對(duì)某鍋爐燃燒器環(huán)保改造原理的應(yīng)用探究

成才林 高興民

摘? 要：該文論述了燃?xì)猓ㄌ烊粴猓╁仩t在燃燒過程中產(chǎn)生氮氧化物（NOX）的機(jī)理，提出了降低氮氧化物濃度的3條途徑：一是采用具有超低氮功能的低氮燃燒器;二是增設(shè)煙氣再循環(huán)系統(tǒng);三是增加燃燒器智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。根據(jù)這一原理，某單位改造了現(xiàn)有的3臺(tái)鍋爐，從實(shí)踐的結(jié)果來看，運(yùn)行效果良好，鍋爐氮氧化物的排放數(shù)值由改造前的102mg/m3降低到了改造后的29mg/m3，達(dá)到了環(huán)保排放的要求。

關(guān)鍵詞：燃燒器? 氮氧化物? 煙氣再循環(huán)? 應(yīng)用探究

中圖分類號(hào)：TU758.7 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）09（a）-0067-03

Abstract： This paper discusses the mechanism of nitrogen oxides （NOx） produced in the combustion process of gas （natural gas） boilers， and puts forward three ways to reduce the concentration of nitrogen oxides. One is to adopt the low nitrogen burner with ultra-low nitrogen function， the second is to add flue gas recirculation system， and the third is to increase the intelligent control system of burner. According to this principle， a unit has reformed the existing three boilers. According to the practice results， the operation effect is good. The NOx emission value of the boiler is reduced from 102mg/m3 to 29mg/m3， which meets the requirements of environmental protection.

Key Words： Burner; NOx; Flue gas recirculation; Application research

某單位現(xiàn)有2011年出廠的燃?xì)猓ㄌ烊粴猓╁仩t3臺(tái)（1臺(tái)10t，2臺(tái)15t），負(fù)責(zé)整個(gè)單位采暖熱源供給。3臺(tái)鍋爐在投入使用時(shí)各項(xiàng)污染物排放指標(biāo)均能達(dá)到當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)要求，但是按照目前環(huán)保部門“在用鍋爐需通過改造使氮氧化物排放濃度不高于50mg/m3力爭不高于30 mg/m3”的要求，鍋爐目前狀況無法達(dá)標(biāo)排放，需要加以改造。

1? 氮氧化物生成的原理

1.1 氮氧化物的分類與生成機(jī)理

燃?xì)猓ㄒ蕴烊粴鉃槔?，主要成分甲烷HC4）鍋爐在工作的過程中，所產(chǎn)生的廢氣氮氧化物（NOX）生成于空氣中的氮?dú)狻⒀鯕庖约叭剂现械奈⒘康獨(dú)?，共分熱力型NOX、快速型NOX和燃料型NOX這3種氮氧化物。

熱力型NOX，它是空氣中的氮?dú)猓諝獾闹饕煞质?8%的氮?dú)夂?1%的氧氣）和氧氣在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的NOX，因?yàn)樾枰?500℃以上的高溫，所以生成的此類氮氧化物稱作熱力型NOX;快速型NOX，它是天然氣中的主要成分甲烷HC4，有一小部分在高溫狀態(tài)下首先分解成碳?xì)漕愒訄F(tuán)后，與NX反應(yīng)生成HCN、CN等類物質(zhì)，然后它們?cè)俦谎趸蒒OX，因?yàn)樗鼈兊姆磻?yīng)速度極快，瞬間完成，所以生成的此類氮氧化物稱作快速型NOX;燃料型NOX，它是燃料中的微量氮?dú)庠谌紵^程中首先因受熱而分解，再接著被氧化而生成的NOX，因?yàn)榇藭r(shí)的NOX來源于燃料中的氮?dú)?，故稱此類氮氧化物為燃料型NOX。

對(duì)于天然氣鍋爐，因?yàn)樘烊粴庵械獨(dú)獾暮课⑿。ù蠹s占1.1%），因而產(chǎn)生的氮氧化物可以忽略不計(jì)，所以天然氣鍋爐燃燒工作過程中產(chǎn)生的氮氧化物基本上屬于熱力型NOX和快速型NOX，那么只需考慮如何大幅降低熱力型NOX、快速型NOX的影響即可。

1.2 熱力型NOX產(chǎn)生的化學(xué)分析

熱力型NOX的生成是進(jìn)入爐膛的助燃空氣，亦即N2和O2，在高溫下首先由O2分解成氧原子與氮?dú)夥肿影l(fā)生下列鏈?zhǔn)椒磻?yīng)：O+N2=NO+N，N+O2=NO+O，其中第一個(gè)反應(yīng)起主導(dǎo)控制作用，其反應(yīng)條件與溫度、氧原子的濃度有關(guān)，隨著環(huán)境溫度的上升和氧原子濃度的增大，總的反應(yīng)產(chǎn)物也隨之增大。由于最終的總反應(yīng)N2+O2=2NO，2NO+O2=2NO2是吸熱反應(yīng)，所以降低溫度、降低氧氣含量會(huì)使熱力型NOX的生成量明顯降低。

