燃氣工業鍋爐低氮氧化物燃燒關鍵技術研究

張艷偉 汪杰 李夢娜 朱雅雯

摘要：工業鍋爐的NOx排放主要來自于燃料的燃燒過程，根據NOx生成的反應機理，溫度和氧氣濃度是影響NOx生成速率的關鍵，根據工程實踐現在最常用的降低工業鍋爐氮氧化物排放的主要方法是：空氣分級技術、燃料分級技術、煙氣再循環技術，本文根據多次工程實踐，研究不同方法對NOx排放產生的影響，以解決工程實踐中遇到的問題。

關鍵詞：工業鍋爐;氮氧化物;分級燃燒;煙氣再循環

1. 引言

近幾年來，隨著環保標準趨于嚴格，大量降低氮氧化物排放濃度的燃燒器進入市場，在原有分級燃燒、濃淡 燃燒和煙氣內循環等技術燃燒器的基礎上，開發出全預混表面燃燒、后預混水冷燃燒等新技術[1]。氮氧化物的產生主要有三種方式，熱力 型 NOx、快速型 NOx、燃料型 NOx。 因燃氣鍋爐的燃料成分比較單一，燃料中氮元素的含量極低所以氮氧化物的生產主要是熱力型和快速型[2]。

根據NOx生成的反應機理，溫度和氧氣濃度是影響NOx生成速率的關鍵。因此，低NOx燃燒器的設計目的是降低火焰溫度和控制氧氣濃度。為了實現這兩個目標，目前燃燒器結構設計主要通過燃氣分級和空氣分級實現。燃氣分級：燃氣分級即將燃氣從一個噴嘴噴出分散為多個噴嘴噴出。多根噴槍具有多種不同的陣列方式。空氣分級：空氣分級一般是指從燃燒器中心向外圍的層式分級。為了降低燃燒的氧氣濃度，還可以將燃燒產生的煙氣通過循環風機引入燃燒器風道中，對空氣進行稀釋，降低氧氣濃度，從而可以減緩燃燒反應速率，最終降低NOx生成。再循環技術包括內部煙氣再循環與外部煙氣再循環，該技術將煙氣通入火焰中降低燃燒溫度，同時降低氧氣壓力使氮氧化物反應減弱，最終降低生成量[3]。氮氧化物的生成量與多種因素有關，本文主要從爐膛結構、爐膛容積熱負荷、燃燒器與鍋爐的匹配、煙氣再循環量等方面對對NOx產生的影響進行研究。

2.工業鍋爐爐膛結構對NOx產生的影響研究

2.1 工業鍋爐爐膛結構概述（以WNS型鍋殼鍋爐為例）

WNS型鍋殼鍋爐爐膛結構有三種形式，第一種是 “錐形爐膽+波紋爐膽+回燃室”的爐膛結構，主要用于三回程式鍋爐;第二種是“管板+波紋爐膽+回燃室”結構，主要用于兩回程式鍋爐;第三種是“直通式波紋爐膽+回燃室”結構，用于兩回程式鍋爐。

研究發現，燃料著火以后燃燒速度很快，在燃燒器附近集中釋放出燃料的極大部分熱量，使燃燒器區域的火焰溫度升高，“錐形爐膽+波紋爐膽+回燃室”的爐膛結構，在燃燒過程中，煙氣在錐形爐膽處循環不充分;“管板+波紋爐膽+回燃室”結構，爐膛容積增大，爐膛容積熱負荷減小，煙氣的內循環充分，但需滿足回燃室前管板的收口直徑≥0.7倍的波紋爐膽直徑;“直通式波紋爐膽+回燃室”結構，煙氣的內循環充分，對低氮燃燒更加有利，但考慮到管板開孔的計算問題，此結構應用有限。

通過數據比對，“管板+波紋爐膽+回燃室”結構、“直通式波紋爐膽+回燃室”結構，是鍋爐NOX排放≤80mg或50mg，使用的“低氮燃燒器與鍋爐匹配” 技術和“低氮燃燒器+煙氣外循環（FGR）與鍋爐匹配”技術等2項低氮燃燒技術的最佳鍋爐爐膛結構和尺寸。

2.2爐膛容積熱負荷對NOx產生的影響

通過數據比對，爐膛容積熱負荷大小將決定爐膛容積和受熱面的多少。爐膛容積熱負荷大，則爐膛容積和受熱面減少，爐內吸熱減少，因而當放熱量相同時火焰溫度升高，使得熱力NO生成量升髙。反之， 如果爐膛容積熱負荷小，則火焰溫度降低，熱力NO生成量降低。

