天然氣鍋爐低氮燃燒改造問題分析研究

朱航科

（中國航發(fā)西安航空發(fā)動機有限公司，西安 710021）

近幾年，隨著環(huán)境保護壓力越來越大，國家對工業(yè)大氣污染排放的要求越來越高，鍋爐煙氣的排放面臨更高的標準。燃煤工業(yè)鍋爐在經(jīng)歷了除塵、脫硫的大規(guī)模提標改造后，又面臨著降氮脫硝的改造[1]。天然氣燃料具有燃燒效率高和低污染排放的特點，可以廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶金、工業(yè)燃燒及鍋爐中。因此，全國各地逐漸涌現(xiàn)出大量燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐的項目。2015年，北京市發(fā)布了《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139-2015），其中明確要求2017年4月1日后新建燃氣鍋爐NOx≤30 mg/m3（標態(tài)）[2]。緊隨其后，各個地方城市紛紛對標，限定在用燃氣鍋爐NOx≤80mg/m3（標態(tài)），新建燃氣鍋爐≤（30～ 50）mg/m3（標態(tài)）。標準出臺后，大量已經(jīng)建成并投入使用的燃氣鍋爐面臨進一步進行低氮排放改造的要求，而對于新建燃氣鍋爐的NOx排放要求也更為嚴苛。

本文結(jié)合近幾年全國各地燃煤鍋爐煤改氣項目，以及在用天然氣鍋爐的低氮燃燒改造項目，在滿足鍋爐運行安全性的前提下，研究如何選用合適的燃氣燃燒器和降氮改造工藝，盡可能降低鍋爐運行中的NOx排放量。從天然氣鍋爐NOx產(chǎn)生的機理進行分析，結(jié)合長期大量的運行實踐經(jīng)驗，筆者指出燃氣鍋爐降低NOx排放的方法和燃氣鍋爐低氮排放改造的方向，并總結(jié)出改造中需要注意的問題，為類似天然氣鍋爐低氮排放改造提供借鑒和參考。

1 燃氣鍋爐NOx 的類型及其生成機理

化學(xué)反應(yīng)生成NOx的方式有幾百種。就鍋爐的燃燒而言，產(chǎn)生NOx的方式主要有熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx、N2O 中間型NOx、NNH 型NOx五種。而天然氣鍋爐（CH4≥98%）燃料成分比較單一，其生成的NOx主要為熱力型NOx和快速型NOx。

1.1 熱力型NOx 生成機理

熱力型NOx是指供給燃燒的空氣中的N2在高溫下氧化生成NOx的過程，其生成機理是由前蘇聯(lián)科學(xué)家捷里道維奇（Zeldovich）發(fā)現(xiàn)的[3]。熱力型NOx的生成速度可以用擴大的捷里道維奇機理表達：

式中，CO2、CN2、CNO分別為O2、N2、NO的濃度（mol/m3）；R為氣體常數(shù)8.314（J/mol·K）；T為溫度（K）。

當燃料濃度過濃時，還需要考慮以下反應(yīng)：

熱力型NOx基本是在燃料完全燃燒后進行的，其生成時煙氣溫度必須大于1 800 K，同時煙氣中含有多余的氧。生成NOx的量隨著煙氣溫度的升高和煙氣中氧含量的增加而增加。另外，煙氣在高溫區(qū)域經(jīng)過的時間越長，越有利于產(chǎn)生NOx。天然氣燃料中CH4的理論燃燒溫度為1 900～2 100 K，當燃料完全燃燒時，燃氣鍋爐爐膛出口溫度通常為 1 100～1 300 K。燃氣鍋爐設(shè)計的過量空氣系數(shù)a通常為1.05～1.10，燃料燃燒后兼具高溫和富氧的條件。因此，熱力型NOx是燃氣鍋爐運行時產(chǎn)生NOx的主要原因。

1.2 快速型NOx 生成機理

快速型NOx是弗尼莫爾（Fenimore）通過試驗發(fā)現(xiàn)的，是碳氫燃料（如CH4）在欠氧條件下快速生成的，而CO 和H2在燃燒時卻不會產(chǎn)生快速型NOx。

