天然氣低氮燃燒技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用

雷佳莉 楊玉鵬 陳 卓

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089）

天然氣低氮燃燒技術(shù)研究進(jìn)展及應(yīng)用

雷佳莉 楊玉鵬 陳 卓

（中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089）

近年來(lái)，北京不斷加大了對(duì)燃煤鍋爐清潔能源改造的力度，下發(fā)了一系列文件要求控制鍋爐氮氧化物排放總量，并鼓勵(lì)在用燃?xì)忮仩t進(jìn)行低氮改造。文章介紹了近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的低氮燃燒技術(shù)，希望為進(jìn)行無(wú)煤化鍋爐改造和低氮改造的工程提出指導(dǎo)性方法。

天然氣；氮氧化物；低氮燃燒技術(shù)；燃煤鍋爐清潔能源；排放總量

近年來(lái)，我國(guó)河北、山東、北京等地區(qū)頻繁遭遇霧霾天氣。2016年，北京市環(huán)境空氣中SO2年均濃度為10微克/立方米，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（60微克/立方米）；二氧化氮（NO2）年均濃度為48微克/立方米，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)20%；可吸入顆粒物（PM10）年均濃度為92微克/立方米，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)31%；PM2.5年均濃度為73微克/立方米，超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)109%。SO2年均濃度的降低得益于北京實(shí)行的“煤改氣”政策，北京市區(qū)內(nèi)集中供熱燃煤鍋爐逐步被燃?xì)忮仩t替代?！懊焊臍狻敝?，NOX已經(jīng)成為嚴(yán)重霧霾天氣的根源之一。2015年7月開(kāi)始實(shí)施的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/139-2015），規(guī)定2017年4月1日后新建的鍋爐氮氧化物的排放濃度降到30mg/m3以下。北京市發(fā)改委近日下發(fā)文件《關(guān)于北京市進(jìn)一步加快遠(yuǎn)郊新城集中供熱中心清潔能源改造工作的通知》（京發(fā)改[2017]472號(hào)）指出，要確保2017年10月底前北京南部平原地區(qū)“無(wú)煤化”及2020年底前北京市平原地區(qū)“無(wú)煤化”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。所謂“無(wú)煤化”是對(duì)現(xiàn)有鍋爐進(jìn)行“煤改氣”，改用天然氣為燃料的鍋爐如何達(dá)到《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/139-2015）中要求的30mg/m3以下標(biāo)準(zhǔn)，需要應(yīng)用天然氣低氮燃燒技術(shù)達(dá)到環(huán)保排放要求降低NOX總排量的目的。

1 天然氣燃燒氮氧化物產(chǎn)生過(guò)程

天然氣燃燒過(guò)程中氮氧化物的生成模型可以分為三類：熱力型NOx生成模型、快速型NOX生成模型、燃料型NOX生成模型。

熱力型NOX生成是指烴類或非烴類燃料在空氣過(guò)剩條件下（α＞1）和非烴類燃料在空氣貧乏條件下（α＜1）條件下生成的，主要是空氣中N2在高溫燃燒下氧化而成的NOX。

快速型NOX的基本現(xiàn)象是天然氣在空氣貧乏條件下（α＜1）由空氣中的氮在火焰前鋒面上的快速反應(yīng)而生成的。

燃料型NOX是指天然氣中及少量摻混的含氮化合物在燃燒過(guò)程中氧化而生成的，該類型氮氧化物在天然氣燃燒過(guò)程中極少生成。

工程中的各種鍋爐，天然氣的燃燒大部屬于擴(kuò)散型燃燒即鍋爐內(nèi)的空氣與天然氣邊燃燒邊混合，此種燃燒產(chǎn)生的NOX主要為NO和NO2，NO成分約占90%。

2 低氮燃燒技術(shù)研究進(jìn)展

低氮燃燒技術(shù)是基于氮氧化物的生成機(jī)理發(fā)展起來(lái)的減排技術(shù)，主要從以下三個(gè)方面尋找解決方法：（1）減少燃料周圍的氧濃度，包括減少總的空氣過(guò)剩系數(shù)、減少一次風(fēng)量、減少燃?xì)馊急M前與二次風(fēng)的摻混；（2）在含氧濃度較低的情況下，能夠維持足夠的時(shí)間，使生成的NOX經(jīng)過(guò)均相或多相反應(yīng)被還原；（3）在空氣過(guò)量的條件下，降低燃燒溫度，減少熱力型NOX的生成，如采用煙氣再循環(huán)等。

主要方法有空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)、濃淡燃燒技術(shù)、全預(yù)混燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)。

2.1 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

空氣分級(jí)燃燒技術(shù)是將空氣分級(jí)送入鍋爐，使天然氣在爐內(nèi)分級(jí)燃燒。通常采用的方法是第一級(jí)營(yíng)造貧氧燃燒環(huán)境，降低燃燒區(qū)域的氧濃度及燃燒溫度，減少熱力型NOX的產(chǎn)生；第二級(jí)將燃燒所需的其余空氣通過(guò)燃燼風(fēng)噴口（位于燃燒器）進(jìn)入爐內(nèi)，形成富氧燃燒環(huán)境，將燃料燃盡。燃燒過(guò)程中會(huì)有一部分一級(jí)燃燒殘留的氮氧化為NO，但由于燃燒溫度較低，總的生成量不大。

