油氣混燒降低輔鍋NOx 的機(jī)理及控制措施

何北奇

（福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建泉州362800）

1 概述

某公司設(shè)置有兩臺225 t/h 的超高壓輔助鍋爐（簡稱輔鍋），正常情況下輔鍋燃燒乙烯焦油（簡稱PFO/PGO），在沒有PFO/PGO時也可燃燒燃料油和燃料氣，是該公司主要的蒸汽生產(chǎn)裝置。輔鍋設(shè)計(jì)時執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13223－2003，要求煙氣中NOx濃度不大于于400 mg/m3。2009年3月2臺輔鍋投用后，煙氣中NOx平均濃度在280 mg/m3以下，符合當(dāng)時國標(biāo)要求。

NOx是大氣污染的主要原因之一，同時NOx形成的酸雨還會對森林資源以及土地資源造成破壞[1]。為了保護(hù)環(huán)境，國家提出了更加嚴(yán)格的要求，2014年7 月1 日起執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13223－2011[2]，要求現(xiàn)有燃油燃?xì)忮仩t煙氣NOx濃度小于200 mg/m3。按此標(biāo)準(zhǔn)，輔鍋負(fù)荷在小于100 t/h時煙氣中NOx含量依然超標(biāo)。

2 影響NOx 生成的主要因素及降低機(jī)理

2.1 燃燒溫度對煙氣NOx 生成量的影響

輔鍋煙氣中的NOx分為燃料型和熱力型。燃料型NOx由燃料組分所決定，輔鍋所用燃料的含氮量為74.8 mg/kg，工作條件下燃料中的氮只有20% ～30%轉(zhuǎn)化為NOx，因此燃料型NOx量很小。輔鍋煙氣中的NOx主要是熱力型。熱力型NOx的生成速率隨著溫度的升高呈指數(shù)升高，當(dāng)溫度達(dá)到1 530℃，溫度每升高100℃，熱力型NOx的生成速率增大6 ～7 倍。根據(jù)大連理工大學(xué)在130 t/h 油氣混燒鍋爐上的試驗(yàn)[3]，當(dāng)油氣混燒時，火焰的最高溫度雖然僅比單獨(dú)燒燃料氣或燃料油時溫度降低約50℃，但NOx生成量卻從16.3 g/s下降到10.8 g/s，下降了33.7%，這說明適當(dāng)降低火焰溫度，有助于降低熱力型NOx的生成量。所以，降低輔鍋煙氣NOx排放的關(guān)鍵是盡量降低爐膛火焰中心的燃燒溫度。

2.2 油氣混燒降低輔鍋NOx 的機(jī)理

鍋爐在同樣負(fù)荷時，燃燒燃料氣的爐膛溫度比燃燒燃料油時高。爐膛火焰的主要輻射來源是三原子氣體（CO2和H2O）和炭黑粒子。燃料油的主要成分是烴類，燃燒過程中會有大量的炭黑粒子出現(xiàn)。燃燒燃料氣時，氣相碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生的炭黑粒子濃度較燃油時低得多，火焰的輻射能力減弱。在鍋爐同樣負(fù)荷時燒燃料油，爐膛吸收的輻射熱多，爐膛溫度低；燒燃料氣時爐膛吸收的輻射熱減少，爐膛溫度高，因此爐膛出口溫度升高，尾部煙道相應(yīng)的受熱面煙氣溫度也升高，空氣預(yù)熱器吸熱量增多，熱風(fēng)溫度升高，燃燒生成的NOx相應(yīng)增多。

輔鍋油氣混燒能夠降低NOx的生成是由輔鍋燃燒器的以下2個特點(diǎn)決定：

1）在同一個燃燒器中，燃料油是主燃料，燃料氣占25%左右，燃料氣燃燒后生成的煙氣加強(qiáng)了煙氣的回流作用，使火焰中心溫度降低，從而減少了NOx的生成。

2）輔鍋燃燒器的結(jié)構(gòu)使燃料氣可以部分噴射到霧化了的燃料油中，使油氣有一定的預(yù)混效果，而預(yù)混燃燒可以使燃燒火焰溫度降低，從而減少NOx的生成。

所以，可以采取油氣混燒的方法降低輔鍋煙氣中的NOx。

3 降低輔鍋NOx 的措施

3.1 在燃燒器上部增加“掃把風(fēng)”

在輔鍋燃燒器上部增加“掃把風(fēng)”可以降低NOx的生成。原因是主燃燒器部分的配風(fēng)占70%，進(jìn)行缺氧燃燒，降低NOx的生成，上部的“掃把風(fēng)”占30%，可以把主燃燒器中沒有完全燃燒的燃料完全燃燼，NOx可以進(jìn)一步降低。由于需要在燃燒器上部開孔改造，增設(shè)控制系統(tǒng)分配主風(fēng)和掃把風(fēng)，且無法保證負(fù)荷波動時NOx合格，暫時無法實(shí)施。

