燃?xì)溴仩t超低氮燃燒技術(shù)的應(yīng)用

許瓊武

(昆明云能化工有限公司，云南 昆明 650300)

節(jié)能減排是國家的大戰(zhàn)略背景，而鍋爐氮氧化物排放是空氣污染的主要源頭之一，因此，鍋爐的氮氧化物減排改造迫在眉睫。自2015年北京市推出新的地方標(biāo)準(zhǔn)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 11/139—2015)以來，全國各地相繼頒布嚴(yán)苛的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對新建鍋爐及在用鍋爐均提出了相應(yīng)的氮氧化物排放要求。

鍋爐氮氧化物的控制技術(shù)可以分為2種：①爐內(nèi)燃燒法控制NOx技術(shù)；②燃燒后煙氣處理技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，燃燒法控制NOx具有設(shè)備初投資或改造成本小、運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)。煙氣處理技術(shù)主要包括SNCR技術(shù)和SCR技術(shù)，有設(shè)備初投資費(fèi)用和運(yùn)行成本高、容易造成二次污染的缺點(diǎn)。

昆明云能化工有限公司(以下簡稱“昆明云能”)原燃?xì)溴仩tNOx的排放濃度超過200 mg/m3。為響應(yīng)國家節(jié)能減排號召，擬實(shí)施超低氮燃燒技術(shù)改造，將NOx的值降低至50 mg/m3，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放、節(jié)能減排的目的。該項(xiàng)目在燃?xì)溴仩t氮氧化物減排方面具有較好的示范效應(yīng)。

1 原燃?xì)溴仩t概況

昆明云能燒堿裝置現(xiàn)有1臺6 t/h燃?xì)溴仩t，鍋爐型號為SZS6-1.25-Qq，配套的燃燒器為天然氣和氫氣兩用燃燒器。因天然氣未能接入生產(chǎn)裝置，鍋爐建成后一直以富余的氫氣作為燃料，燃燒副產(chǎn)蒸氣。經(jīng)相關(guān)單位進(jìn)行環(huán)保測試，燃燒氫氣時氮氧化物排放超出環(huán)保限制，具體排放指標(biāo)如表1所示。

表1 原鍋爐氮氧化物排放數(shù)據(jù)

原燃燒器設(shè)計參數(shù)如下。

運(yùn)行環(huán)境：負(fù)壓運(yùn)行；

排煙溫度：155 ℃；

助燃風(fēng)溫度：20 ℃；

氫氣參數(shù)：溫度10～20 ℃，設(shè)計壓力10 kPa，熱值9 489 kJ/m3；

氫氣耗量：600～1 800 m3/h，實(shí)際運(yùn)行300～800 m3/h。

2 超低氮改造的預(yù)期目標(biāo)

超低氮改造的預(yù)期目標(biāo)如下：

氮氧化物(NOx) <50 mg/m3；

w(NO) <10-5；

w(顆粒物) <5×10-6；

燃燒器燃燒效率 >99.99%。

3 改造原理

燃料燃燒中生成的NOx有“熱力型”、“快速型”和“燃料型”3種。

“熱力型NOx”——由助燃空氣中的氮?dú)庠诟邷叵屡c氧化合而成。當(dāng)燃燒溫度超過1 350 ℃時少量生成，當(dāng)燃燒溫度超過1 538 ℃時，呈指數(shù)型大量生成。

“快速型NOx”——在碳?xì)浠衔锶剂线^多時，在反應(yīng)區(qū)附近會快速生成 NOx。

“燃料型NOx”——由燃料中的化學(xué)氮在揮發(fā)分析出中成離子狀態(tài)，與高濃度氧化合而成。

氫的發(fā)熱值雖然比核燃料低，但卻是所有的化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油發(fā)熱值的3倍。氫的燃燒性好，點(diǎn)燃快，并且燃點(diǎn)高，燃燒速度快。

氫氣燃料比較干凈，是僅有氫氣不含其他成分的燃料型化合物，故燃料燃燒的過程中，NOx的生成來源為熱力型化合物。

氫氣的低位發(fā)熱量雖然低，熱值為10 776 kJ/m3，但1 m3氫氣燃燒需要的空氣量少(2.38 m3/m3)，燃燒的煙氣量也少(2.32 m3/m3)，故氫氣燃燒的理論煙氣溫度高，約2 050 ℃。而天然氣(CH4)的理論燃燒溫度約為1 870 ℃。氫氣燃燒的理論燃燒溫度比天然氣高出很多，也比熱力型NOx大量生成的溫度1 538 ℃高很多。且氫氣的燃燒速度快，所以氫氣燃燒器NOx的原始排放值高。

