低氮燃燒技術(shù)在燃?xì)忮仩t煙氣達(dá)標(biāo)排放中的應(yīng)用

盧秋旭

（中國(guó)石化塔河分公司，新疆庫(kù)車842000）

按照國(guó)家環(huán)保部要求，單臺(tái)能力65 t/h以上除層燃、拋煤爐外的燃煤、燃油、燃?xì)忮仩t，無(wú)論是否發(fā)電，均應(yīng)執(zhí)行GB 13223—2011《火電大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)要求以氣體為燃料的在用鍋爐應(yīng)滿足煙氣中NOx≯200 mg/m3，SO2≯100 mg/m3的指標(biāo)。

1 現(xiàn)狀

塔河分公司3#、4#鍋爐原型號(hào)為TH75-3.82/450-Y、Q，于2010年投產(chǎn)。2014年完成增容改造，由75 t/h擴(kuò)容至90 t/h，改造后鍋爐型號(hào)為TH90-3.82/450-Q，鍋爐采用四角切圓燃燒，最大持續(xù)蒸發(fā)量90 t/h。燃料為煉廠干氣和液化氣的混合氣。改造前，鍋爐煙氣排放情況如表1所示。

通過(guò)表1可以看出，改造前，3#、4#鍋爐煙氣氮氧化物含量達(dá)到200～293 mg/m3，超過(guò)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部的排放要求。

2 改造方案比較及選擇

2.1 NOx 的生成機(jī)理

在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NOx，一般包括NO和NO2。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，燃燒裝置排放的NOx中NO占絕大部分，一般約占95%，而NO2卻很少，僅占5%。因此，NOx主要是指NO。NOx按其生成途徑分類，可分為快速型、熱力型和燃料型。通?？焖傩蚇Ox占5%，熱力型NOx占10%～15%，而燃料型NOx占全部NOx的75% ～ 80%[1]。

2.1.1 快速型 NOx

快速型NOx經(jīng)N、NH、HCN等中間產(chǎn)物形成，NH和HCN經(jīng)一系列的反應(yīng)變成CN、N，再被氧化成NO。一般情況下，在不含氮的碳?xì)淙剂系蜏厝紵龝r(shí)，才重點(diǎn)考慮快速型NOx的生成[2]。

2.1.2 燃料型 NOx

燃料型NOx是由燃料中的氮化物形成。一般來(lái)說(shuō)重油的含氮量在0.1%～0.3%，這些氮以氮原子的形態(tài)與各種碳?xì)浠衔锝Y(jié)合成氮的鏈狀化合物或環(huán)狀化合物，在燃燒時(shí)易進(jìn)行熱分解生成低分子量的含氮化合物，如NH3、HCN、CN等，經(jīng)氧化反應(yīng)生成燃料型NOx[3]。

2.1.3 熱力型 NOx

熱力型NOx一般是燃燒時(shí)空氣中氮高溫氧化生成，其決定性的影響因素是溫度。實(shí)際火焰溫度分布不均勻，即使火焰的平均溫度低，但局部高溫處所產(chǎn)生的大量NOx，對(duì)總的NOx生成量起著重要的影響[4]。

表1 改造前鍋爐煙氣排放情況

由于3#、4#鍋爐燃料為煉廠干氣和液化氣，并非燃料油，所以可以排除大量生成燃料型NOx的可能性。3#、4#鍋爐燃料的主要組分見(jiàn)表2。

由表2可以看出，公司3#、4#鍋爐燃料的含氮量較少，加上使用燃料為燃?xì)獾娜紵?，所以?yīng)主要考慮熱力型NOx生成。

表2鍋爐燃料主要組分 %（φ）

2.2 NOx 的控制方法

目前，工業(yè)上對(duì)NOx的控制方法大致可以分為三類，分別是燃燒前處理、燃燒中處理、燃燒后處理[5]。

燃燒前處理是指燃燒前將燃料轉(zhuǎn)化為低氮燃料，處理技術(shù)復(fù)雜，難度高，成本高。燃燒中處理是指燃燒過(guò)程中抑制“熱力型NOx”的產(chǎn)生，并在運(yùn)行中還原部分已經(jīng)生成的NOx。燃燒后處理是指煙氣脫銷，包括選擇性催化還原法SCR、選擇性非催化還原法SNCR，燃燒后處理鍋爐改造工作量大，成本較高[6]。

因此，對(duì)于鍋爐而言，采用燃燒中處理的方式是可行也是較為經(jīng)濟(jì)的方法，比如低氮燃燒技術(shù)。

3 改造方案選擇

針對(duì)3#、4#鍋爐的當(dāng)前客觀條件，選擇采用燃燒中處理的方式，主要降低生成的熱力型NOx。因此，考慮選擇低氮燃?xì)馊紵鳎浜鲜褂脽煔庠傺h(huán)方式降低煙氣中的NOx含量。