2.3不同分級燃燒在相同爐膛中影響NOx產生因素研究

2.3.1燃料燃燒生成NOX的機理

煙氣中的NOX主要是燃料燃燒過程中生成的，其中氮來源于空氣和燃料，氧主要來源于空氣。燃氣工業鍋爐NOX的生成途徑分為T—NO（熱力型）和P-NO（快速型）。

T—NO是空氣中的N2和O2主要在高溫1600℃以上反應生成，抑制它的生成量可用降低燃燒溫度和防止局部高溫區產生、降低氧氣濃度（減少過量空氣系數）、縮短煙氣在高溫區的停留時間。

P-NO在較富燃料區域，碳氫化合物燃燒時，會分解成CH、CH2和C2等基團，它們會破壞空氣中N2，生成中間產物HCN、NH、CN、N等，中間產物又與火焰中O、OH等原子基團在火焰面上快速反應生成NOX;抑制它的生成量可提供足夠的氧氣解決。

由上述可知，過量空氣系數對NOX的形成有重要影響。試驗研究發現，直接混合燃燒過程中采用較低的過量空氣系數（1.02～1.03），可在反應區內形成低氧燃燒，對T—NO的產生起著一定的控制作用，通常這種方法可降低NOX排放15%～20%，但是，當在過低的過量空氣系數下運行，如果燃燒組織不好，CO和煙塵的排放量將增加，燃燒效率將降低;相反，預混表面燃燒速度很快，較高的過量空氣系數有助于燃料快速燃燒并降低燃燒溫度，對P-NO的產生起著一定的控制作用，可有效減少NOX的形成。

2.3.2分級燃燒對NOx產生的影響研究

（1）燃料分級對NOx產生的影響

將80-85%的燃料送入第一級燃燒區，在α（過量空氣系數）>1條件下，燃燒火焰的峰值溫度降低，T-NO的生成受到限制;其余15-20%的燃料則在主燃燒器的上部送入二級燃燒區，在α<1的條件下形成很強的還原性氣氛，使得在一級燃燒區中生成的NOx在二級燃燒區（又稱再燃區）內被還原成氮分子;為保證再燃區中生成的未完全燃燒產物的燃盡，在再燃區的上面還需布置"火上風"噴口，形成第三級燃燒區（燃盡區）;使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成，使NOx的排放濃度進一步降低。一般，采用燃料分級可使NOx的排放濃度降低50%以上。

（2）空氣分級對NOx產生的影響

分兩級供入爐內，在第一階段，將從主燃燒器供入爐膛的空氣量減少到總燃燒空氣量的70-75%（相當于理論空氣量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒，α<1，因而降低了燃燒區內的燃燒速度和溫度水平，不但延遲了燃燒過程，而且在還原性氣氛中降低了生成NOx的反應率，抑制了NOx在這一燃燒中的生成量。為了完成全部燃燒過程，完全燃燒所需的其余空氣則通過布置在主燃燒器上方的專門空氣噴口送入爐膛，由于富氧的二次燃燒段溫度相對較低，與第一級燃燒區在"貧氧燃燒"條件下所產生的煙氣混合，在α>1的條件下完成全部燃燒過程，有助于減少T-NO形成。

分級燃燒技術中影響NOx生成量的因素，主要歸結為燃料本身的影響和燃燒條件的影響。燃燒條件的影響主要有燃料與空氣的比、燃燒煙氣的停留時間、主燃燒區溫度水平、各級空氣比、主燃燒區過量空氣系數、配風方式等，因此要取得最佳效果，必須綜合考慮各種因素。

2.4燃燒器開發與鍋爐匹配技術研究結果

低氮燃燒器開發必須與鍋爐爐膛容積熱負荷匹配，并保證任何時候燃燒器燃燒火焰都不能與輻射受熱面接觸，且需解決鍋爐爐膛容積熱負荷過低時，輻射受熱面水冷度增加，火焰傳播不穩定，容易發生“脫火”的現象。

