低氮燃燒改造綜述

殷鳳榮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十五研究所，北京 100083）

0 引言

污染源是防治大氣污染危害的根本措施，治理途徑是多方面的，近些年國(guó)家對(duì)城市采暖污染方面的提出了清潔燃燒理念，鼓勵(lì)各大鍋爐使用業(yè)主采取低氮改造的方式降低氮氧化物的排量，眾所周知氮氧化物（NOX）是PM2.5的重要前體物，而燃?xì)忮仩t的NOX的生成量主要與火焰溫度、燃燒器區(qū)段氧濃度、燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留的時(shí)間有關(guān)，一般火焰溫度越高，氮氧化物生成的就越多，反之亦然，降低氮氧化物的途徑主要有兩個(gè)方面：降低火焰溫度，防止局部高溫；降低過(guò)量空氣系數(shù)和氧濃度。因此，抑制氮氧化物生成的一個(gè)重要措施就是從燃燒器入手。

1 低氮燃燒理論基礎(chǔ)

1.1 低氮燃燒器

低氮燃燒器是指燃料燃燒過(guò)程中氮氧化物排放量低的燃燒器，通常是指氮氧化物排放在（30～80）mg/m3的燃燒器，氮氧化物排放在30 mg/m3以下稱為超低氮燃燒器，實(shí)現(xiàn)技術(shù)大致基于：電子比調(diào)儀和氧含量控制、全預(yù)混表面燃燒、分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)（Flue Gas Recirculation，F(xiàn)GR）技術(shù)。

1.2 過(guò)量空氣系數(shù)及含氧量

燃料燃燒時(shí)實(shí)際空氣需要量與理論空氣需要量之比稱為過(guò)量空氣系數(shù)，通常用α表示。α過(guò)大，說(shuō)明在燃燒時(shí)實(shí)際鼓風(fēng)量較大，氧氣充足，對(duì)完全燃燒有利，但過(guò)大的鼓風(fēng)量必然產(chǎn)生過(guò)大的煙氣，增加排煙熱損失q2，爐膛溫度降低，傳熱不好，浪費(fèi)燃料；α過(guò)小，說(shuō)明實(shí)際鼓風(fēng)量小，氧氣不足，造成不完全燃燒熱損失q3和固體不完全燃燒熱損失q4，浪費(fèi)燃料，爐內(nèi)傳熱也不好。因此，合理的過(guò)量空氣系數(shù)應(yīng)該即保證燃料完全燃燒，又能使各項(xiàng)熱損失降至最小。需要確定一個(gè)最佳的α使得q2+q3+q4的和最小[1]。氧含量即：燃料燃燒后，煙氣中還有多余的自由氧，通常以干基容積百分比數(shù)來(lái)表示。

1.3 分級(jí)燃燒

組織燃燒所需空氣和燃料在燃燒行程的不同部位供入?yún)⒓尤紵瑢?shí)現(xiàn)總體抑制NOX生成的燃燒技術(shù)。以擴(kuò)散式燃燒器為例：燃燒之前，燃?xì)獠慌c空氣混合，燃?xì)庾曰鹂琢鞒龊?，靠擴(kuò)散作用與空氣混合進(jìn)行燃燒[2]，其特點(diǎn)是燃燒穩(wěn)定，不存在回火問(wèn)題，運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并可以利用低壓燃料氣，單火焰較長(zhǎng)，需要較大的燃燒空間。為了能使燃料與空氣較好混合，一般都是將燃料分成多股細(xì)流，使其與空氣接觸面增大，或者是空氣與燃料氣之間有一定的交角或成旋流狀態(tài)，增大相互的擾動(dòng)，從而使燃料氣與空氣更好的混合。

1.4 煙氣再循環(huán)技術(shù)

燃燒產(chǎn)生的部分煙氣與氧化劑混合后再次參加燃燒的過(guò)程稱為煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)[3]，其本質(zhì)就是通過(guò)將燃燒產(chǎn)生的煙氣重新引入燃燒區(qū)域，溫度對(duì)NOX生成速率的影響呈指數(shù)關(guān)系，與煙氣中的氧濃度的0.5次方成正比關(guān)系，該技術(shù)降低了火焰區(qū)的最高溫度，就可以降低NOX的形成，高溫?zé)煔鈱?duì)氧化劑和燃料起到預(yù)熱作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒溫度和氧化物濃度的控制，從而實(shí)現(xiàn)降低NOX的排放和節(jié)約能源的效果。