根據(jù)快速型NOx的生成機理，燃料的成分對于這種類型NOx的生成具有決定性的影響。當天然氣鍋爐的燃料成分確定后，這種影響就已經(jīng)被決定。要減少燃料燃燒產(chǎn)生的NOx，只能通過對燃燒鍋爐中過量空氣系數(shù)a的控制來調(diào)節(jié)快速型NOx的生成。當a≥1時基本上不會生成快速型NOx；當a略小于1 時，此時的快速型NOx生成速率最快。因此，使燃氣鍋爐的過量空氣系數(shù)a大于1，有利于降低NOx排放。

2 降低燃氣鍋爐NOx 排放的方法

當前，燃氣鍋爐通常都采用緊促型結(jié)構(gòu)布置，在燃燒器上直接配備送風系統(tǒng)，或采用獨立的鼓風機送風系統(tǒng)，與經(jīng)過燃燒器的天然氣混合后參與燃燒。其具有體積小、燃燒強度高的特點。爐膛內(nèi)著火環(huán)境通常為正壓或微正壓。燃料燃燒后一旦產(chǎn)生了NOx，再想把它還原為N2，盡管可以采用選擇性催化還原法（SCR）或非選擇性催化還原法（SNCR）進行處理，但是技術(shù)難度大，處理成本高已經(jīng)成為不爭的事實。因此，減少燃氣鍋爐燃燒過程中NOx的產(chǎn)生是減排的重要方向。

燃氣鍋爐常見的低氮燃燒控制技術(shù)主要包括：燃料預(yù)混燃燒控制技術(shù)、分級燃燒控制技術(shù)、煙氣循環(huán)控制技術(shù)等。燃料預(yù)混燃燒控制技術(shù)通常僅適合 2 t 以下的小噸位燃氣鍋爐，存在較高的安全風險，現(xiàn)在已經(jīng)較少采用。經(jīng)過近幾年的研究，加上市場的選擇，人們目前通常采用“低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)”技術(shù)，它被普遍認為是減排效果好且成本較低的方案。

2.1 低氮燃燒器的選用

NOx主要是在燃燒過程中產(chǎn)生的，通過以上分析可以看出，NOx的生成量主要與燃燒溫度和過量空氣系數(shù)a 有關(guān)，而這兩個因素又與燃氣/空氣的速度比、混合濃度、著火區(qū)域等因素有關(guān)[4]。為了實現(xiàn)燃燒器的低NOx排放，需要在保證鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)和受熱面要求的前提下，通過燃氣分級和空氣分級，形成穩(wěn)定的燃燒分級區(qū)域，滿足鍋爐運行負荷要求。

燃氣和空氣分級，就是將天然氣和空氣通過燃燒器的各個噴嘴，在橫向和縱向上以不同的陣列方式進行排布。在爐膛范圍內(nèi)，使燃料的燃燒盡可能地均勻分布，通過在燃燒器縱向上形成分散燃燒區(qū)域，避免熱負荷過于集中，降低局部燃燒溫度，達到控制NOx排放的目的。

常見的燃氣和空氣分級布置方式有周向分布（a）、中心向外圍層式分布（b）、軸向前后分布（c）、以及通過內(nèi)/外旋轉(zhuǎn)改變相鄰燃氣噴嘴來實現(xiàn)燃氣錯位的分級（d）方式，如圖1所示。

圖1 常見的燃氣和空氣分級布置方式

現(xiàn)有的低氮燃燒器，其燃氣和空氣的分級方式可能采用其中一種，也可能采用幾種分級方式的組合方式。在燃燒器的選擇上，需要根據(jù)所使用鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)、爐膛尺寸、鍋爐在各個負荷段的火焰長度、配風的方式，以及實際使用過程中的負荷調(diào)節(jié)范圍，選擇滿足負荷調(diào)節(jié)和排放要求的燃燒器。

