燃氣鍋爐低氮燃燒改造及應(yīng)用

[摘 要]順應(yīng)燃氣設(shè)備的NOx排放限值規(guī)范，高效燃燒技術(shù)是關(guān)鍵解決途徑，實現(xiàn)了燃氣鍋爐技術(shù)減少氮氧化物排放量的目的。文章根據(jù)廣州發(fā)展太平能源站有限公司燃氣鍋爐實際需求進行燃燒器選型，分析了NOx產(chǎn)生機理，并針對性地研究降低NOx的主要技術(shù)和FIR（煙氣內(nèi)循環(huán)）+FGR（煙氣再循環(huán)）低氮燃燒器的燃燒工藝，達到了超低氮排放的目的，為后續(xù)的燃氣鍋爐低氮改造提供了指導(dǎo)意義。

[關(guān)鍵詞]氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)；直燃型超低氮燃燒器；爐膛最高溫度；FIR+FGR

[中圖分類號]TK229.8 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0072–03

Low Nitrogen Combustion Transformation and Application of Gas Boilers

TAN Wenlong

[Abstract]In accordance with the NOx emission limit specification of gas equipment， efficient combustion technology is the key solution， which realizes the purpose of reducing nitrogen oxide emissions of gas boiler technology. According to the actual requirements of the gas boiler of Guangzhou Development Taiping Energy Station Co.， LTD.， the burner selection was conducted， the NOx generation mechanism was analyzed， and the main technologies for reducing NOx and the combustion process of FIR （flue gas internal circulation）+FGR（flue gas recirculation） low-nitrogen burners were studied specifically， so as to achieve the goal of ultra-low nitrogen emission. It provides guidance significance for the subsequent low nitrogen transformation of gas boiler.

[Keywords]nitrogen oxide emission standards； direct fired ultra-low nitrogen burner； maximum furnace temperature； FIR+FGR

1 設(shè)備概況

廣州發(fā)展太平能源站有限公司（以下簡稱“太平能源站”）燃氣鍋爐由江蘇雙良鍋爐有限公司制造，型號為SZS18-1.6/260-QT，形式為SZS-整裝雙鍋筒縱置室燃爐，蒸汽額定汽壓1.6 MPa，蒸汽額定汽溫260℃，蒸汽額定流量18 t/h，天然氣消耗量1 430 m3/h，燃燒器為芬蘭奧林制造，型號為GP-2000MEWD200微正壓室燃燃燒器，大氣污染物排放指標(biāo)，NOx≤148 mg/m3。

2 燃燒器選型

目前使用18 t燃氣蒸汽鍋爐，對燃燒器進行更換，市場上只更換燃燒器進行低氮改造的有以下4種方式。

（1）更換全預(yù)混金屬纖維網(wǎng)表面燃燒器。這種形式由于全預(yù)混金屬纖維網(wǎng)表面燃燒器需要加裝空氣過濾器，若鍋爐房塵土較多容易造成空氣過濾器堵塞嚴(yán)重導(dǎo)致爆燃。7 MW以上現(xiàn)有燃燒裝置，不推薦使用整體復(fù)合纖維金屬網(wǎng)格層燃燒技術(shù)方案改善方案。故不考慮這種形式。

（2）更換分級擴散式燃燒加煙氣再循環(huán)型超低氮燃燒器。這種形式的分級擴散式燃燒加煙氣再循環(huán)型超低氮燃燒器對鍋爐爐膛尺寸要求苛刻，煙氣回流量較大，改造后降低鍋爐效率可能性較高，故不考慮這種形式。

（3）更換直燃型超低氮燃氣燃燒器，不設(shè)置FGR。該形式超低氮燃氣燃燒器無需設(shè)置FGR，不會增加能耗降低熱效率，雖可將NOx排放降低至50 mg/m3，但對鍋爐爐膛尺寸要求苛刻，在目前無改動爐膛尺寸的情況下，該形式實現(xiàn)較難，同時后期有更低的NOx排放時需再次改造，故不考慮這種形式。

（4）更換直燃型超低氮燃氣燃燒器，加設(shè)FGR。設(shè)置FGR雖會影響熱損耗，但NOx排放不大于50 mg/m3，甚至可到達30 mg/m3。該形式對鍋爐爐膛尺寸要求低，在目前無改動爐膛尺寸的情況下，該形式更切合實際，同時后期有更低的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)時無需再次改造，排放更低，順應(yīng)環(huán)保的發(fā)展需求。

通過以上選型，第4種形式更適合太平能源站燃氣鍋爐低氮改造。

3 NOx產(chǎn)生機理

在燃燒階段生成NOx分為3種形態(tài)，即熱力型、快速型（又稱瞬時反應(yīng)型）和燃料型。

依據(jù)NOx生成途徑以及本研究涉及燃料屬性推斷，鍋爐內(nèi)部NOx產(chǎn)生過程的生成主要由熱力機制支配。減少有害氣體產(chǎn)生方法首先要優(yōu)化燃燒溫度、氧化劑量和燃油燃燒時長。

