焦?fàn)t煤氣鍋爐低氮燃燒技術(shù)的試驗(yàn)研究

郭艷平 張玉斌

摘 要：通過(guò)更換焦?fàn)t煤氣鍋爐燃燒器、增加煙氣再循環(huán)和燃盡風(fēng)系統(tǒng)三種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)降低氮氧化物生成的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明：低氮燃燒器作用最為明顯，能夠?qū)⒔範(fàn)t煤氣鍋爐氮氧化物濃度降低到150mg/Nm3（折算至O2=3%）以下，部分工況通過(guò)控制鍋爐氧量可低至100mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。

關(guān)鍵詞：焦?fàn)t煤氣；低氮燃燒器；燃盡風(fēng)系統(tǒng)；煙氣再循環(huán)

一、背景

隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)環(huán)保要求愈加重視。與傳統(tǒng)燃料相比，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的SO2和粉塵較少，但氮氧化物（NOx）排放值相對(duì)較高。焦?fàn)t煤氣（COG）可燃成分以H2為主，由于其具有著火快，火焰初始溫度高的特點(diǎn)，在燃燒過(guò)程中將產(chǎn)生大量熱力型NOx。隨著環(huán)保要求的提高，焦?fàn)t煤氣鍋爐高NOx排放特性限制其正常使用，需要對(duì)其進(jìn)行低氮改造來(lái)滿足環(huán)保要求。

二、焦?fàn)t煤氣燃燒過(guò)程中NOx形成機(jī)理

2.1 燃?xì)馊紵齆Ox形成機(jī)理

燃?xì)忮仩t運(yùn)行中產(chǎn)生的NOx按生成機(jī)理分類(lèi)主要有熱力型（Thermal NOx）、燃料型（Fuel NOx）、快速型（Prompt NOx）；NOx主要是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2），其中 NO 約占 95%【1】。熱力型NOx是由燃燒空氣中的N2在高溫下氧化而成，根據(jù)捷里多維奇（Zeldovich）反應(yīng)機(jī)理，空氣中的氮?dú)庠诟邷叵卵趸磻?yīng)如公式（1）和公式（2）所示：

N2 + O2 —— NO + N （1）

N + O2 —— NO + O （2）

根據(jù) Zeldovich 反應(yīng)機(jī)理，NO 生成速度可用公式（3）表示：

（3）

式中：CNO 、CN2 、CO2 ———分別為NO、N2 、O2 的濃度，mol/cm3

R———?dú)怏w常數(shù)，取 8.314，J/mol？K

T———燃燒溫度，K

從公式（3）可以看出，燃燒溫度 T、氧氣濃度及氮?dú)鉂舛葘?duì)熱力型NOx的生成速率均有重要影響。研究表明[2]，當(dāng)溫度達(dá)到1800 K時(shí)，熱力型NO x生成速率明顯加快，溫度每升高100 K，生成速率將增大5～7倍。

2.2 燃?xì)馊紵饕刂芅Ox手段

從焦?fàn)t煤氣自身成分分析，焦?fàn)t煤氣中存在的氮元素極少，幾乎沒(méi)有燃料型NOx，研究發(fā)現(xiàn)焦?fàn)t煤氣燃燒產(chǎn)生的熱力型NOx占總量的95%以上。如何通過(guò)技術(shù)手段來(lái)降低熱力型NOx成為焦?fàn)t煤氣鍋爐低氮改造的關(guān)鍵。

從 NOx的生成機(jī)理可以看出，燃?xì)獾蚇Ox燃燒的關(guān)鍵控制因素包括降低爐內(nèi)燃燒溫度、優(yōu)化燃?xì)馀c助燃空氣的混合比、縮短氧化反應(yīng)時(shí)間。主要低氮燃燒技術(shù)有：（1）空氣分級(jí)燃燒；（2）燃料分級(jí)燃燒；（3）煙氣再循環(huán)；（4）低過(guò)剩空氣燃燒；（5）低氮燃燒器等。

三、試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 鍋爐主要參數(shù)

東嶺冶煉公司為提高自身經(jīng)濟(jì)效益和能源利用率，采用焦?fàn)t煤氣作為驅(qū)動(dòng)燃料來(lái)發(fā)電，供自身生產(chǎn)需要，鍋爐主要參數(shù)如下：額定蒸發(fā)量：95t/h；過(guò)熱蒸汽壓力：5.3MPa；過(guò)熱蒸汽溫度：450℃；鍋筒工作壓力：5.83MPa；給水溫度：200℃；排煙溫度：160℃；燃料（焦?fàn)t煤氣）：16000Nm3/h。鍋爐標(biāo)高22.57m，爐膛為5.81×5.81m的正方形，采用正四角直流式煤氣燃燒器，假想切圓直徑500mm。鍋爐改造前氮氧化物排放濃度為200-250 mg/m3（O2濃度約9%-10%），折算至O2=3%條件下約為350-400 mg/m3左右。

