FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)在燃?xì)溴仩t低氮燃燒中的應(yīng)用

齊振宇，李運(yùn)杰，何 帥

（青島海灣化學(xué)股份有限公司，山東 青島 266000）

氫氣作為氯堿生產(chǎn)過程中的主要副產(chǎn)物之一，產(chǎn)出后經(jīng)降溫、除水及壓縮等工序處理，得到高純度的常溫氫氣，可作為清潔能源使用。氯堿生產(chǎn)中主要通過燃?xì)溴仩t將產(chǎn)生的氫氣作為燃料燃燒， 產(chǎn)生蒸汽供生產(chǎn)使用。但在燃燒過程中因燃燒器、燃料配比等原因造成燃燒不充分， 會在燃燒尾氣中產(chǎn)生氮氧化物污染環(huán)境，因此，實(shí)現(xiàn)低氮燃燒對于燃?xì)溴仩t的使用具有重要意義。

1 燃?xì)溴仩t工藝流程

來自氫氣處理工序的氫氣通過管道輸送至燃?xì)溴仩t界區(qū)，經(jīng)閥組進(jìn)入燃?xì)溴仩t燃燒器的燃燒室；空氣經(jīng)助燃風(fēng)機(jī)加壓后， 經(jīng)自動調(diào)節(jié)閥進(jìn)入燃?xì)溴仩t燃燒器的燃燒室； 天然氣從外管網(wǎng)送到界區(qū)后經(jīng)閥組進(jìn)入燃?xì)溴仩t燃燒器的燃燒室?？諝馀c氫氣、天然氣按一定比例混合燃燒， 在爐膛內(nèi)放出大量熱量并生成高溫?zé)煔猓訜徨仩t內(nèi)除氧水產(chǎn)生飽和蒸汽。高溫?zé)煔饨?jīng)鍋爐及節(jié)能器換熱進(jìn)行廢熱回收利用后，由煙囪高處排放[1]。

來自脫鹽水站的脫鹽水首先進(jìn)入脫鹽水箱，經(jīng)除氧水泵送至除氧器加熱除氧， 除氧后的脫鹽水由鍋爐給水泵經(jīng)節(jié)能器送至鍋爐上鍋筒進(jìn)行加熱，產(chǎn)生飽和蒸汽。飽和蒸汽經(jīng)氣水分離后送至低、中壓蒸汽管網(wǎng)，供各裝置使用。

燃?xì)溴仩t系統(tǒng)的組成為氫氣燃燒器與燃燒控制系統(tǒng)、儀表與控制系統(tǒng)、鍋爐供水水質(zhì)處理系統(tǒng)、鍋爐本體和氫氣的收集處理輸送系統(tǒng)。

燃?xì)溴仩t一般具備2 套燃?xì)饪刂崎y組，1 套為氫氣控制閥組，1 套為天然氣控制閥組，2 套閥組用于控制對應(yīng)燃?xì)獾牧髁考皦毫Γ?以保證燃燒器的燃?xì)馀浔燃皦毫Ψ€(wěn)定。 其中天然氣對燃?xì)溴仩t主要有2 種用處，（1）將天然氣用做點(diǎn)火燃?xì)猓糜阱仩t點(diǎn)火啟爐，在成功引燃?xì)錃獠⒎€(wěn)定燃燒后，停止天然氣供給；（2）主要用于產(chǎn)能較大的氫氣鍋爐，因使用過程中用氣量變化幅度較大，為保證燃燒器火焰穩(wěn)定，利用天然氣比氫氣更優(yōu)的燃燒穩(wěn)定性， 將天然氣用于燃燒器中心槍火焰燃?xì)狻?/p>

2 尾氣中的氮氧化物

2.1 氮氧化物的定義

氮氧化物是對由氮、氧兩種元素組成的化合物的總稱，包含一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮、三氧化二氮、四氧化二氮和五氧化二氮等多種化合物。 除一氧化二氮及二氧化氮以外， 其他氮氧化物均不穩(wěn)定，遇光、濕或熱變成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又變?yōu)槎趸?因此，職業(yè)環(huán)境中接觸的是幾種氣體混合物，常稱為硝煙，主要為一氧化氮和二氧化氮，并以二氧化氮為主。氮氧化物都具有不同程度的毒性[2]。

2.2 氮氧化物產(chǎn)生的原因及分類

在鍋爐燃燒中， 生成氮氧化物的作用機(jī)理主要分為3 種， 即燃料型NOx、 熱力型NOx 和快速型NOx。 而影響NOx 生成量的主要因素為燃燒溫度，助燃?xì)夂考叭紵龝r間。