“熱力型NOx”產(chǎn)生的主要原因是高的燃燒溫度使氮分子游離增加化學(xué)活性，其次是高的氧濃度。要減少“熱力型NOx”的生成，可采取以下措施。

(1)減少燃燒最高溫度區(qū)域范圍。

(2)降低鍋爐燃燒的峰值溫度。

(3)降低燃燒的過量空氣系數(shù)和局部氧濃度。

當(dāng)氫氣燃燒器設(shè)計不合理，沒有充分耦合分級燃燒、濃淡燃燒、無煙氣外循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)，未對氫氣燃燒時的溫度和速度進(jìn)行控制，氫氣燃燒時則會出現(xiàn)火焰集中、燃燒溫度高、燃燒速度快、局部高溫區(qū)多的情況，從而導(dǎo)致NOx的排放多。

4 超低氮改造措施

針對昆明云能鍋爐燃料的特點(diǎn)，采用更換燃燒器和增加煙氣再循環(huán)的方法，控制燃燒溫度及氧濃度，從而降低氮氧化物排放。

具體改造措施如下。

4.1 更換低氮燃燒器

原燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計使燃燒火焰太集中，導(dǎo)致火焰中心溫度較高，NOx的排放多。要重新安裝低氮燃燒器。本項(xiàng)目選用BONUS氫氣超低氮燃燒器替換原燃燒器。

BONUS燃燒器本體燃料及空氣均采用分級輸送。氫氣噴嘴采用特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，以確保燃料與空氣充分混合，結(jié)合中心穩(wěn)燃技術(shù)，保持穩(wěn)定燃燒。鑒于氫氣燃燒較快的特性，本燃燒器分級擴(kuò)散式燃燒技術(shù)將火焰推出喉口燃燒，避免喉口等區(qū)域溫度過高，減小了火焰脈動產(chǎn)生的震動，即使在點(diǎn)火時，也能保證不脫火不回火，穩(wěn)定燃燒，保持高調(diào)節(jié)比。助燃空氣經(jīng)風(fēng)門執(zhí)行器調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒器助燃?？諝庠诤砜趦?nèi)分三級：一次風(fēng)保證火焰穩(wěn)定地濃燃燒；二次風(fēng)與燃?xì)庑纬蛇€原燃燒，產(chǎn)生還原氣氛；三次風(fēng)保證淡燃燒。這樣才能使燃燒器產(chǎn)生較低的NOx排放。

4.2 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)

煙氣再循環(huán)技術(shù)即從煙道上抽取部分煙氣(低溫段)，與助燃空氣在混合箱內(nèi)混合后送進(jìn)爐膛燃燒，從而實(shí)現(xiàn)煙氣再循環(huán)技術(shù)。具體實(shí)施內(nèi)容為：在尾部煙道處取部分煙氣，通過煙道及煙氣調(diào)節(jié)門引到鼓風(fēng)機(jī)入口處的煙氣混合箱內(nèi)，經(jīng)煙氣混合箱送入鼓風(fēng)機(jī)，再由鼓風(fēng)機(jī)送入爐膛燃燒。煙氣再循環(huán)技術(shù)不但可降低燃燒溫度，而且降低了氧氣濃度，該技術(shù)在燃?xì)鈺r可以降低40%～60%的NOx的量。

燃燒氣氛中O2與CO2的體積比對NOx生成量及NO、NOx的比率有明顯影響。當(dāng)過量空氣系數(shù)為1時，NOx的排放隨O2與CO2體積比的變化情況見圖1。

圖1 O2+CO2中O2的濃度與NOx濃度的關(guān)系

由圖1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)槿細(xì)馊紵^程中，N基本以HCN的形式存在，HCN在貧氧與富氧情況下與O2的總反應(yīng)如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由(1)(2)可見：貧氧條件下，HCN最終生成N2；在富氧條件下則生成NO。O2濃度的增加有利于N到NOx的轉(zhuǎn)化。

由(3)至(8)可見：在較低溫度下，較高CO2濃度會使C不完全燃燒產(chǎn)生部分CO，CO可直接還原NO，同時生成C*活性基團(tuán)，C*活性基團(tuán)對C與NO的反應(yīng)起到催化作用。

不同的鍋爐，可以采取不同的煙氣再循環(huán)方式，不但可降低氧氣濃度，而且降低了氮氧化物的濃度。圖2為本燃?xì)溴仩t采用的煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。

圖2 再循環(huán)煙氣系統(tǒng)示意圖

4.3 實(shí)現(xiàn)煙氣循環(huán)量自動調(diào)節(jié)

調(diào)試過程中，實(shí)現(xiàn)助燃風(fēng)、燃?xì)饬?、煙氣循環(huán)量在線自動調(diào)節(jié)，可保證負(fù)荷波動情況下NOx達(dá)標(biāo)排放，同時提高燃燒效率，調(diào)節(jié)火焰形狀，降低熱力型NOx的產(chǎn)生。

