天然气锅炉低氮燃烧改造及应用效果分析

邱倚天

徐州海德测控技术有限公司 221000

摘要：随着国家对氮氧化物(NOx)排放要求越来越严格，提高NOx治理水平现已成为环保领域的研究重点。概述了锅炉NOx生成机理，对低氮燃烧技术特点进行分析,重点讨论了富氧燃烧技术的机理、特点和应用。NOx的生成机理复杂，与燃料特性、氧气含量、氮气含量、温度及炉膛结构等因素密切相关，锅炉燃烧过程产生的NOx根据其生成机理不同可分为燃料型、热力型、快速型、NNH型及N2O型5种。不同种类的锅炉可应用不同低氮燃烧技术或其结合来实现NOx减排。低氮燃烧技术具有种类多样化、适应范围广、成本较低等优点，是实现NOx减排的重要技术之一，目前应用较为广泛的低氮燃烧技术主要包括空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术与烟气再循环技术。其中空气分级燃烧技术运行经验多，适合锅炉改造项目，但其减排效果有限且存在燃烧不充分及腐蚀问题；燃料分级燃烧技术中以天然气为代表的气体再燃燃料降低NOx效果较好，但更适用于新建锅炉；烟气再循环技术对于现有锅炉改造较容易，但单独使用时NOx减排效果有限且对锅炉燃烧稳定性及燃烧效率有不利影响，宜与其他技术配合使用。

关键词：天然气锅炉;低氮燃烧改造;应用效果分析

引言

当前，诸多燃煤锅炉纷纷改造为燃气锅炉，以降低氮氧化物排放量。在满足锅炉运行安全性的前提下，本文研究如何选用合适的燃气燃烧器和降氮改造工艺，尽可能降低锅炉运行中的NOx 排放量。从天然气锅炉NOx 产生的机理进行分析，指出燃气锅炉降低NOx 排放的方法，指明燃气锅炉低氮排放改造的方向。同时，对燃气锅炉进行低氮燃烧改造中容易出现的问题进行总结，减少改造后续问题，提高在用燃气锅炉低氮燃烧改造的成功率。

1空气分级燃烧技术

空气分级燃烧(Air Staged Combustion)技术是目前应用最为广泛且成熟可靠的低氮燃烧技术，其基本原理是将空气分级送入炉膛使燃烧过程分阶段完成：第1级为主燃烧区，从主燃烧器供入炉膛的空气量一般仅占总燃烧空气量的75%左右，过量空气系数小于1，燃烧温度及速率降低，还原性气氛使NOx的生成量显著降低；第2级为燃尽区，剩余总燃烧空气作为燃尽风通过布置在主燃烧器上方的OFA(Over Fire Air)喷口进入炉膛，过量空气系数大于1，火焰温度相对较低，NOx的生成量较少。对于空气分级燃烧技术而言，调节其分级配风比例并优化配风位置是实现低NOx排放的关键。

深度空气分级可增强主燃烧区的还原性气氛、降低主燃烧区风速并延长NOx停留时间，促进H、CO及CH等组分基团与NOx的反应，进而实现NOx减排。现有煤粉锅炉中主燃区的过量空气系数通常控制在0.9～1.0，燃尽风量一般也不超过总风量的30%。采用深度空气分级后，控制主燃区过量空气系数在0.74～1.00、燃尽风比例不超过40%时，提高燃尽风比例可显著减少煤粉锅炉NOx的生成。但空气分级深度并非越大越好，空气分级过深会增加不完全燃烧损失、降低热效率，增加烟气中CO浓度与飞灰含碳量，易引起炉膛水冷壁壁面结渣与腐蚀，不利于系统安全运行。因此应综合考虑NOx排放量与燃烧效率，设定最佳的空气分级深度限值。进行半焦空气分级燃烧试验得到最佳燃尽风比例为39%；总过量空气系数为1.15时燃瓦斯气锅炉的最佳主燃烧区过量空气系数为0.85；模拟甲烷空气分级燃烧得到燃尽风比例为35%时，对应的NOx转化率最低；温宏炎等[18]通过试验研究油泥焦流化床燃烧得到平均过量空气系数为1.1且燃尽风比例为40%时，NOx减排效果显著；通过模拟研究生物质层燃锅炉空气分级燃烧时得到最佳一次风与二次风比例为43∶57

与单级气分级相比，多级空气分级更有利于NOx减排。韩佳宸等[20]采用四级空气分级燃烧可实现60%的NOx还原率，同时发现在保证炉内还原性气氛条件下各级燃尽风配比对NOx影响不大。研究发现将燃尽风分两级燃烧可较单级燃尽风工况减少NOx排放量约48%；采用燃尽风两级燃烧并在预燃燃烧器上布置外二次风喷嘴后，NOx减排量最高可达70.2%。采用燃尽风分级增强了主燃烧区的还原性气氛，促进了还原性基团与NOx的反应，有效减少了NOx生成量。采用二次风分级时，高速射入的外二次风可延迟其与燃料气流的混合、使燃烧区域后移，同时形成局部烟气循环可进一步增强还原性气氛，有利于NOx减排。

