燃?xì)忮仩t低氮改造技術(shù)探討

王憲輝 李 鐘

(北京大學(xué)動力中心,北京 100871)

燃?xì)忮仩t低氮改造技術(shù)探討

王憲輝 李 鐘

(北京大學(xué)動力中心,北京 100871)

分析了NOx污染現(xiàn)狀和形成原因，從分級燃燒、燃燒機(jī)預(yù)混、煙氣再循環(huán)等方面，介紹了燃?xì)忮仩t低氮改造技術(shù)，并通過實際案例表明，燃?xì)忮仩t低氮改造有效降低了氮氧化物的排放量。

燃?xì)忮仩t，低氮技術(shù)，氮氧化物，污染物

0 引言

近些年，空氣污染成為人們熱議的話題，主要有兩方面原因：

1)隨著我國經(jīng)濟(jì)不斷向前發(fā)展，能源消耗和機(jī)動車保有量快速增長，較為粗放的經(jīng)濟(jì)增長方式帶來了空氣污染問題；

2)居民生活水平提高后，也開始更多的將注意力放在空氣質(zhì)量和自身健康問題上。影響空氣質(zhì)量的污染物主要包括粉塵,SO2,CO2和NOx等，其中NOx會引起產(chǎn)生酸雨、加劇溫室效應(yīng)、破壞臭氧層和產(chǎn)生光學(xué)煙霧等危害，對人們所處的環(huán)境造成嚴(yán)重污染，也會直接影響人體健康。燃料燃燒產(chǎn)生的NOx占人類活動產(chǎn)生NOx總量的90%，是大氣污染物的主要來源之一。

1 概述

北京市從1998年開始進(jìn)行燃煤鍋爐清潔能源改造，持續(xù)推進(jìn)多年后，目前燃煤鍋爐總量約3萬蒸噸，燃?xì)忮仩t約7萬蒸噸。與之前比較，現(xiàn)在大氣污染物構(gòu)成比例發(fā)生了較大變化，燃煤鍋爐時期主要是SO2、煙塵和NOx帶來的污染，燃?xì)忮仩t為主時期減少了SO2、煙塵污染，但是NOx排放量卻有所增加，帶來了新的問題。肖云江等人在研究中提出燃?xì)忮仩t(熱效率90%)提供1 GJ熱量所產(chǎn)生的NOx是燃煤鍋爐(熱效率82%)的3.5倍。2015年，北京市NOx濃度達(dá)標(biāo)情況為，年均濃度為50 μg/m3，與40 μg/m3的國家標(biāo)準(zhǔn)相比超標(biāo)25%。根據(jù)北京大學(xué)氣象站點的空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，PM2.5與NOx的變化趨勢呈現(xiàn)強相關(guān)性，NOx排放是重污染形成的主要因素之一。

北京市的季節(jié)性污染特征明顯，采暖季污染程度明顯大于非采暖季，這其中有氣候條件不利污染物擴(kuò)散等方面因素，但重污染天氣更主要的原因還在于季節(jié)性能源消耗產(chǎn)生的污染物排放，這種現(xiàn)象在整個北方地區(qū)都比較普遍。燃?xì)忮仩t作為北京地區(qū)冬季供暖的主要熱源，所排放的NOx對大氣污染的貢獻(xiàn)率較大。

煤改氣后燃?xì)忮仩t的降氮問題開始引起環(huán)保部門重視，北京市NOx的排放濃度限值較之前更為嚴(yán)格，2017年4月1日開始執(zhí)行在用鍋爐80 mg/Nm3的排放限值。王慶豐等對北京市85臺小區(qū)集中供熱燃?xì)忮仩tNOx排放情況進(jìn)行了實測，測試數(shù)據(jù)表明：燃?xì)忮仩tNOx平均排放質(zhì)量濃度為125 mg/m3。另據(jù)環(huán)保部門調(diào)查報告，北京市NOx排放均值濃度為153 mg/m3。這兩組數(shù)據(jù)都表明，目前北京市的在用鍋爐NOx排放達(dá)標(biāo)困難。對比鍋爐排放要求最嚴(yán)格美國加州(限值為30 mg/Nm3)，我們還存在較大減排潛力。

