動力鍋爐低NOx燃燒技術(shù)改造及問題分析

吳軍，，邵光明，薛志村

（1．中國石化北海煉化有限責(zé)任公司，廣西北海 536016； 2．中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 201108）

氮氧化物（NOx）被視為一種高度危害環(huán)境和人類健康的排放物，為了滿足日趨嚴(yán)格的污染物排放指標(biāo)[1-2]，對工業(yè)鍋爐實施低氮技術(shù)改造是一種切實有效的途徑[3-4]。

在國際上燃?xì)忮仩t氮氧化物控制方法主要分兩 類[5]，一是指通過技術(shù)手段控制氮氧化物的生成反應(yīng)，該類技術(shù)存在難題需要進行研發(fā)攻克；二是指將已經(jīng)產(chǎn)生的氮氧化物通過化學(xué)手段進行凈化處理，該類技術(shù)成本投入高，設(shè)備昂貴。目前，業(yè)界致力于多種低氮燃燒技術(shù)的開發(fā)研究以及工業(yè)應(yīng)用，主要技術(shù)[6]包括低過量空氣燃燒、分級燃燒、煙氣循環(huán)技術(shù)、分級供氧和高溫空氣燃燒等。國內(nèi)大量鍋爐在國家政策的驅(qū)動和鼓勵下大力推進鍋爐低氮改造工程。

基于某煉廠60 t/h燃?xì)鈩恿﹀仩t，結(jié)合分級燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)技術(shù)進行低氮燃燒技術(shù)改造。通過分級燃燒技術(shù)優(yōu)化燃燒狀態(tài)，降低火焰峰值溫度，通過煙氣再循環(huán)技術(shù)實現(xiàn)空氣與煙氣預(yù)混降低助燃空氣中氧氣濃度，從而降低NOx生成速率，在不影響動力鍋爐運行狀態(tài)的基礎(chǔ)上降低了煙氣污染物排放量，使煙氣排放滿足環(huán)保排放要求。此外，對該次技術(shù)改進方案和實際運行結(jié)果進行了實驗檢測和存在問題分析，為動力鍋爐低氮改造提供借鑒，有助于環(huán)境保護工程的進一步推進。

1 低氮燃燒技術(shù)改造及原理

某煉廠動力鍋爐為中壓燃油燃?xì)忮仩t，共包含燃燒器4臺，燃燒器呈四角切圓布置，如圖1所示。鍋爐主要燃料為煉廠瓦斯氣，當(dāng)瓦斯氣不足時補充精制柴油。鍋爐產(chǎn)汽能力最高為75 t/h，正常運行負(fù)荷為60 t/h，最低為30 t/h；產(chǎn)生的過熱蒸汽壓力 3.82 MPa，出口溫度450℃；給水溫度104℃；鼓風(fēng)溫度為150℃；排煙溫度≤130℃；鍋爐效率≥92%。

圖1 鍋爐燃燒器布置

該次技術(shù)改造主要將燃料分級燃燒技術(shù)、分級供風(fēng)技術(shù)和煙氣再循環(huán)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到現(xiàn)有的動力鍋爐系統(tǒng)中，實現(xiàn)火焰分割、優(yōu)化火焰溫度場以及降低空氣中氧氣濃度等目的[7]。具體技術(shù)改進內(nèi)容包括燃燒器改造、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)改造、閥組改造以及控制系統(tǒng)改造。

1.1 燃料分級燃燒技術(shù)

燃料分級燃燒技術(shù)[8]以及分級供風(fēng)技術(shù)主要用于實現(xiàn)火焰分割和降低火焰峰值溫度。具體改進方案為采用新型的燃燒器，其頭部結(jié)構(gòu)如圖2所示。改進后的燃燒器具有內(nèi)層燃燒槍和外層燃?xì)鈽?，燃燒器頭部所設(shè)計旋流盤能夠?qū)諝膺M行分割，一部分空氣通過外側(cè)直接與外層燃?xì)饣旌先紵?，一部分空氣?jīng)過旋流盤作用后進一步與初步反應(yīng)后的燃?xì)膺M行混合和燃燒。實現(xiàn)燃燒器的分級燃燒，將火焰均勻分割，形成花瓣形。

圖2 低氮燃燒器頭部結(jié)構(gòu)

