基于煙氣再循環(huán)的燃氣注汽鍋爐低氮燃燒特性研究

麻藝煒，徐迎超

（北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司，北京 100043）

自上世紀80年代，我國注汽鍋爐運營已達20余年，鍋爐運行超出負荷。當前，相比較于鍋爐排放標準，NOx排放濃度要求標準偏高。因此，通過相應技術(shù)的使用，如煙氣再循環(huán)技術(shù)的使用，可以有效降低NOx的排放。

1 NOx排放標準及鍋爐熱效率

1.1 NOx 形成原因

自然界中，NOx形成途徑主要分為三種：第一，熱力型NOx，是有大氣中氧氣與氮氣在遇到高溫條件，發(fā)生了氧化反應而生成的；第二，快速NOx。 揮發(fā)性燃料成分中的碳氫化合物在高溫下會被熱解，生成了CH自由基，CH自由基與空氣中的氮氣發(fā)生化學反應，生成N和HCN，再與氧氣發(fā)生化學反應，形成NOx;第三，燃料型NOx,燃料燃燒過程中，N原子被氧化，NOx由此形成。在燃氣鍋爐中，超過90%的NOx來自熱NOx，少于10%的來自快速NOx。而在天然氣中N原子含量及其微弱，接近于0 ，因此，燃料型NOx可基本忽略。溫度是熱力型NOx形成的主要因素，當溫度大于1500℃時，NOx的形成呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，且隨著溫度升高，其形成速率明顯增大。

1.2 鍋爐熱效率

鍋爐的燃燒效率受燃料熱量與過量空氣系數(shù)顯著影響。關于注汽鍋爐排氣溫度過高引起的燃燒效率低下的問題，張廣卿等人利用煙氣余熱技術(shù)在鍋爐中安裝了空氣加熱器。實驗結(jié)果顯示，注汽鍋爐排煙溫度自248℃降低到168℃， 可將進口空氣溫度自28℃上升到72℃，使得總熱效率較之前上漲。衣懷峰等人經(jīng)過研究，注汽鍋爐的進料器配備了SCR-II K空氣預熱器和SCR熱交換器，爐膛入口處的風量由風扇調(diào)節(jié)，從而使廢熱煙氣可以更有效地利用，達到提高熱利用率和降低排煙溫度的目的。肖震的研究團隊借助煙氣內(nèi)部再循環(huán)技術(shù)，給爐膛加上圓筒結(jié)構(gòu)，使得爐膛內(nèi)部形成回流，回流的煙氣與氧化劑混合，更多熱量得以吸收，燃燒溫度進而降低，NOx排放得以減少。周勇等人分析了天然氣燃燒特性，得出結(jié)論：將冷凝換熱器和空預器安裝在注汽鍋爐煙道尾部，可以將鍋爐煙氣余熱回收，使其熱利用率得以提高[1]。

2 關于鍋爐的調(diào)查分析

2.1 鍋爐系統(tǒng)概況

目前注汽鍋爐主要用于石油化工領域，但冶金行業(yè)鋼廠所采用的蒸汽過熱爐除使用目的不一樣外，其他功能類似，均可視為注汽鍋爐產(chǎn)品。本文以YZG22.5-14/360-G臥式強制循環(huán)直流鍋爐為研究對象，其工況運行受到較大的環(huán)境影響，由爐膛輻射段、過熱段、過渡段、對流段以及熱水器構(gòu)成。在鍋爐房內(nèi)的鍋爐燃燒部分可以對空燃比進行調(diào)節(jié)。中央監(jiān)控室內(nèi)連接著每個小型控制室的數(shù)據(jù)，并可操作。當前，注汽鍋爐爐膛爐管主要以直管、單路、水平往復式排列的布置方式。在爐管一段流入的工質(zhì)流經(jīng)蛇形管，在其中接受流傳熱或輻射傳熱，再從爐管另一端流出。這一方式使得工質(zhì)無法在圓筒形爐膛中均勻受熱，造成爐內(nèi)局部區(qū)域溫度過高，靠出口端的工質(zhì)溫度受熱較遠離一段較高。還有一些問題，例如水質(zhì)差，會導致水管結(jié)垢，經(jīng)常發(fā)生堵塞，甚至發(fā)生嚴重情況，例如管道破裂。因此，這類鍋爐對燃燒火焰具有嚴格的要求，當發(fā)生燃燒不均勻的情況時，極有可能加劇爐管破裂的發(fā)生。燃氣注汽鍋爐爐對流段爐管主要為梯形結(jié)構(gòu)，其以直管、單路、水平往復排列為布置方式，且翅片管組成其管束。過熱段以矩形結(jié)構(gòu)為主，以直管、雙路、水平往復排列為布置方式。通過實際工作，可發(fā)現(xiàn)單管直路這一受熱方式是存在明顯缺陷的，即爐管局部受熱欠均勻。因此，當對燃氣注汽鍋爐進行低氮改造時，應將燃燒火焰的穩(wěn)定性列入重點考慮范圍中[2]。

