燃氣鍋爐低氮排放技術(shù)改造實踐

朱恒剛

摘 要：根據(jù)國家《大氣污染防治行動計劃》、上海市《鍋爐大氣污染物排放標準》新的要求，從2020年1月1日起，所有燃氣鍋爐氮氧化物排放水平應(yīng)控制在50 mg/m3以內(nèi)，為響應(yīng)政府號召，根據(jù)某大樓實際情況，對大樓使用的4臺燃氣鍋爐進行低氮排放改造，選擇了加裝煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)，以減低氮氧化合物的排放，經(jīng)過一段時間運行，第3方檢測，達到了國家規(guī)定的鍋爐氮氧化物排放水平應(yīng)控制在50 mg/m3以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒器;低氮排放;技術(shù)改造

中圖分類號：TU995? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來上海市進行的清潔能源替代工作，有力地支撐了上海環(huán)境空氣質(zhì)量的改善。上海市SO2、PM10和PM2.5年均濃度降幅顯著分別下降48%、27%和25%。與此同時上海市NOx的下降幅度偏小，僅為14%。這樣的環(huán)境空氣質(zhì)量變化是由于上海市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和清潔能源替代工作促成的。消減煤炭消費量、降低汽柴油中硫含量等措施是環(huán)境空氣中SO2、PM10和PM2.5濃度降低的重要原因。

1 項目概況

1.1 改造背景

該項目為上海國貿(mào)中心鍋爐低氮改造工程，目前大樓使用的4臺HX102S鍋爐均為英國克萊斯頓鍋爐廠1990年出產(chǎn)的蒸汽鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h，額定蒸汽溫度為183℃，鍋爐工作壓力1.0 MPa。改造前實測氮氧化物排放水平約為128 mg/m3，基本符合上海市《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB31/387—2014）中規(guī)定的低氮氧化物排放低于150 mg/m3要求。

1.2 改造依據(jù)及改造要求

2018年上海市為貫徹《中華人民共和國環(huán)境保護法》、《中華人民共和國大氣污染防治法》和《上海市環(huán)境保護條例》，加強對鍋爐大氣污染物的排放控制，對《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB31/387—2014），進行了修訂，規(guī)定到2020年9月30日，在用鍋爐執(zhí)行表1規(guī)定的排放限值。自2020年10月1日起，在用鍋爐（生物質(zhì)燃料鍋爐除外）執(zhí)行表2規(guī)定的排放限值。

據(jù)此要求，對大樓使用的4臺鍋爐進行低氮改造，以達到上海市《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB31/387—2014），修訂版的要求即氮氧化物排放低于50 mg/m3。

1 工藝改造方案

1.1 改造方案分析

燃氣鍋爐由于天然氣的理化特性導(dǎo)致其主要的污染物為氮氧化物。主要通過改進燃燒技術(shù)來降低燃燒過程中NOx的生成與排放，其主要途徑有：降低燃料周圍的氧濃度，減小爐內(nèi)過?？諝庀禂?shù)，降低爐內(nèi)空氣總量，或減小一次風(fēng)量及揮發(fā)分燃盡前燃料與二次風(fēng)的混和，降低著火區(qū)段的氧濃度;在氧濃度較低的條件下，維持足夠的停留時間，抑制燃料中的氮生成NOx，同時還原分解已生成的NOx;在空氣過剩的條件下，降低燃燒溫度，減少熱力型NOx的生成。低氮燃燒技術(shù)一般可使NOx的排放量降低30%～60%。

在燃氣燃燒器的設(shè)計及布置方案中有3點。1）燃料分級：有煙氣內(nèi)循環(huán)、燃氣和空氣高速差配合等類型;燃料分級，即燃料分成如果干股注入較大的燃燒空間中進行燃燒，釋放的熱量被較大空間內(nèi)的煙氣吸收，從而使煙氣的溫度得到降低，該技術(shù)也稱為“火焰分割”。相比較于中心單噴頭的擴散火焰而言，燃料分級（火焰分割）的技術(shù)措施能明顯地降低煙氣的核心溫度。2）空氣分級：有燃燒器噴嘴的空氣分級和爐膛空間上的空氣分級;空氣分級，即空氣分成如果干股噴入，實現(xiàn)燃氣和空氣在燃燃燒過程中有不同的空燃比。a）一種是燃氣噴頭中將空氣分為如果干圈。b）一種是在爐膛空間上空氣分級，即燃燒器的主燃區(qū)為貧氧燃燒，空氣分階段地注入，從而使氣體燃料分階段地燃燒、逐漸地釋放熱量，最終降低煙氣溫度。核心機制在于：通過空氣分級、造成氣體燃料的不完全燃燒，同時不完全燃燒的煙氣產(chǎn)物又能在一定程度上促進燃料型NOx的還原制：NOx+CO==CO2+N2;NOx==XN HCN，CN>N2）燃料分級和空氣分級對NO生成量的影響可以從圖1的曲線中得到直觀的了解到偏離正?？杖寂浔葧r會對NOx的降低有較大的作用。3）煙氣再循環(huán)：有傳統(tǒng)煙氣再循環(huán)和O2/CO2煙氣再循環(huán)。

煙氣再循環(huán)，通過從尾部排放煙氣抽取一部分比例的煙氣與空氣混合，從而降低了助燃氣體的氧氣濃度，在降低了化學(xué)反應(yīng)速率的同時，降低了火焰核心溫度，從而避免大量熱力型NOx的生成。另外，再循環(huán)煙氣中包含的NOx氣體可以通過N+NO反應(yīng)來降低NO的生成量，且氧氣濃度的降低也能驅(qū)使NO反應(yīng)體系的化學(xué)平衡朝NO生成量減少的方向偏移。