1.5 全預(yù)混表面燃燒技術(shù)

燃?xì)庠谌紵芭c足夠的空氣進(jìn)行混合，在燃燒過(guò)程中不再需要供給空氣的燃燒方式稱為全預(yù)混表面燃燒技術(shù)，其特點(diǎn)是火焰短，附著于燃燒表面，燃燒均勻，難以形成局部高溫區(qū)，燃燒產(chǎn)物的停留時(shí)間非常短，過(guò)量空氣系數(shù)少，無(wú)需鼓風(fēng)，節(jié)省動(dòng)力，即可有效控制NOX的生成[4]。以鍋爐金屬纖維燃燒器為例，它是一種全預(yù)混微焰式燃燒器，以特種金屬纖維作為燃燒表面，可根據(jù)輸出功率的大小不同，火焰產(chǎn)生兩個(gè)基本模式，低功率輸出時(shí)，燃燒器為外紅輻射模式，在高功率時(shí)燃燒器是藍(lán)火焰模式，調(diào)節(jié)功率輸出時(shí)，火焰就在這兩個(gè)模式之間變化。

2 鍋爐低氮燃燒器的選擇

（1）必須滿足國(guó)家和地方環(huán)保排放要求，在滿足要求的前提下，從企業(yè)的社會(huì)責(zé)任角度出發(fā)，盡量應(yīng)該選擇NOX排放更低的設(shè)備。

（2）達(dá)到充分燃燒的極限過(guò)量空氣系數(shù)為大約1.1。對(duì)于燃?xì)忮仩t大氣污染物基準(zhǔn)含氧量排放濃度為3.5%[5]，更高的煙氣氧含量通常意味著燃燒效率降低，理想的燃燒器最好的氧含量可以控制在3%以內(nèi)。

（3）低氮燃燒器通常應(yīng)該具備至少5∶1以上的高可調(diào)比，更低的可調(diào)比意味著實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中更多的ON/OFF啟停，同時(shí)意味著更多的天然氣消耗，除非是負(fù)荷常年在一個(gè)比較小的穩(wěn)定區(qū)間的鍋爐，選擇一個(gè)高可調(diào)比的燃燒器對(duì)于降低天然氣的消耗，降低運(yùn)程成本，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命非常重要。

（4）對(duì)于采用FGR技術(shù)的燃燒器，需要特別關(guān)注煙氣再循環(huán)率，即再循環(huán)煙氣量與不采用煙氣再循環(huán)時(shí)的煙氣量之比，稱為煙氣再循環(huán)率，燃?xì)忮仩t的煙氣再循環(huán)率一般控制在10%～20%，當(dāng)采用更高的煙氣再循環(huán)率時(shí)，燃燒極易不穩(wěn)定，未完全燃燒熱損失將會(huì)增加，煙氣回收需要加裝風(fēng)機(jī)，保證足夠的回收煙氣量送入爐膛，一般采用變頻控制，可以滿足鍋爐不同負(fù)荷下需要煙氣回收量，也大大降低了電耗，同時(shí)可以保證煙氣控制在合理的流速內(nèi)，產(chǎn)生最大化的利用率。

3 常用低氮改造方案

（1）要想達(dá)到超低氮排放要求，最直接的改造方案是更換全預(yù)混表面燃燒器，通常能夠?qū)OX在全火范圍內(nèi)控制到30 mg/m3以內(nèi)，因無(wú)需加裝煙氣再循環(huán)管道，可以節(jié)省使用空間，改造工程相對(duì)簡(jiǎn)單，基于其工作原理是預(yù)先混合燃料空氣，因此對(duì)于燃燒頭和空氣過(guò)濾器的清潔保養(yǎng)很重要，無(wú)形中增加了后期保養(yǎng)的工序，否則極易造成爆燃現(xiàn)象的發(fā)生，2015年起，北京作為試點(diǎn)城市逐步推行了燃油（氣）鍋爐低氮燃燒改造，2017年北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、北京市環(huán)境保護(hù)局關(guān)于鍋爐低氮燃燒改造安全風(fēng)險(xiǎn)警示的通告中明確提出建議：對(duì)于7 MW（蒸發(fā)量10 t/h）以上的在用鍋爐，不建議采用預(yù)混式燃燒的改造方式。

