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浅析燃气锅炉超低氮燃烧器技术应用

发表时间：2020/9/29 来源：《基层建设》2020年第17期作者：姜红卫

[导读] 摘要：本文在对氮氧化物的生成机理进行介绍的基础上，分析了燃气锅炉超低氮燃烧器对氮氧化物的减排技术，进而合理选择减少氮氧化物排放的方式，同时通过阐述超低氮燃烧器设计要求，研究了燃气锅炉超低氮燃烧器技术应用，以使其满足环保要求。

        广东大源小能节能科技有限公司广东佛山 528305
        摘要：本文在对氮氧化物的生成机理进行介绍的基础上，分析了燃气锅炉超低氮燃烧器对氮氧化物的减排技术，进而合理选择减少氮氧化物排放的方式，同时通过阐述超低氮燃烧器设计要求，研究了燃气锅炉超低氮燃烧器技术应用，以使其满足环保要求。
        关键词：燃气锅炉；超低氮燃烧；氮氧化物；达标排放
        一、概述
        超低氮燃烧技术是目前市场上应用较为普遍的新技术，燃气锅炉超低氮改造技术主要分为燃烧中和燃烧后的NOx控制。通常国际上把燃烧中NOx控制措施统称为一次措施，把燃烧后的NOx控制措施统称为二次措施，即末端烟气脱硝治理技术。
        二、低氮燃烧技术原理
        低氮燃烧器-FGR烟气外循环燃烧技术，是将锅炉排烟的10%～25%经FGR烟管从锅炉排烟主管引回至锅炉前端，由燃烧器处进入，与空气混合后送至炉胆内助燃，降低助燃风中的氧含量，增大空气总量、降低反应区温度。燃气首先与氧气燃烧反应，剩余氧气才与氮气燃烧反应生成NOx，但是较低的反应区温度使得与氮气的反应变得非常缓慢，从而有效抑制NO x的生成，达到降低氮氧化物排放的目的。
        三、超低氮燃烧器设计要求
        3.1超低氮燃烧技术
        随着人们对燃烧过程中产生的氮氧化物的危害程度认识的加深。国内外早已开展了对氮氧化物生成与抑制的研究，对超低氮燃烧技术也已取得了一些研究成果。由于国外在这方面的研究起步较早，因此已积累了大量的研究应用经验，并在1980年研制出了低氮燃烧器，并实现了预期的效果，降低了高温烟气中氮氧化物的排放量。我国在这方面的研究起步较晚，但发展速度却是其他国家无法比拟的，现在在超低氮燃烧技术研究应用领域的技术已处于世界先进水平，在我国的石油化工领域也已取得大量的技术成果。在中国石化系统内应用取得了不错的效果。总体来说，低氮燃烧技术经历了三个阶段的发展，分别为分级配风燃烧器技术，分级配燃料燃烧器技术及烟气内循环燃烧器技术，不断将烟气中氮氧化物浓度从140mg/m3降至50mg/m3左右，而最新研究出的强化烟气内循环低氮氧化物燃烧器技术能够将高温烟气中氮氧化物浓度降至35mg/m3以下，从而实现了从低氮燃烧到超低氮燃烧的技术革新。随着科学技术手段的进一步提高，高温烟气中氮氧化物排放浓度会越降越低。
        3.2超低氮燃烧技术设计要求
        超低氮燃烧技术设计要求应符合GB 31570—2015《石油炼制工业污染物排放标准》、GB31571—2015《石油化学工业污染物排放标准》，山东省环保厅在2018年7月11日出台了《锅炉大气污染物综合排放标准》，即DB37/ 2374-2018《锅炉大气污染物排放标准》，规定自2020年1月1日起，现有燃油、燃气和其它燃料锅炉按所在控制区执行新的排放浓度标准：在大气污染的核心控制区，所有锅炉的氮氧化物的排放限值应不超过50mg/m 3；在大气污染的重点控制区域，所有锅炉的氮氧化物的排放限值应不超过100mg/m 3；在大气污染的一般控制区，于2016年9月30日后通过环评审批的燃煤锅炉的氮氧化物的排放限值应不超过100mg/m 3，除上述情形以外的其他锅炉的氮氧化物的排放限值应不超过200mg/m 3。其中，在设计低氮燃烧器时，主要针对的是温度型氮氧化物，而且氮氧化物排放限值应在干烟气下3%氧含量下进行确定。
        四、超低氮燃烧改造技术
        4.1 浓淡燃烧技术
