燃气锅炉低氮改造措施与应用效果

2020-06-21张晓红

工程技术研究 2020年8期

张晓红

（天津市天津医院，天津 300211）

现阶段工业锅炉领域中使用的燃料发生了较大的改变——由于燃煤在利用中燃烧不完全，且会造成污染问题，因此工业锅炉领域使用天然气代替燃煤。天然气作为清洁能源能够达到相关排放标准，同时比燃煤利用率更高，效果较为良好。不过天然气在燃烧时，会产生NOx，对于PM2.5造成的空气质量影响有加重作用。研究表明，若燃气锅炉的排放标准从150mg/m3降低至30mg/m3或以下，则供暖季进行天然气燃烧时，每0.7MW中产生的NOx会减少0.178t。因此，燃气锅炉NOx排放的抑制成为当前环保工作中的重任，同时也是社会发展的实际需要。文章以此为基础探讨燃气锅炉低氮改造措施与应用效果。

1 低氮燃烧技术应用原理

天然气在燃烧过程中，产生的燃料型NOx是微乎其微的，快速型NOx的出现也极少，主要NOx类型还是热力型[1]。热力型NOx是空气中氮元素在高温情况下被分解，并通过氧化反应生成的，燃烧区留置时间、氧气浓度及温度都是影响热力型NOx产生的要点因素。以下为NOx化学反应式：

根据公式可知，天然气在燃烧的过程中，温度越高热力型NOx生成量越大，温度低则热力型NOx的生成量会减少。此外，燃烧气体、过量空气系数与高温区域停留时间增大，燃烧温度会因此上升。因此，低氮改造的主要目标是降低燃烧温度，同时选取适当的过量空气系数，保障燃热效率，降低烟气氧气浓度，进而减少热力型NOx的产生量。

2 低氮燃烧技术措施

2.1 空气分级燃烧技术

分级燃烧是将燃烧室分为富燃区和贫燃区，并在贫燃区中加入过量空气，是一种贫燃燃烧方式[2]。这种分区延长了燃料与空气完全混合的时间，进而降低了火焰中心的最高温度，使得炉内温度分布均匀，以此避免局部高温的情况，从而减少了NOx的生成量。空气分级燃烧技术的应用，在保证天然气达成完全燃烧的条件下，不仅能减少NOx的产生，而且能使过量空气系数保持在一个定值。过量空气系数增高会导致排烟热损失，而空气分级燃烧可以有效降低这个值，进而提高对燃料的利用率。不过在这一技术运用中，易出现燃气和空气混合流动方式不科学的问题，导致局部出现积碳的不完全燃烧，因此在技术应用中对产品结构要进行合理设计。

2.2 烟气再循环技术

烟气中富含大量颗粒物与热能，锅炉燃烧中产生的热能损失与排放对于烟气排放方式有着较大关系。烟气再循环是指对锅炉燃烧产生的烟气进行抽取（抽取量为烟气总量的15%～20%），并使其与空气充分混合，再将混合气体送入炉膛内，展开二次燃烧。混合气体氧浓度会因为烟气而降低，具有稀释浓度的效果，还能够吸收热量，并使燃烧温度激烈上升，以此使得NOx的生成受到抑制。烟气再循环技术能够有效降低氨氮化物的排放量，燃气燃烧应用这一技术，有显著的正面效果。

2.3 全预混表面燃烧技术

应用全预混表面燃烧技术时，文丘里中的空气与燃料要完全混合，并传输至金属纤维网状燃烧头，进而使火焰在金属纤维物表面燃烧。金属网状燃烧头使用特殊的铁洛铝合金制作而成。均匀的透气性与充分的预混，使得温度分布极为均匀，燃烧情况极为稳定，进而使得局部高温区无法形成，有效抑制了热力型NOx的生成。在低负荷状态下应用表面燃烧技术时，气体在金属织物内部进行燃烧时，会使织物温度上升，直到织物为白炽状态，会以红外放射方式将热量释放出来；高负荷状态下，可燃混合物在织物上燃烧，织物外表会呈现蓝色，并且会以对流形式将热量释放出来。表面全预混燃烧还具有设备体积小、燃烧强度小以及火焰短等优点。

2.4 水冷预混技术

该技术在运用中是将贫燃预混作为先决条件，并以此基础应用热媒水冷却火焰。采用该技术时，火孔面由多个火孔板组合构成，可以有效降低火孔板由于温度升高而引起的热应力变形。在火孔板内部设有冷却管，该设计可以降低将火孔板燃烧时的热量，进而使得火孔板温度不会上升过高，以此减少NOx的生成量。此外，该技术能够有效预防火孔板因温度过高导致可燃气体混合物回火的情况。

3 燃气锅炉低氮改造设计方案

燃气锅炉进行低碳改造路线基本可以分为两类：一种是将锅炉保留，只更换燃烧器；另一种是将燃烧器与锅炉整体进行更新[3]。通常，长期使用燃烧器燃烧结构与低氮燃烧技术的匹配度并不高，因此不建议对燃烧器自身结构进行改造。

