燃氣鍋爐低氮排放的經(jīng)濟性分析

呂曉軍，王 彬

（1. 陜西建工金牛集團股份有限公司，陜西 西安 710043；2. 西安陜鼓動力股份有限公司，陜西 西安 710075）

2015年，北京市發(fā)布實施了《鍋爐大氣污染物排放標準》。該標準規(guī)定自2017年4月1日起新建鍋爐氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm。2017—2018年，各地方參照北京市環(huán)保政策實施燃氣鍋爐低氮改造：一是新建鍋爐房，包括煤改氣項目，鍋爐環(huán)保指標按照氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm執(zhí)行；二是對已建成的燃氣鍋爐進行低氮改造，將氮氧化物排放 ≤ 80 mg·Nm的燃燒器更換為氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm的燃燒器。地方政府同時制定了資金獎補政策，促進燃氣鍋爐低氮改造項目的實施。煙氣再循環(huán)（FGR）技術是目前實現(xiàn)氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm的燃燒器普遍采用的技術。本文主要介紹了FGR技術的原理和特點，并從鍋爐熱效率、鋼耗量、NO減排量三個方面對低氮鍋爐進行經(jīng)濟性分析，提出在鍋爐和燃燒器設計中需要攻關的問題。

1 燃氣鍋爐低氮排放技術

1.1 NOx的生成途徑

（1）熱力型NO空氣中的N在900 ℃時，開始與O反應生成NO，此時反應速度比較緩慢。當溫度到達1300 ℃以上時，NO產(chǎn)出量快速上升，由此產(chǎn)生的NO生成量取決于溫度。（2）燃料型NO燃料中含有的NO在燃燒過程中進行熱分解，繼而進一步氧化生成NO，其生成量主要取決于空氣、燃料的體積混合比（氧氣濃度）。（3）快速型NO燃料燃燒產(chǎn)生的碳氫化合物撞擊燃燒空氣中的N生成CN、HCN，再經(jīng)過高溫氧化而生成NO（反應迅速，大約60 ms）?？焖傩蜕傻腘O所占比例不到5%，在溫度低于1300 ℃時，幾乎沒有快速型NO生成。天然氣中含氮量較低，因此，控制熱力型NO是降低NO排放的主要手段。

1.2 燃氣鍋爐低氮燃燒技術

目前，主流燃燒器廠家主要是通過降低爐膛溫度以及調(diào)整空氣與燃料的混合程度來實現(xiàn)低NO排放。因此，研究降低NO的技術首先是從燃燒器本身優(yōu)化設計著手，采用特殊設計的燃燒頭，實現(xiàn)分段燃燒、爐內(nèi)循環(huán)，從而實現(xiàn)NO排放50～80 mg·Nm的目標；再配合煙氣外循環(huán)技術，可以實現(xiàn)氮氧化物排放≤ 30 mg·Nm的目標。

2 燃氣鍋爐FGR技術概述

FGR技術是將部分低溫煙氣在燃燒器的吸入口側(cè)送入風機后與空氣混合，并通過風機出口側(cè)的調(diào)節(jié)送入爐內(nèi)或直接將其通入爐內(nèi)，以增加煙氣的流速及降低爐膛內(nèi)的溫度來降低熱力型NO的形成，在送入煙氣側(cè)進行煙氣循環(huán)率的控制。隨著高溫輻射區(qū)的逐漸減少，熱力型 NO的生成得到有效的控制。FGR系統(tǒng)的關鍵參數(shù)是煙氣再循環(huán)率，即再循環(huán)煙氣量與不采用煙氣再循環(huán)時的煙氣量之比。

2.1 FGR煙風道布置

FGR技術是目前比較成熟且廣泛應用的降低NO排放的技術。不論是采用一體機的燃燒器還是采用分體機的燃燒器，都可以采用FGR技術來降低NO排放。通過控制煙氣的再循環(huán)率，可實現(xiàn)NO減排40%以上。

（1）采用一體機的燃氣鍋爐FGR系統(tǒng)

一體機燃燒器FGR管道布置如圖1所示。采用一體機的燃氣鍋爐FGR系統(tǒng)煙風道及FGR再循環(huán)煙道結(jié)構(gòu)簡單。煙氣從鍋爐本體出來再經(jīng)過節(jié)能器降溫后從煙囪排出；FGR再循環(huán)煙道將經(jīng)節(jié)能器后的部分低溫煙氣抽取回燃燒器，與空氣匯合后再送入爐膛參與燃燒。低溫煙氣一方面吸收火焰的熱量，降低火焰溫度，另一方面降低反應區(qū)的氧量，有效降低了熱力型NO的生成。