（1）燃料型NOx

燃料中含氮有機(jī)物在高溫燃燒下吸收能量，含氮有機(jī)物化學(xué)鍵斷裂， 產(chǎn)生游離的氮離子與空氣中的氧氣反應(yīng)化合生成燃料型NOx，燃料中存在的含氮化合物雜質(zhì)是燃煤鍋爐氮氧化合物的主要來源，但氯堿生產(chǎn)穩(wěn)定狀態(tài)下產(chǎn)生的氫氣較為清潔， 不含有其他含氮化合物， 因此在燃?xì)溴仩t運(yùn)行過程中基本不會產(chǎn)生燃料型NOx。

（2）快速型NOx

快速型NOx 產(chǎn)生的原因是在燃?xì)忮仩t使用碳?xì)浠衔镒鳛槿剂蠒r， 當(dāng)燃燒區(qū)域碳?xì)浠衔锶剂蠞舛容^高， 火焰燃燒區(qū)附近將會快速產(chǎn)生NOx，其反應(yīng)生成時間約0.06 s，速度較快，因此快速型NOx又被稱作瞬時型NOx，反應(yīng)方程式為：

CHi+N2→HCN+O2→NO

快速型NOx 的生成基本不受燃燒溫度的影響，其產(chǎn)生的前提是使用含有碳?xì)浠衔锏娜剂希?因此在燃?xì)溴仩t中， 僅在使用天然氣作為中心槍穩(wěn)焰型號的鍋爐才會產(chǎn)生快速型NOx，且此種氮氧化物生成量較小， 不是燃?xì)溴仩t尾氣中氮氧化物的主要來源。

（3）熱力型NOx

在鍋爐燃燒器附近， 燃?xì)庠诳諝庵枷聞×胰紵?與空氣中的氮?dú)夂秃跷镔|(zhì)反應(yīng)， 生成熱力型NOx，反應(yīng)機(jī)理是一個不分支的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，反應(yīng)方程式為：

O2→2O

N2+O→NO+N

N+O2→NO+O

熱力型NOx 是燃?xì)溴仩t主要氮氧化物來源，其產(chǎn)生主要受燃燒溫度的影響，燃燒溫度越高，生成反應(yīng)越劇烈，一般在燃燒溫度超過1 500 ℃，其生成量明顯上升， 同時助燃空氣中的氧濃度也將影響熱力型NOx 的生成，氧含量高時，熱力型NOx 生成量增加。

3 燃?xì)溴仩t低氮運(yùn)行

想要降低燃?xì)溴仩t尾氣氮氧化物含量， 實(shí)現(xiàn)低氮運(yùn)行，主要有以下2 種途徑，（1）從源頭處控制氮氧化物的生成，即實(shí)現(xiàn)燃?xì)溴仩t的低氮燃燒，以降低氮氧化物排放；（2）對鍋爐尾氣中的氮氧化物進(jìn)行處理，控制氮氧化物的排放，實(shí)現(xiàn)鍋爐低氮運(yùn)行。

若從源頭處實(shí)現(xiàn)燃?xì)溴仩t的低氮運(yùn)行， 就需實(shí)現(xiàn)鍋爐的低氮燃燒， 燃?xì)溴仩t氮氧化物主要為熱力型NOx，而影響熱力型NOx 生成量的主要因素為燃燒溫度，其次為燃燒時氧含量，因此，實(shí)現(xiàn)燃?xì)溴仩t低氮燃燒可從2 個方面入手，（1）降低燃?xì)溴仩t運(yùn)行時的燃燒溫度；（2） 適當(dāng)降低燃?xì)溴仩t運(yùn)行時燃燒室過氧濃度。 同時從以上兩個途徑共同作用實(shí)現(xiàn)低氮燃燒的常用方式則是煙氣再循環(huán)技術(shù)的運(yùn)用。

4 FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)

4.1 FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)作用原理

煙氣再循環(huán)技術(shù)的作用原理就是將鍋爐燃燒后產(chǎn)生的排放尾氣提取部分量， 與鍋爐助燃空氣進(jìn)行充分混合，混合氣送入燃燒器內(nèi)進(jìn)行助燃燃燒。而此技術(shù)的運(yùn)用主要是依靠FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，實(shí)施方案是在鍋爐出口煙氣管道與鍋爐鼓風(fēng)機(jī)至鍋爐燃燒器管線之間架設(shè)一道煙氣管道， 在此管道中間安裝FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)及配套可調(diào)節(jié)風(fēng)門， 通過FGR煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)抽取部分出口煙氣送至鍋爐鼓風(fēng)機(jī)出口，使鍋爐出口煙氣與助燃空氣充分混合，再由鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生推動力進(jìn)入燃燒器燃燒， 實(shí)現(xiàn)出口煙氣的循環(huán)再利用[3]。