傳統(tǒng)燃氣燃燒器的穩(wěn)焰盤內(nèi)的旋流葉片通常為平板式，助燃空氣流過時阻力大，流速和能量損失也大；其燃料噴嘴的布置方式通常沿著噴嘴軸向噴出，不帶旋轉(zhuǎn)或略帶傾角，氣體燃料不能很好地與助燃空氣交叉穿透進行混合燃燒，容易造成大范圍的局部高溫，生成大量熱力型NOx[5]。而改進后的新燃氣燃燒器，其穩(wěn)焰盤葉片多為帶傾角或弧度的流線型，氣體燃料沿著噴嘴與穩(wěn)焰盤成一定角度射出。融合亞音速超混合、強弱旋非線性旋流對沖力學(xué)以及濃度分級燃燒技術(shù)，使燃燒器在工作時可以從外部對空氣進口進行調(diào)節(jié)，在穩(wěn)定軸向流動的同時，使旋流區(qū)帶有傾角的葉片增加氣流通過時的切向速度，盡可能提高燃料與助燃空氣的混合均勻性，防止燃燒范圍內(nèi)局部溫度過高，從而有效降低熱力型NOx。

2.2 煙氣再循環(huán)技術(shù)

燃氣鍋爐的煙氣循環(huán)技術(shù)包括爐內(nèi)煙氣循環(huán)和爐外煙氣循環(huán)。爐內(nèi)煙氣循環(huán)主要依靠燃燒器來保證[6]。通過在燃燒器外側(cè)增加直流風或套筒回流罩等措施在燃燒器著火區(qū)域內(nèi)外側(cè)形成負壓區(qū)來控制煙氣回流量，降低燃料燃燒溫度從而降低NOx的產(chǎn)生量。這種方法對回流罩的材質(zhì)提出較大的考驗，同時對爐內(nèi)火焰形狀和尺寸也有較大的影響。采用內(nèi)外層組合軸向分級的射流燃燒技術(shù)，可以有效利用燃料氣體壓力降速率的射流能量，通過文丘里原理，吸入燃燒產(chǎn)生的CO2，從而稀釋燃氣，降低燃燒速度和燃燒溫度，達到降低NOx排放的目的。

爐外煙氣循環(huán)是通過再循環(huán)風機，從鍋爐尾部（通常為省煤器后端）抽取10%～20%的煙氣，與鍋爐鼓風機的送風一起送入燃燒器前端參與再次燃燒的過程。送入爐膛的再循環(huán)煙氣量通過再循環(huán)風機及再循環(huán)風門來進行調(diào)節(jié)，PLC 控制程序保證鍋爐負荷與再循環(huán)煙氣量及鼓風量相匹配，使燃氣鍋爐過量空氣系數(shù)a 保持在1.05～1.10。通過這種無氧或低氧煙氣迅速包圍剛著火的高溫煙氣，使燃氣燃燒溫度降低到低于1 800 K，同時稀釋鍋爐送風系統(tǒng)供給的多余氧氣，從燃燒的源頭破壞NOx的生成條件，降低熱力型NOx的生成。

爐外煙氣再循環(huán)被證明是能夠控制NOx排放的有效手段。在采用“低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)”的低氮排放改造系統(tǒng)中，煙氣再循環(huán)對降低NOx排放量的貢獻率可以達到40%。

3 燃氣鍋爐低氮改造過程中容易出現(xiàn)的問題

在近幾年新建燃氣鍋爐和在用燃氣鍋爐進行低氮燃燒改造的過程中，由于對低氮改造技術(shù)方案和后續(xù)產(chǎn)生的問題認識不到位，其間出現(xiàn)了較多改造失敗的案例。這其中既有改造后NOx排放無法達到預(yù)期的，也有改造后影響鍋爐運行負荷的，更有嚴重的出現(xiàn)安全事故的教訓(xùn)。結(jié)合多個燃燒器品牌改造實例以及多年燃氣鍋爐運行改造工作經(jīng)驗，筆者對燃氣鍋爐低氮改造中可能出現(xiàn)的問題進行了歸納。