2.2 煙風熱力系統(tǒng)

煙風熱力系統(tǒng)主要包括水汽系統(tǒng)、空燃系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)。水汽系統(tǒng)是處理合格的有天循環(huán)水，在14Mpa水泵壓強下流入孔板流量計等設備后進入給誰換熱器外管。在給水換熱器中經(jīng)過對流換熱，溫度升高后進入對流段，吸收熱量，流入水溫鍋爐。在此，需保證入口溫度處于露點以上，避免爐管破裂。對流段的水經(jīng)煙氣對流換熱等工序，使得最終獲得的介質(zhì)充分滿足要求，再流入到給水換熱器內(nèi)管中。經(jīng)對流換熱、輻射段加熱后，介質(zhì)進入汽水分離器，經(jīng)一定過程后實現(xiàn)汽水分離。分離出的飽和蒸汽進入過熱器，通過長徑噴嘴，進入到噴水摻混氣，高溫飽和水與過熱蒸汽混合，使得飽和水汽化，再經(jīng)單向閥和截止閥后進入注汽管網(wǎng)。

2.3 監(jiān)控數(shù)據(jù)

通過觀測監(jiān)控數(shù)據(jù)，可以反映出燃氣鍋爐的整體運行狀態(tài)，當其發(fā)出警報時，應及時給予處理措施。通過對鍋爐工況數(shù)據(jù)進行整理，可了解在非額定工況下鍋爐燃料量、各階段介質(zhì)溫度與煙溫等運行數(shù)據(jù)，還有流速等[3]。

2.4 設計參數(shù)

首先，鍋爐設計計算匯總。從計算方法來講，鍋爐設計與校核具有一定的共同性，即都是根據(jù)熱力學第一定律，對鍋爐傳熱傳質(zhì)過程進行計算，且具有相同的查詢圖標，只是在目的和任務上存在差異。在進行新鍋爐的生產(chǎn)時需要進行設計計算，當鍋爐改造時則進行校核熱力計算。當前，鍋爐技術(shù)不斷發(fā)展，在生產(chǎn)新鍋爐時，也可依據(jù)經(jīng)驗，通過校核設計的形式予以修正。在此，檢查熱量計算的狀態(tài)非常重要。在控制室提供的標稱條件下組織鍋爐的工作數(shù)據(jù)，并分析YZG22.5-14 / 360-G燃氣蒸汽鍋爐的工作參數(shù)，這些數(shù)據(jù)是鍋爐轉(zhuǎn)換的理論基礎。其次，水動力設計熱力參數(shù)。通過鍋爐運行中獲得水動力設計參數(shù)，可以計算出每個加熱表面的入口和出口壓力，并且可以使用壓力和溫度值來計算介質(zhì)在每個加熱表面中傳播時的速度和其他參數(shù)。再次，煙氣阻力設計參數(shù)，通過鍋爐運行時所獲得的煙氣阻力參數(shù)，可將臥式強制循環(huán)直流鍋爐中每個受熱面壓力值計算出。最后，結(jié)構(gòu)與其他設計參數(shù)。根據(jù)鍋爐各個受熱面處的強度，可計算得出每個受熱面面積，再家算出其對流吸熱量與輻射吸熱量[4]。