將鍋爐出口煙氣抽取一部分用作再循環(huán)煙氣，使鍋爐爐膛溫度降低，爐膛輻射換熱量降低，改變了鍋爐輻射熱與對流受熱面的吸熱量比例， 達(dá)到降低燃燒器處燃燒溫度的目的； 同時因鍋爐尾氣中氧氣助燃消耗含量低，與新引入的助燃空氣混合后，有效稀釋了進(jìn)入燃燒室的氧氣濃度，F(xiàn)GR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)的投用實(shí)現(xiàn)了通過降低燃燒溫度與燃燒過氧濃度，兩種途徑共同作用， 從而實(shí)現(xiàn)降低燃?xì)溴仩t出口尾氣氮氧化物含量的目的[4]。

4.2 FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)使用注意事項(xiàng)

4.2.1 風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)置

設(shè)置FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)的燃?xì)溴仩t至少應(yīng)設(shè)置FGR 風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻控制器或FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)門變頻控制器中的一種用于控制再循環(huán)煙氣的循環(huán)量，在鍋爐負(fù)荷調(diào)試階段同時可完成FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)的調(diào)試。調(diào)試鍋爐負(fù)荷時，在鍋爐不同檔位進(jìn)行停留調(diào)試，一般以10%的負(fù)荷為停留調(diào)節(jié)幅度，鍋爐每提升10%負(fù)荷，需對FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)電機(jī)變頻或風(fēng)門變頻進(jìn)行調(diào)節(jié)，以調(diào)整再循環(huán)煙氣的循環(huán)量，直至尾氣氮氧化物排放達(dá)標(biāo)， 過低的再循環(huán)風(fēng)量將無法實(shí)現(xiàn)氮氧化物排放達(dá)標(biāo)， 過高的再循環(huán)風(fēng)量將會使鍋爐燃燒不穩(wěn)定， 因此調(diào)節(jié)風(fēng)量的依據(jù)不僅僅是尾氣氮氧化物含量， 還應(yīng)觀測鍋爐燃燒器火焰燃燒情況，在各檔位調(diào)整至煙氣氮氧化物排放達(dá)標(biāo)后，即可將FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制與鍋爐負(fù)荷控制設(shè)置聯(lián)鎖控制回路進(jìn)行自控控制。

值得注意的是，F(xiàn)GR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)在燃?xì)溴仩t低氮燃燒控制的控制范圍一般是鍋爐負(fù)荷的20%～100%，因?yàn)檫^低的燃燒負(fù)荷燃燒器燃燒火焰較不穩(wěn)定且燃?xì)饬枯^小， 再循環(huán)煙氣的投入無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)且會影響火焰穩(wěn)定性，因此FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)控制程序中應(yīng)設(shè)置鍋爐負(fù)荷20%以上才可投用。 同時，還應(yīng)設(shè)置FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)風(fēng)量手動補(bǔ)償余量控制， 當(dāng)鍋爐快速提負(fù)荷時，F(xiàn)GR 風(fēng)機(jī)變頻控制的風(fēng)量無法做到快速提升， 將會使尾氣排放氮氧化物超標(biāo)。當(dāng)鍋爐快速降負(fù)荷時，若再循環(huán)風(fēng)量無法自控實(shí)現(xiàn)快速降低， 過大的再循環(huán)風(fēng)量將會影響燃燒器火焰的穩(wěn)定性甚至將火焰吹滅造成燃燒器聯(lián)鎖熄火，此時需要操作人員在快速提、 降鍋爐燃燒負(fù)荷的同時，手動調(diào)節(jié)FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)補(bǔ)償余量控制，保障鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.2.2 燃燒穩(wěn)定控制

FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)對鍋爐燃燒穩(wěn)定性的影響主要是以下2 個方面，（1）再循環(huán)風(fēng)量；（2）再循環(huán)煙氣與助燃空氣的溫差。 其中再循環(huán)風(fēng)量對于鍋爐燃燒穩(wěn)定性的影響可通過對FGR 再循環(huán)風(fēng)機(jī)的控制程序入手解決，即通過程序控制實(shí)現(xiàn)FGR 風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定投入和不同負(fù)荷下快速精準(zhǔn)地調(diào)整再循環(huán)風(fēng)量來保證各檔位下再循環(huán)風(fēng)量的穩(wěn)定以減少對燃燒火焰的影響。