2.2 工藝改造技術(shù)——FGR煙氣再循環(huán)技術(shù)

燃氣鍋爐低氮燃燒改造中，煙氣再循環(huán)技術(shù)FGR是其中常用改造技術(shù)之一。

將部分煙氣回收進入燃燒器再次利用，進入爐膛的熱風(fēng)可以提高效率，更節(jié)能。并在煙氣口增加蝶閥。氣再循環(huán)原理：將部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與空氣（一次風(fēng)或二次風(fēng)）混合送入爐內(nèi)，因煙氣吸熱和稀釋了氧濃度，使燃燒速度和爐內(nèi)溫度降低，因而熱力NOx減少，可減少60%～70%，一般煙氣外循環(huán)FGR量不超過15%。圖2為FGR系統(tǒng)示意圖。

該大樓根據(jù)現(xiàn)場情況以及技術(shù)要點，采取低氮燃燒器+煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)，在進行控制器、燃燒器的改進，燃燒器沒有全部更換，進行局部更換，既達到降低氮氧化合物的排放，也節(jié)約改造成本。

2.3 工藝改造方案實施

更換上英國騰飛首創(chuàng)特殊設(shè)計的多火焰噴嘴，燃燒器的主火焰由多股小火焰組成，均勻地降低火焰表面溫度，避免局部高溫的產(chǎn)生，由此減少NOx的產(chǎn)生，如圖3所示。

低氮設(shè)計加長了燃燒筒長度，可以在火焰根部形成煙氣內(nèi)循環(huán)。在熱力學(xué)作用下，燃余煙氣在區(qū)域3被引流回火焰中心，該股回流煙氣可形成貧氧燃燒、減緩燃燒過程，從而降低火焰中心溫度和超低NOx濃度。

加裝煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)：在燃燒器低氮改造的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場使用情況定做設(shè)計煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)（如圖4所示），將合適溫度合適量的煙氣從鍋爐煙道處引入燃燒器與助燃風(fēng)充分混合，進一步降低NOx的排放。

將部分燃燒煙氣吸回，進入燃燒器，與空氣混合燃燒，形成貧氧混合空氣參與燃燒，既能有效降低火焰溫度，又能破壞形成氮氧化物的各分子按比例相遇的概率。由于煙氣再循環(huán)，燃燒煙氣熱容量大，燃燒中心溫度降低，NOx減少幅度明顯[1]。

控制系統(tǒng)改造：燃燒器運行控制采用RatiotronicTM6000系列燃燒程序控制器，該RatiotronicTM6000系列由英國DUNPHY燃燒器公司與英國ETC公司共同研發(fā)。其優(yōu)點在于可以精確控制燃燒器的運行，高度的機電一體化，迅速接收反饋信號快速調(diào)節(jié)，保持最佳高效的運行;配置的燃料控制步進電機、助燃風(fēng)控制步進電機、FGR控制步進電機實現(xiàn)各種空/燃比獨立調(diào)整，在低氮燃燒系統(tǒng)中能精確控制燃氣燃油、助燃風(fēng)、FGR回流煙氣間的協(xié)調(diào)運行，達到最佳燃燒狀態(tài)，節(jié)約了能源，大樓改造設(shè)備清單表見表3。

2 改造效果

該工程于2019年10月23日完成工程改造，經(jīng)上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所對鍋爐進行外部檢驗，符合相關(guān)要求檢驗合格。上海工業(yè)鍋爐研究所有限公司對鍋爐低氮排放和鍋爐能效測試均符合DB31/387—2018和DB31/T1057—2017標準要求檢驗合格。

通過本次低氮排放的過燃燒器的改造、加裝煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)、改造控制系統(tǒng)，達到了上海市鍋爐氮氧化物排放水平應(yīng)控制在50 mg/m3以內(nèi)的標準。

3 結(jié)語

該次改造不改動鍋爐的承壓部分，不取消或修改鍋爐控制部分的安全聯(lián)鎖保護，由于增加了FGR的控制變量，運行控制采用RatiotronicTM6000系列燃燒程序控制器，該RatiotronicTM6000系列由英國DUNPHY燃燒器公司與英國ETC公司共同研發(fā)。其優(yōu)點在于可以精確控制燃燒器的運行，高度的機電一體化，迅速接收反饋信號快速調(diào)節(jié)，保持最佳高效的運行;配置的燃料控制步進電機、助燃風(fēng)控制步進電機、FGR控制步進電機實現(xiàn)各種空/燃比獨立調(diào)整，在低氮燃燒系統(tǒng)中能精確控制燃氣、助燃風(fēng)、FGR回流煙氣間的協(xié)調(diào)運行，達到最佳燃燒狀態(tài)，節(jié)約能源。同時，RatiotronicTM6000系列控制器可監(jiān)控火焰、閥組泄漏、壓力溫度、液位、燃氣流量、風(fēng)量變化等20余組參數(shù)，因此可以很好地滿足鍋爐的運行要求。改造后的鍋爐運行工況良好，達到低氮環(huán)保要求。

參考文獻

[1]張曉紅.燃氣鍋爐低氮改造措施與應(yīng)用效果[J].工程技術(shù)研究，2020，5（8）：12-13.