基于煙氣再循環的燃氣注汽鍋爐低氮燃燒特性研究

麻藝煒，徐迎超

（北京首鋼國際工程技術有限公司，北京 100043）

自上世紀80年代，我國注汽鍋爐運營已達20余年，鍋爐運行超出負荷。當前，相比較于鍋爐排放標準，NOx排放濃度要求標準偏高。因此，通過相應技術的使用，如煙氣再循環技術的使用，可以有效降低NOx的排放。

1 NOx排放標準及鍋爐熱效率

1.1 NOx 形成原因

自然界中，NOx形成途徑主要分為三種：第一，熱力型NOx，是有大氣中氧氣與氮氣在遇到高溫條件，發生了氧化反應而生成的；第二，快速NOx。 揮發性燃料成分中的碳氫化合物在高溫下會被熱解，生成了CH自由基，CH自由基與空氣中的氮氣發生化學反應，生成N和HCN，再與氧氣發生化學反應，形成NOx;第三，燃料型NOx,燃料燃燒過程中，N原子被氧化，NOx由此形成。在燃氣鍋爐中，超過90%的NOx來自熱NOx，少于10%的來自快速NOx。而在天然氣中N原子含量及其微弱，接近于0 ，因此，燃料型NOx可基本忽略。溫度是熱力型NOx形成的主要因素，當溫度大于1500℃時，NOx的形成呈現明顯的上升趨勢，且隨著溫度升高，其形成速率明顯增大。

1.2 鍋爐熱效率

鍋爐的燃燒效率受燃料熱量與過量空氣系數顯著影響。關于注汽鍋爐排氣溫度過高引起的燃燒效率低下的問題，張廣卿等人利用煙氣余熱技術在鍋爐中安裝了空氣加熱器。實驗結果顯示，注汽鍋爐排煙溫度自248℃降低到168℃， 可將進口空氣溫度自28℃上升到72℃，使得總熱效率較之前上漲。衣懷峰等人經過研究，注汽鍋爐的進料器配備了SCR-II K空氣預熱器和SCR熱交換器，爐膛入口處的風量由風扇調節，從而使廢熱煙氣可以更有效地利用，達到提高熱利用率和降低排煙溫度的目的。肖震的研究團隊借助煙氣內部再循環技術，給爐膛加上圓筒結構，使得爐膛內部形成回流，回流的煙氣與氧化劑混合，更多熱量得以吸收，燃燒溫度進而降低，NOx排放得以減少。周勇等人分析了天然氣燃燒特性，得出結論：將冷凝換熱器和空預器安裝在注汽鍋爐煙道尾部，可以將鍋爐煙氣余熱回收，使其熱利用率得以提高[1]。

2 關于鍋爐的調查分析

2.1 鍋爐系統概況

目前注汽鍋爐主要用于石油化工領域，但冶金行業鋼廠所采用的蒸汽過熱爐除使用目的不一樣外，其他功能類似，均可視為注汽鍋爐產品。本文以YZG22.5-14/360-G臥式強制循環直流鍋爐為研究對象，其工況運行受到較大的環境影響，由爐膛輻射段、過熱段、過渡段、對流段以及熱水器構成。在鍋爐房內的鍋爐燃燒部分可以對空燃比進行調節。中央監控室內連接著每個小型控制室的數據，并可操作。當前，注汽鍋爐爐膛爐管主要以直管、單路、水平往復式排列的布置方式。在爐管一段流入的工質流經蛇形管，在其中接受流傳熱或輻射傳熱，再從爐管另一端流出。這一方式使得工質無法在圓筒形爐膛中均勻受熱，造成爐內局部區域溫度過高，靠出口端的工質溫度受熱較遠離一段較高。還有一些問題，例如水質差，會導致水管結垢，經常發生堵塞，甚至發生嚴重情況，例如管道破裂。因此，這類鍋爐對燃燒火焰具有嚴格的要求，當發生燃燒不均勻的情況時，極有可能加劇爐管破裂的發生。燃氣注汽鍋爐爐對流段爐管主要為梯形結構，其以直管、單路、水平往復排列為布置方式，且翅片管組成其管束。過熱段以矩形結構為主，以直管、雙路、水平往復排列為布置方式。通過實際工作，可發現單管直路這一受熱方式是存在明顯缺陷的，即爐管局部受熱欠均勻。因此，當對燃氣注汽鍋爐進行低氮改造時，應將燃燒火焰的穩定性列入重點考慮范圍中[2]。