再循環(huán)煙氣與助燃空氣溫差對燃燒火焰穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在： 當(dāng)再循環(huán)煙氣與助燃空氣溫差較大時， 兩種氣體的混合將會造成高溫的再循環(huán)煙氣遇低溫的助燃空氣后迅速降溫析出水蒸氣， 而形成的水蒸氣凝結(jié)成水珠隨鍋爐風(fēng)口進(jìn)入燃燒器，附著在燃燒器火焰檢測儀表上， 造成火焰檢測儀表檢測異常，傳遞火焰熄滅的假信號造成聯(lián)鎖鍋爐停車，過多的水珠也會在鍋爐燃燒器點(diǎn)火槍槍頭處凝結(jié)，造成點(diǎn)火槍絕緣與電極的損壞，影響鍋爐啟爐點(diǎn)火。鍋爐出口煙氣溫度較為恒定， 僅當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化才會產(chǎn)生小幅變化， 此現(xiàn)象主要發(fā)生在冬季或氣溫寒冷地區(qū)，即室外氣溫較低的工況下，解決此問題可從減少水蒸氣的產(chǎn)生和提前排出水蒸氣兩個方面入手，一種方式可考慮安裝空氣預(yù)熱器，通過空氣預(yù)熱器將從鍋爐風(fēng)機(jī)進(jìn)入的助燃空氣先與鍋爐出口煙氣進(jìn)行換熱，使助燃空氣升溫后與再循環(huán)煙氣混合，達(dá)到降低兩種氣體溫差的效果， 減少因冷凝而產(chǎn)生的水蒸氣，保證燃燒火焰檢測的穩(wěn)定性；第二種方式可以考慮在再循環(huán)煙氣與助燃空氣混合后的流道內(nèi)設(shè)置折流板，并在流道低點(diǎn)設(shè)置排水口，混合后的氣體產(chǎn)生的水蒸氣在折流板上碰撞析出， 受重力作用沿折流板下沉， 自底部排水口排出也可達(dá)到保證火焰檢測穩(wěn)定性的目的。

5 燃?xì)溴仩t投用前的準(zhǔn)備

5.1 烘爐

新安裝的鍋爐，爐墻、爐頂以及爐底都是新砌筑的。在爐墻內(nèi)，耐火混凝土及抹面層內(nèi)部含有大量水分。烘爐的目的就是使?fàn)t墻達(dá)到一定的干燥程度，防止鍋爐運(yùn)行時爐墻潮濕， 急劇受熱后膨脹不均勻而造成爐墻及耐火混凝土開裂； 同時也是對爐墻砌筑質(zhì)量、嚴(yán)密性的一次檢查。

烘爐主要分為3 個階段， 每個階段24 h， 共計(jì)72 h，每階段劃分依據(jù)為爐膛溫度，依次為150 ℃、250 ℃和350 ℃。 烘爐階段采用連續(xù)加水補(bǔ)充液位，液位穩(wěn)定在50%～70%，汽包壓力穩(wěn)定在0.2 MPa 左右，壓力通過分氣缸出口處排放蒸汽泄壓。

火焰烘爐時， 燃燒火焰應(yīng)在爐膛中部， 燃燒均勻，升溫應(yīng)緩慢，不得忽冷忽熱，不準(zhǔn)時而急火時而壓火。從烘爐開始兩三天，可間斷開啟連續(xù)排污閥排除浮污。 烘爐的中后期應(yīng)每隔4 h 開啟排污閥排污。

排污時應(yīng)把爐水補(bǔ)到高水位， 排污后水位下降至正常水位即關(guān)閉排污閥。烘爐達(dá)到一定溫度后，因產(chǎn)生蒸汽會造成水位下降， 應(yīng)立即補(bǔ)水并防止假水位出現(xiàn)。 在烘爐的過程中，可用定排保持鍋筒水位，避免臟爐水進(jìn)入過熱器。

投入燃燒器烘爐時應(yīng)盡量少開檢查門、 看火門和人孔門等，防止冷空氣進(jìn)入爐膛使?fàn)t墻開裂。烘爐期間，應(yīng)經(jīng)常檢查爐墻和烘爐情況，按烘爐曲線要求控制溫度，并檢查爐墻溫升情況，勤觀察、勤檢查、勤記錄，防止?fàn)t墻裂紋和鼓凸變形。

