煤气锅炉低氮低硫燃烧性能优化

苏建财

新疆黑山煤炭化工有限公司 新疆 乌鲁木齐 831400

引言

依据煤气锅炉实际情况,阐述影响锅炉排放烟气中SO2、NOx浓度的因素。在实践中采取调整锅炉高、焦炉煤气流量配比以及上、下层燃烧器间煤气空气比例等措施,满足国家对煤气锅炉排放烟气中SO2、NOx浓度的环保要求。

1 燃气锅炉低氮燃烧的必要性

近年来,随着我国工业产业的快速发展,使国民经济水平获得大幅度提升,与此同时,也对生态环境造成了一定的破坏,各大城市的雾霾现象日益加重,该现象引起社会各界的广泛关注。业内的专家学者经过不断研究后发现,在雾霾的成因中,氮氧化物(NOx)是一个至关重要的因素,为有效解决雾霾问题,必须从控制NOx排放入手。在能源结构优化调整的过程中,燃煤锅炉的比例有所减少,但燃气锅炉的用量却不断增大,燃气锅炉以天然气作为主要燃料,天然气燃烧产生的烟气中含大量的NOx。为使燃气锅炉NOx的排放达到相关标准的规定要求,必须采取低氮技术。

2 影响烟气中SO2和NOx浓度的因素及控制方法

2.1 影响SO2浓度的因素及控制方法 经测算,高炉煤气中SO2含量很低,一般在3～5mg/m3,可忽略不计。因此依据焦炉煤气中H2S的含量来控制参与燃烧的高炉煤气和焦炉煤气的流量配比,就可以控制排放烟气中SO2的浓度。由式(1)计算,1m3焦炉煤气充分燃烧,生成的SO2的质量为1.88×CH2Smg,其中CH2S是焦炉煤气中H2S含量(mg/m3)。2H2S＋3O2＝2SO2＋2H2O根据实际煤气成分和充分燃烧含氧量(3%),理论计算(略)烟气量为：1m3焦炉煤气充分燃烧,产生的烟气量为5.67m3(CO2、H2O、N2、O2和SO2等)；1m3高炉煤气充分燃烧,产生的烟气量为1.59m3(CO2、H2O、N2和 O2等)；当1m3焦炉煤气(H2S含量为 CH2S)和nm3高炉煤气(配比)充分燃烧,则烟气中SO2浓度为1.88CH2S/(5.67＋1.59n)mg/m3。因焦化脱硫运行有时不太稳定,焦炉煤气中H2S含量在200～4000mg/m3之间变动。依据锅炉烟气中SO2排放标准,焦炉煤气中不同H2S含量对应的高、焦炉煤气流量配为煤气锅炉燃烧调整控制SO2排放的参考依据。1.88×CH2S/(5.67＋1.59n)＜100(n＞0)。

2.2 影响NOx浓度因素及控制方法

2.2.1 煤气燃烧生成NOx的影响因素 燃烧生成的NOx,通常有以下三种途径。(1)燃烧时空气中所含氮气和氧气在高温状态下生成NO,称为温度NOx。影响温度NOx生成的原因主要有三个：①燃烧温度。随着燃烧温度的上升,NOx的生成量呈数量级上升。温度NOx主要生成于燃烧温度1500K以上。②在燃烧区域的氧气浓度。随着空气系数增大,即氧气浓度增加时,NOx的生成量急剧上升；反之,NOx的生成量急剧下降。③燃烧气体在高温区域的滞留时间。随着滞留时间的增加,NOx的生成量增加。(2)燃料中所含各种氮化合物的一部分在燃烧时氧化生成NO,称为燃料NOx。燃料NOx的生成量与燃料中所含氮化合物的多少有直接关系,同时,与燃烧时火焰温度、氧气浓度等因素有关。煤气中的氮优先转化为HCN和NH3,HCN和NH3再经过一系列反应转化为NOx。(3)快速型NOx。由于煤气中的碳氢化合物高温分解生成的CH自由基可以和空气中的氮气反应生成HCN和N,再进一步和氧气作用以极快的速度生成NOx。此类型产生的NOx的量很小,不是主要来源。