2 NOx的生成

燃料在燃燒過程中產(chǎn)生NOx可分為三種類型：熱力型、快速型和燃料型，NOx主要成分是NO和NO2，其中NO占95%以上，它們的產(chǎn)生有著各自不同的機(jī)理。燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的NOx主要是熱力型NOx和快速型NOx。

2.1 熱力型NOx

燃燒時溫度高于1 500 ℃，空氣中的氮在高溫下氧化生成的NOx，即為熱力型NOx。這種NOx只在高溫下形成，其中的生成過程是一個不分支連鎖反應(yīng)，也被稱為捷里多維奇反應(yīng)式。

N2+O→NO+N

N+O2→NO+O

N+OH→H+NO

研究表明，決定NOx產(chǎn)生量的最主要變量是爐膛溫度。當(dāng)溫度低于1 500 ℃時，熱力NOx的生成量很少；高于1 500 ℃時，溫度每升高100 ℃，反應(yīng)速率將增大6倍～7倍。

2.2 快速型NOx

1971年，費尼莫爾(Fenimore)根據(jù)碳?xì)淙剂项A(yù)混火焰的軸向NO分布實驗結(jié)果，認(rèn)為在反應(yīng)區(qū)附近會快速生成NO，遂稱其為“快速NO”，即費尼莫爾反應(yīng)機(jī)理?？焖傩偷窃诟呷剂蠞舛热紵龡l件下生成的?？焖貼O的形成與三個因素有關(guān)，即CH原子團(tuán)的濃度及形成過程、N2分子反應(yīng)生成氯化物的速率和氮化物間相互轉(zhuǎn)換率。

CH+N2→HCN+N

N+H2→NH+H

NH+H2→NH3

HCN+O2→NO+HCO

2.3 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中固定氮在高溫(600 ℃)氧化后生成的NOx，煤燃燒時約75%～90%的NOx是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤鍋爐產(chǎn)生NOx的主要來源。而天然氣中氮的含量非常少，基本可以忽略。

3 低氮改造技術(shù)

低氮改造主要在鍋爐的源頭和尾部進(jìn)行，即燃燒控制和煙氣處理。燃煤鍋爐也可兩種技術(shù)同時采用，對于燃?xì)忮仩t，低NOx燃燒技術(shù)是普遍采用的措施。根據(jù)NOx的生成機(jī)理，要想減少其生成量，最重要的就是控制燃燒過程的溫度和時間，實際控制因素即為空氣燃料比、燃燒區(qū)溫度及分布、后燃燒區(qū)的冷卻程度和燃燒機(jī)的形狀設(shè)計等。

西方發(fā)達(dá)國家早在數(shù)十年前就遇到了NOx污染問題，其控制對策值得借鑒。燃?xì)忮仩t低氮燃燒技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，主要通過分級燃燒、燃燒機(jī)預(yù)混和煙氣再循環(huán)等技術(shù)手段和措施來進(jìn)行低氮控制。

3.1 分級燃燒

分級燃燒技術(shù)的主要特點是燃料和空氣分級送入爐膛。燃料分級是在主燃燒區(qū)送入大部分燃料，可在一次火焰區(qū)尾部形成一個富含NH3,CH,HCN的低氧還原區(qū)，已生成的NOx在通過該區(qū)域時，部分會被還原成N2。空氣分級是將燃料燃燒所需空氣分階段送入爐膛，先將理論空氣量的80%左右送入主燃燒器，形成缺氧富燃料燃燒區(qū)，在燃燒后期將燃燒所需空氣的剩余部分以二次風(fēng)形式送入，使燃料在空氣過剩區(qū)燃盡。

