天然氣鍋爐低氮燃燒改造問題分析研究

朱航科

（中國航發西安航空發動機有限公司，西安 710021）

近幾年，隨著環境保護壓力越來越大，國家對工業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。燃煤工業鍋爐在經歷了除塵、脫硫的大規模提標改造后，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，可以廣泛應用于電力、化工、冶金、工業燃燒及鍋爐中。因此，全國各地逐漸涌現出大量燃煤鍋爐改造為燃氣鍋爐的項目。2015年，北京市發布了《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）[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），新建燃氣鍋爐≤（30～ 50）mg/m3（標態）。標準出臺后，大量已經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產生的機理進行分析，結合長期大量的運行實踐經驗，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

化學反應生成NOx的方式有幾百種。就鍋爐的燃燒而言，產生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科學家捷里道維奇（Zeldovich）發現的[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：

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，煙氣在高溫區域經過的時間越長，越有利于產生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。燃氣鍋爐設計的過量空氣系數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）通過試驗發現的，是碳氫燃料（如CH4）在欠氧條件下快速生成的，而CO 和H2在燃燒時卻不會產生快速型NOx。

根據快速型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，這種影響就已經被決定。要減少燃料燃燒產生的NOx，只能通過對燃燒鍋爐中過量空氣系數a的控制來調節快速型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構布置，在燃燒器上直接配備送風系統，或采用獨立的鼓風機送風系統，與經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。爐膛內著火環境通常為正壓或微正壓。燃料燃燒后一旦產生了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，但是技術難度大，處理成本高已經成為不爭的事實。因此，減少燃氣鍋爐燃燒過程中NOx的產生是減排的重要方向。

燃氣鍋爐常見的低氮燃燒控制技術主要包括：燃料預混燃燒控制技術、分級燃燒控制技術、煙氣循環控制技術等。燃料預混燃燒控制技術通常僅適合 2 t 以下的小噸位燃氣鍋爐，存在較高的安全風險，現在已經較少采用。經過近幾年的研究，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”技術，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a 有關，而這兩個因素又與燃氣/空氣的速度比、混合濃度、著火區域等因素有關[4]。為了實現燃燒器的低NOx排放，需要在保證鍋爐爐膛結構和受熱面要求的前提下，通過燃氣分級和空氣分級，形成穩定的燃燒分級區域，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，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/外旋轉改變相鄰燃氣噴嘴來實現燃氣錯位的分級（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，需要根據所使用鍋爐的爐膛結構、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節范圍，選擇滿足負荷調節和排放要求的燃燒器。

傳統燃氣燃燒器的穩焰盤內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以及濃度分級燃燒技術，使燃燒器在工作時可以從外部對空氣進口進行調節，在穩定軸向流動的同時，使旋流區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，防止燃燒范圍內局部溫度過高，從而有效降低熱力型NOx。

2.2 煙氣再循環技術

燃氣鍋爐的煙氣循環技術包括爐內煙氣循環和爐外煙氣循環。爐內煙氣循環主要依靠燃燒器來保證[6]。通過在燃燒器外側增加直流風或套筒回流罩等措施在燃燒器著火區域內外側形成負壓區來控制煙氣回流量，降低燃料燃燒溫度從而降低NOx的產生量。這種方法對回流罩的材質提出較大的考驗，同時對爐內火焰形狀和尺寸也有較大的影響。采用內外層組合軸向分級的射流燃燒技術，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。

爐外煙氣循環是通過再循環風機，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。送入爐膛的再循環煙氣量通過再循環風機及再循環風門來進行調節，PLC 控制程序保證鍋爐負荷與再循環煙氣量及鼓風量相匹配，使燃氣鍋爐過量空氣系數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”的低氮排放改造系統中，煙氣再循環對降低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方案和后續產生的問題認識不到位，其間出現了較多改造失敗的案例。這其中既有改造后NOx排放無法達到預期的，也有改造后影響鍋爐運行負荷的，更有嚴重的出現安全事故的教訓。結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驗，筆者對燃氣鍋爐低氮改造中可能出現的問題進行了歸納。

（1）現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”的技術方案，近零排放則需要在此基礎上再增加煙氣化學后處理措施。

（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試。除了按規定滿足鍋爐運行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試和對比。通常，為降低NOx排放，需要降低過量空氣系數a，但過低的過量空氣系數a不僅造成燃燒的不穩定，也可能會大量增加快速型NOx的產生。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，對鍋爐爐膛內部受熱面和內部耐火混凝土的熱負荷重新進行核定，確保著火區域的改變不會影響鍋爐的正常熱力循環。同時，重新核定新低氮燃燒器對天然氣的供氣參數要求以及相應的改造工作，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，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低溫空氣混合后，將會出現大量的冷凝水析出。因此，再循環煙氣的接入口位置需要認真考慮。再循環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，越容易導致燃燒不穩定。再循環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，或者采用空氣預熱等方式適當提高送入爐膛的混合空氣溫度，使其高于環境空氣露點溫度，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”技術方案，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，個別鍋爐甚至出現了改造后熱效率進一步提升的節能效果。

4 結論

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 以下且保持燃燒區域盡可能均勻。同時，鍋爐過量空氣系數a 應保持在1.05～1.10 范圍內，越低越好。采用“低氮燃燒器+煙氣再循環”技術方案，可以使天然氣鍋爐的NOx排放降低，使其低于30 mg/m3。煙氣再循環技術對在用燃氣鍋爐實現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，對于鍋爐的節能降耗有一定的積極作用。