3 煙氣再循環(huán)的注汽鍋爐熱力計算及對燃燒特性的影響

3.1 煙氣再循環(huán)的注汽鍋爐熱力計算

將燃氣注汽鍋爐YZG22.5-14/360-G作為研究對象，在燃燒產(chǎn)生過量的NOx排放的情況下，提出了一種煙氣再循環(huán)技術(shù)解決方案。這些包括煙氣再循環(huán)中的氧氣，并且使用迭代方法來計算燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣量和燃燒所需的氧化劑量。并以此為基礎，進一步計算煙氣再循環(huán)率、燃燒溫度、燃燒效率等其他參數(shù)。通過此種計算方案，可保證燃氣注汽鍋爐開展煙氣再循環(huán)時數(shù)據(jù)更加準確，有利于降低NOx的排放。在計算正常工作條件下的熱量輸出的整個過程中，一部分加熱表面的溫度，熱空氣的溫度和排煙的溫度是未知的。 在計算公式中，具有多個未知數(shù)的可能性非常高，在此，需要假定其中的一些未知數(shù)，并通過計算對其進行逐級校核。在此，該試驗計算方法采用的參數(shù)與目標參數(shù)之間存在關系，因此同一參數(shù)通常需要重復假設，并且只有通過重復計算才能確定。 鍋爐熱量計算的內(nèi)容主要包括輔助熱量計算，鍋爐熱量平衡和燃料消耗的計算以及每個受熱面的熱量計算。其中，輔助熱力計算又包括煙氣特性計算、燃料燃燒計算以及晗溫表計算三項內(nèi)容。熱量計算方法主要基于蘇聯(lián)73版的熱量計算，并為煙氣再循環(huán)技術(shù)中的煙氣量和氧化劑量提出了新的計算公式。通過重復計算，可以獲得用于煙氣再循環(huán)鍋爐中煙氣和氧化劑含量的迭代計算的最終公式。這一迭代模型可將不同煙氣再循環(huán)下煙氣含量與氧化劑含量，以及不同天然氣成分精準計算出[5]。

3.2 煙氣再循環(huán)對燃燒特性的影響

首先，排煙溫度。當負荷不同時，在煙氣再循環(huán)率不斷變化的情況下，排煙溫度也因此變化。當鍋爐負荷升高時，煙氣流量增加，爐膛內(nèi)排煙溫度與有效輻射熱量增加。當煙氣再循環(huán)率相同時，由于負荷過大，鍋爐效率過高，在鍋爐負荷升高的情況下，排煙溫度的升幅逐漸下降。而煙氣再循環(huán)升高，爐膛排煙溫度也隨之升高。這由于煙氣循環(huán)率的不斷升高促使煙氣流速大量上升，進而使得爐膛內(nèi)高溫煙氣滯留時間被縮短，并減少了工質(zhì)的有效吸收，因此，聚集在煙道出口的煙氣溫度升高。其次，燃燒效率。研究表明，當煙氣再循環(huán)率上升至20%左右時，燃燒效率上升0.2%。這是因為，由燃燒室供給的循環(huán)的高溫煙道氣具有一定的熱量，隨著來自鍋爐的熱量的增加，鍋爐的排氣溫度得到有效利用，燃燒效率大大提高。隨著氧化劑溫度的升高，初始燃燒溫度升高并且燃燒進程增加了空氣和天然氣的混合比。因此，即使爐膛排氣溫度升高，但是其燃燒效率卻仍處于上升趨勢。再次，燃料消耗量。通過使用ansys軟件對某項目進行分析，在不同負荷下通過控制循環(huán)風機啟停對比煙氣循環(huán)技術(shù)引入前后的效果。如圖1所示。在滿足出口工質(zhì)需求的情況下，當使用煙氣再循環(huán)燃氣注汽鍋爐時，對其煙氣體積和氧化體積迭代計算。在做完最終校核誤差后，符合在百分之百。而未采用煙氣再循環(huán)技術(shù)時，燃料消耗量與現(xiàn)場調(diào)研數(shù)值誤差值為5.54%。在進行熱力計算時，應根據(jù)假定計算數(shù)值，查詢角系數(shù)等參數(shù)。同一負荷下，隨著鍋爐效率隨著煙氣再循環(huán)率的增加而增加，煙氣再循環(huán)率的增加可以減少燃料消耗。 最后，是爐子理論燃燒溫度的影響。隨著煙氣再循環(huán)率的增加，爐中天然氣的理論燃燒溫度呈線性下降趨勢。這是因為大量的惰性氣體H2O和CO2存在于循環(huán)煙氣中，而根據(jù)熱力計算晗溫表，得知惰性氣體比熱容較大這一特點。因此，可吸收掉爐膛中釋放的熱量，進而使得燃燒溫度降低[6]。

表1 不同煙氣再循環(huán)率，鍋爐不同負荷的燃燒消耗量

4 結(jié)論

綜上所述，本文以YZG22.5-14/360-G有天燃氣注汽鍋爐為主要研究對象，通過現(xiàn)場調(diào)研狀況，獲得鍋爐正常運營時的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設計，為燃氣注汽鍋爐低氮燃燒提供有力的數(shù)據(jù)支撐。并采用煙氣再循環(huán)技術(shù)，創(chuàng)建幾個迭代計算公式以進行額外的熱量計算，并分析煙氣再循環(huán)率對鍋爐燃燒效率，廢氣溫度，燃料消耗和爐內(nèi)理論燃燒溫度的影響。為實現(xiàn)煙氣再循環(huán)技術(shù)下降低NOx的排放提供理論指導。