2.2 煙風熱力系統

煙風熱力系統主要包括水汽系統、空燃系統和煙氣系統。水汽系統是處理合格的有天循環水，在14Mpa水泵壓強下流入孔板流量計等設備后進入給誰換熱器外管。在給水換熱器中經過對流換熱，溫度升高后進入對流段，吸收熱量，流入水溫鍋爐。在此，需保證入口溫度處于露點以上，避免爐管破裂。對流段的水經煙氣對流換熱等工序，使得最終獲得的介質充分滿足要求，再流入到給水換熱器內管中。經對流換熱、輻射段加熱后，介質進入汽水分離器，經一定過程后實現汽水分離。分離出的飽和蒸汽進入過熱器，通過長徑噴嘴，進入到噴水摻混氣，高溫飽和水與過熱蒸汽混合，使得飽和水汽化，再經單向閥和截止閥后進入注汽管網。

2.3 監控數據

通過觀測監控數據，可以反映出燃氣鍋爐的整體運行狀態，當其發出警報時，應及時給予處理措施。通過對鍋爐工況數據進行整理，可了解在非額定工況下鍋爐燃料量、各階段介質溫度與煙溫等運行數據，還有流速等[3]。

2.4 設計參數

首先，鍋爐設計計算匯總。從計算方法來講，鍋爐設計與校核具有一定的共同性，即都是根據熱力學第一定律，對鍋爐傳熱傳質過程進行計算，且具有相同的查詢圖標，只是在目的和任務上存在差異。在進行新鍋爐的生產時需要進行設計計算，當鍋爐改造時則進行校核熱力計算。當前，鍋爐技術不斷發展，在生產新鍋爐時，也可依據經驗，通過校核設計的形式予以修正。在此，檢查熱量計算的狀態非常重要。在控制室提供的標稱條件下組織鍋爐的工作數據，并分析YZG22.5-14 / 360-G燃氣蒸汽鍋爐的工作參數，這些數據是鍋爐轉換的理論基礎。其次，水動力設計熱力參數。通過鍋爐運行中獲得水動力設計參數，可以計算出每個加熱表面的入口和出口壓力，并且可以使用壓力和溫度值來計算介質在每個加熱表面中傳播時的速度和其他參數。再次，煙氣阻力設計參數，通過鍋爐運行時所獲得的煙氣阻力參數，可將臥式強制循環直流鍋爐中每個受熱面壓力值計算出。最后，結構與其他設計參數。根據鍋爐各個受熱面處的強度，可計算得出每個受熱面面積，再家算出其對流吸熱量與輻射吸熱量[4]。