（2）采用分體機的燃氣鍋爐FGR系統(tǒng)

分體機燃燒器FGR管道布置如圖2所示。采用分體機的燃氣鍋爐FGR系統(tǒng)中再循環(huán)煙氣在進入鼓風機前與空氣混合；空氣可以是冷風，也可以經(jīng)空氣預熱器預熱后再與再循環(huán)煙氣混合，然后將混合風送入燃燒器。

圖2 分體機燃燒器FGR管道布置Fig. 2 FGR pipeline layout of the split-type burner

2.2 FGR對受熱面?zhèn)鳠岬挠绊?/h3>

煙氣再循環(huán)的投入改變了吸熱量份額。隨著煙氣再循環(huán)率的增加，爐膛內(nèi)溫度降低，使爐膛的輻射吸熱量減少。但是，煙氣在爐膛內(nèi)的停留時間減少，爐膛出口煙溫變化不大；對流受熱面由于煙氣量增加，煙速提高，煙氣側(cè)放熱系數(shù)增加，對流傳熱量增加。

隨著煙氣再循環(huán)率的增加，輻射換熱量減少，煙氣在爐內(nèi)的滯留時間減少，勢必對鍋爐的熱效率產(chǎn)生影響。因此，在使用煙氣再循環(huán)技術時，過量空氣系數(shù)盡量保持在1.0～1.1 之間，這樣既可以降低FGR對熱效率的影響，又可以降低NO的排放。試驗證明，煙氣再循環(huán)率應控制在 10%～20%左右。

2.3 FGR對運行穩(wěn)定性的影響

（1）燃燒穩(wěn)定性

FGR低溫煙氣匯入爐膛，使爐膛溫度降低，煙氣流速增加，燃燒穩(wěn)定性也會隨著煙氣再循環(huán)率增加而降低，燃燒會出現(xiàn)抖動及熄火等現(xiàn)象，導致鍋爐只能低負荷運行，嚴重影響鍋爐出力。所以，燃氣燃燒器的設計運行在降低NO的同時應保證其爐內(nèi)火焰穩(wěn)定及燃燒效率。

（2）鍋爐穩(wěn)定性

在2012年以來的“煤改氣”過程中，SZS型燃氣鍋爐在運行中暴露出一些不穩(wěn)定問題。從該型鍋爐幾十年的設計運行經(jīng)驗分析，一般蒸發(fā)量40 t·h（或熱功率29 MW）以下的鍋爐穩(wěn)定性良好。但是大型化以后，鍋爐高度增加，自支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性下降，對膜式壁、對流管束、煙風道的結(jié)構(gòu)強度提出更高的要求。這些問題已經(jīng)引起各鍋爐廠家的重視：一方面對膜式壁、對流管束進行加強，提高受熱面的剛度，增加穩(wěn)定性；一方面降低煙氣流速，避免對流管束因為卡門渦街現(xiàn)象而產(chǎn)生共振影響結(jié)構(gòu)剛度。另外，爐膛火焰穩(wěn)定性也影響鍋爐本體的穩(wěn)定，當火焰脈動頻率與爐體或煙風道振動頻率相同時，爐體或煙風道會產(chǎn)生振動，這時就要對燃燒作進一步調(diào)整。

3 FGR低氮燃燒技術的經(jīng)濟性分析

以SZS130-1.6-Q型燃氣蒸汽鍋爐為例，分析煙氣再循環(huán)對鍋爐熱效率、風機功率、鋼材消耗和氮氧化物減排的影響。

3.1 鍋爐設計參數(shù)

額定蒸發(fā)量為130 t·h；額定蒸汽壓力為1.6 MPa；額定蒸汽溫度為204 ℃；排煙溫度為80 ℃；鍋爐效率為95%；燃料為天然氣，其低位發(fā)熱量為33077.3 kJ·Nm。

3.2 煙氣再循環(huán)對鍋爐熱效率的影響

鍋爐采用分體式燃燒器，F(xiàn)GR取煙點在節(jié)能器后，在不考慮冷凝器的情況下建立計算模型，獲得不同煙氣再循環(huán)率下的鍋爐性能參數(shù)。煙氣再循環(huán)率對能效的影響如表1所示。