3.2實(shí)施低氮燃燒的主要手段

3.2.1低氮燃燒器

本次改造采用的低氮燃燒器設(shè)計(jì)有三級(jí)噴槍?zhuān)行囊患?jí)，四周兩級(jí)，風(fēng)箱與燃燒器一體設(shè)計(jì)。新燃燒器需要最大的開(kāi)孔尺寸為直徑810mm，原水冷壁開(kāi)孔尺寸為直徑840mm，所以無(wú)需對(duì)原水冷壁開(kāi)孔進(jìn)行更換，保留原燃燒器的火檢及風(fēng)道風(fēng)門(mén)。每個(gè)燃燒器安裝有一個(gè)高能點(diǎn)火槍和兩個(gè)觀火鏡。

3.2.2煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

煙氣再循環(huán)技術(shù)能有效降低火焰溫度，稀釋氧氣濃度，降低燃燒速度，可以減少熱力型NOx生成。研究表明，隨著煙氣循環(huán)量的增加，NOx降低率升高，較為合理的煙氣循環(huán)量為15%左右，且火焰穩(wěn)定性受循環(huán)量影響較大。

從引風(fēng)機(jī)出口引一路煙氣到鼓風(fēng)機(jī)入口前，通過(guò)煙氣再循環(huán)管路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)進(jìn)入爐膛的煙氣量。

3.2.3燃盡風(fēng)系統(tǒng)（SOFA）

將燃燒所需的空氣量分成兩級(jí)送入爐膛，使主燃燒區(qū)內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)在 0.8～1，燃料先在富燃料條件下燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，延遲了燃燒過(guò)程，在還原性氣氛中大量含氮基團(tuán)與NOx反應(yīng)，提高了NOx向N 2的轉(zhuǎn)化率，降低了NOx在這一區(qū)域的生成量。將燃燒所需其余空氣通過(guò)布置在主燃燒器上方的燃盡風(fēng)噴口送入爐膛，在供入燃盡風(fēng)以后，成為富氧燃燒區(qū)，在富氧的狀況下燃盡為反應(yīng)的碳?xì)浠衔?。由于該區(qū)域溫度較低，不會(huì)增加NOx的生成。

從鍋爐兩側(cè)的風(fēng)箱分別引一路助燃空氣至9.4m標(biāo)高處的燃盡風(fēng)風(fēng)口，使未能充分燃燒的燃?xì)獬浞秩紵?/p>

四、試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 煙氣再循環(huán)對(duì)NOx排放濃度的影響

將鍋爐負(fù)荷維持在一定范圍內(nèi)，盡量維持氧量平穩(wěn)，調(diào)整再循環(huán)煙氣擋板門(mén)開(kāi)度，并調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門(mén)及引風(fēng)機(jī)出口風(fēng)門(mén)開(kāi)度，調(diào)整再循環(huán)煙氣量。測(cè)試鍋爐NOx排放濃度。隨著煙氣再循環(huán)風(fēng)門(mén)開(kāi)度的增加，NOx的排放值有所下降，下降的幅度相對(duì)較小。試驗(yàn)表明煙氣再循環(huán)對(duì)焦?fàn)t煤氣鍋爐降低氮氧化物的效果有限。

4.2 燃盡風(fēng)系統(tǒng)對(duì)NOx排放濃度的影響

將鍋爐維持在一定的負(fù)荷范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度，改變?nèi)急M風(fēng)量相對(duì)總風(fēng)量的比例。測(cè)量鍋爐NOx排放濃度。在調(diào)試過(guò)程中受到鍋爐氧量的影響，燃盡風(fēng)系統(tǒng)對(duì)鍋爐降低氮氧化物的濃度作用不明顯。

4.3低氮燃燒器調(diào)試運(yùn)行

在鍋爐不同負(fù)荷下，通過(guò)調(diào)節(jié)的鍋爐引風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)將鍋爐爐膛出口負(fù)壓和爐膛氧量控制在合適范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)電動(dòng)風(fēng)門(mén)和煙氣再循環(huán)風(fēng)門(mén)，控制鍋爐NOx排放值。

鍋爐在低于7MW的負(fù)荷下運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整煙氣再循環(huán)以及燃盡風(fēng)風(fēng)量，在爐膛氧量低于1.5%時(shí)，可以將NOx折算值控制在100mg/Nm3以?xún)?nèi)。高負(fù)荷時(shí)，爐膛氧量控制3%以?xún)?nèi)，通過(guò)低氮燃燒系統(tǒng)后，鍋爐NOx折算值低于150mg/Nm3。對(duì)比改造之前，低氮燃燒系統(tǒng)能夠使NOx排放值降低60%以上。

五、結(jié)論

1、低氮燃燒系統(tǒng)能夠降低鍋爐氮氧化物排放濃度60%以上，將鍋爐NOx控制在150mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。低負(fù)荷通過(guò)控制鍋爐爐膛氧量能夠?qū)⑴欧胖到档偷?00mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。

2、煙氣再循環(huán)對(duì)焦?fàn)t煤氣鍋爐降低氮氧化物排放作用有限。

3、燃盡風(fēng)系統(tǒng)對(duì)鍋爐降低氮氧化物作用不明顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉少林，吳金星，等.中小型燃?xì)忮仩tNOx源頭控制及低氮燃燒技術(shù)研究進(jìn)展[J]工業(yè)鍋爐2017年（5）：17—27.

[2]錢(qián)英飛.焦?fàn)t加熱燃燒時(shí)氮氧化物的形成機(jī)理及控制 [J]. 燃料與化工， 2011，42（4）：231-235