3.1 低氮燃烧器更换

低氮燃烧器更换改造方案实施过程中，要保证锅炉使用日期较短，受热面积能够达成改造需要。设备选型时，应对受热面进行测量，即进行炉膛深度、直径的精确测量，全面掌握锅炉背压，以此为燃烧技术的选择提供条件。通常，承压锅炉尤其是蒸汽锅炉，会选用烟气再循环联合分级燃烧的燃烧器，常用的品牌品牌有扎克、欧科、宝尔菲等；小型低氮冷凝常压锅炉则多采用全预混表面燃烧技术。改造实施前，要详细了解锅炉房现场情况，并展开细致的勘探工作，比如安装空间、运输通道等情况，主要参数及运行状态也要全面了解，以此避免后期施工中发生设备进场难和成本超预算、施工难度过大等问题。

3.2 整体更换

对于两者均进行更换的情况，除燃烧技术选择之外，是否经济可靠也是需要考量的方面。通常，锅炉重装会使用相同规格，若是原锅炉房为5.8MW，那么进行更换时，也要选用这一规格的锅炉。这种改造的方式对于附属设备以及工艺管线需求相对较小，可以降低改造成本，缩短改造工期。除此之外，也可以按照实际应用热负荷情况调整更新后的装机容量。比如某小区中的供热面积达到了5万m2，原供暖锅炉为5台1400kW热水锅炉，其中4台作为常用，1台作为备用。改造中选择12台500kW低氮冷凝锅炉，互为备用，以节省备用锅炉投资，降低改造成本。对因环境变化导致不适合使用的承压锅炉，可选择使用水冷预混技术的低氮冷凝真空锅炉，这一锅炉形式能够与原锅炉房进行对接，以此降低改造成本。

4 燃气锅炉低氮技术措施的应用效果

文章以现阶段应用最为广泛的全预混表面燃烧技术、空气分级燃烧联合烟气再循环技术、水冷预混燃烧技术这3种低氮燃烧技术的应用效果展开分析，为低氮燃烧技术应用提供借鉴。

4.1 全预混表面燃烧应用效果

某单位进行低氮改造锅炉60台，国产与进口产品的比为2∶8，使用低氮技术措施为全预混表面燃烧技术。在完成锅炉安装后进行调试，锅炉燃烧的状态稳定，氮氧化物的排放约计23mg/m3，烟气含氧量经检测为6%～7%。但在实际运行一段时间之后，同改造的一批锅炉发生了燃烧器频繁报警问题，部分锅炉氮氧化物的排放出现超出标准的情况，个别燃烧机头则出现了爆燃情况。对燃烧头进行分拆检验后发现，燃烧时存在堵塞情况。原来该批锅炉为德国进口冷凝锅炉，在国内安装并不多，没有进行空气进口过滤的安装，同时空气进口朝向为下方，从地面进行空气的吸入，而锅炉房地面是水泥地面，在空气清洁度上较差，进而导致燃烧器发生堵塞。因为这些问题，在后期进行低氮改造时，使用这一低氮燃烧器锅炉，都会进行过滤器的配置。在运行中也积极开展维护和检查，避免爆燃及阻塞情况出现。

4.2 空气分级联合烟气再循环燃烧应用效果

某单位约320台锅炉使用更换燃烧器的改造方案进行低氮改造，其中90%以上都是使用空气分级联合烟气再循环的低氮技术，在完成改造之后，整体进行调试，氮氧化物排放能够降低到30mg/m3以下，烟气含量经检测为3%～4%。在供暖之初，锅炉中的一些小型燃气锅炉有喘震问题，且较为严重，震动会沿着烟囱传导，随之发出噪音，周围居民楼对问题进行投诉。在实践研究后发现，燃烧器在燃烧段0～40%的位置时，喘震的现象严重，在燃烧段50%～80%时喘震就会消失。为了使正常供暖得到保障，将燃烧器在燃烧段的50%～80%进行控制，锅炉在开启时会有1min左右喘震，在进入控制燃烧段之后震动便会消失。喘震现象是非正常震动，一般是锅炉与燃烧器不匹配导致问题发生，只进行调试是无法彻底消除震动的，还需要燃烧器与锅炉适配。在严寒季节，锅炉全面投入使用后，对于低氮改造的锅炉排放进行了抽查，发现部分项目未能达成要求，在经过二次调试之后，氨氮排放才达成相应标准。主要是因为空气密度、室外气温变化和烟囱抽力等变化都较为大，这也使得回烟及空气和燃气之间的平衡被打破，进而导致氮氧化物排放出现不稳定的情况。这需要进行反复的调试，采取相应的措施使冷凝水量得到降低，同时更加有组织地进行排放。

4.3 水冷预混燃烧应用效果

某单位对23台锅炉进行低氮改造，选择锅炉更换的改造方案，使用水冷预混技术。在投入使用后，锅炉燃烧较为稳定，氮氧化物平均排放量为21mg/m3，同时烟气含氧量达到4%～5%。该技术不受空气质量限制，无燃烧头堵塞隐患，不需要反复调试，噪音低、操作便利，在小型燃气锅炉中的应用优势明显。但是水冷预混技术只适用于锅炉与燃烧器统一进行更换的方式，或者可与原锅炉房对接使用。