燃?xì)忮仩t低氮改造措施與應(yīng)用效果

張曉紅

（天津市天津醫(yī)院，天津 300211）

現(xiàn)階段工業(yè)鍋爐領(lǐng)域中使用的燃料發(fā)生了較大的改變——由于燃煤在利用中燃燒不完全，且會(huì)造成污染問(wèn)題，因此工業(yè)鍋爐領(lǐng)域使用天然氣代替燃煤。天然氣作為清潔能源能夠達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)比燃煤利用率更高，效果較為良好。不過(guò)天然氣在燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生NOx，對(duì)于PM2.5造成的空氣質(zhì)量影響有加重作用。研究表明，若燃?xì)忮仩t的排放標(biāo)準(zhǔn)從150mg/m3降低至30mg/m3或以下，則供暖季進(jìn)行天然氣燃燒時(shí)，每0.7MW中產(chǎn)生的NOx會(huì)減少0.178t。因此，燃?xì)忮仩tNOx排放的抑制成為當(dāng)前環(huán)保工作中的重任，同時(shí)也是社會(huì)發(fā)展的實(shí)際需要。文章以此為基礎(chǔ)探討燃?xì)忮仩t低氮改造措施與應(yīng)用效果。

1 低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用原理

天然氣在燃燒過(guò)程中，產(chǎn)生的燃料型NOx是微乎其微的，快速型NOx的出現(xiàn)也極少，主要NOx類型還是熱力型[1]。熱力型NOx是空氣中氮元素在高溫情況下被分解，并通過(guò)氧化反應(yīng)生成的，燃燒區(qū)留置時(shí)間、氧氣濃度及溫度都是影響熱力型NOx產(chǎn)生的要點(diǎn)因素。以下為NOx化學(xué)反應(yīng)式：

根據(jù)公式可知，天然氣在燃燒的過(guò)程中，溫度越高熱力型NOx生成量越大，溫度低則熱力型NOx的生成量會(huì)減少。此外，燃燒氣體、過(guò)量空氣系數(shù)與高溫區(qū)域停留時(shí)間增大，燃燒溫度會(huì)因此上升。因此，低氮改造的主要目標(biāo)是降低燃燒溫度，同時(shí)選取適當(dāng)?shù)倪^(guò)量空氣系數(shù)，保障燃熱效率，降低煙氣氧氣濃度，進(jìn)而減少熱力型NOx的產(chǎn)生量。

2 低氮燃燒技術(shù)措施

2.1 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

分級(jí)燃燒是將燃燒室分為富燃區(qū)和貧燃區(qū)，并在貧燃區(qū)中加入過(guò)量空氣，是一種貧燃燃燒方式[2]。這種分區(qū)延長(zhǎng)了燃料與空氣完全混合的時(shí)間，進(jìn)而降低了火焰中心的最高溫度，使得爐內(nèi)溫度分布均勻，以此避免局部高溫的情況，從而減少了NOx的生成量?？諝夥旨?jí)燃燒技術(shù)的應(yīng)用，在保證天然氣達(dá)成完全燃燒的條件下，不僅能減少NOx的產(chǎn)生，而且能使過(guò)量空氣系數(shù)保持在一個(gè)定值。過(guò)量空氣系數(shù)增高會(huì)導(dǎo)致排煙熱損失，而空氣分級(jí)燃燒可以有效降低這個(gè)值，進(jìn)而提高對(duì)燃料的利用率。不過(guò)在這一技術(shù)運(yùn)用中，易出現(xiàn)燃?xì)夂涂諝饣旌狭鲃?dòng)方式不科學(xué)的問(wèn)題，導(dǎo)致局部出現(xiàn)積碳的不完全燃燒，因此在技術(shù)應(yīng)用中對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