（1）現(xiàn)有先進的低氮燃燒器運行時的NOx排放濃度基本可以控制在50～80 mg/m3。若需要達到更低的NOx排放標準，在改造時必須采用“低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)”的技術(shù)方案，近零排放則需要在此基礎(chǔ)上再增加煙氣化學(xué)后處理措施。

（2）選用低氮燃燒器進行燃氣鍋爐低氮改造后，要特別重視鍋爐運行和燃燒器的調(diào)試。除了按規(guī)定滿足鍋爐運行85%以上負荷時的排放要求，還必須對鍋爐各個負荷段的排放情況和燃燒情況逐一進行調(diào)試和對比。通常，為降低NOx排放，需要降低過量空氣系數(shù)a，但過低的過量空氣系數(shù)a不僅造成燃燒的不穩(wěn)定，也可能會大量增加快速型NOx的產(chǎn)生。同時，高負荷段鍋爐的劇烈振動也是在低氮改造中需要特別注意的。

（3）在用燃氣鍋爐進行低氮燃燒改造時，如果選用新的燃燒器，就必須與鍋爐設(shè)計單位溝通。考慮新燃燒器與鍋爐爐墻的安裝尺寸，對鍋爐爐膛內(nèi)部受熱面和內(nèi)部耐火混凝土的熱負荷重新進行核定，確保著火區(qū)域的改變不會影響鍋爐的正常熱力循環(huán)。同時，重新核定新低氮燃燒器對天然氣的供氣參數(shù)要求以及相應(yīng)的改造工作，考慮燃燒器改造對鍋爐原鼓風機送風能力的影響，以及原有鍋爐PLC 控制系統(tǒng)的兼容性和升級改造的可能性。

（4）由于采用爐外煙氣再循環(huán)，從鍋爐部位煙道中抽取一定比例稍高溫度的飽和煙氣，與鍋爐原有的鼓風機送風系統(tǒng)低溫空氣混合后，將會出現(xiàn)大量的冷凝水析出。因此，再循環(huán)煙氣的接入口位置需要認真考慮。再循環(huán)煙氣越靠近燃燒器入口，析出的煙氣冷凝水越少，但是煙氣與空氣的混合越不均勻，越容易導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定。再循環(huán)煙氣入口越靠近鼓風機出口，煙氣和空氣的混合越充分，越有利于降低NOx的排放，但是大量析出的冷凝水可能對煙道和燃燒器的正常運行造成影響。人們可以通過適當提高鼓風入口溫度，或者采用空氣預(yù)熱等方式適當提高送入爐膛的混合空氣溫度，使其高于環(huán)境空氣露點溫度，從而大幅降低煙氣冷凝水的析出。

進行低氮燃燒改造時，采用“低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)”技術(shù)方案，盡管降低燃料的燃燒溫度可能會造成鍋爐熱效率的下降，但是由于從鍋爐尾部煙道抽取了一定比例的煙氣量，大量的熱量重新進入鍋爐爐膛參與二次燃燒，在很大程度上抵消了燃料溫度降低對鍋爐效率的影響。從已經(jīng)進行低氮改造的案例看，目前采用此方案進行低氮改造后，鍋爐的熱效率在改造前后基本相當，個別鍋爐甚至出現(xiàn)了改造后熱效率進一步提升的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

天然氣鍋爐（CH4≥98%）燃燒生成的NOx主要為熱力型NOx和快速型NOx。要降低天然氣鍋爐的NOx排放，必須將燃料燃燒溫度控制在1 800 K 以下且保持燃燒區(qū)域盡可能均勻。同時，鍋爐過量空氣系數(shù)a 應(yīng)保持在1.05～1.10 范圍內(nèi)，越低越好。采用“低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)”技術(shù)方案，可以使天然氣鍋爐的NOx排放降低，使其低于30 mg/m3。煙氣再循環(huán)技術(shù)對在用燃氣鍋爐實現(xiàn)低氮排放具有重要作用，其方法實用簡單，投資費用低，效果顯著，對于鍋爐的節(jié)能降耗有一定的積極作用。