一氧化氮；二級燃燒，是在缺氧的條件下，在還原性反應中燃燒燃料，能夠將富氧條件下產生的一氧化氮再還原為氮氧化物，從而實現降低氮氧化物含量的目的。燃料的分級燃燒，能夠有效抑制住燃燒的集中程度，在分區域燃燒的環境下能夠更好的抑制住一氧化氮的生成。

1.3 煙氣再循環技術

在燃燒過程中所產生的煙氣物質，在經過環境內冷卻后，有一部分會發生再循環，再次進入到鍋爐的燃燒區域中，在燃燒區域中能夠起到降低燃燒溫度和降低燃燒氧濃度的作用，從而達到了減少氮氧化物含量生成的目的，這種則被稱之為是煙氣再循環技術。煙氣再循環技術的原理主要是通過煙氣在循環過程中產生的吸熱作用，來降低燃燒的溫度，降低氧氣的濃度和速度，以此減少氮氧化物的生成，這對于降低鍋爐氮氧化物生成含量有顯著的效果。煙氣再循環技術在應用過程中的效果并不是一直穩定的，其穩定性與產生循環過程中煙氣含量有一定的聯系，煙氣發生再循環的含量一般要在20%以下，若是含量過高，則會導致出現燃燒不穩定的情況，因此會加大燃燒中產生的損失，經過多次試驗的經驗表明，煙氣再循環技術中煙氣再循環的含量為15%時，鍋爐燃燒中氮氧化物的排放濃度可降低40%。

煙氣再循環技術在調節煙氣再循環的煙氣含量過程中，鍋爐風機的進口控制擋板起到了至關重要的作用，當擋板在進行控制過程中，通過處理煙氣量和燃燒負荷數據，就能夠歸納出鍋爐最佳的燃燒曲線，從而實現對煙氣含量的自動控制，再根據鍋爐在不同情況下工作的情況，控制煙氣含量從而能進一步控制氮氧化物排放濃度。煙氣再循環技術有優點的同時，就會存在一定的缺點，技術使用中會在一定程度上降低鍋爐的熱效率，需要進行有效精確的控制，才能夠降低對熱效率的影響，此種技術能夠單獨使用，也可以與其他低氮燃燒技術之間進行協同作用，能夠更好地降低氮氧化物的排放量。

1.4 全預混表面燃燒技術

在小型鍋爐工作作業中，采用全預混表面燃燒技術能夠有效控制氮氧化物的排放，在鍋爐燃燒作業過程中，金屬纖維的表面會發生均勻的燃燒反應，這更利于溫度的均勻控制，這樣一來能夠更好地降低金屬燃燒過程中的負荷度。金屬纖維表面在燃燒的過程中，會有一定含量的氧氣參與反應，一定量的空氣能夠有效降低燃燒火焰的溫度，因此全預混表面燃燒技術能夠更好的控制住氮氧化物的排放量，但是在控制過程中依然無法阻止排放熱量的損失，因此在全預混表面燃燒技術的實施下，更容易阻塞鍋爐頭部，其發生阻塞部位也很難實施清理工作。

在降低鍋爐氮氧化物生成的方面，預混燃燒具有很大的潛力，與其他燃燒技術相比較，能夠更多的減少氮氧化物的生成，但是預混氣體在排放過程中因為自身的穩定性較差，導致其具有較高的可燃性，在不可控的條件下甚至會出現回火的情況，會在很大程度上影響到鍋爐燃燒機的使用壽命，嚴重的還會帶來災害性后果。由于預混燃燒比較難控制技術安全性，如今在工業中應用的并不廣泛，此技術還具有一些無法忽視的缺陷，比如降低鍋爐工作作業的效率、增加鍋爐燃燒機排煙的損失、加大空氣系數等。

1.5 水冷預混燃燒技術

水冷預混技術主要是在燃燒預混的基礎上，加上了水冷卻燃燒技術，鍋爐中的火孔面主要是由多個火孔板組成的，在火孔板中設置好冷卻的水管，能夠利用灌輸冷卻水從而降低熱量的作用，有效降低火孔板的溫度，從而更進一步的降低氮氧化物的生成，同時還能夠在一定程度上避免因火孔板的溫度過高導致氮氧化物等混合物重新燃燒等情況的發生。

2 鍋爐低氮燃燒技術改造方案

鍋爐的低氮燃燒改造方法主要有以下幾種：（1）保留原來的鍋爐，更換低氮燃燒器；（2）更換鍋爐和燃燒器。在低氮燃燒技術的改造過程中，因為考慮到了鍋爐燃燒器的結構與低氮燃燒技術之間無法形成適當匹配，因此在改造過程中一般不會改造鍋爐的整體結構。