2.2 煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣中富含大量顆粒物與熱能，鍋爐燃燒中產(chǎn)生的熱能損失與排放對(duì)于煙氣排放方式有著較大關(guān)系。煙氣再循環(huán)是指對(duì)鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行抽?。ǔ槿×繛闊煔饪偭康?5%～20%），并使其與空氣充分混合，再將混合氣體送入爐膛內(nèi)，展開(kāi)二次燃燒。混合氣體氧濃度會(huì)因?yàn)闊煔舛档?，具有稀釋濃度的效果，還能夠吸收熱量，并使燃燒溫度激烈上升，以此使得NOx的生成受到抑制。煙氣再循環(huán)技術(shù)能夠有效降低氨氮化物的排放量，燃?xì)馊紵龖?yīng)用這一技術(shù)，有顯著的正面效果。

2.3 全預(yù)混表面燃燒技術(shù)

應(yīng)用全預(yù)混表面燃燒技術(shù)時(shí)，文丘里中的空氣與燃料要完全混合，并傳輸至金屬纖維網(wǎng)狀燃燒頭，進(jìn)而使火焰在金屬纖維物表面燃燒。金屬網(wǎng)狀燃燒頭使用特殊的鐵洛鋁合金制作而成。均勻的透氣性與充分的預(yù)混，使得溫度分布極為均勻，燃燒情況極為穩(wěn)定，進(jìn)而使得局部高溫區(qū)無(wú)法形成，有效抑制了熱力型NOx的生成。在低負(fù)荷狀態(tài)下應(yīng)用表面燃燒技術(shù)時(shí)，氣體在金屬織物內(nèi)部進(jìn)行燃燒時(shí)，會(huì)使織物溫度上升，直到織物為白熾狀態(tài)，會(huì)以紅外放射方式將熱量釋放出來(lái)；高負(fù)荷狀態(tài)下，可燃混合物在織物上燃燒，織物外表會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色，并且會(huì)以對(duì)流形式將熱量釋放出來(lái)。表面全預(yù)混燃燒還具有設(shè)備體積小、燃燒強(qiáng)度小以及火焰短等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 水冷預(yù)混技術(shù)

該技術(shù)在運(yùn)用中是將貧燃預(yù)混作為先決條件，并以此基礎(chǔ)應(yīng)用熱媒水冷卻火焰。采用該技術(shù)時(shí)，火孔面由多個(gè)火孔板組合構(gòu)成，可以有效降低火孔板由于溫度升高而引起的熱應(yīng)力變形。在火孔板內(nèi)部設(shè)有冷卻管，該設(shè)計(jì)可以降低將火孔板燃燒時(shí)的熱量，進(jìn)而使得火孔板溫度不會(huì)上升過(guò)高，以此減少NOx的生成量。此外，該技術(shù)能夠有效預(yù)防火孔板因溫度過(guò)高導(dǎo)致可燃?xì)怏w混合物回火的情況。

3 燃?xì)忮仩t低氮改造設(shè)計(jì)方案

燃?xì)忮仩t進(jìn)行低碳改造路線基本可以分為兩類：一種是將鍋爐保留，只更換燃燒器；另一種是將燃燒器與鍋爐整體進(jìn)行更新[3]。通常，長(zhǎng)期使用燃燒器燃燒結(jié)構(gòu)與低氮燃燒技術(shù)的匹配度并不高，因此不建議對(duì)燃燒器自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。

3.1 低氮燃燒器更換

低氮燃燒器更換改造方案實(shí)施過(guò)程中，要保證鍋爐使用日期較短，受熱面積能夠達(dá)成改造需要。設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)對(duì)受熱面進(jìn)行測(cè)量，即進(jìn)行爐膛深度、直徑的精確測(cè)量，全面掌握鍋爐背壓，以此為燃燒技術(shù)的選擇提供條件。通常，承壓鍋爐尤其是蒸汽鍋爐，會(huì)選用煙氣再循環(huán)聯(lián)合分級(jí)燃燒的燃燒器，常用的品牌品牌有扎克、歐科、寶爾菲等；小型低氮冷凝常壓鍋爐則多采用全預(yù)混表面燃燒技術(shù)。改造實(shí)施前，要詳細(xì)了解鍋爐房現(xiàn)場(chǎng)情況，并展開(kāi)細(xì)致的勘探工作，比如安裝空間、運(yùn)輸通道等情況，主要參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)也要全面了解，以此避免后期施工中發(fā)生設(shè)備進(jìn)場(chǎng)難和成本超預(yù)算、施工難度過(guò)大等問(wèn)題。