3.煙氣再循環技術研究

3.1不同煙氣再循環量對NOx產生的影響研究

同一爐膛相同負荷情況下，不同煙氣再循環量對NOx產生的影響研究煙氣再循環的本質是通過將燃燒產出的煙氣重新引入燃燒區域，實現對燃燒溫度氧化物濃度的控制，從而實現降低氮氧化物的排放和節約能源的效果。其減排機理可以用熱力型NOx的生成機理來解釋。熱力型NOx形成的主要控制因素是溫度，溫度對NOx生成速率的影響呈指數關系。影響熱力型NOx生成的另一個主要因素是煙氣中的氧濃度，其生成速率與氧濃度的0.5次方成正比，所以煙氣再循環技術降低了火焰區域的最高溫度，降低了NOx的形成;同時煙氣再循環降低了氧和氮的濃度，同樣起到降低NOx的作用。另外煙氣再循環技術中高溫煙氣對氧化劑和燃料起到預熱的作用，有明顯節能效果。測試數據顯示，煙氣循環量與NOx排放量成反比，煙氣循環量越大，NOx排放量就越小。

3.2 煙氣再循環量及對鍋爐點火影響研究

實現煙氣再循環難點在于煙氣回流量的控制。采用何種方式回流煙氣及強化回流是煙氣再循環燃燒技術的重要研究內容。

1、煙氣再循環最適宜量的研究

（1）采用單個風機進行煙氣再循環研究。

技術步驟：鍋爐煙道—→空氣、煙氣混合箱—→鼓風機入口—→燃燒器入口。適用范圍：新建鍋爐。

（2）采用兩個風機串聯或并聯進行煙氣再循環研究。

技術步驟：鍋爐煙道—→再循環風機入口—→空氣、煙氣混合箱 ? ? ? ?鼓風機入口—→燃燒器入口。適用范圍：鍋爐改造。

存在問題：采用煙氣再循環時需加裝再循環風機、煙道，增大了投資，系統復雜。對原有設備進行改裝時還會受到場地的限制。

煙氣再循環率10-25%時，T-NO、F-NO及P-NO得到最好的控制，燃氣爐的NOx排放濃度可降低40%以上;如煙氣再循環率大于25%時，造成煙氣太多，燃料得不到充足的氧氣，會出現燃燒會不穩定或不完全燃燒，導致熱損失會增加。

研究發現，取煙點會因取煙溫度、煙氣流量、冷風溫度、風道壓力的不同，直接影響到混合后的煙氣溫度。從再循環煙氣與冷助燃空氣和預熱助燃空氣混和研究的理論數據得出，助燃空氣溫度0℃時，最佳取煙溫度范圍200-220℃之間;煙氣再循環混合箱，能保證進入鼓風機的再循環煙氣和空氣的混合風的煙風溫度穩定，風機沒有出現由于葉輪溫度不均勻導致的喘振現象，保證了燃燒器進風口送風穩定流暢。

建議：（1）如有冷凝水生成，應在煙循系統最低點及鼓風機底部各增加一套疏水裝置，將其及時排出;同時還需在抽煙氣口設置溢流裝置防止凝水倒灌;（2）在混風箱空氣入口前加裝空氣預熱器，提高空氣溫度，減少混風冷凝水的產生，可防止部分冷凝水進入風道系統;（3）混風箱內需進行防腐處理;（4）混風箱設置檢查孔，方便檢查、維護，同時需做好保溫處理;（5）在煙風系統設計或鍋爐系統節能改造時，可先采用CFD模擬軟件對備案方案做出定性分析，再決定最終結構方案，有利于保證系統可靠、穩定運行，使設計或改造項目的實施達到預期效果。

4. 結論

本文根據 NOx 燃燒技術的分類和生成機理，對如何降低氮氧化物，減少自然環境污染進行研究，研究了爐膛結構、爐膛容積熱負荷、燃料分級技術、空氣分級技術和煙氣再循環技術對工業鍋爐的NOx排放的影響，針對工程實踐中出現的問題進行了論述并給出了建議解決方案，對煙氣再循環技術的煙氣循環量、煙氣循環的溫度給出了明確的規定，解決了工程實踐中遇到的問題為發展我國環保事業和工業生產具有重要意義。

參考文獻：

[1]秦宏波， 薛恒榮， 申婷婷，等. 燃氣工業鍋爐低氮改造冷凝水產生狀況分析和對策研究[J]. 上海節能， 2018（9）：4.

[2]葉帛、楊如惠、王維尚. 天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術研究[J]. 河北農機， 2020（11）：2.

[3]車光蘭.天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術研究[J].工業加熱，2020（3）：13～16.