2烟气再循环技术

烟气再循环技术是将烟气通入到火焰区域当中，以此来促使燃烧温度降低，并且通过加入烟气来促使O2分压得以降低，以此来使得热力型NOx的反应减弱，NOx的生成量降低，烟气再循环技术包括外部烟气再循环与内部烟气再循环两种。其反应过程为烟气由燃气锅炉出口经过一外部管道而接入到燃烧器空气入口，由燃烧器重新进到锅炉膛内而进行燃烧过程，Baltasar等人[9]通过实验证实，利用外部烟气再循环能够将燃气锅炉NOx生成量降低70%左右；内部烟气再循环指的是通过合理设计燃烧器与炉膛的结构，来促使炉膛内的烟气回流至燃烧区域而参与燃烧反应，在工业应用中可以借助高速喷射火焰的卷吸作用等来实现内部烟气再循环。燃气再循环技术应用起来比较简便，但是其燃烧稳定性较差，并且会在一定程度上降低锅炉效率。

3燃气锅炉低氮改造过程中容易出现的问题

（1）现有先进的低氮燃烧器运行时的NOx 排放浓度基本可以控制在50～80 mg/m3。若需要达到更低的NOx 排放标准，在改造时必须采用“低氮燃烧器+烟气再循环”的技术方案，近零排放则需要在此基础上再增加烟气化学后处理措施。

（2）选用低氮燃烧器进行燃气锅炉低氮改造后，要特别重视锅炉运行和燃烧器的调试。除了按规定满足锅炉运行85%以上负荷时的排放要求，还必须对锅炉各个负荷段的排放情况和燃烧情况逐一进行调试和对比。通常，为降低NOx 排放，需要降低过量空气系数a，但过低的过量空气系数a不仅造成燃烧的不稳定，也可能会大量增加快速型NOx 的产生。同时，高负荷段锅炉的剧烈振动也是在低氮改造中需要特别注意的。

（3）在用燃气锅炉进行低氮燃烧改造时，如果选用新的燃烧器，就必须与锅炉设计单位沟通。考虑新燃烧器与锅炉炉墙的安装尺寸，对锅炉炉膛内部受热面和内部耐火混凝土的热负荷重新进行核定，确保着火区域的改变不会影响锅炉的正常热力循环。同时，重新核定新低氮燃烧器对天然气的供气参数要求以及相应的改造工作，考虑燃烧器改造对锅炉原鼓风机送风能力的影响，以及原有锅炉PLC 控制系统的兼容性和升级改造的可能性。

（4）由于采用炉外烟气再循环，从锅炉部位烟道中抽取一定比例稍高温度的饱和烟气，与锅炉原有的鼓风机送风系统低温空气混合后，将会出现大量的冷凝水析出。因此，再循环烟气的接入口位置需要认真考虑。再循环烟气越靠近燃烧器入口，析出的烟气冷凝水越少，但是烟气与空气的混合越不均匀，越容易导致燃烧不稳定。再循环烟气入口越靠近鼓风机出口，烟气和空气的混合越充分，越有利于降低NOx 的排放，但是大量析出的冷凝水可能对烟道和燃烧器的正常运行造成影响。人们可以通过适当提高鼓风入口温度，或者采用空气预热等方式适当提高送入炉膛的混合空气温度，使其高于环境空气露点温度，从而大幅降低烟气冷凝水的析出。

结语

天然气燃烧NOx的生成机理主要包括热力型与快速型，其中以热力型为主。要想降低天然气锅炉NOx的生成，主要是控制热力型NOx的产生，其次是控制快速型NOx的产生。从天然气燃烧NOx生成机理的影响因素来看，可以从控制燃烧温度、过量空气系数以及初始区火焰加热速度等来降低NOx的生成量。

参考文献

[1]王志宁，杨协和，张 扬，等.燃气锅炉中NO2的生成规律研究[J].化工学报，2019，36(2):20.

[2]赵 悦，刘文辉，于 宁，等.氮氧化物处理技术及其在催化剂生产中的应用[J].当代化工，2015，44(10):2431-2434.

[3]井 振.460t/h燃煤锅炉超低排放改造技术分析[J].当代化工，2018，47(3):587-591.

[4]刘少林，吴金星，倪 硕，等.中小型燃气锅炉NOx源头控制及低氮燃烧技术研究进展[J].工业锅炉，2018，(5):17-23.