3.2 整體更換

對(duì)于兩者均進(jìn)行更換的情況，除燃燒技術(shù)選擇之外，是否經(jīng)濟(jì)可靠也是需要考量的方面。通常，鍋爐重裝會(huì)使用相同規(guī)格，若是原鍋爐房為5.8MW，那么進(jìn)行更換時(shí)，也要選用這一規(guī)格的鍋爐。這種改造的方式對(duì)于附屬設(shè)備以及工藝管線需求相對(duì)較小，可以降低改造成本，縮短改造工期。除此之外，也可以按照實(shí)際應(yīng)用熱負(fù)荷情況調(diào)整更新后的裝機(jī)容量。比如某小區(qū)中的供熱面積達(dá)到了5萬(wàn)m2，原供暖鍋爐為5臺(tái)1400kW熱水鍋爐，其中4臺(tái)作為常用，1臺(tái)作為備用。改造中選擇12臺(tái)500kW低氮冷凝鍋爐，互為備用，以節(jié)省備用鍋爐投資，降低改造成本。對(duì)因環(huán)境變化導(dǎo)致不適合使用的承壓鍋爐，可選擇使用水冷預(yù)混技術(shù)的低氮冷凝真空鍋爐，這一鍋爐形式能夠與原鍋爐房進(jìn)行對(duì)接，以此降低改造成本。

4 燃?xì)忮仩t低氮技術(shù)措施的應(yīng)用效果

文章以現(xiàn)階段應(yīng)用最為廣泛的全預(yù)混表面燃燒技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒聯(lián)合煙氣再循環(huán)技術(shù)、水冷預(yù)混燃燒技術(shù)這3種低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用效果展開(kāi)分析，為低氮燃燒技術(shù)應(yīng)用提供借鑒。

4.1 全預(yù)混表面燃燒應(yīng)用效果

某單位進(jìn)行低氮改造鍋爐60臺(tái)，國(guó)產(chǎn)與進(jìn)口產(chǎn)品的比為2∶8，使用低氮技術(shù)措施為全預(yù)混表面燃燒技術(shù)。在完成鍋爐安裝后進(jìn)行調(diào)試，鍋爐燃燒的狀態(tài)穩(wěn)定，氮氧化物的排放約計(jì)23mg/m3，煙氣含氧量經(jīng)檢測(cè)為6%～7%。但在實(shí)際運(yùn)行一段時(shí)間之后，同改造的一批鍋爐發(fā)生了燃燒器頻繁報(bào)警問(wèn)題，部分鍋爐氮氧化物的排放出現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)的情況，個(gè)別燃燒機(jī)頭則出現(xiàn)了爆燃情況。對(duì)燃燒頭進(jìn)行分拆檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，燃燒時(shí)存在堵塞情況。原來(lái)該批鍋爐為德國(guó)進(jìn)口冷凝鍋爐，在國(guó)內(nèi)安裝并不多，沒(méi)有進(jìn)行空氣進(jìn)口過(guò)濾的安裝，同時(shí)空氣進(jìn)口朝向?yàn)橄路?，從地面進(jìn)行空氣的吸入，而鍋爐房地面是水泥地面，在空氣清潔度上較差，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒器發(fā)生堵塞。因?yàn)檫@些問(wèn)題，在后期進(jìn)行低氮改造時(shí)，使用這一低氮燃燒器鍋爐，都會(huì)進(jìn)行過(guò)濾器的配置。在運(yùn)行中也積極開(kāi)展維護(hù)和檢查，避免爆燃及阻塞情況出現(xiàn)。