2.1 更換燃燒器

如果鍋爐投入工作作業的時間較短，同時鍋爐的整體受熱面積能夠滿足鍋爐改造的條件，那么就可以選擇更換鍋爐燃燒器的方式來進行改造。選擇鍋爐設備的型號時，首先要確定鍋爐的深度和直徑，在掌握了鍋爐的各項參數數據之后，才能夠進一步選擇合適鍋爐的燃燒技術。在一般情況下，對于蒸汽鍋爐和承壓鍋爐來說，最好是先選擇分級燃燒技術，然后參考煙氣在循環的燃燒器，針對小型的鍋爐來說，一般選擇全預混表面燃燒技術，在實施改造之前，應當全面檢查鍋爐房的現場環境，在測量鍋爐空間參數數據之后，才能夠更好的保證鍋爐改造的安全性，也能更好的避免改造預算超支和設備使用等問題。

2.2 更換鍋爐

改造鍋爐若是選擇整體更換鍋爐，也就是說要更換鍋爐和燃燒器，在改造的過程中不僅要選擇合理適當的燃燒技術，還應當充分考慮到更換措施的經濟性、可靠性以及穩定性等要素，在綜合考慮了改造成本高低和改造技術可行性的基礎上，才能夠進一步確定改造實施方案。在一般情況下，更換鍋爐整體結構必須要選擇相同規格的置換方式，比如原來的鍋爐中安裝的是2臺5.5MW的鍋爐，在更換鍋爐和燃燒機之后，依然要更換2臺相同規格的鍋爐，這樣的改造方式雖然會對鍋爐工藝管線和輔助設備造成一定的改變，但是對整個鍋爐的結構并不是產生較大的改動，從而能夠在一定程度上減少鍋爐的改造成本，減少改造的時間期限。比如，按照某市某小區的鍋爐房為例，其供熱面積大約為5萬m2，原來設置的是4臺鍋爐（規格：1.5MW），在改造的方案中，選擇了8臺鍋爐（規格：600kW），且從熱水鍋爐改變成為了低氮冷凝鍋爐，且兩者之間互相為備用的關系，這樣一來能夠減少改造的成本，節約鍋爐改造的投資成本。在因為環境因素的原因而不適用的鍋爐改造中，可以選擇水冷預混系列的鍋爐，這種低氮冷凝的鍋爐與原本熱水系統鍋爐相比，能夠更好地降低改造中投入的成本。

比如，某市物業公司有多個鍋爐房，且大部分鍋爐還處在地下室中，如果該物業公司選擇了承壓的鍋爐，則在鍋爐使用過程中很大的概率會造成安全上的隱患，因此在改造鍋爐過程中，將鍋爐的類型從承壓型鍋爐改成真空型鍋爐，則能夠降低鍋爐工作的功率，以此避免安全隱患，提高改造的效率。

3 改造案例

3.1 小型鍋爐的改造

某小型鍋爐房的供熱面積約15萬m2，此鍋爐房中原有2臺哈爾濱鍋爐廠有限責任公司生產的燃氣熱水鍋爐，鍋爐燃燒機以及其配套輔助設施在實施改造之前，氮氧化物的排放濃度為160mg/Nm3。在2020年底完成了低氮改造之后，采用了德國生產的燃燒機，燃燒機與鍋爐風機為一體，調節比例為1-5，同時采用煙氣循環技術，在經過低氮改造之后，經過檢測鍋爐排放的氮氧化物，發現氮氧化物的排放濃度降低到了50mg/Nm3。

3.2 大型鍋爐的改造

某大型鍋爐房的供熱面積為30萬m2，原有2臺中國東方電氣集團有點公司生產的燃氣熱水鍋爐，此鍋爐主要是以天然氣能源作為燃燒的燃料，鍋爐運行工作的方式則是采用微正壓運行方式，鍋爐燃燒機以及配套設施是由德國威索公司提供的技術支持，在改造之后，鍋爐的氮氧化物排放量為160mg/Nm3。與小型鍋爐房一起完成了改造，采用德國燃燒機進行比例調節，進行低氮燃燒技術改造后，發現鍋爐氮氧化物的燃燒濃度降低到了52mg/Nm3。

4 結語

總的來說，在鍋爐作業的過程中，低氮燃燒技術的主流是煙氣再循環技術和分級燃燒技術，而民用的鍋爐則會選擇全預混表面燃燒技術，能夠實現用戶的計量供暖模式。隨著我國科學技術的不斷發展，低氮燃燒技術的性能會不斷的提升，為了降低鍋爐工作中對環境造成的不良影響，從根本上就要合理控制好氮氧化物等污染物的排放量，因此在低氮燃燒技術的改造過程中，首先要針對鍋爐的情況進行有效的分析，選擇先進的技術和合理的措施進行改造，以此從根本上改善我們的生存環境。目前，我國鍋爐低氮燃燒技術已經發展的日益完善，與此同時有關工業企業更應當全面響應政府“節能環保”的號召，盡快在工作體系中完成低氮燃燒技術的改造，從而減少氮氧化物的排放含量，保護好我們賴以生存的環境。