燃气锅炉低氮燃烧技术应用及问题探讨获奖科研报告

燃气锅炉低氮燃烧技术应用及问题探讨获奖科研报告摘

要：随着北京市发布了《锅炉大气污染物排放标准》（DB11/139-2015），该标准中要求2017年4月1日后北京市內建设的燃气锅炉氮氧化物排放量排放浓度不得高于30mg/m3，随后，武汉市人民政府于2019年3月26日颁布的《市人民政府关于印发武汉市2019年拥抱蓝天行动方案的通知》中提出：“全面启动燃气锅炉低氮改造。2019年底之前，各区至少完成本辖区内10蒸吨/小时及以上燃气锅炉低氮改造工作任务的50%。改造后，氮氧化物排放浓度不高于80mg/m3，鼓励按照50mg/m3标准进行改造”。

本文就武汉市燃气锅炉低氮燃烧改造技术的应用及方案比选进行简要分析（末端治理措施不在本文考虑范围内），并总结出改造中存在的问题及注意事项，为武汉市燃气锅炉低氮燃烧技术改造提供参考。

关键词：燃气锅炉;低氮燃烧;改造技术;方案比选

1、燃气锅炉氮氧化物产生机理

锅炉废气中氮氧化物产生机理主要包括热力型NOx、快速型NOx以及燃料型NOx。

①热力型NOx

主要为空气中的N2在1300～1500℃的高温下与O2发生氧化反应生成，反应温度越高，NOx的生成速度越快。主要机理如下：

O+N2→NO+N

N+O2→NO+O

N+OH→NO+H

其产生速率的影响因素包括温度、氧气浓度、燃烧时间、湍流度等。热力型NOx是燃气锅炉氮氧化物产生的主要组成部分，约占总NOx产生量的85%以上。

②快速型NOx

主要是由燃气中的碳氢化合物在1300℃以上的高温环境下，先分解成碳氢自由基和空气中的氮气反应形成胺或氰基，再进一步发生氧化反应，以极快的速度形成的氮氧化物。主要机理如下：

CH+N2→HCN+N

N+H2→NH+H

NH+H2→NH3

HCN+O2→NO+HCO

该机理是由费尼莫尔于1971年根据碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布实验结果得出的。影响其生产速率的因素包括碳氢自由基的浓度及形成过程、氮分子反应生成氮化物的速率和氮化物间相互转换率。快速型NOx生成反应较快，但是反应环境较为苛刻，生成量仅占总NOx产生量的5%以下。

③燃料型NOx

主要是由燃料中含有少量的含氮成分，约在600～800℃的高温燃烧过程中分解出来被氧化成NOx。而本文重点针对燃气锅炉进行分析，就武汉市内使用的天然气和石油液化气而言，其氮含量较低，相对燃料型NOx生成量较小，占总NOx产生量的10%以下。

2、燃气锅炉低氮燃烧改造技术方式

国内现行较为主要的低氮燃烧技术包括分级燃烧、燃烧预混以及烟气再循环3种。

①分级燃烧技术

该项技术在低氮燃烧领域应用较为广泛，包括燃料分级燃烧和空气分级燃烧，其原理是通过将燃料或理论所需空气分两级送入锅炉，从而使燃烧室分为两个区域燃烧区。

燃料分级是首先将大部分燃料和全部理论所需空气一同送入燃烧室，在燃烧室中部（主燃区）充分燃烧，火焰末端会形成一个富含碳氢基、氨基、氰基的低氧还原区，主燃区生成的NOx会在此区域被还原成N2;剩余部分燃料通过高速的空气流或燃料自身的喷射速度卷入燃烧室后端（燃尽区）与剩余空气继续燃烧，燃尽区较主燃区，温度有所降低，热力型NOx产生量急剧减少，从而整体上降低了NOx的产生。其改造前后燃烧对比情况详见下图。

空气分级是首先将全部燃料和大部分所需空气一同送入燃烧室，在燃烧室主燃区形成一个缺氧富燃料的燃烧区，由于氧气不足，燃烧不充分，温度较低，热力型NOx生成有所降低;经过第一次燃烧后的未燃尽的燃料与烟气一同进入燃烧室末端的燃尽区，在燃尽区再送入剩余理论所需空气，使剩余燃料达到完全燃烧，但由于一次燃烧后的较多烟气存在，使氧浓度及二次燃烧温度较低，从而进一步降低热力型NOx的生成。