（2）利用分級(jí)燃燒加FGR的方式達(dá)到超低氮燃燒改造，此種方案的使用較為普遍，僅使用FGR通常能夠?qū)OX在全火范圍內(nèi)控制在（40～65）mg，加裝低氮燃燒器將進(jìn)一步減少NOX的排放，達(dá)到超低氮排放。

（3）利用全預(yù)混表面燃燒加FGR方式能達(dá)到更好的降氮效果，結(jié)合了表面燃燒的NOX控制的優(yōu)點(diǎn)和FGR降氧含量的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)在全火范圍內(nèi)控制NOX到20 mg水平，同時(shí)控制氧含量在3%以內(nèi)，最大化燃燒效率，當(dāng)然此種方案的設(shè)備投資成本也相對(duì)較高。

4 低氮改造施工的重要環(huán)節(jié)

（1）必須選用有鍋爐安裝及壓力管道施工資質(zhì)的廠家進(jìn)行施工，在用鍋爐更換燃燒器的施工過(guò)程，涉及到燃?xì)夤艿赖牟鹧b，根據(jù)燃?xì)夤镜囊笕細(xì)夤艿赖氖┕け仨氂捎匈Y質(zhì)的廠家進(jìn)行施工，在管道拆裝前后，需要聯(lián)系當(dāng)?shù)厝細(xì)夤緦?duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行停、復(fù)氣操作，確保拆除前管道內(nèi)無(wú)燃?xì)猓油ê蠊艿罒o(wú)漏氣，從安全角度考慮，必須嚴(yán)格規(guī)范操作流程。

（2）在燃燒器安裝前期，需要了解所選燃燒器要求的燃?xì)鈮毫Ψ秶源_保適用于在用鍋爐的燃?xì)庹{(diào)壓箱的輸出壓力，否則需要聯(lián)系燃?xì)夤緦?duì)燃?xì)庹{(diào)壓箱進(jìn)行調(diào)壓或更換調(diào)壓箱，以避免在設(shè)備點(diǎn)火試運(yùn)行時(shí)因燃?xì)鈮毫^(guò)低造成無(wú)法啟爐的現(xiàn)象發(fā)生。

（3）低氮燃燒器都自帶控制柜，確保在用鍋爐控制系統(tǒng)與燃燒器控制柜的有效對(duì)接，必要時(shí)可將鍋爐控制系統(tǒng)一并更新，可避免鍋爐控制系統(tǒng)與燃燒器控制系統(tǒng)不匹配的問(wèn)題出現(xiàn)，一般不會(huì)對(duì)外管網(wǎng)的控制系統(tǒng)造成影響。需要注意的是若一并更新鍋爐控制柜，一些鍋爐本體配件的輸出信號(hào)量可能會(huì)與新系統(tǒng)不匹配，同樣需要提前確認(rèn)更換相關(guān)配件，避免耽誤改造施工進(jìn)度。

（4）低氮燃燒器最重要的出廠指標(biāo)就是型式試驗(yàn)證書及報(bào)告，出廠合格證，這些將作為特檢所檢驗(yàn)的重要指標(biāo)。對(duì)于加裝煙氣再循環(huán)系統(tǒng)的低氮燃燒器，其形式試驗(yàn)證書中的型號(hào)后必須帶有FGR標(biāo)識(shí)，這一點(diǎn)需要特別注意。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)對(duì)大氣污染治理力度的不斷加大，對(duì)于鍋爐燃燒廢氣的治理將不僅局限在北京地區(qū)，低氮改造必將得到廣泛應(yīng)用，在用鍋爐的大多數(shù)業(yè)主和鍋爐使用方將直接面向燃燒器廠家，只有全面了解相關(guān)知識(shí)，才能在低氮燃燒器的選型、施工以及后續(xù)維護(hù)保養(yǎng)中做到知己知彼，指揮若定。