其中，熱力型NOx指燃燒時空氣中的N2在高溫下氧化生成NOx，高溫氧化反應(yīng)NOx的生成原理通常運用捷里道維奇模型，即當(dāng)溫度下降至1 450℃以下時，熱力型NOx的生成量很少，超出1 450℃時，溫度每上升100℃，反應(yīng)速率將提高6～7倍。在實際燃燒過程中，燃燒室內(nèi)的溫度分布不均勻，若有局部高溫區(qū)，則會生成較多的NOx。

實驗過程中NOx的產(chǎn)生速度與氧化劑濃度二次方根值表現(xiàn)出直接相關(guān)性，但在過量空氣系數(shù)大于1后，空氣量較大會降低燃燒溫度，使NOx生成量下降，而在過量空氣系數(shù)略小于1時達到最大。燃燒完畢后產(chǎn)物在高溫環(huán)境內(nèi)滯留時長越長，熱力型NOx生成量越大。

當(dāng)溫度高于1 500℃，隨著燃燒過程產(chǎn)生高溫NOx指數(shù)上升，每當(dāng)溫度上升100℃，反應(yīng)速度將提高6～7倍。

在碳氫化合物分子燃燒時期階段，特別是在充足供應(yīng)時，反應(yīng)區(qū)域迅速產(chǎn)生瞬時NOx。在燃燒階段諸多因素各自獨立變化，指標(biāo)均處于動態(tài)變化中，即便是最基本的燃料氣態(tài)物質(zhì)燃燒過程，也必須經(jīng)過燃料與空氣的混合過程，燃燒期間產(chǎn)生煙霧，最終氣體排出爐膛。

燃料和空氣混合物進入爐膛后，由于受到周圍高溫?zé)煔獾膶α骱洼椛浼訜幔旌衔餁饬鳒囟群芸焐仙灰|及著火點，燃料便燃燒起來，此時溫度值迅速升高，逼近理想中的最高熱值。依據(jù)煙霧團在周邊物質(zhì)之間對流交換和熱輻射作用，溫度數(shù)據(jù)逐漸降低，直到與周邊物質(zhì)溫度相同，即煙霧的冷卻過程期間穿過爐膛內(nèi)的全區(qū)域，由此可知，爐中火苗溫度梯度分布不均衡。距燃燒設(shè)備排放口特定位置的溫度逐漸升高至峰值，該部位溫度相對較低，即溫度波動顯著的區(qū)域，考慮到該區(qū)域溫度比較爐內(nèi)通常溫度水平差距明顯，所以其對NOx生成量起到顯著影響：溫度上升，NOx產(chǎn)量增加，所以在爐中，為了減少NOx排放量，除降溫外，還必須尋找方法確保爐溫均衡，防止局部過熱。

NOx排放的控制可通過抑制熱力型和燃料型NOx來實現(xiàn)。當(dāng)燃料為天然氣時，由于天然氣N含量較低，熱力型NOx是唯一可在實際中被控制的組分。燃燒修正技術(shù)通過降低火焰溫度實現(xiàn)，對降低熱力型NOx最為有效。

4 降低NOx的主要技術(shù)

由此可知，停留時間、燃燒溫度、N2含量和O2含量等對NOx的生成有直接作用，結(jié)合實際，可通過以下技術(shù)控制NOx生成。

（1）縮減過量指標(biāo)，降低氧化物濃度，測算燃燒范疇的氧化數(shù)值小于1。

（2）降低燃燒溫度可有效減少局部高溫區(qū)的形成。

（3）合理設(shè)計燃燒器內(nèi)部氣體流動特點，形成局部還原性氣氛。

（4）減少煙氣在高溫區(qū)內(nèi)停留的時間。

5 FIR+FGR低氮燃燒器的燃燒工藝

在煙氣中O2濃度3.5%、爐膛熱負荷1 250 kW/m3的條件下，NOx排放限量如下：不使用FGR技術(shù)，釋放出的廢排放物中NOx濃度少于50 mg/m3；使用FGR技術(shù)，排出氣體中廢氣中NOx濃度為不超出30 mg/m3；不同的爐膛尺寸對NOx排放值有較大影響。

依據(jù)NOx生成原理和本研究涉及燃料屬性計算出，爐內(nèi)的NOx生成主要是由熱力學(xué)反應(yīng)所引起，降低有害氣體產(chǎn)生方法需控制燃燒環(huán)節(jié)溫度參數(shù)、氧氣供應(yīng)和高溫區(qū)滯留時長，降低其產(chǎn)生。煙氣再循環(huán)系統(tǒng)是用于降低燃燒器NOx排放量的技術(shù)，其用于特殊工況下的非標(biāo)準(zhǔn)配置。