        浓淡燃烧，是人为将整个燃烧过程区分为若干个不同空燃配比的阶段，使燃烧过程分别在过浓燃气区、过淡燃气区和燃尽区分阶段完成。主要目的是延缓燃尽，降低燃烧高温区的温度以减少NOx的生成，进而使NOx生成量持续降低。
        4.2超级混合技术
        超级混合燃烧技术是另一种典型燃烧形式，主要分为部分混合和超级混合燃烧。超级混合燃烧是指燃烧前，天燃气与〇2已经在燃烧器内进行充分混合，这种技术的燃烧温度高、强度大，对当量比可进行完全控制，进而能够实现对燃烧温度的控制，从而控制热力型NOx的生成量。
        因此在降低NOx生成方面，超级混合燃烧技术具有很大的优势，相比较于非混合燃烧技术，至少可降低80%左右的NOx生成量。
        4.3 分级燃烧技术
        燃料的分级燃烧技术，即所谓的再燃烧技术，其特点是将燃烧过程分成3个区域：第一燃烧区主要是氧化性或弱还原性气氛；第二燃烧区，由于炉内的二次燃料送入，使其表现为还原性气氛。在高温和还原环境中，生成CH，该原子团与第一燃烧区生成的NOx反应，主要生成N2。在第二燃烧区的上方，送入的二次风使燃料再次燃烧完全，此区域即为燃尽区，该部分的二次风也称为燃尽风。燃尽过程中虽然会再次生成少量的NO，但从总体看，采用分级燃烧技术后，燃气锅炉的NOx最终排放量还是呈现明显降低的趋势。
        4.4烟气再循环（FGR）技术
        FGR技术即从锅炉出口烟道上抽取部分烟气（低温段）与助燃空气在充分混合后再送进锅炉炉腊燃烧。FGR技术不但可降低燃烧温度，而且能降低O2浓度，该技术在燃料为天燃气时可以降低40%~60%左右的 NOx的量。
        主要原理为：通过燃烧气氛中0 2/C0 2体积比对NOx生成量及NO/NOx的比率的显著影响。
        4.5全预混表面燃烧
        全预混表面燃烧技术对于减少小型燃气锅炉的氮氧化物排放量有着显著的效果，首先，通过运用全预混表面燃烧技术可以使火焰沿着金属纤维表面进行均匀分布，有利于形成均匀分布的温度场，降低单位面积上的热负荷。其次，金属纤维表面燃烧时，过量的空气可以降低火焰温度，从而达到减少氮氧化合物排放量的目的。但是全预混表面燃烧，会造成较大的排烟量，导致热量损失。并且特殊构造的金属纤维燃烧时容易形成堵塞，后期的清理维护工作量较大。
        4.6水冷预混燃烧技术
        依靠水冷壁的低温对火焰进行冷却，达到低氮燃烧的目的火焰直接打到水冷壁上，影响受压原件使用寿命对锅炉水质有严格要求该技术发展时间还较短，优劣有待进一步的验证。
        五、燃气锅炉超低氮燃烧器技术应用
        为了降低燃气锅炉氮氧化物的排放，本文对某公司的燃气锅炉进行了低氮改造，在燃烧器中综合运用预混燃烧技术与火焰分割技术。所谓预混燃烧技术即是将燃料和氧气（或空气）预先混合成均匀的混合气，此可燃混合气称为预混合气，预混合气在燃烧器内进行着火、燃烧的过程。而火焰分割技术是将燃烧火焰分产割成多个小火焰，火焰散热面积增大，降低火焰峰值温度，减少热力型氮氧化物的产生。低氮燃烧器喷枪以多角度喷入燃料，在火焰形态中形成多火焰分布状态，有效地降低火焰根部温度，使整个火焰温度趋于均匀。
        通过对该锅炉进行低氮改造，氮氧化物排放浓度由改造前的172mg/m 3 降低到改造后的22mg/m 3，比在大气污染的核心控制区要求的所有锅炉的氮氧化物的排放限值50mg/m 3 还要低，因此改造后的锅炉烟气中的氮氧化物排放浓度符合国家及地方标准要求，实现了降低燃气锅炉高温烟气中氮氧化物的排放浓度的目的。表1所示为该锅炉改造前后烟气污染物排放浓度实测结果。

        表1 锅炉改造前后烟气污染物排放浓度实测结果表（mg/m 3）
        六、结束语
        综上所述，阐述了燃气锅炉超低氮燃烧器对氮氧化物的减排技术的应用情况，通过使用预混与火焰分割技术对燃气锅炉进行的低氮改造，能够降低燃气锅炉高温烟气中氮氧化物的排放浓度，也在以后为超低氮燃烧器的设计提供一定的参考。
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        [4]低氮燃烧器改造对锅炉运行的影响[J].郭巍.山东工业技术.2015（17）