分級燃燒能夠確保燃料進(jìn)行充分燃燒，同時大大降低煙氣中NOx的生成，采用分級燃燒技術(shù)可減少60%左右的NOx排放。

3.2 燃燒機(jī)預(yù)混

預(yù)混燃燒是相對于擴(kuò)散燃燒的另一種典型燃燒方式，根據(jù)預(yù)混氧化劑的含量是否能夠使燃料完全燃燒，分為部分預(yù)混和完全預(yù)混燃燒兩類。在燃燒前，燃料與氧氣已經(jīng)在燃燒器內(nèi)充分混合，預(yù)混燃燒的燃燒溫度高、燃燒強度大，對當(dāng)量比可進(jìn)行完全控制，由此能夠?qū)崿F(xiàn)對燃燒溫度的控制，進(jìn)而控制熱力型NOx的生成。

在降低NOx生成方面，完全預(yù)混燃燒和部分預(yù)混都具有很大潛力，較之非預(yù)混燃燒可減少85%左右的NOx生成。不過，預(yù)混氣體有著極高的可燃性，預(yù)混燃燒火焰穩(wěn)定性差，有可能導(dǎo)致回火，回火現(xiàn)象控制不好，輕則影響燃燒機(jī)使用壽命，重則會給燃燒機(jī)帶來災(zāi)害性后果。由于預(yù)混燃燒在安全性控制上存在一定技術(shù)困難，目前應(yīng)用并不十分廣泛。這項技術(shù)還會導(dǎo)致過量空氣系數(shù)偏高，增加排煙損失、降低鍋爐效率。

3.3 煙氣再循環(huán)

燃燒產(chǎn)生的部分煙氣，經(jīng)冷卻后再循環(huán)送回燃燒區(qū)，或與空氣進(jìn)行混合后送入燃燒區(qū)，由此降低氧濃度和燃燒區(qū)的溫度，達(dá)到減少NOx生成量的目的，這種方式被稱為煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)。其原理是通過循環(huán)煙氣的吸熱作用降低火焰溫度，稀釋氧氣濃度，降低燃燒速度，以減少熱力型NOx生成。

煙氣再循環(huán)技術(shù)主要減少的是熱力型NOx，對燃?xì)忮仩t降氮效果最為顯著，這是由于天然氣的含氮量低，且NOx生成又以熱力型為主。另外，該技術(shù)的使用效果與再循環(huán)煙氣量也有關(guān)，煙氣再循環(huán)率一般控制在10%～20%，若過高則會出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的情況，未完全燃燒熱損失也會增加。經(jīng)驗表明，煙氣再循環(huán)率為10%～15%時，燃?xì)鉅t的NOx排放濃度可降低40%以上。

煙氣再循環(huán)的控制方法是通過風(fēng)機(jī)進(jìn)口控制擋板來調(diào)節(jié)煙氣再循環(huán)回收的煙氣量，擋板由PLC通過4 mA～20 mA信號進(jìn)行控制，通過回收煙氣量與燃燒負(fù)荷整定出最佳燃燒曲線，實現(xiàn)自動控制，根據(jù)鍋爐不同工況下運行狀況自動調(diào)整煙氣的回收量，以達(dá)到鍋爐在不同負(fù)荷運行下，將NOx濃度控制在合理的范圍內(nèi)的目的。煙氣再循環(huán)技術(shù)會在一定程度上降低鍋爐的熱效率，需要通過合理的回收和精準(zhǔn)的控制將其影響降至最低。