4.2 空氣分級(jí)聯(lián)合煙氣再循環(huán)燃燒應(yīng)用效果

某單位約320臺(tái)鍋爐使用更換燃燒器的改造方案進(jìn)行低氮改造，其中90%以上都是使用空氣分級(jí)聯(lián)合煙氣再循環(huán)的低氮技術(shù)，在完成改造之后，整體進(jìn)行調(diào)試，氮氧化物排放能夠降低到30mg/m3以下，煙氣含量經(jīng)檢測(cè)為3%～4%。在供暖之初，鍋爐中的一些小型燃?xì)忮仩t有喘震問(wèn)題，且較為嚴(yán)重，震動(dòng)會(huì)沿著煙囪傳導(dǎo)，隨之發(fā)出噪音，周圍居民樓對(duì)問(wèn)題進(jìn)行投訴。在實(shí)踐研究后發(fā)現(xiàn)，燃燒器在燃燒段0～40%的位置時(shí)，喘震的現(xiàn)象嚴(yán)重，在燃燒段50%～80%時(shí)喘震就會(huì)消失。為了使正常供暖得到保障，將燃燒器在燃燒段的50%～80%進(jìn)行控制，鍋爐在開(kāi)啟時(shí)會(huì)有1min左右喘震，在進(jìn)入控制燃燒段之后震動(dòng)便會(huì)消失。喘震現(xiàn)象是非正常震動(dòng)，一般是鍋爐與燃燒器不匹配導(dǎo)致問(wèn)題發(fā)生，只進(jìn)行調(diào)試是無(wú)法徹底消除震動(dòng)的，還需要燃燒器與鍋爐適配。在嚴(yán)寒季節(jié)，鍋爐全面投入使用后，對(duì)于低氮改造的鍋爐排放進(jìn)行了抽查，發(fā)現(xiàn)部分項(xiàng)目未能達(dá)成要求，在經(jīng)過(guò)二次調(diào)試之后，氨氮排放才達(dá)成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。主要是因?yàn)榭諝饷芏取⑹彝鈿鉁刈兓蜔焽璩榱Φ茸兓驾^為大，這也使得回?zé)熂翱諝夂腿細(xì)庵g的平衡被打破，進(jìn)而導(dǎo)致氮氧化物排放出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。這需要進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試，采取相應(yīng)的措施使冷凝水量得到降低，同時(shí)更加有組織地進(jìn)行排放。

4.3 水冷預(yù)混燃燒應(yīng)用效果

某單位對(duì)23臺(tái)鍋爐進(jìn)行低氮改造，選擇鍋爐更換的改造方案，使用水冷預(yù)混技術(shù)。在投入使用后，鍋爐燃燒較為穩(wěn)定，氮氧化物平均排放量為21mg/m3，同時(shí)煙氣含氧量達(dá)到4%～5%。該技術(shù)不受空氣質(zhì)量限制，無(wú)燃燒頭堵塞隱患，不需要反復(fù)調(diào)試，噪音低、操作便利，在小型燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。但是水冷預(yù)混技術(shù)只適用于鍋爐與燃燒器統(tǒng)一進(jìn)行更換的方式，或者可與原鍋爐房對(duì)接使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

低氮改造技術(shù)措施中，有較多分類，使用的效果也不盡相同，全預(yù)混表面燃燒技術(shù)措施在效果上較為良好，但需要有完善的維護(hù)支持，且煙氣含氧量過(guò)大；煙氣再循環(huán)與空氣分級(jí)燃燒的技術(shù)措施效果較為良好，但具有喘震問(wèn)題，需要保證燃燒器與鍋爐的匹配度；水冷預(yù)混技術(shù)措施更適用與小型燃?xì)忮仩t，效果好且噪音低。