3.1 低氮燃燒器

燃?xì)獾偷紵饔芍行囊患?jí)燃料槍和分布四周的二級(jí)燃料槍組成，主要目的是實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)和火焰分割，同時(shí)降低局部區(qū)域氧濃度，抑制NOx的生成。燃料分級(jí)是指燃料分梯次與空氣混合燃燒，使燃燒器出口局部區(qū)域形成還原性氣氛，降低區(qū)域溫度，從而達(dá)到降低NOx的目的。通過(guò)燃料氣分級(jí)布置，采用直流和旋流相銜接，對(duì)形成的火焰高溫區(qū)進(jìn)行區(qū)間分割，形成若干個(gè)大致等規(guī)模的火焰區(qū)域，在燃燒釋放的熱容量不發(fā)生顯著變化的條件下，使得火焰溫度更加均勻，則熱力型NOx的生成率將會(huì)大幅度降低。

3.2 煙氣再循環(huán)

為確保改造后煙氣排放NOx濃度低于200 mg/m3，還需要進(jìn)一步降低燃燒區(qū)域溫度和燃燒區(qū)域的氧氣濃度，從而更加有效地降低NOx的生成速率。為此，考慮增加鍋爐煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，在引風(fēng)機(jī)出口增設(shè)煙氣分布組件，見(jiàn)圖1，分流一部分煙氣占入爐空氣總量的20%～40%，用新增加的再循環(huán)風(fēng)機(jī)送到鼓風(fēng)機(jī)出口，與一次風(fēng)混合后送入爐內(nèi)，達(dá)到降低燃燒區(qū)域溫度和氧濃度的目的。

圖1 煙氣再循環(huán)流程

4 改造內(nèi)容及工程量

2017年9月，4#鍋爐按上述方案進(jìn)行改造，主要改造內(nèi)容包括以下三個(gè)方面：

一是更換裝置現(xiàn)有的燃燒器為低氮燃燒器，在燃燒器的設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮火焰形態(tài)和爐膛尺寸的匹配，從而保證爐膛整體溫度場(chǎng)均勻，同時(shí)在滿足鍋爐負(fù)荷的基礎(chǔ)上，達(dá)到氮氧化物的超低排放。

二是火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、燃燒控制系統(tǒng)控制柜及風(fēng)門控制系統(tǒng)、自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)等根據(jù)燃燒器適當(dāng)調(diào)整，以滿足低氮燃燒和鍋爐正常運(yùn)行的控制要求。

三是新增煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的管道，用以滿足煙氣再循環(huán)技術(shù)的設(shè)計(jì)要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐負(fù)荷變化時(shí)，對(duì)空氣量、再循環(huán)風(fēng)量與燃?xì)饬勘壤淖詣?dòng)調(diào)節(jié)，在使用低氮燃燒器的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步降低燃燒煙氣中的氮氧化物產(chǎn)生。

設(shè)計(jì)工程建設(shè)投資為972萬(wàn)元，其中工程費(fèi)為802萬(wàn)元，占總投資的82.55%。主要新增設(shè)施見(jiàn)表3。

表3 主要新增設(shè)施清單

5 改造效果

2017年12月，4#鍋爐改造完畢后進(jìn)行了生產(chǎn)標(biāo)定，標(biāo)定期間鍋爐負(fù)荷和煙氣排放分析具體見(jiàn)表4。由表4可知，4#爐改造完畢后，在設(shè)計(jì)負(fù)荷條件下，鍋爐煙氣中的氮氧化物濃度在127.9～182.7 mg/m3，二氧化硫在0～28.6 mg/m3，滿足國(guó)家環(huán)保部門NOx≯200 mg/m3，SO2≯100 mg/m3的排放要求。

改造后，裝置新增一臺(tái)再循環(huán)風(fēng)機(jī)，新增公用工程消耗主要為電耗。標(biāo)定期間，裝置每小時(shí)新增電耗為140.5 kW·h。

表4 標(biāo)定期間鍋爐負(fù)荷和煙氣排放分析

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)負(fù)荷90 t/h的燃?xì)忮仩t，選擇低氮燃?xì)馊紵?，配合使用煙氣再循環(huán)方式進(jìn)行改造，可以將鍋爐煙氣的氮氧化物含量由200～293 mg/m3降低至127.9～182.7 mg/m3，達(dá)到了國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB 13223—2011《火電大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放要求。