天然气低氮燃烧技术研究进展及应用

2017-07-21雷佳莉杨玉鹏

中国高新技术企业 2017年12期

关键词：氮氧化物燃烧器燃料

雷佳莉杨玉鹏陈卓

（中国中元国际工程有限公司，北京 100089）

天然气低氮燃烧技术研究进展及应用

雷佳莉杨玉鹏陈卓

（中国中元国际工程有限公司，北京 100089）

近年来，北京不断加大了对燃煤锅炉清洁能源改造的力度，下发了一系列文件要求控制锅炉氮氧化物排放总量，并鼓励在用燃气锅炉进行低氮改造。文章介绍了近年来应用较为广泛的低氮燃烧技术，希望为进行无煤化锅炉改造和低氮改造的工程提出指导性方法。

天然气；氮氧化物；低氮燃烧技术；燃煤锅炉清洁能源；排放总量

近年来，我国河北、山东、北京等地区频繁遭遇雾霾天气。2016年，北京市环境空气中SO2年均浓度为10微克/立方米，远优于国家标准（60微克/立方米）；二氧化氮（NO2）年均浓度为48微克/立方米，超过国家标准20%；可吸入颗粒物（PM10）年均浓度为92微克/立方米，超过国家标准31%；PM2.5年均浓度为73微克/立方米，超过国家标准109%。SO2年均浓度的降低得益于北京实行的“煤改气”政策，北京市区内集中供热燃煤锅炉逐步被燃气锅炉替代。“煤改气”之后，NOX已经成为严重雾霾天气的根源之一。2015年7月开始实施的《锅炉大气污染物排放标准》（DB11/139-2015），规定2017年4月1日后新建的锅炉氮氧化物的排放浓度降到30mg/m3以下。北京市发改委近日下发文件《关于北京市进一步加快远郊新城集中供热中心清洁能源改造工作的通知》（京发改[2017]472号）指出，要确保2017年10月底前北京南部平原地区“无煤化”及2020年底前北京市平原地区“无煤化”目标实现。所谓“无煤化”是对现有锅炉进行“煤改气”，改用天然气为燃料的锅炉如何达到《锅炉大气污染物排放标准》（DB11/139-2015）中要求的30mg/m3以下标准，需要应用天然气低氮燃烧技术达到环保排放要求降低NOX总排量的目的。

1 天然气燃烧氮氧化物产生过程

天然气燃烧过程中氮氧化物的生成模型可以分为三类：热力型NOx生成模型、快速型NOX生成模型、燃料型NOX生成模型。

热力型NOX生成是指烃类或非烃类燃料在空气过剩条件下（α＞1）和非烃类燃料在空气贫乏条件下（α＜1）条件下生成的，主要是空气中N2在高温燃烧下氧化而成的NOX。

快速型NOX的基本现象是天然气在空气贫乏条件下（α＜1）由空气中的氮在火焰前锋面上的快速反应而生成的。

燃料型NOX是指天然气中及少量掺混的含氮化合物在燃烧过程中氧化而生成的，该类型氮氧化物在天然气燃烧过程中极少生成。

工程中的各种锅炉，天然气的燃烧大部属于扩散型燃烧即锅炉内的空气与天然气边燃烧边混合，此种燃烧产生的NOX主要为NO和NO2，NO成分约占90%。

2 低氮燃烧技术研究进展

低氮燃烧技术是基于氮氧化物的生成机理发展起来的减排技术，主要从以下三个方面寻找解决方法：（1）减少燃料周围的氧浓度，包括减少总的空气过剩系数、减少一次风量、减少燃气燃尽前与二次风的掺混；（2）在含氧浓度较低的情况下，能够维持足够的时间，使生成的NOX经过均相或多相反应被还原；（3）在空气过量的条件下，降低燃烧温度，减少热力型NOX的生成，如采用烟气再循环等。

主要方法有空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、浓淡燃烧技术、全预混燃烧技术、烟气再循环技术。

2.1 空气分级燃烧技术

空气分级燃烧技术是将空气分级送入锅炉，使天然气在炉内分级燃烧。通常采用的方法是第一级营造贫氧燃烧环境，降低燃烧区域的氧浓度及燃烧温度，减少热力型NOX的产生；第二级将燃烧所需的其余空气通过燃烬风喷口（位于燃烧器）进入炉内，形成富氧燃烧环境，将燃料燃尽。燃烧过程中会有一部分一级燃烧残留的氮氧化为NO，但由于燃烧温度较低，总的生成量不大。

采用空气分级燃烧技术，通常可将氮氧化物的排放量减少约20%～30%。但由于采用该燃烧技术之后，增大了不完全燃烧热损失，致使炉膛内的燃烧区域向后面区域偏移，导致炉膛出口烟温骤升，从而大大降低了燃料燃烧的热效率。