表1 煙氣再循環(huán)率對能效的影響
Tab. 1 Effect of FGR rate on energy efficiency

煙氣再循環(huán)率/% 總煙氣量/（Nm3·h-1） FGR煙氣量/（Nm3·h-1） 排煙溫度/℃ 天然氣耗量/（Nm3·h-1） 鍋爐熱效率/%0116901 0 169 9637 92.0210 116901 11690 175 9645 91.9515 116901 17535 178 9660 91.8120 116901 23380 181 9675 91.67

從表1中數(shù)據(jù)可知，隨著煙氣再循環(huán)率的提高，鍋爐排煙溫度逐漸升高，熱效率降低。但是熱效率的變化很小，這主要是因為再循環(huán)煙氣增加后，爐膛輻射換熱量降低，但是對流管束換熱增加，因此，總體熱效率變化不大。

FGR再循環(huán)率為15%時燃料比不投用FGR時多消耗23 Nm·h。經(jīng)計算，單臺鍋爐一個采暖季多消耗燃氣量66240 Nm。

3.3 煙氣再循環(huán)對風機功率的影響

在額定工況下，分別對煙氣再循環(huán)率為0%和15%兩種工況的風量、壓頭（進行了溫度、海拔修正并考慮了儲備系數(shù)）進行計算。風機功率計算結(jié)果如表2所示。

表2 風機功率計算結(jié)果
Tab. 2 Calculation of the fan power

煙氣再循環(huán)率% 風量/（m3·h-1） 壓頭/Pa 功率/kW 0126802 6920 35015 145823 8994 450

通過計算分析，投入FGR以后，由于煙氣量增加，對流管束煙氣流速增加，鍋爐煙氣流動阻力增大，風機功率增大，在相同負荷下耗電量增加。

3.4 煙氣再循環(huán)對鍋爐鋼材消耗的影響

隨著煙氣再循環(huán)率的提高，煙氣量增加，對流管束煙氣流速增加；爐膛火焰燃燒不穩(wěn)定，火焰脈動。因此，在鍋爐設計時，就應考慮投入FGR對鍋爐穩(wěn)定性造成的影響。一般對燃燒器采取調(diào)整配風、優(yōu)化燃燒頭等方法提高燃燒器火焰的穩(wěn)定性，減小脈動。而對于鍋爐則采取加強受熱面的方法提高整體剛度，例如采用大直徑厚壁管代替小直徑薄壁管、膜式壁外圍增加剛性梁等。投用FGR時燃氣鍋爐的鋼耗量比未投用FGR時增加10% ～15%。

3.5 煙氣再循環(huán)對鍋爐氮氧化物排放的影響

投用FGR以后，燃氣鍋爐氮氧化物排放低于30 mg·Nm，平均排放質(zhì)量濃度為19.6 mg·Nm，優(yōu)于陜西省最新的執(zhí)行標準DB 61/1226—2018《鍋爐大氣污染物排放標準》中50 mg·Nm的要求。參照環(huán)保指標，可實現(xiàn)減排30.4 mg·Nm，即每燃燒1 Nm的天然氣，可減排352.6 mg的NO，環(huán)保效益明顯。從以上三點分析可以看出，燃氣鍋爐投用FGR以后，NO減排效果明顯，排放指標低于地方排放指標。但是，隨著再循環(huán)率的提高，鍋爐總體熱效率下降。如何在不影響鍋爐熱效率的情況下實現(xiàn)減排目標是鍋爐和燃燒器設計中需要解決的問題。

4 結(jié)語

FGR技術是實現(xiàn)燃氣鍋爐低氮排放的成熟技術，但是實際應用過程中遇到的燃燒穩(wěn)定性、鍋爐穩(wěn)定性、鍋爐效率下降、耗氣量增加、鋼耗量增加等問題也不能忽視。本文介紹了利用FGR技術降低NO排放的原理和特點，分析了FGR技術的經(jīng)濟性。結(jié)果表明，煙氣再循環(huán)率的合理控制可以兼顧低氮排放和鍋爐熱效率。但是，由于投用FGR后鍋爐熱效率的下降不可避免，下一步應提高鍋爐熱效率，將FGR對鍋爐熱效率的影響降到最低，更好地實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。