采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，通?？蓪⒌趸锏呐欧帕繙p少約20%～30%。但由于采用該燃燒技術(shù)之后，增大了不完全燃燒熱損失，致使?fàn)t膛內(nèi)的燃燒區(qū)域向后面區(qū)域偏移，導(dǎo)致?tīng)t膛出口煙溫驟升，從而大大降低了燃料燃燒的熱效率。

該技術(shù)目前在工業(yè)應(yīng)用中使用較為廣泛。

2.2 燃料分級(jí)燃燒

燃料分級(jí)燃燒也被稱為燃料再燃技術(shù)。

已生成的NO在遇到烴根和未完全燃燒產(chǎn)物時(shí)，會(huì)發(fā)生還原反應(yīng)?？偡磻?yīng)式為：

利用這一原理，將80%～85%燃料送入一級(jí)燃燒區(qū)（富燃料區(qū)），在過(guò)剩空氣系數(shù)大于1的條件下燃燒生成NOX；其余15%～20%的燃料則通過(guò)主燃燒器送入二級(jí)燃燒區(qū)，在過(guò)?？諝庀禂?shù)小于1的條件下形成還原氣氛，將NOX還原。二級(jí)燃燒區(qū)上面還布置第三級(jí)燃燒區(qū)（燃盡區(qū)），將二級(jí)燃燒生成的未完全反應(yīng)產(chǎn)物燃盡。

燃料分級(jí)燃燒法技術(shù)可以較大程度地降低NOX排放，一般情況下可以使NOX排放濃度降低50%以上，同時(shí)保證燃料一級(jí)燃燒的良好效果。

2.3 濃淡燃燒法

濃淡燃燒法適用于裝有兩個(gè)燃燒器以上的鍋爐，該方法原理是給部分燃燒器供應(yīng)較多的空氣（呈貧燃料區(qū)，α＞1），即燃料過(guò)淡燃燒，此過(guò)程空氣含量過(guò)量，使燃燒火焰降低，熱力型NOx產(chǎn)生量較少；部分燃燒器供應(yīng)較少的空氣（呈富燃料區(qū)，α＜1），即燃料過(guò)濃燃燒，此過(guò)程燃料過(guò)量，會(huì)有NOX生成，但因爐內(nèi)整體溫度較低，氧氣貧乏，其生成量較少；濃淡燃燒的兩種情況均偏離了NOX產(chǎn)生的化學(xué)當(dāng)量比，因此降低了NOx的生成濃度。濃淡燃燒法因天然氣在爐內(nèi)的持續(xù)燃燒使鍋爐內(nèi)的溫度更加均勻，從而降低爐內(nèi)燃燒溫度，延長(zhǎng)燃燒器及爐體壽命，同時(shí)提高天然氣的熱效率。使用該法工作時(shí)應(yīng)協(xié)調(diào)兩種燃燒形式，使?jié)獾パa(bǔ)、搭配均勻，才能達(dá)到好的降低火焰溫度、減少NOX產(chǎn)生的效果。

2.4 全預(yù)混空氣燃燒

燃?xì)馊A(yù)混燃燒是指天然氣在進(jìn)入燃燒器前與足夠的空氣充分混合，燃燒過(guò)程中不再供給空氣的燃燒方式。全預(yù)混燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?，燃燒室?nèi)容積熱強(qiáng)度高，一般可達(dá)28～56×103kW/m2，且能在很小的過(guò)?？諝庀禂?shù)下達(dá)到完全燃燒（通常α＝1.05～1.1），幾乎不存在不完全燃燒現(xiàn)象。全預(yù)混燃燒器表面式燃燒，火焰徑向分布，溫度場(chǎng)均勻，火焰穩(wěn)定，安全性好，與傳統(tǒng)的燃?xì)馊紵飨啾?，燃燒更均勻、充分，燃燒表面大，?qiáng)度高，空氣過(guò)量系數(shù)小，不需要二次空氣，省去了二次空氣的入口的面積，更有利于熱能的利用和環(huán)境保護(hù)。

（1）全預(yù)混燃燒不產(chǎn)生燃料型氮氧化物；（2）不產(chǎn)生快速型氮氧化物；（3）全預(yù)混燃燒降低了熱力型氮氧化物的生成濃度，因此降低氮氧化物濃度的效果較為明顯。但全預(yù)混燃燒器對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的要求較其他燃燒器更高，使用時(shí)應(yīng)該注意。

2.5 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是通過(guò)將鍋爐天然氣燃燒產(chǎn)出的煙氣重新引入燃燒區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒溫度及氧化物濃度的控制，從而實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物的排放和節(jié)約能源的目的。