5.2 煮爐

由于新安裝的鍋爐受熱面的管子、 集箱及鍋爐的內(nèi)壁上存在油、銹等污染物，如果在運(yùn)行前不處理干凈，就會部分附在管壁上形成堅(jiān)硬的附著物，使受熱面的導(dǎo)熱系數(shù)減小，影響鍋爐的熱效率；另一部分溶解到水中影響蒸汽的品質(zhì)， 危害汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。 因此進(jìn)行堿煮去除存在的油、銹等污染物，保證設(shè)備安全、高效運(yùn)行。

煮爐共有3 個階段， 每個階段用時24 h， 共計(jì)72 h， 每個階段劃分依據(jù)為鍋爐汽包壓力， 依次為0.4 MPa、0.8 MPa 和1.2 MPa。

煮爐需要加藥， 所用藥品為Na3PO4·12H2O 和NaOH，為一次性加藥，具體用量按每立方水加2.0～3.0 kg 氫氧化鈉 （NaOH） 與2.0～3.0 kg 磷酸三鈉（Na3PO4·12H2O）。

6 燃?xì)溴仩t運(yùn)行注意事項(xiàng)

6.1 燃?xì)溴仩t停爐聯(lián)鎖自動保護(hù)設(shè)置

燃?xì)溴仩t運(yùn)行至少設(shè)置以下情況的停爐聯(lián)鎖以防止鍋爐事故發(fā)生：燃燒器火焰檢測無信號；鍋爐汽包壓力極高； 鍋爐汽包液位極低； 風(fēng)機(jī)送風(fēng)壓力極低；氫氣壓力極高或極低；出口蒸汽溫度極高。 停爐聯(lián)鎖保護(hù)啟動時，將發(fā)出綜合故障聯(lián)鎖，立即切斷鍋爐氫氣供給，并進(jìn)入鍋爐自動吹掃程序，保障鍋爐停爐安全。

當(dāng)鍋爐因汽包液位極低造成鍋爐聯(lián)鎖停車后，應(yīng)同時設(shè)置鍋爐供水泵停泵聯(lián)鎖， 防止鍋爐缺水停爐后立刻補(bǔ)水造成鍋爐事故。

6.2 燃?xì)溴仩t可能發(fā)生的故障及處理方式

缺水。當(dāng)鍋爐處于正常運(yùn)行狀態(tài)時，因供水系統(tǒng)問題造成鍋爐液位下降到鍋爐極低液位， 應(yīng)立即確認(rèn)鍋爐觸發(fā)停爐聯(lián)鎖進(jìn)入緊急停爐程序， 切斷燃燒器氫氣供給。

虛假液位。在氫氣鍋爐啟爐并入蒸汽管網(wǎng)時，因汽包與管網(wǎng)壓力不平衡造成氣液共沸抬升液位，形成虛假液位，會有大量水氣隨蒸汽被帶走，應(yīng)注意此時保持鍋爐汽包高液位， 防止壓力平衡后鍋爐液位過低，適當(dāng)開啟鍋爐出口疏水閥排水。

鍋爐進(jìn)出物料不平衡。 鍋爐運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)鍋爐供水量與蒸汽產(chǎn)量不平衡， 首先檢查是否因連排、定排排水過多造成，其次檢查汽包有無漏水現(xiàn)象，若以上現(xiàn)象均未發(fā)生，則考慮是否由鍋爐出口蒸汽含水過高造成，造成這種現(xiàn)象的原因可能為鍋爐汽包內(nèi)部氣液分離器損壞無法起到汽水分離的作用、汽包液位過高超過氣液分離器造成汽水分離器失效、汽包受熱不均勻使局部過熱汽水共沸造成汽水夾帶。

7 燃?xì)溴仩t的日常保養(yǎng)維護(hù)

氯堿裝置產(chǎn)生的富余氫氣一般含有少量燒堿，需定期對氫氣中含堿量進(jìn)行檢測分析， 保障燃燒系統(tǒng)的正常運(yùn)行。對氫氣中的含水率進(jìn)行控制，否則影響燃燒溫度。制定嚴(yán)格的操作規(guī)程，加強(qiáng)操作人員責(zé)任意識，做好定期測試、隨時監(jiān)控，確保氫氣的品質(zhì)。

水中含有多種礦物質(zhì)， 給水進(jìn)入鍋爐受熱汽化后，將析出這些物質(zhì)，當(dāng)爐水濃縮到一定程度時，這些物質(zhì)就會在鍋內(nèi)沉積，形成水垢，蒸發(fā)量越大、持續(xù)運(yùn)行時間越長、沉積物就越多。 為了防止水垢、水渣引起的鍋爐事故，必須保證給水質(zhì)量，降低爐水的堿度，及時排污。