煙氣再循環(huán)技術(shù)可在一臺鍋爐上單獨使用，也可和其他低氮燃燒技術(shù)配合使用，使得NOx排放更低。

4 改造案例

4.1 蔚秀園小區(qū)供熱鍋爐房

蔚秀園鍋爐房供熱面積約21萬 m2，原有2臺型號為WNS10.5-1.0/115/70-Q的燃?xì)鉄崴仩t，鍋爐是由重慶鍋爐總廠生產(chǎn)的強制循環(huán)水管鍋爐，并以清潔能源天然氣作為燃料的熱水鍋爐，微正壓運行方式。原鍋爐燃燒器及其配套輔助設(shè)備由德國Weishaupt(威索)公司生產(chǎn)并提供技術(shù)支持，改造前的NOx排放濃度為150 mg/Nm3。

2015年10月月底完成低氮改造，采用德國elco(歐科)分體式DG-Tron6.13000 R型燃燒機(jī)，機(jī)械式比例調(diào)節(jié)，同時采用煙氣外循環(huán)技術(shù)。低氮技術(shù)改造后，經(jīng)檢測鍋爐NOx排放濃度降低至53 mg/Nm3，每年可減少2 673 kg的NOx排放。

4.2 燕北園小區(qū)供熱鍋爐房

燕北園鍋爐房供熱面積約11萬 m2，原有2臺型號為WNS7-1.0/115/70-YQ的燃?xì)鉄崴仩t，鍋爐是由無錫華光鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的強制循環(huán)水管鍋爐，原鍋爐燃燒機(jī)及其配套輔助設(shè)備由公司生產(chǎn)，改造前NOx排放濃度為150 mg/Nm3。

與蔚秀園小區(qū)同時完成低氮改造，采用德國elco(歐科)EK EV09.8700G-EU3比例調(diào)節(jié)燃燒機(jī)，風(fēng)機(jī)與燃燒機(jī)一體式，全電子比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比例為1∶8，同時采用煙氣外循環(huán)技術(shù)。低氮技術(shù)改造后，經(jīng)檢測鍋爐NOx排放濃度降低至52 mg/Nm3，每年可減少1 470 kg的NOx排放。

5 結(jié)語

北京市的氮氧化物污染治理工作面臨著嚴(yán)峻考驗，政府部門已多次提高鍋爐大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，還加大了檢查力度和超標(biāo)排放處罰力度，以罰促改、以查促治。目前，鍋爐低氮技術(shù)已日趨成熟和完善，各有關(guān)企業(yè)應(yīng)積極響應(yīng)政府號召，盡快完成低氮改造，減少氮氧化物排放，履行環(huán)保社會責(zé)任，爭取早日還北京以藍(lán)天。

[1] DB 11/139—2015，鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 王慶豐,杜紅波,劉進(jìn)榮，等.北京市小區(qū)集中供熱燃?xì)忮仩tNOx排放現(xiàn)狀及分析[J].暖通空調(diào),2016(5):67-69.

[3] 蘇 毅,揭 濤,沈玲玲，等.低氮燃?xì)馊紵夹g(shù)及燃燒器設(shè)計進(jìn)展[J].工業(yè)鍋爐,2016(4):17-25.

[4] 肖云江,陳 剛,張 越.煤改燃后鍋爐的NOx排放對比淺析[J].安徽建筑,2015(3):191-192.

[5] 陳偉霖.燃?xì)忮仩t增容與低氮燃燒改造設(shè)計方案及應(yīng)用[J].熱力發(fā)電,2014(6):127-131.

Discussion on low nitrogen transformation technology of gas fired boiler

Wang Xianhui Li Zhong

(PowerCenter,PekingUniversity,Beijing100871,China)

This paper analyzed the pollution situation and causes of Nox, from staged combustion, premixed combustion machine, flue gas recirculation and other aspects, introduced the low nitrogen transformation technology of gas fired boiler, and through the actual case showed that the low nitrogen transformation of gas boiler effectively reduced the emission of nitrogen oxides.

gas fired boiler, low nitrogen technology, nitrogen oxides, pollutant

1009-6825(2017)05-0203-02

2016-12-04

王憲輝(1981- )，男，工程師； 李 鐘(1967- )，男，高級工程師

TU761.2

A