2.2.2 煤气燃烧生成NOx的控制方法 如今主要采用低NOx燃烧器(含自身再循环低NOx燃烧器、二次或多次燃烧型低NOx燃烧器、浓淡燃烧型低NOx燃烧器等)、排烟再循环、喷水或喷汽等燃烧改善方法,以及燃料脱硝等燃料改善方法,降低NOx的产生。考虑现有的燃料、燃烧设备和排烟中NOx浓度超标严重的情况,采用下列方法降低温度NOx浓度比较经济、可靠。(1)煤气炉炉膛出口烟温设计为900℃,实际运行小于840℃,总体燃烧温度不是很高,因此采取降低燃烧温度来减少温度NOx的生成不做重点考虑,但应做到两侧炉膛出口烟温均匀(小于30℃),炉膛两侧出口烟温均不许超过900℃,避免局部燃烧温度过高。(2)依据温度NOx生成的原理,将空气进行分级送入,在下层燃烧器采取小空燃比,形成缺氧还原燃烧气氛,降低该燃烧区域的氧气浓度；在上层燃烧器采取大空燃比,形成氧化燃烧气氛,保证燃烧充分。

3 低氮技术及其在燃气锅炉中的运用

3.1 烟气再循环 这是一种能够有效抑制氮氧化物排放的技术措施,烟气再循环的技术原理如下：在燃气锅炉的空气预热器前,将部分温度较低的烟气抽取出来,可将这部分烟气直接送入到炉膛内,也可与一次或是二次风进行混合后,再送入到炉膛内,由此不但能够使锅炉燃烧的温度大幅度降低,并且还能使氧气的浓度随之降低,氮氧化物的浓度显著降低。烟气再循环率是该方法中一个重要的技术指标,它是再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比。在实际应用中发现,当烟气再循环率为15－20%时,能够使锅炉氮氧化物的排放浓度降低25%左右。这种方法既可以单独用于燃气锅炉,也可与其它低氮燃烧技术配合使用。

3.2 预混技术 这是一种将锅炉燃烧所需的天然气和空气按照设定好的比例进行预先混合,然后将混合好的气体直接送入到燃烧室内进行燃烧的方法。该技术最为突出的特点是火焰的长度较短,可以使燃烧变得更充分,热效率非常高,可以达到105%以上,由此使得锅炉燃烧过程中的热损失大幅度降低。全预混技术能够对燃气锅炉氮氧化物的排放量进行有效地控制,基本原理如下：火焰在炉膛内会沿着金属纤维的表面均匀分布,由此可使炉膛内温度场的分布变得更加均匀,这样一来,局部的热负荷随之显著降低,同时,过量空气可以起到降低火焰温度的作用,随着燃烧温度的降低,热力型氮氧化物的浓度也会随之降低。实际应用结果显示,采用全预混技术的燃气锅炉,氮氧化物的排放量在30mg/m3以下。虽然这种方法在降低氮氧化物排放量方面的效果比较显著,但是却会导致清理维护的工作量增大,在具体应用时,需要对此予以注意。

结语

针对以高炉和焦炉煤气为燃料的锅炉,烟气中SO2主要来源为焦炉煤气中的H2S。可以依据焦炉煤气中不同H2S含量,调整高、焦炉煤气配比,控制烟气中SO2的含量。针对锅炉烟气中NOx含量超标不严重的情况,下层燃烧器采取小空燃比,形成缺氧还原燃烧气氛；在上层燃烧器采取大空燃比,形成氧化燃烧气氛,减少烟气中NOx的含量。但应做到两侧炉膛出口烟温均匀(小于30℃),炉膛两侧出口烟温均不超过900℃,避免局部燃烧温度过高。