该技术目前在工业应用中使用较为广泛。

2.2 燃料分级燃烧

燃料分级燃烧也被称为燃料再燃技术。

已生成的NO在遇到烃根和未完全燃烧产物时，会发生还原反应。总反应式为：

利用这一原理，将80%～85%燃料送入一级燃烧区（富燃料区），在过剩空气系数大于1的条件下燃烧生成NOX；其余15%～20%的燃料则通过主燃烧器送入二级燃烧区，在过剩空气系数小于1的条件下形成还原气氛，将NOX还原。二级燃烧区上面还布置第三级燃烧区（燃尽区），将二级燃烧生成的未完全反应产物燃尽。

燃料分级燃烧法技术可以较大程度地降低NOX排放，一般情况下可以使NOX排放浓度降低50%以上，同时保证燃料一级燃烧的良好效果。

2.3 浓淡燃烧法

浓淡燃烧法适用于装有两个燃烧器以上的锅炉，该方法原理是给部分燃烧器供应较多的空气（呈贫燃料区，α＞1），即燃料过淡燃烧，此过程空气含量过量，使燃烧火焰降低，热力型NOx产生量较少；部分燃烧器供应较少的空气（呈富燃料区，α＜1），即燃料过浓燃烧，此过程燃料过量，会有NOX生成，但因炉内整体温度较低，氧气贫乏，其生成量较少；浓淡燃烧的两种情况均偏离了NOX产生的化学当量比，因此降低了NOx的生成浓度。浓淡燃烧法因天然气在炉内的持续燃烧使锅炉内的温度更加均匀，从而降低炉内燃烧温度，延长燃烧器及炉体寿命，同时提高天然气的热效率。使用该法工作时应协调两种燃烧形式，使浓淡互补、搭配均匀，才能达到好的降低火焰温度、减少NOX产生的效果。

2.4 全预混空气燃烧

燃气全预混燃烧是指天然气在进入燃烧器前与足够的空气充分混合，燃烧过程中不再供给空气的燃烧方式。全预混燃烧的火焰传播速度快，燃烧室内容积热强度高，一般可达28～56×103kW/m2，且能在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧（通常α＝1.05～1.1），几乎不存在不完全燃烧现象。全预混燃烧器表面式燃烧，火焰径向分布，温度场均匀，火焰稳定，安全性好，与传统的燃气燃烧器相比，燃烧更均匀、充分，燃烧表面大，强度高，空气过量系数小，不需要二次空气，省去了二次空气的入口的面积，更有利于热能的利用和环境保护。

（1）全预混燃烧不产生燃料型氮氧化物；（2）不产生快速型氮氧化物；（3）全预混燃烧降低了热力型氮氧化物的生成浓度，因此降低氮氧化物浓度的效果较为明显。但全预混燃烧器对进气系统的要求较其他燃烧器更高，使用时应该注意。

2.5 烟气再循环

烟气再循环是通过将锅炉天然气燃烧产出的烟气重新引入燃烧区，实现对燃烧温度及氧化物浓度的控制，从而实现降低氮氧化物的排放和节约能源的目的。

该技术分为烟气内循环及烟气外循环。

2.5.1 烟气内循环。通过对锅炉燃烧器喉口、燃烧头、燃烧风喷嘴、二次风分级、二次风旋转叶片、高速二次风等零部件的诸多设计，使烟气在锅炉炉体内形成回流，实现烟气在炉膛内的再循环。

内循环烟气在高温区吸热并稀释该区氧浓度，降低燃料的燃烧速度和炉内温度，从而减少热力型NOX的产生。

2.5.2 烟气再循环。烟气再循环是在锅炉的空气预热器前（后）或锅炉排烟管直接抽取一部分烟气直接送入炉内或与一次风/二次风混合后送入炉内，烟气的吸热不但可降低燃烧温度，也可降低氧气浓度，进而降低了NOX的排放浓度。

再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比，称为烟气再循环率。烟气再循环法降低NOX排放的效果与烟气再循环率有关。研究数据表明，当烟气再循环率为15%～20%时，NOX的排放浓度可降低25%～30%；再循环率变大，NOX的降低率也随之增加，但炉内温度下降太多，可能会导致炉内燃烧及传热不稳定，从而降低天然气的热利用率。同时，烟气再循环技术中抽取的烟气对空气和天然气能够起到预热的作用，有明显节能效果。

烟气再循环法可在一台锅炉上使用，也可和其他低氮燃烧技术配合使用，用来降低燃烧器空气的浓度。该方法在使用过程中需要注意抽取烟气温度与风道气体混合后的混合风冷凝临界点温度的问题。

3 工程应用时需要注意的问题

对于现有需要改造的燃气锅炉，使用以上各个技术路线均需要对燃烧器进行更换或改造，同时还需要注意以下问题：（1）锅炉房内是否具有足够的改造空间。改造后能否满足《锅炉房设计规范》中对于炉前炉后的距离要求；（2）新的燃烧器或改造后的燃烧器及相应增加的配套设备是否会对现有电气造成影响，现有配电是否能够满足改造要求；（3）新的燃烧器或改造后的燃烧器是否需要调整原有天然气调压箱或调压站，现有燃气压力能否满足改造要求。