超低氮燃燒技術(shù)在燃?xì)忮仩t上的研究與應(yīng)用

婁彥龍

上海碳索能源服務(wù)股份有限公司

0 引言

根據(jù)全國(guó)各地陸續(xù)出臺(tái)的鍋爐廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，NOx 排放限值降低至50 mg/m3甚至30 mg/m3以下。加快推進(jìn)全國(guó)中小鍋爐提標(biāo)改造超低氮排放工作，進(jìn)一步減少污染物排放，改善空氣環(huán)境質(zhì)量，勢(shì)在必行。

1 概述

超低氮燃燒技術(shù)是目前市場(chǎng)上應(yīng)用較為普遍的新技術(shù)，燃?xì)忮仩t超低氮改造技術(shù)主要分為燃燒中和燃燒后的NOx 控制。通常國(guó)際上把燃燒中NOx控制措施統(tǒng)稱為一次措施，把燃燒后的NOx控制措施統(tǒng)稱為二次措施，即末端煙氣脫硝治理技術(shù)。本文主要分析燃?xì)忮仩t領(lǐng)域NOx 的排放現(xiàn)狀及產(chǎn)生機(jī)理，介紹在中小型燃?xì)忮仩t燃燒過程中常用的超低氮燃燒技術(shù)及案例應(yīng)用。

2 NOx的排放現(xiàn)狀及產(chǎn)生機(jī)理

燃料在燃燒過程中產(chǎn)生NOx可分為三種類型：燃料型、熱力型、快速型。NOx的主要成分是NO和NO2,其中NO 的比例＞95%，廢氣排入空氣后，NO會(huì)迅速氧化為NO2，因此環(huán)境空氣的污染指標(biāo)以NO2為主。兩者的產(chǎn)生分別有各自不同的機(jī)理，燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的NOx主要是熱力型NOx

2.1 燃料型NOx

燃料型NOx 是燃料中的氮元素在650 ℃以上高溫環(huán)境中氧化生成的，由燃料中的氮元素?fù)]發(fā)至離子狀態(tài)后與高濃度O2化合而成。由于目前市場(chǎng)上的天燃?xì)獾繕O少，基本上可以忽略。

2.2 熱力型NOx

空氣中的氮元素在900 ℃以上高溫下持續(xù)氧化生成的NOx，即為熱力型NOx。該類型NOx 由于只在高溫中形成，而且其生成過程是一個(gè)不分支連鎖反應(yīng)，即捷里多維奇反應(yīng)式，見式（1）～（3）：

通過大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，得出一個(gè)結(jié)論：NOx產(chǎn)生量的重要決定性因素是燃燒器的燃燒溫度。在900～370 ℃溫度區(qū)間時(shí)，NOx 的生成速率比較緩慢；但是當(dāng)溫度升到1 600 ℃以上時(shí)，NOx 即快速上升，之后溫度每提高90～110 ℃，反應(yīng)速率也將增大5～8倍。

2.3 快速型NOx

歷史上，F(xiàn)enimore做過碳?xì)淙剂项A(yù)混火焰的軸向NO分布實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在反應(yīng)區(qū)附近可能會(huì)快速生成NOx，即稱其為“快速NOx”，即我們通常說的費(fèi)尼莫爾反應(yīng)機(jī)理?？焖傩蚇Ox 是在高濃度天燃?xì)馊紵龡l件下產(chǎn)生。它的形成主要由三個(gè)影響因素，即CH原子團(tuán)的濃度及形成過程、氮?dú)夥肿臃磻?yīng)生成氯化物的速率和氮氧化物間相互轉(zhuǎn)化率，相關(guān)反應(yīng)式如式（4）～（7）所示：

3 超低氮燃燒改造技術(shù)

超低氮燃燒改造技術(shù)主要從燃?xì)忮仩t的燃燒源頭著手，即通過燃燒過程中控制。根據(jù)第2 部分詳述的NOx 生成機(jī)理，若要降低其生成量，最重要的手段是控制燃燒過程的溫度和時(shí)間。其主要的影響控制因素分別為空燃比、助燃空氣的溫度、燃燒區(qū)溫度場(chǎng)分布、后燃燒區(qū)的冷卻狀態(tài)和燃燒器機(jī)頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局等。詳見以下4 種超低氮技術(shù)。

3.1 濃淡燃燒技術(shù)

濃淡燃燒，是人為將整個(gè)燃燒過程區(qū)分為若干個(gè)不同空燃配比的階段，使燃燒過程分別在過濃燃?xì)鈪^(qū)、過淡燃?xì)鈪^(qū)和燃盡區(qū)分階段完成。主要目的是延緩燃盡，降低燃燒高溫區(qū)的溫度以減少NOx的生成，進(jìn)而使NOx生成量持續(xù)降低。

3.2 分級(jí)燃燒技術(shù)

燃料的分級(jí)燃燒技術(shù)，即所謂的再燃燒技術(shù)，其特點(diǎn)是將燃燒過程分成3 個(gè)區(qū)域：第一燃燒區(qū)主要是氧化性或弱還原性氣氛；第二燃燒區(qū)，由于爐內(nèi)的二次燃料送入，使其表現(xiàn)為還原性氣氛。在高溫和還原環(huán)境中，生成CH.，該原子團(tuán)與第一燃燒區(qū)生成的NOx 反應(yīng)，主要生成N2。在第二燃燒區(qū)的上方，送入的二次風(fēng)使燃料再次燃燒完全，此區(qū)域即為燃盡區(qū)，該部分的二次風(fēng)也稱為燃盡風(fēng)。燃盡過程中雖然會(huì)再次生成少量的NO，但從總體看，采用分級(jí)燃燒技術(shù)后，燃?xì)忮仩t的NOx 最終排放量還是呈現(xiàn)明顯降低的趨勢(shì)。