5 煙氣再循環(huán)系統(tǒng)中冷凝水問題的解決

在常規(guī)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)改造過程中，經(jīng)常出現(xiàn)鍋爐煙氣中攜帶的大量水蒸氣進(jìn)入助燃風(fēng)管道內(nèi)凝結(jié)成水或者冰的情況，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在北方尤為明顯，因此，如何減少煙氣再循環(huán)系統(tǒng)中冷凝水的出現(xiàn)是鍋爐低氮改造中一個不容忽視的問題。

一般來說，燃?xì)忮仩t的煙氣含有近18%的水分，燃燒反應(yīng)的通式為：

通過理論計算可知：煙氣中的水分冷凝點(diǎn)在57～58 ℃，因此，只要所抽取的煙氣溫度高于58 ℃，煙氣就能順利抽取，不致于在管道中冷凝成水。

循環(huán)煙氣跟空氣混合后形成混合空氣，當(dāng)混合空氣中水分超出飽和濕度時，多余的水分會自然冷凝成水。溫度越高，空氣中可以含有的水分就越多；反之，溫度越低，空氣中可以含有的水分就越少。根據(jù)這個原理，如果升高混合空氣的溫度，使混合空氣中的水分處于未飽和狀態(tài)，那么就能有效抑制冷凝水的生成。另一方面，如果可以，盡可能使進(jìn)入混合煙氣中的冷凝水提前析出排出，同樣可減少冷凝水對系統(tǒng)的影響。

因此，針對本次低氮改造，擬采用如下有效措施，減少冷凝水對系統(tǒng)的影響。

(1)設(shè)置煙氣混合箱。

再循環(huán)煙氣經(jīng)過煙氣輸送管進(jìn)入煙氣混合箱，與空氣在混合箱內(nèi)交叉射流，劇烈沖撞混合，形成均勻混合的煙氣-空氣混合氣。同時煙氣遇大量冷的空氣，水蒸氣迅速冷凝，混合氣在導(dǎo)流裝置的導(dǎo)流作用下，旋轉(zhuǎn)至煙氣混合箱下部，在壁面效應(yīng)和離心分離的作用下，液態(tài)冷凝水和混合氣產(chǎn)生分離。該混合箱能實(shí)現(xiàn)煙氣和助燃空氣均勻混合，改善燃燒，且新型煙氣混合箱具有脫水功能，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)選擇合理取煙點(diǎn)。

① 該項(xiàng)目取煙口為引風(fēng)機(jī)出口，其煙氣溫度大于120 ℃。預(yù)熱空氣可提高混合氣體的溫度。

② 取煙口盡可能是在煙道末端，即鍋爐煙氣經(jīng)過煙道降溫，已去除大量的冷凝水，定量的煙道末端煙氣與空氣進(jìn)入混合箱，進(jìn)而降低末端煙氣溫度，再凝結(jié)出冷凝水，減少混合氣體中水蒸氣的含量。

③ 取煙量與空氣量要按最大比例，從根本上減少空氣的進(jìn)入量，進(jìn)而降低氮氧化物。

④ 嚴(yán)格控制引風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，嚴(yán)禁風(fēng)速過快。

(3)風(fēng)道中設(shè)置疏水管。

在風(fēng)道最低點(diǎn)處，設(shè)置疏水點(diǎn)和疏水管道，將煙氣中剩余的、積累在風(fēng)道中的冷凝水及時排出。

6 實(shí)施超低氮的效果和社會效益分析

6.1 降氮氧化物效果分析

鍋爐低氮措施實(shí)施后，對鍋爐進(jìn)行燃燒調(diào)試，數(shù)據(jù)整理如表2所示。

表2 超低氮改造后煙氣成分分析表

由表2可以看出：在鍋爐運(yùn)行負(fù)荷變化范圍內(nèi)，NOx的排放值均從初始值大于200 mg/m3降低至50 mg/m3以內(nèi)，超低氮燃燒改造取得了圓滿的效果。

6.2 社會效益分析

實(shí)施超低氮措施后，單臺鍋爐實(shí)現(xiàn)的減排量如表3所示。

表3 超低氮改造后NOx減排效果分析表

由表3可以看出：單臺鍋爐1年的減排量約為2.52 t，減排能力明顯。而且超低氮燃燒改造完成后，減排過程幾乎沒有任何經(jīng)濟(jì)成本。因此燃?xì)忮仩t超低氮燃燒改造，具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，為燃?xì)溴仩t低氮改造起到示范性帶頭作用。

7 結(jié)語

氮氧化物是導(dǎo)致空氣污染的酸雨、臭氧空洞、光化學(xué)煙霧等環(huán)境問題的主要原因之一，隨著國民和政府對環(huán)保的關(guān)注，氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格是當(dāng)今的趨勢，因此低前期投資和低運(yùn)行成本的鍋爐超低氮改造勢必將成為重中之重。昆明云能本次針對燃?xì)忮仩t的改造大大降低了氮氧化物的排放，滿足國家最新頒發(fā)的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，為社會、為國家的節(jié)能環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。