FGR通過以下兩種方式降低NOx排放量。

（1）冷卻的、相對惰性的再循環(huán)煙氣作為散熱器，吸收來自火焰的熱量，降低火焰峰值溫度，達到低氮排放。

（2）當(dāng)助燃空氣混合時，再循環(huán)的煙氣降低了空氣中的平均含氧量，減少了NOx的合成反應(yīng)，從而減少NOx的排放。

基于此，選用分級燃燒和文丘里效應(yīng)為基礎(chǔ)的（FIR+FGR）引射式超低氮燃燒器，燃料通過外環(huán)燃氣噴管高速噴入，流進引射管時產(chǎn)生較大的噴口壓力真空，這種技術(shù)能形成強烈的內(nèi)循環(huán)效果，再次將燃氣與部分回流煙氣進行卷吸混合，達到降低火焰最高溫度的作用，使煙氣排放基礎(chǔ)NOx降到最低，同時，F(xiàn)GR技術(shù)可達到NOx排放量30 mg/m3的效果。

為了使低氮燃燒器能適應(yīng)較大的調(diào)節(jié)范圍且燃燒穩(wěn)定、燃燒供熱連續(xù)和充足，擬采用的低氮燃燒器設(shè)計原理如下。

（1）爐內(nèi)采用擴散燃燒模式，此時空氣與燃氣分開進入爐膛，有效防止了回火現(xiàn)象，擴大了燃燒的調(diào)控區(qū)間。

（2）分級燃燒。供氧介質(zhì)劃分為首批氣流和次批氣流，燃料氣體穿過由中心向外圍3層環(huán)繞通道送入燃燒裝置，可燃氣體和一級風(fēng)交織以后的燃燒過程，于燃燒區(qū)里中產(chǎn)生氯素濃度較高的燃燒區(qū)域，并延后二級氧化風(fēng)的介入，形成局部還原環(huán)境，可顯著減少NOx。

（3）運用高速與低速氣體流動手段，借助速度差異優(yōu)化混合效率，確保燃燒效率，裝置包括燃氣固定及空氣攪拌裝置，在燃燒區(qū)中建立較高溫度狀態(tài)低速循環(huán)系統(tǒng)，利用連續(xù)燃燒過程氣流運動旋轉(zhuǎn)動作噴射，使火焰形態(tài)符合燃燒室大小。

（4）利用調(diào)控隔離物分為兩種類型流向，各自進入旋轉(zhuǎn)區(qū)域和直流室中，改變比例以控制火焰長度目標(biāo)，使?fàn)t腔溫度均衡和避免損害管道。

（5）固定比例的天然氣和氧化劑通過燃燒室上的通道直接抵達高溫低速氣流區(qū)內(nèi)，調(diào)整燃料混合比，產(chǎn)生穩(wěn)定燃燒溫度，增強燃燒系統(tǒng)在重負荷運行狀態(tài)下的燃燒穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益。

（6）按照氣流分布模式和核心氣流參數(shù)，燃料噴射和氣流交互界面顯著擴大，導(dǎo)致高溫部位溫度和O2含量減少，降低N2O生成。

（7）燃燒裝置將單獨火焰劃分為無數(shù)微小火焰，微小火焰具有更寬廣的熱輻射范圍，火焰溫度下降，使得NOx生成量降低。細小火苗減少了各種氣體成分在火焰內(nèi)部的滯留時長，對NOx表現(xiàn)出明顯的約束效果。

（8）燃燒裝置的核心部件配備有特設(shè)點火裝置，能夠確保啟動時自動點火和燃燒波動時提供燃燒必需輔助燃料。

（9）爐膛廢氣借助開發(fā)燃燒裝置利用射流作用于爐膛內(nèi)部形成旋渦，在關(guān)鍵部位形成回流，推動廢氣返回，令廢氣在燃燒裝置內(nèi)循環(huán)利用。考慮到煙霧繚繞，減少燃燒過程中排放物中的濃度值，降低燃燒溫度，避免過熱現(xiàn)象產(chǎn)生和減少煙霧顆粒在高溫區(qū)域的滯留時間。

6 結(jié)束語

太平能源站采用先進的低氮燃燒技術(shù)對燃氣鍋爐進行改造，實際應(yīng)用結(jié)果顯示，NOx排放量從130 mg/m3降低到30 mg/m3以下。這一顯著的減排效果驗證了低氮技術(shù)的有效性與可行性，確保鍋爐環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)達標(biāo)的同時保持了高效運行。此次成功改造為未來類似燃氣鍋爐的低氮改造項目提供了寶貴的經(jīng)驗和強有力的技術(shù)支持，展示了環(huán)保技術(shù)在實際應(yīng)用中的廣闊前景。

參考文獻

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