燃氣鍋爐低氮燃燒技術應用及問題探討

摘?要：隨著北京市發(fā)布了《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139-2015），該標準中要求2017年4月1日后北京市內建設的燃氣鍋爐氮氧化物排放量排放濃度不得高于30mg/m3，隨后，武漢市人民政府于2019年3月26日頒布的《市人民政府關于印發(fā)武漢市2019年擁抱藍天行動方案的通知》中提出：“全面啟動燃氣鍋爐低氮改造。2019年底之前，各區(qū)至少完成本轄區(qū)內10蒸噸/小時及以上燃氣鍋爐低氮改造工作任務的50%。改造后，氮氧化物排放濃度不高于80mg/m3，鼓勵按照50mg/m3標準進行改造”。

本文就武漢市燃氣鍋爐低氮燃燒改造技術的應用及方案比選進行簡要分析（末端治理措施不在本文考慮范圍內），并總結出改造中存在的問題及注意事項，為武漢市燃氣鍋爐低氮燃燒技術改造提供參考。

關鍵詞：燃氣鍋爐;低氮燃燒;改造技術;方案比選

1、燃氣鍋爐氮氧化物產生機理

鍋爐廢氣中氮氧化物產生機理主要包括熱力型NOx、快速型NOx以及燃料型NOx。

①熱力型NOx

主要為空氣中的N2在1300～1500℃的高溫下與O2發(fā)生氧化反應生成，反應溫度越高，NOx的生成速度越快。主要機理如下：

O+N2→NO+N

N+O2→NO+O

N+OH→NO+H

其產生速率的影響因素包括溫度、氧氣濃度、燃燒時間、湍流度等。熱力型NOx是燃氣鍋爐氮氧化物產生的主要組成部分，約占總NOx產生量的85%以上。

②快速型NOx

主要是由燃氣中的碳氫化合物在1300℃以上的高溫環(huán)境下，先分解成碳氫自由基和空氣中的氮氣反應形成胺或氰基，再進一步發(fā)生氧化反應，以極快的速度形成的氮氧化物。主要機理如下：

CH+N2→HCN+N

N+H2→NH+H

NH+H2→NH3

HCN+O2→NO+HCO

該機理是由費尼莫爾于1971年根據碳氫燃料預混火焰的軸向NO分布實驗結果得出的。影響其生產速率的因素包括碳氫自由基的濃度及形成過程、氮分子反應生成氮化物的速率和氮化物間相互轉換率?？焖傩蚇Ox生成反應較快，但是反應環(huán)境較為苛刻，生成量僅占總NOx產生量的5%以下。

③燃料型NOx

主要是由燃料中含有少量的含氮成分，約在600～800℃的高溫燃燒過程中分解出來被氧化成NOx。而本文重點針對燃氣鍋爐進行分析，就武漢市內使用的天然氣和石油液化氣而言，其氮含量較低，相對燃料型NOx生成量較小，占總NOx產生量的10%以下。

2、燃氣鍋爐低氮燃燒改造技術方式

國內現行較為主要的低氮燃燒技術包括分級燃燒、燃燒預混以及煙氣再循環(huán)3種。

①分級燃燒技術

該項技術在低氮燃燒領域應用較為廣泛，包括燃料分級燃燒和空氣分級燃燒，其原理是通過將燃料或理論所需空氣分兩級送入鍋爐，從而使燃燒室分為兩個區(qū)域燃燒區(qū)。

燃料分級是首先將大部分燃料和全部理論所需空氣一同送入燃燒室，在燃燒室中部（主燃區(qū)）充分燃燒，火焰末端會形成一個富含碳氫基、氨基、氰基的低氧還原區(qū)，主燃區(qū)生成的NOx會在此區(qū)域被還原成N2;剩余部分燃料通過高速的空氣流或燃料自身的噴射速度卷入燃燒室后端（燃盡區(qū)）與剩余空氣繼續(xù)燃燒，燃盡區(qū)較主燃區(qū)，溫度有所降低，熱力型NOx產生量急劇減少，從而整體上降低了NOx的產生。其改造前后燃燒對比情況詳見下圖。

空氣分級是首先將全部燃料和大部分所需空氣一同送入燃燒室，在燃燒室主燃區(qū)形成一個缺氧富燃料的燃燒區(qū)，由于氧氣不足，燃燒不充分，溫度較低，熱力型NOx生成有所降低;經過第一次燃燒后的未燃盡的燃料與煙氣一同進入燃燒室末端的燃盡區(qū)，在燃盡區(qū)再送入剩余理論所需空氣，使剩余燃料達到完全燃燒，但由于一次燃燒后的較多煙氣存在，使氧濃度及二次燃燒溫度較低，從而進一步降低熱力型NOx的生成。