3.2 改造燃燒器及增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

輔鍋的燃燒器廠家是英國HAMWORTHY燃燒工程公司，根據(jù)與該公司燃燒器調(diào)試工程師技術(shù)交流，其提出可以將燃燒器改為低氮燃燒器，增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，降低煙氣中NOx的生成[4]。在燃料氣工況下NOx可以低于100 mg/m3，在燃油工況下NOx可以低于150 mg/m3。但是需要全部更換為新的燃燒器及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，增加5萬m3/h的煙氣循環(huán)風(fēng)機(jī)，兩臺輔鍋的改造投資超過2 000萬元，且無法保證只燒燃料油時NOx的排放合格，暫時無法實(shí)施。

3.3 油氣混燒降低輔鍋煙氣中NOx

3.3.1 油氣混燒調(diào)整準(zhǔn)備

根據(jù)NOx生成機(jī)理，結(jié)合輔鍋燃燒器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對降低輔鍋煙氣的NOx排放進(jìn)行了測試和調(diào)整。在測試前做了以下準(zhǔn)備工作：

1）霧化蒸汽壓力符合要求。檢查2臺爐每個油槍的霧化蒸汽管道暢通，確保每個油槍霧化蒸汽壓力大于0.83 MPa。

2）油槍要保證完好。檢查每一支在用的油槍，保證油槍暢通，防止因結(jié)焦引起油槍堵塞導(dǎo)致霧化不均勻，產(chǎn)生局部高溫。

3）正確安裝霧化片。霧化片安裝要嚴(yán)密，防止漏油，導(dǎo)致霧化惡化，局部溫度升高。

4）定期清洗及更換霧化片。每一個裝到油槍的霧化片都必須清潔，防止霧化不均勻，防止火焰局部高溫。周一清理1#油槍，周二清理2#油槍，依次類推，每6 天把霧化片循環(huán)清理一遍，保證霧化均勻，防止局部高溫，抑制NOx的生成。

3.3.2 油氣混燒調(diào)整過程

1）初步NOx調(diào)整合格。調(diào)整霧化蒸汽壓力、油壓，在輔鍋負(fù)荷小于70 t/h 時，輔鍋NOx逐步從220 mg/m3降低到180 mg/m3，之后又不合格，沒有找到降低煙氣中NOx的規(guī)律。

2）蒸汽吹灰，降低熱風(fēng)溫度。根據(jù)燃燒工程公司的建議，對2#輔鍋進(jìn)行蒸汽吹灰，熱風(fēng)溫度從270℃降低210℃，當(dāng)時負(fù)荷為160 t/h，NOx濃度從360 mg/m3降到320 mg/m3，下降了40 mg/m3。然后對1#輔鍋進(jìn)行蒸汽吹灰，熱風(fēng)溫度從244℃降到215℃，兩臺爐的NOx從185 ～195 mg/m3降到165 ～170 mg/m3，并保持穩(wěn)定。因?yàn)榻档蜔犸L(fēng)溫度，可以降低火焰中心溫度，從而減少了NOx的生成。所以需要定期對鍋爐進(jìn)行蒸汽吹灰，降低熱風(fēng)溫度。

3）多投火嘴，分散燃燒，降低爐膛溫度。重新分析了操作調(diào)整過程及NOx的變化規(guī)律，判斷之前NOx合格的原因是多投火嘴，分散燃燒，降低了爐膛溫度，從而減少了NOx的生成。

4）在同一個火嘴中油氣混燒，NOx大幅度下降。當(dāng)2#輔鍋負(fù)荷約180 t/h時，嘗試在同一個火嘴中進(jìn)行油氣混燒，即分別在1 ～3個火嘴中進(jìn)行油氣混燒，NOx下降非常明顯，從280 mg/m3逐步下降到175 mg/m3，期間負(fù)荷升高到197 t/h，NOx始終小于200 mg/m3，符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)。用同樣的方法對1#輔鍋進(jìn)行調(diào)整，NOx也小于200 mg/m3，證明油氣混燒可以降低輔鍋煙氣中的NOx。

調(diào)整試驗(yàn)成功后，對油氣混燒降低煙氣中NOx濃度的方法進(jìn)行了分析總結(jié)，編寫了降低輔鍋煙氣中NOx的操作法，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行補(bǔ)充完善，輔鍋煙氣NOx排放始終合格。采取控制措施前后輔鍋NOx的排放情況見圖1。