1.2 煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)技術(shù)[9]主要用于將煙氣重新引流至空氣中（一般為燃燒空氣量的10%~15%），實現(xiàn)煙氣與空氣的預(yù)混作用，具體改造方案為增加煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，改造后動力爐燃燒器的主要工藝流程如圖3所示。

圖3 燃燒器工藝流程

低氮燃燒技術(shù)的主要目標(biāo)在于降低熱力型NOx，其中大部分為NO，通過反應(yīng)速率推導(dǎo)可得NO的生成速率表達式為：

式中：[NO]、[N2]、[O2]分別表示NO、N2和O2的濃度，A為指前因子，b為反應(yīng)活化能，T為開爾文溫度，t表示時間。

分級燃燒使燃燒器反應(yīng)區(qū)溫度場均勻，降低了峰值溫度，煙氣與空氣預(yù)混，使氧氣濃度降低，根據(jù)式（1）可知，反應(yīng)速率隨之降低，從而大幅減少了熱力型NOx的生成速率，實現(xiàn)低氮排放。

2 實驗研究

以四角切圓式動力鍋爐為實驗主體，采用先進低氮燃燒技術(shù)的燃燒器作為動力鍋爐燃燒設(shè)備進行實驗。燃燒器主要包括點火槍和主燃燒器兩部分，主要管線包括點火燃?xì)夤芫€、主燃?xì)夤芫€、供風(fēng)管線以及煙氣再循環(huán)管線，所有管線均具備四條支路分別供應(yīng)至四臺燃燒器。實驗采用鼓風(fēng)機進行供風(fēng)，空氣溫度為150℃，空氣組分約為21% O2和79% N2；采用煉廠瓦斯氣作為燃料氣，燃料氣組分與熱值如表1所示。

表1 燃料氣組分與熱值

在動力鍋爐整體系統(tǒng)排查完畢后，爐膛進行吹掃，燃?xì)夤芫€進行檢漏，檢漏合格后便可點燃點火槍，最后點燃主氣槍。主火焰穩(wěn)定燃燒后，分別調(diào)節(jié)設(shè)備負(fù)荷至50%（30 t/h）、75%（45 t/h）和100%（60 t/h），每次負(fù)荷調(diào)節(jié)完畢后需要調(diào)節(jié)風(fēng)門和煙氣再循環(huán)開度，待煙氣排放數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。整體實驗過程中需保持進風(fēng)量、進風(fēng)溫度、燃?xì)饬?、給水流量和產(chǎn)汽壓力相對穩(wěn)定，且過程中均采用瓦斯氣進行燃燒。

3 結(jié)果與討論

由于受到動力鍋爐相關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的制約，無法實現(xiàn)動力爐30%~100%全負(fù)荷調(diào)節(jié)測試，因此選取了50%、75%、100%三個負(fù)荷點進行測試。為了確保測試的有效性，在整個測試過程中對動力鍋爐整體運行情況進行了監(jiān)測，不同負(fù)荷下的主要運行參數(shù)如表2所示。測試結(jié)果顯示，測試過程中，各運行參數(shù)波動均較小，測試結(jié)果具備有效性。

表2 不同負(fù)荷測試期間動力鍋爐主要運行參數(shù)

動力鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造前后的運行檢測數(shù)據(jù)見表3。改造前煙氣中NOx含量為260~340 mg/m3， 平均約為300 mg/m3；粉塵含量為13~18 mg/m3，平均15 mg/m3；CO含量小于10 mg/m3。改造后，50%~ 100%負(fù)荷范圍內(nèi)，動力鍋爐煙氣中NOx含量均小于70 mg/m3（折算后），CO含量均小于3 mg/m3，遠小于技術(shù)指標(biāo)規(guī)定的50 mg/m3，粉塵含量均小于 10 mg/m3。技術(shù)改造后煙氣中NOx含量降低至改造前的23%，粉塵含量降低至改造前的67%，并且CO排放量未出現(xiàn)顯著惡化的現(xiàn)象。由此可知，該次技術(shù)改造措施顯著降低了動力鍋爐NOx和粉塵排放。實踐證明低氮燃燒技術(shù)以及煙氣再循環(huán)技術(shù)在動力鍋爐低氮改造中具有較高的可行性。