空氣分級方式雖降低了NOx的生成，但相對燃料分級方式而言，存在較多的未完全燃燒成分，從而使煙氣中飛灰量有所增加，故綜合來講，燃料分級燃燒效果更優(yōu)，技術較為先進的燃氣鍋爐分級燃燒器可將NOx控制在60mg/Nm3以下。

②燃燒預混技術

該項技術主要是將燃料及空氣在特制燃燒器前段進行預混合，使燃料和氧氣充分混合，形成均勻的混合可燃氣體，預混后的混合氣體具有燃燒速度快、燃燒效率高、爐內燃燒分布均勻等特點，爐內溫度可通過爐膛金屬內壁纖維均勻分布，則局部熱負荷將顯著降低，熱力型NOx生成量將大幅度減少，實驗證明，總NOx排放可控制在30mg/Nm3以下，但同時會產生大量煙塵，導致鍋爐清理維護工作量變大，爐膛內壁吸附煙塵后也會導致大量熱損失，且由于預混后的混合氣體具有極易燃性，而現狀技術還未成熟，容易造成回火現象，致使安全隱患較大，故未廣泛使用，僅在少量較小型（2.8MW以下）燃氣鍋爐使用。

③煙氣再循環(huán)技術

該技術主要是將較低溫的燃燒煙氣抽出，與燃燒空氣一同重新送入燃燒室內，該過程會使爐膛內氧含量降低，燃燒溫度降低，從而降低熱力型NOx生成，但因此存在的問題是，過量的循環(huán)煙氣量會降低燃燒效率，故合適的煙氣循環(huán)率（循環(huán)煙氣量與不采用循環(huán)煙氣時所產生的煙氣量之比）是該項技術有效性的重要指標。根據實際應用中發(fā)現，煙氣循環(huán)率控制在15%～20%之間時，熱力型NOx生成量可減少40%左右，且燃料熱效率也可最大化。該項技術的另一個特點為，即可在1臺鍋爐上單獨使用，也可與其他低氮燃燒技術同時使用。

3、低氮燃燒技術改造存在的問題

①燃燒器改造過程中改造不完全，燃燒器、燃氣閥、風機等不完全配套，市場提供的燃燒器種類、型號較多，存在未備案、未試驗的情況，存在安全隱患。

②燃燒器及爐膛維護保養(yǎng)不到位。采用預混技術的燃燒器空氣濾網清理不及時，致使濾網堵塞，空氣供給速度低于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，導致回火現象，嚴重時可引起爆炸事故;采用煙氣再循環(huán)技術的循環(huán)煙氣中水分長期積累，進入燃燒器或爐膛內，可能造成熄火保護裝置失效或頻繁動作，導致燃燒器點火失敗，多次點火失敗后，爐膛內燃料濃度將會達到爆炸極限，當點火前吹掃風不足的情況下點火，將會存在爆炸的風險;采用分級燃燒技術活分級燃燒+煙氣循環(huán)技術的操作人員能力不達標，設備運行參數設置有誤，煙氣中飛灰量增加、鍋爐底部排渣中灰水呈黑色，存在較多不完全燃燒顆粒、鍋爐熱效率降低。

4、存在問題的防范措施及注意事項

①完善低氮燃燒技術相關安全技術規(guī)范與技術標準。由于鍋爐低氮燃燒改造技術目前在國內應用時間較短，相關的選型、改造、安裝、調試維護保養(yǎng)等過程均未形成成熟的規(guī)范和標準，在此期間，建議安全監(jiān)察機構委托或組織專業(yè)機構對低氮燃燒改造過程及設備進行監(jiān)督監(jiān)管，可參照國外較先進的規(guī)范和標準，并盡快總結出適用于國內的規(guī)范和標準。分級燃燒技術改造過程中需重點注意的是對燃氣壓力的變化要求和供氣風道的強度。分級燃燒器燃料噴嘴較為密集，且孔徑較小，改造后對供氣壓力要求更高，且改造后，鼓風機功率隨之增大，響應的風速及風壓將增大，原有的風道強度不滿足要求時會發(fā)生風道震顫，從而使風道流量不穩(wěn)定，燃燒條件控制效果較差，嚴重時會導致點火失敗，多次點火失敗的話，會使燃料富集，遇明火易發(fā)生爆炸事故。

②加強燃燒器經營單位與操作人員的專業(yè)技術管理。低氮燃燒器生產、改造安裝及使用單位人員需進行相關技能的培訓，保證技術人員都能獲得充充足的知識儲備、熟悉機型、掌握新技術。

③強化鍋爐使用單位的主體責任意識。鍋爐使用單位需重視自身的安全生產意識，相關操作人員需具備全面的操作技術和事故應急能力。

參考文獻

[1]?倪碩，吳金星，燃氣鍋爐分級分段燃燒低氮技術研究，2018年4月

作者簡介：舒仕謙;男;1993.08.12;湖北黃岡;本科;漢;助理工程師（評中級工程師）;環(huán)境工程方向。