圖1 采取控制措施前后輔鍋NOx的排放情況

3.4 油氣混燒對鍋爐性能的影響

輔助鍋爐設(shè)計(jì)燃料為PFO/PGO 及燃料氣，PFO/PGO 為鍋爐的主燃料（75%），輔助以燃料氣（25%）穩(wěn)燃。在鍋爐全燒PFO/PGO 工況及全燒燃料氣工況時，輔鍋的負(fù)荷均可達(dá)到滿負(fù)荷225 t/h。PFO/PGO火嘴位于燃燒器的中心，燃燒器外側(cè)環(huán)形布置42個燃料氣火嘴，一般情況下，同一個火嘴只投PFO/PGO或燃料氣。

3.4.1 油氣混燒對輔鍋出力的影響

油氣混燒對鍋爐出力有一定程度的影響。經(jīng)測試，油氣混燒時輔助鍋爐的最大負(fù)荷為200 t/h，當(dāng)負(fù)荷超過200 t/h，煙氣中NOx濃度大于200 mg/m3。因?yàn)橛蜌饣鞜龑儆谪氀跞紵康氖墙档突鹧嬷行臏囟?，進(jìn)而減少NOx生成。如果鍋爐負(fù)荷超過200 t/h，需要2 個以上燃燒器退出混燒，單獨(dú)燒PFO/PGO或燃料氣，而單獨(dú)燒PFO/PGO 或燃料氣時，火焰中心溫度升高，NOx生成量大，以致超標(biāo)。由于煉油廠正常運(yùn)行時，為了確保全廠蒸汽的穩(wěn)定，2 臺輔鍋同時運(yùn)行，冬季時每臺輔鍋的負(fù)荷為100 t/h左右，夏季時80 t/h左右，應(yīng)急時負(fù)荷不超過200 t/h，所以，輔鍋?zhàn)畲筘?fù)荷的下降對全廠蒸汽的平衡沒有影響。

3.4.2 油氣混燒對輔鍋熱效率的影響

輔鍋設(shè)計(jì)煙氣中的O2含量為1.9%，由于實(shí)行油氣混燒，燃料處于貧氧燃燒狀態(tài)，燃燒所需要的O2量減少，輔鍋煙氣實(shí)際的O2含量為1.5%，經(jīng)過測試，輔鍋的熱效率從設(shè)計(jì)的92.28%上升到實(shí)際的92.85%。油氣混燒后，輔鍋的熱效率略有升高。

3.4.3 油氣混燒對燃料成本的影響

輔助鍋爐設(shè)計(jì)的燃料為75%PFO/PGO和25%的燃料氣，為了降低輔鍋煙氣中NOx的生成，輔鍋實(shí)行在同一個火嘴中油氣混燒，其中燃料氣的比例可以達(dá)到75%以上，燃料氣的消耗量增加，而燃料氣是煉油廠石油煉制過程中的副產(chǎn)品，根據(jù)測算，輔鍋實(shí)行油氣混燒后，在負(fù)荷100 t/h的情況下，輔鍋產(chǎn)汽的燃料成本由63.03元/噸（蒸汽）降低至59.21元/噸（蒸汽），燃料成本下降6%。

4 結(jié)論

在采取控制措施前，當(dāng)輔鍋負(fù)荷低于100 t/h時，煙氣中NOx濃度大于200 mg/m3。采取控制措施后，輔鍋不需要進(jìn)行任何改造，在負(fù)荷不大于200 t/h時，煙氣中的NOx濃度小于200 mg/m3；在輔鍋負(fù)荷波動的情況下，當(dāng)不大于160 t/h時，煙氣中的NOx濃度也穩(wěn)定小于200 mg/m3，符合《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB 13223－2011的要求。使投資額為4 743萬元的輔鍋SCR脫硝項(xiàng)目推遲了3年投資，減少了公司的利息支出。

采用油氣混燒不僅可以降低煙氣中的NOx，而且可以提高鍋爐的熱效率，燃料成本降低6%，但是輔助鍋爐的最大負(fù)荷只能達(dá)到200 t/h，鍋爐的能力沒有得到充分利用。由于輔助鍋爐正常負(fù)荷為100 t/h左右，輔助鍋爐負(fù)荷的限制沒有影響全廠蒸汽的平衡。

由于輔鍋承擔(dān)著全廠蒸汽供應(yīng)的任務(wù)，煉油化工裝置的任何波動，最后都會導(dǎo)致輔鍋負(fù)荷的變化，在輔鍋負(fù)荷快速增加時會導(dǎo)致短時間煙氣中的NOx超標(biāo)。所以，為了保證輔鍋煙氣中NOx排放始終合格，增設(shè)了輔鍋煙氣SCR 脫硝設(shè)備，2019 年12 月投用后，在輔鍋負(fù)荷為225 t/h時，也可以將煙氣的NOx降低到100 mg/m3以下，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，從根本上解除NOx排放對輔鍋負(fù)荷的限制。