結(jié)論：控制鍋爐排放熱力型NOX數(shù)量的方法可以概括為：降低燃?xì)饣鹧嬷行膮^(qū)的最高溫度;降低鍋爐爐膛內(nèi)的平均溫度[1];實(shí)現(xiàn)較低空氣量的供給，即降低氧氣濃度。

1.3 快速型NOX產(chǎn)生的化學(xué)分析

以天然氣為例說明燃?xì)忮仩t在工作過程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。未參與燃燒的CH4會(huì)分解出大量的CH、C2等原子團(tuán)，它們會(huì)在高溫的作用下和空氣中N2分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，包含CH+N2=HCN+N，C2+N2=2CN等。然后，火焰中存在的大量OH、O原子團(tuán)，與上述產(chǎn)物發(fā)生如下反應(yīng)：CN+O2=NCO+O，HCN+OH=NCO+H2，HCN+O=NCO+H。最后，NCO被氧化生成NO，反應(yīng)如下：NCO+O=NO+CO，NCO+OH=NO+CO+H，則生成了快速型氮氧化物[2]。

結(jié)論：在鍋爐燃燒天然氣過程中，未參與燃燒而是先分解成CH類原子團(tuán)的天然氣數(shù)量極少，所以快速型NOX，實(shí)際生成量很少，在考慮控制NOX的生成時(shí)，可以忽略快速型NOX的存在這一因素。

2? 鍋爐改造技術(shù)方案

根據(jù)以上氮氧化物產(chǎn)生的機(jī)理，重點(diǎn)從以下3個(gè)方面來考慮減少熱力型NOX的生成量。

2.1 超低氮燃燒器需與現(xiàn)有鍋爐相匹配

氮氧化物的形成與爐膛尺寸、爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)都有直接關(guān)系，與鍋爐爐膛內(nèi)壁耐火材料的熱吸收、熱反射性能也有一定的聯(lián)系，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)燃燒器的時(shí)候，必須結(jié)合鍋爐的具體情況，明確鍋爐的具體參數(shù)，才能使燃燒器和鍋爐相適應(yīng)，體現(xiàn)出低氮燃燒器應(yīng)有的價(jià)值[3]。比如采用定制模擬仿真設(shè)計(jì)技術(shù)，使燃燒器與原有鍋爐最佳匹配，燃燒火焰適合爐膛尺寸，可以使燃燒與排放達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài);采用氣槍分層、分段布置的技術(shù)，使空氣與燃?xì)饣旌暇鶆?，燃燒充分，穩(wěn)定無震動(dòng)，可以有效降低氮氧化物的生成;燃燒器的喉部采用耐高溫不銹鋼材質(zhì)，對(duì)于提高喉部質(zhì)量、降低喉部溫度、進(jìn)而降低氮氧化物的生成量也有一定作用。

2.2 增加煙氣再循環(huán)管道（FGR）

FGR煙氣回流措施降低氮氧化物排放的機(jī)理：煙氣的特點(diǎn)是含氧量低，其中還摻雜有不參與燃燒的氣體，包括氮?dú)?、水汽、二氧化碳、二氧化氮等。取自鍋爐煙道底部的煙氣，經(jīng)煙氣再循環(huán)管道與燃燒空氣混合后，就稀釋了助燃空氣中氧的含量，進(jìn)入爐膛內(nèi)實(shí)現(xiàn)低氧燃燒，使NOX的生成量減少了，達(dá)到鍋爐煙氣氮氧化物含量低的目的[4]。

2.3 增加智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

不像實(shí)驗(yàn)室的理想狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)那么精準(zhǔn)，NOX的生成機(jī)理其實(shí)非常復(fù)雜，但我們還是能夠推導(dǎo)出它的生成與爐膛火焰的溫度、助燃氧氣的濃度有關(guān)。隨著高科技的發(fā)展，低氮燃燒器的智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測NOX生成量，以此來判斷NOX是否符合我們?cè)O(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，再自動(dòng)調(diào)節(jié)天然氣、助燃空氣的供給比例，從而達(dá)到滿足煙氣中的NOX的含量要求。

3? 結(jié)語

新型超低氮燃燒器配合煙氣再循環(huán)系統(tǒng)是能夠?qū)崿F(xiàn)氮氧化物達(dá)標(biāo)排放的。某單位根據(jù)這一理論，對(duì)其三臺(tái)鍋爐進(jìn)行了改造，更換了超低氮燃燒器，增設(shè)了煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，更換了智能控制系統(tǒng)。在運(yùn)行過程中，由當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門監(jiān)測，其氮氧化物的排放數(shù)值由改造前的102mg/m3降低到了23mg/m3，實(shí)現(xiàn)了達(dá)標(biāo)排放。

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