空气分级方式虽降低了NOx的生成，但相对燃料分级方式而言，存在较多的未完全燃烧成分，从而使烟气中飞灰量有所增加，故综合来讲，燃料分级燃烧效果更优，技术较为先进的燃气锅炉分级燃烧器可将NOx控制在60mg/Nm3以下。

②燃烧预混技术

该项技术主要是将燃料及空气在特制燃烧器前段进行预混合，使燃料和氧气充分混合，形成均匀的混合可燃气体，预混后的混合气体具有燃烧速度快、燃烧效率高、炉内燃烧分布均匀等特点，炉内温度可通过炉膛金属内壁纤维均匀分布，则局部热负荷将显著降低，热力型NOx生成量将大幅度减少，实验证明，总NOx排放可控制在30mg/Nm3以下，但同时会产生大量烟尘，导致锅炉清理维护工作量变大，炉膛内壁吸附烟尘后也会导致大量热损失，且由于预混后的混合气体具有极易燃性，而现状技术还未成熟，容易造成回火现象，致使安全隐患较大，故未广泛使用，仅在少量较小型（2.8MW以下）燃气锅炉使用。

③烟气再循环技术

该技术主要是将较低温的燃烧烟气抽出，与燃烧空气一同重新送入燃烧室内，该过程会使炉膛内氧含量降低，燃烧温度降低，从而降低热力型NOx生成，但因此存在的问题是，过量的循环烟气量会降低燃烧效率，故合适的烟气循环率（循环烟气量与不采用循环烟气时所产生的烟气量之比）是该项技术有效性的重要指标。根据实际应用中发现，烟气循环率控制在15%～20%之间时，热力型NOx生成量可减少40%左右，且燃料热效率也可最大化。该项技术的另一个特点为，即可在1台锅炉上单独使用，也可与其他低氮燃烧技术同时使用。

3、低氮燃烧技术改造存在的问题

①燃烧器改造过程中改造不完全，燃烧器、燃气阀、风机等不完全配套，市场提供的燃烧器种类、型号较多，存在未备案、未试验的情况，存在安全隐患。

②燃烧器及炉膛维护保养不到位。采用预混技术的燃烧器空气滤网清理不及时，致使滤网堵塞，空气供给速度低于火焰传播速度，导致回火现象，严重时可引起爆炸事故;采用烟气再循环技术的循环烟气中水分长期积累，进入燃烧器或炉膛内，可能造成熄火保护装置失效或频繁动作，导致燃烧器点火失败，多次点火失败后，炉膛内燃料浓度将会达到爆炸极限，当点火前吹扫风不足的情况下点火，将会存在爆炸的风险;采用分级燃烧技术活分级燃烧+烟气循环技术的操作人员能力不达标，设备运行参数设置有误，烟气中飞灰量增加、锅炉底部排渣中灰水呈黑色，存在较多不完全燃烧颗粒、锅炉热效率降低。

4、存在问题的防范措施及注意事项

①完善低氮燃烧技术相关安全技术规范与技术标准。由于锅炉低氮燃烧改造技术目前在国内应用时间较短，相关的选型、改造、安装、调试维护保养等过程均未形成成熟的规范和标准，在此期间，建议安全监察机构委托或组织专业机构对低氮燃烧改造过程及设备进行监督监管，可参照国外较先进的规范和标准，并尽快总结出适用于国内的规范和标准。分级燃烧技术改造过程中需重点注意的是对燃气压力的变化要求和供气风道的强度。分级燃烧器燃料喷嘴较为密集，且孔径较小，改造后对供气压力要求更高，且改造后，鼓风机功率随之增大，响应的风速及风压将增大，原有的风道强度不满足要求时会发生风道震颤，从而使风道流量不稳定，燃烧条件控制效果较差，严重时会导致点火失败，多次点火失败的话，会使燃料富集，遇明火易发生爆炸事故。