該技術(shù)分為煙氣內(nèi)循環(huán)及煙氣外循環(huán)。

2.5.1 煙氣內(nèi)循環(huán)。通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒器喉口、燃燒頭、燃燒風(fēng)噴嘴、二次風(fēng)分級(jí)、二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)葉片、高速二次風(fēng)等零部件的諸多設(shè)計(jì)，使煙氣在鍋爐爐體內(nèi)形成回流，實(shí)現(xiàn)煙氣在爐膛內(nèi)的再循環(huán)。

內(nèi)循環(huán)煙氣在高溫區(qū)吸熱并稀釋該區(qū)氧濃度，降低燃料的燃燒速度和爐內(nèi)溫度，從而減少熱力型NOX的產(chǎn)生。

2.5.2 煙氣再循環(huán)。煙氣再循環(huán)是在鍋爐的空氣預(yù)熱器前（后）或鍋爐排煙管直接抽取一部分煙氣直接送入爐內(nèi)或與一次風(fēng)/二次風(fēng)混合后送入爐內(nèi)，煙氣的吸熱不但可降低燃燒溫度，也可降低氧氣濃度，進(jìn)而降低了NOX的排放濃度。

再循環(huán)煙氣量與不采用煙氣再循環(huán)時(shí)的煙氣量之比，稱為煙氣再循環(huán)率。煙氣再循環(huán)法降低NOX排放的效果與煙氣再循環(huán)率有關(guān)。研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)煙氣再循環(huán)率為15%～20%時(shí)，NOX的排放濃度可降低25%～30%；再循環(huán)率變大，NOX的降低率也隨之增加，但爐內(nèi)溫度下降太多，可能會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)燃燒及傳熱不穩(wěn)定，從而降低天然氣的熱利用率。同時(shí)，煙氣再循環(huán)技術(shù)中抽取的煙氣對(duì)空氣和天然氣能夠起到預(yù)熱的作用，有明顯節(jié)能效果。

煙氣再循環(huán)法可在一臺(tái)鍋爐上使用，也可和其他低氮燃燒技術(shù)配合使用，用來(lái)降低燃燒器空氣的濃度。該方法在使用過(guò)程中需要注意抽取煙氣溫度與風(fēng)道氣體混合后的混合風(fēng)冷凝臨界點(diǎn)溫度的問(wèn)題。

3 工程應(yīng)用時(shí)需要注意的問(wèn)題

對(duì)于現(xiàn)有需要改造的燃?xì)忮仩t，使用以上各個(gè)技術(shù)路線均需要對(duì)燃燒器進(jìn)行更換或改造，同時(shí)還需要注意以下問(wèn)題：（1）鍋爐房?jī)?nèi)是否具有足夠的改造空間。改造后能否滿足《鍋爐房設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于爐前爐后的距離要求；（2）新的燃燒器或改造后的燃燒器及相應(yīng)增加的配套設(shè)備是否會(huì)對(duì)現(xiàn)有電氣造成影響，現(xiàn)有配電是否能夠滿足改造要求；（3）新的燃燒器或改造后的燃燒器是否需要調(diào)整原有天然氣調(diào)壓箱或調(diào)壓站，現(xiàn)有燃?xì)鈮毫δ芊駶M足改造要求。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有的低氮燃燒技術(shù)在工程中單獨(dú)使用降低NOX的效果并不理想，如何結(jié)合各技術(shù)路線的優(yōu)點(diǎn)，研發(fā)出燃燒高效、適合市場(chǎng)的低氮燃燒技術(shù)，尤其是與先進(jìn)的燃燒器配合使用，對(duì)現(xiàn)有的天然氣鍋爐或其他燃燒設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，達(dá)到或低于規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)要求的排放量，是今后設(shè)計(jì)院所、工程實(shí)施單位及設(shè)備廠家研究的重點(diǎn)。

[1]鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13271-2014）.

[2]鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（DB11/139-2015）.

[3]趙向哲．試析天然氣鍋爐中的天然氣燃燒及調(diào)整[J]．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2014，（9）.

[4]吳筱，黃國(guó)強(qiáng)，梁紅英．天然氣燃燒中NOX減排的數(shù)學(xué)模型[J]．化工進(jìn)展，2017，26（1）.

[5]彭乾冰，錢廣華．天然氣低NOX燃燒技術(shù)研究及應(yīng)用[J]．石油石化節(jié)能與減排，2015，5（3）.

[6]吳雪晴．新型低NOX燃?xì)馊紵鞯臄?shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[D]．長(zhǎng)沙理工大學(xué)，2012.

[7]王惠云，王鵬南，武延華．降低燃?xì)忮仩tNOX排放的技術(shù)和應(yīng)用[J]．工業(yè)鍋爐，2014，（2）.

（責(zé)任編輯：蔣建華）

TQ038

1009-2374（2017）12-0066-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.034

雷佳莉（1986-），女，河北衡水人，供職于中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司能源與環(huán)境工程中心，碩士，研究方向：能源動(dòng)力工程設(shè)計(jì)。

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