3 煙氣再循環的注汽鍋爐熱力計算及對燃燒特性的影響

3.1 煙氣再循環的注汽鍋爐熱力計算

將燃氣注汽鍋爐YZG22.5-14/360-G作為研究對象，在燃燒產生過量的NOx排放的情況下，提出了一種煙氣再循環技術解決方案。這些包括煙氣再循環中的氧氣，并且使用迭代方法來計算燃燒過程中產生的煙氣量和燃燒所需的氧化劑量。并以此為基礎，進一步計算煙氣再循環率、燃燒溫度、燃燒效率等其他參數。通過此種計算方案，可保證燃氣注汽鍋爐開展煙氣再循環時數據更加準確，有利于降低NOx的排放。在計算正常工作條件下的熱量輸出的整個過程中，一部分加熱表面的溫度，熱空氣的溫度和排煙的溫度是未知的。 在計算公式中，具有多個未知數的可能性非常高，在此，需要假定其中的一些未知數，并通過計算對其進行逐級校核。在此，該試驗計算方法采用的參數與目標參數之間存在關系，因此同一參數通常需要重復假設，并且只有通過重復計算才能確定。 鍋爐熱量計算的內容主要包括輔助熱量計算，鍋爐熱量平衡和燃料消耗的計算以及每個受熱面的熱量計算。其中，輔助熱力計算又包括煙氣特性計算、燃料燃燒計算以及晗溫表計算三項內容。熱量計算方法主要基于蘇聯73版的熱量計算，并為煙氣再循環技術中的煙氣量和氧化劑量提出了新的計算公式。通過重復計算，可以獲得用于煙氣再循環鍋爐中煙氣和氧化劑含量的迭代計算的最終公式。這一迭代模型可將不同煙氣再循環下煙氣含量與氧化劑含量，以及不同天然氣成分精準計算出[5]。

3.2 煙氣再循環對燃燒特性的影響

首先，排煙溫度。當負荷不同時，在煙氣再循環率不斷變化的情況下，排煙溫度也因此變化。當鍋爐負荷升高時，煙氣流量增加，爐膛內排煙溫度與有效輻射熱量增加。當煙氣再循環率相同時，由于負荷過大，鍋爐效率過高，在鍋爐負荷升高的情況下，排煙溫度的升幅逐漸下降。而煙氣再循環升高，爐膛排煙溫度也隨之升高。這由于煙氣循環率的不斷升高促使煙氣流速大量上升，進而使得爐膛內高溫煙氣滯留時間被縮短，并減少了工質的有效吸收，因此，聚集在煙道出口的煙氣溫度升高。其次，燃燒效率。研究表明，當煙氣再循環率上升至20%左右時，燃燒效率上升0.2%。這是因為，由燃燒室供給的循環的高溫煙道氣具有一定的熱量，隨著來自鍋爐的熱量的增加，鍋爐的排氣溫度得到有效利用，燃燒效率大大提高。隨著氧化劑溫度的升高，初始燃燒溫度升高并且燃燒進程增加了空氣和天然氣的混合比。因此，即使爐膛排氣溫度升高，但是其燃燒效率卻仍處于上升趨勢。再次，燃料消耗量。通過使用ansys軟件對某項目進行分析，在不同負荷下通過控制循環風機啟停對比煙氣循環技術引入前后的效果。如圖1所示。在滿足出口工質需求的情況下，當使用煙氣再循環燃氣注汽鍋爐時，對其煙氣體積和氧化體積迭代計算。在做完最終校核誤差后，符合在百分之百。而未采用煙氣再循環技術時，燃料消耗量與現場調研數值誤差值為5.54%。在進行熱力計算時，應根據假定計算數值，查詢角系數等參數。同一負荷下，隨著鍋爐效率隨著煙氣再循環率的增加而增加，煙氣再循環率的增加可以減少燃料消耗。 最后，是爐子理論燃燒溫度的影響。隨著煙氣再循環率的增加，爐中天然氣的理論燃燒溫度呈線性下降趨勢。這是因為大量的惰性氣體H2O和CO2存在于循環煙氣中，而根據熱力計算晗溫表，得知惰性氣體比熱容較大這一特點。因此，可吸收掉爐膛中釋放的熱量，進而使得燃燒溫度降低[6]。

表1 不同煙氣再循環率，鍋爐不同負荷的燃燒消耗量

4 結論

綜上所述，本文以YZG22.5-14/360-G有天燃氣注汽鍋爐為主要研究對象，通過現場調研狀況，獲得鍋爐正常運營時的參數和結構設計，為燃氣注汽鍋爐低氮燃燒提供有力的數據支撐。并采用煙氣再循環技術，創建幾個迭代計算公式以進行額外的熱量計算，并分析煙氣再循環率對鍋爐燃燒效率，廢氣溫度，燃料消耗和爐內理論燃燒溫度的影響。為實現煙氣再循環技術下降低NOx的排放提供理論指導。