3.3 超級(jí)混合技術(shù)

超級(jí)混合燃燒技術(shù)是另一種典型燃燒形式，主要分為部分混合和超級(jí)混合燃燒。超級(jí)混合燃燒是指燃燒前，天燃?xì)馀cO2已經(jīng)在燃燒器內(nèi)進(jìn)行充分混合，這種技術(shù)的燃燒溫度高、強(qiáng)度大，對(duì)當(dāng)量比可進(jìn)行完全控制，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燃燒溫度的控制，從而控制熱力型NOx的生成量。

因此在降低NOx生成方面，超級(jí)混合燃燒技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)，相比較于非混合燃燒技術(shù)，至少可降低80%左右的NOx生成量。

3.4 煙氣再循環(huán)（FGR）技術(shù)

FGR 技術(shù)即從鍋爐出口煙道上抽取部分煙氣（低溫段）與助燃空氣在充分混合后再送進(jìn)鍋爐爐膛燃燒。FGR技術(shù)不但可降低燃燒溫度，而且能降低O2濃度，該技術(shù)在燃料為天燃?xì)鈺r(shí)可以降低40%～60%左右的NOx的量。

主要原理為：通過燃燒氣氛中O2/CO2體積比對(duì)NOx 生成量及NO/NOx 的比率的顯著影響。當(dāng)過量空氣系數(shù)為1時(shí)，NOx的排放隨O2/CO2體積比的變化情況見圖3-1。

圖3 -1 NOx量隨O2/CO2體積比的變化圖

從圖3-1 中可以看到NOx 的排放量隨O2體積比的升高而增加，且增加幅度很大。這是因?yàn)樵谌紵^程中，N基本是以HCN的形式存在，HCN在貧氧與富氧情況下與O2的總反應(yīng)如式（8）-式（15）所示：

由式（8）和（9）可見，貧氧條件下，HCN 最終生成N2；富氧條件下，則生成NO，O2濃度的增加促進(jìn)N到NOx的轉(zhuǎn)化。

由式（10）至式（15）可見，在較低溫度下，較高CO2濃度往往促使部分CO 的生成，CO 直接還原NO 的同時(shí)生成C＊活性基團(tuán)，C＊活性基團(tuán)則作為催化還原劑，使NO 被還原為N2，從而降低NOx的生成。

4 技術(shù)應(yīng)用（實(shí)例）

4.1 上海某卷煙廠蒸汽鍋爐超低氮改造

上海某卷煙廠鍋爐房原有2臺(tái)蒸發(fā)量20 t/h 威曼雙爐膽燃?xì)庹羝仩t，每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)燃燒器。每臺(tái)燃燒器功率7 900 kW，鍋爐工作壓力1.15 MPa，進(jìn)水溫度為104 ℃，飽和蒸汽溫度209 ℃，改造前的NOx排放濃度為108 120 mg/Nm3～120 mg/Nm3。

2019 年9 月底完成超低氮改造，采用國(guó)內(nèi)上海華之邦分體式W-SLG10-AB 型低氮燃燒器，電子比例式調(diào)節(jié)，同時(shí)采用煙氣外循環(huán)技術(shù)。此燃燒器經(jīng)技術(shù)改造后，經(jīng)檢測(cè)鍋爐NOx排放濃度降低至40 mg/Nm3，單臺(tái)鍋爐的NOx減排量為1 920 kg/年。

4.2 寶龍集團(tuán)真空熱水鍋爐超低氮改造

上海寶龍集團(tuán)奉賢、七寶、嘉定、曹路、泥城、華新等6個(gè)基地原有24臺(tái)真空熱水鍋爐，鍋爐由浙江上能鍋爐有限公司提供的真空熱水鍋爐，并以潔凈的天然氣作為能源，進(jìn)/出口溫度為50 ℃/60 ℃，出水壓力1.6 MPa，改造前的NOx排放濃度為150 mg/Nm3。

2019 年9-12 月底陸續(xù)完成超低氮改造，采用國(guó)外進(jìn)口意大利百得一體式TBG LXME FGR 型超低氮燃燒器，電子比例式調(diào)節(jié)，同時(shí)采用煙氣外循環(huán)技術(shù)。此技術(shù)改造后，經(jīng)檢測(cè)，鍋爐NOx 排放濃度降低至50 mg/Nm3，整個(gè)集團(tuán)鍋爐的NOx減排量約為7 800 kg/年。

5 總結(jié)

《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃2018-2020年》的發(fā)布，NOx 污染治理工作依然面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)，全國(guó)各地的政府部門不僅陸續(xù)提高鍋爐大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，排放限值普遍定在3 050 mg/Nm3～50 mg/Nm3，而且還加大了檢查力度和超標(biāo)排放的處罰力度，以罰促改、以查促治、以治提升環(huán)境，形成一個(gè)有效的閉環(huán)。

具體的改造實(shí)例，驗(yàn)證了通過更換低氮燃燒器+FGR 技術(shù)，可以將中小型蒸汽及熱水鍋爐的NOx排放降低至50 mg/Nm3以下。