杨雪峰
上海重旗工程(集团)有限公司 上海 201100
摘要：根据国家最新颁布的《锅炉大气污染物排放标准》规定，超低氮技术要求全负荷运行的燃气热水锅炉氮氧化物排放低于15mg/m3。现如今，为降低氮氧化物的排放，改善大气环境，政府正积极开展燃气热水锅炉超低氮改造补偿政策。
关键词：燃气锅炉；低氮改造；应用
前言
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。
1 NOx的排放现状及产生机理
1.1燃料型NOx
燃料型NOx是燃料中的氮元素在650℃以上高温环境中氧化生成的，由燃料中的氮元素挥发至离子状态后与高浓度O2化合而成。由于目前市场上的天燃气氮含量极少，基本上可以忽略。
1.2热力型NOx
空气中的氮元素在900℃以上高温下持续氧化生成的NOx，即为热力型NOx。该类型NOx由于只在高温中形成，而且其生成过程是一个不分支连锁反应，即捷里多维奇反应式，见式(1)～(3)：
N2+O→NO+N (1)
N+O2→NO+O (2)
N+OH→H+NO (3)
通过大量相关实验研究，得出一个结论：NOx产生量的重要决定性因素是燃烧器的燃烧温度。在900～370℃温度区间时，NOx的生成速率比较缓慢；但是当温度升到1 600℃以上时，NOx即快速上升，之后温度每提高90～110℃，反应速率也将增大5～8倍。
1.3快速型NOx
历史上，Fenimore做过碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布实验，该实验结果表明：在反应区附近可能会快速生成NOx，即称其为“快速NOx”，即我们通常说的费尼莫尔反应机理。快速型NOx是在高浓度天燃气燃烧条件下产生。它的形成主要由三个影响因素，即CH原子团的浓度及形成过程、氮气分子反应生成氯化物的速率和氮氧化物间相互转化率，相关反应式如式(4)～(7)所示：
CH+N2→HCNO+N (4)
N+H2→NH+H (5)
NH+H2→NH3 (6)
HCN+O2→NO+HCO (7)
2低氮燃烧技术介绍
锅炉是一种通过将燃料（或其他热能能源），将工质加热到某设定参数的热力转换设备，燃气热水锅炉是以燃气作为燃料，通过点燃燃气将水进行加热以达到采暖效果，因此也称燃气采暖锅炉。相较于传统锅炉技术，燃气热水锅炉同时具备环保、安全、节能、全自动运行等多个优点，使用起来非常方便，另外，由于运行经济、政府政策鼓励，燃气热水锅炉越来越受到大家的青睐。但是以天然气作为主要能源的燃气热水锅炉，其中天然气虽然是一种清洁能源，但是它在燃烧过程中无法进行充分燃烧还是会产生一定的氮氧化物，也会对大气环境造成一定程度上的污染。
特别是随着天然气消耗量的逐步增长，以天然气为燃料的锅炉如不进行低氮改造，将来也会对大气环境造成严重污染。
常见的低氮燃烧技术一般有分级燃烧技术、浓淡燃烧技术和烟气再循环燃烧等技术，主要通过控制燃烧过程来有效减少氮氧化物的产生，进而控制氮氧化物产生的源头。其中烟气再循环燃烧技术是通过降低燃烧过程中的燃烧温度和含氧量来降低氮氧化物的产生，但是此技术会使锅炉系统的风量加大。除上述低氮燃烧技术以外，燃尽风技术也以经广泛应用于锅炉超低氮改造当中，其主要是首先应用于煤粉锅炉，该技术是以燃料充分燃烧为前提，将燃料在富燃料和富养燃料两个阶段充分燃烧，同时再将空气分级送入，从而实现降低氮氧化物的产生的目的，目前该技术也已经投入到燃气热水锅炉超低氮改造工程中。实际改造工程中，选择合适的燃气热水锅炉超低氮改造技术，可以有效控制成本，减少改动范围，降低资金投入，对于实现节能减排，践行我国可持续发展战略具有重要意义。
3燃气热水锅炉超低氮改造工程实例
3.1项目概况
某热源单位现有一台QXS116-2.45/150/90-Q天燃气热水锅炉，目前经检测氮氧化物的排放浓度是89.65mg/m3，该燃气热水锅炉炉型为π型，内部设置省煤器、节能器以及空预器，排烟温度为100℃。另设置一台50Hz变频鼓风机，鼓风机功率为500Kw，风量为185955m3/h，风压为6558Pa。
3.2超低氮燃烧改造路线
首先我们通过对燃气热水锅炉安装超低氮燃烧器的方式来降低氮氧化物的排放，另外本次改造项目采用上文中烟气再循环燃烧技术和燃尽风技术进行支持，将氮氧化物的排放量降至15mg/m3。根据本次项目超低氮燃烧改造路线，首先是对燃气热水锅炉安装超低氮燃烧器安装时要注意锅炉尺寸，进行优化设计，通过市场调研选择适合品牌的超低氮燃烧器，它同时具备阻力小、损耗低等特点，使得在相同负荷功率运行下，鼓风机所需功率最低。我们通过多级燃料输入，降低氮氧化物的产生，同样也可以起到抑制氮氧化物的产生的作用。同时本次改造项目采用半预混、半扩散的燃烧方式，这种独特的燃烧方式使得在高空气流速与低含氧量的条件下依然可以持续、稳定燃烧。本次改造项目的烟气再循环系统，可以省略对循环风机以及鼓风机的更换，这样可以减少成本，同时也将改造范围减小，降低技术难度。本次项目根据新增燃尽风系统，具体实施方法为：在空预器的出口风道引入一部分热风，经过燃尽风输风管道，输送至锅炉内部指定位置处，在燃尽风总管道上设置调节阀，这样可以起到减小系统阻力的作用，从而减少该锅炉鼓风机负荷，同时为尽量减少改动范围，还应该尽量使燃尽风位置原理锅炉刚性梁位置。
3.3超低氮改造后效果分析
在完成超低氮项目改造后，我们对该锅炉排放烟气中的氮氧化物和一氧化碳浓度进行检测，同时分别对锅炉半负荷状态和全负荷状态分别进行检测，在对检测结果进行分析。经过检测发现，锅炉在50%~100%负荷状态进行使用时，氮氧化物排放浓度均小于15mg/m3，说明本次改造起到了很好的降氮效果，脱硝效率达到83.5%；经检测，锅炉不同负荷状态使用时，一氧化碳排放浓度很低，接近于零，达到了预期目标值。在完成超低氮项目改造后，我们还应该对该锅炉鼓风机的运行状态进行分析，经过检测，鼓风机的运行频率是随着锅炉负荷状态的增加而增加，发现在锅炉全负荷状态下，鼓风机的运行频率为43Hz，说明该鼓风机完全可以满足超低氮改造使用。
4结语
经过本次燃气热水锅炉超低氮改造，我们圆满达到预期目标，使得该锅炉在经济性和环保效果取得了成功。（1）经过在该锅炉上安装烟气再循环系统和燃尽风系统，使得氮氧化物排放浓度均小于15mg/m3，一氧化碳排放浓度接近于零，在实现天然气充分燃烧的同时，实现超低氮排放；（2）该锅炉脱硝效率达到83.5%，使得极大地提升了该锅炉使用的经济性；（3）我们通过安装烟气再循环系统和燃尽风系统时，采取一系列分压、减压技术手段，使得鼓风机依然能够继续投入使用，有效降低降低改造成本。
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