進一步分析表2和表3中不同負(fù)荷條件下的運行數(shù)據(jù)和煙氣分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，由于動力鍋爐負(fù)荷提升后需要調(diào)節(jié)配風(fēng)以及增加煙氣再循環(huán)量，以便實現(xiàn)該負(fù)荷下的低NOx排放，所以當(dāng)NOx排放符合技術(shù)指標(biāo)時，負(fù)荷越高需要增加的煙氣再循環(huán)量幅度越大。三種負(fù)荷條件下的煙氣再循環(huán)開度分別是33.6%、53.7%和98.7%。而在此條件下，燃燒狀態(tài)和煙氣排放指標(biāo)均穩(wěn)定后，高負(fù)荷的煙氣排放中氧氣濃度由4.28%降低至2.41%。這一現(xiàn)象是煙氣再循環(huán)技術(shù)應(yīng)用中無法避免的。

表3 不同負(fù)荷條件下煙氣分析數(shù)據(jù)

此外，表2中熱效率計算結(jié)果顯示，煙氣再循環(huán)量的大幅度增加雖然降低了供風(fēng)中氧氣濃度，降低了整體反應(yīng)速度，但由于其優(yōu)化了整體燃燒溫度場，動力鍋爐的整體運行熱效率并未受到顯著影響。改造前熱效率為93.50%，改造后，以50%負(fù)荷運行時，鍋爐熱效率降低0.36%；75%負(fù)荷運行時，鍋爐熱效率降低0.85%；100%負(fù)荷運行時，鍋爐熱效率降低1.35%?？梢娫摯渭夹g(shù)改進措施對于動力鍋爐熱效率和運行狀態(tài)影響較小。

4 工業(yè)應(yīng)用問題分析

該次技術(shù)改進總體表現(xiàn)優(yōu)異，在運用低氮燃燒技術(shù)以及煙氣再循環(huán)技術(shù)的條件下，動力鍋爐的總體運行狀態(tài)未受到顯著影響，并且能夠有效改善煙氣排放指標(biāo)。但也存在著一些問題，需要進一步進行技術(shù)創(chuàng)新。

1）爐膛澆注料將減少爐膛受熱面，導(dǎo)致爐膛溫度升高，提高NOx生成速率，導(dǎo)致NOx排放增大。在滿負(fù)荷60 t/h的情況下，再循環(huán)煙機擋板全開，氧含量控制在2.3%~2.5%，外排NOx才能保持在70 mg/m3以下，若想進一步降低NOx，一方面可繼續(xù)降低爐膛氧含量，但出于鍋爐安全穩(wěn)定運行的需求，煙氣中氧氣含量不能降太低；另外一種實現(xiàn)方式則是將爐膛內(nèi)的澆注料去除。因此，NOx控制在70 mg/m3以下是該次技術(shù)改造的瓶頸所在，需要進行技術(shù)創(chuàng)新以便進一步降低NOx排放。

2）隨著再循環(huán)煙氣量的加大，爐頂火焰攝像頭看不清每支燃燒器火焰燃燒情況，爐膛內(nèi)只看到一片透亮光影，經(jīng)攝像頭維保人員多次調(diào)整，效果仍不明顯。原因或在于煙氣再循環(huán)量大幅度增加后，整體的平均反應(yīng)速率有所降低，影響爐膛內(nèi)的可視度。此外也不排除澆注料的影響。因此，需要改善視頻監(jiān)測方式，以便更好地監(jiān)控爐內(nèi)燃燒 狀態(tài)。

5 結(jié)論

基于某煉廠60 t/h燃?xì)鈩恿﹀仩t，結(jié)合燃料分級燃燒、分級供風(fēng)和煙氣再循環(huán)等技術(shù)對整體設(shè)備進行技術(shù)改造。技術(shù)改造后鍋爐負(fù)荷能夠達到設(shè)計負(fù)荷60 t/h，且燃燒穩(wěn)定，煙氣中NOx含量降低至70 mg/m3以下；粉塵穩(wěn)定在10 mg/m3以下；CO穩(wěn)定在50 mg/m3以下。技術(shù)改造方案能夠顯著改善動力鍋爐煙氣排放指標(biāo)。燃料分級燃燒技術(shù)、分級供風(fēng)技術(shù)以及煙氣再循環(huán)技術(shù)在動力鍋爐工業(yè)應(yīng)用中具備較高的可行性；煙氣再循環(huán)量的大幅度增加對于動力鍋爐熱效率影響不顯著；煙氣再循環(huán)量的增加將顯著降低煙氣中氧氣含量，出于安全運行需求，進一步降低NOx排放無法采用提高煙氣再循環(huán)量實現(xiàn)。