天然气工业炉低氮燃烧技术研究与应用

天然气工业炉低氮燃烧技术研究与应用

丁红伟

重庆赛迪热工环保工程技术有限公重庆401122

摘要：随着社会的发展，社会工业化程度逐渐加快，经济发展取得了较大的发展与进步，但由此带来的环境问题也成为了社会发展的重要问题之一。目前，环境大气污染问题尤为严重，氮氧化物(NOx)、可吸入颗粒、酸性气体及重金属等均会对大气环境带来严重危害。NOx是一种可以直接影响人体健康的环境污染物，极易引发温室效应；更为严重的是NOx可与空气中的其他污染物结合，形成光化学烟雾，对环境带来更加严重的危害。由锅炉排放产生的NOx占环境中NOx总量的40%左右。因此，若要减少环境中的NOx的总量，需要严格控制锅炉的NOx排放量。

关键词：天然气工业炉；低氮燃烧技术；应用

引言

氮氧化物是天然气在燃烧过程中产生的，不仅会对自然环境造成破坏，还会在光照条件下发生的化学反应，产生的化学气体直接损害了人们身体各部位器官，严重时会引发癌变。由于国家对天然气的广泛应用，加大了污染气体的排放量，环保部门以天然气锅炉为例发出声明，要控制环境污染，减少污染排放量。文章针对天然气锅炉降低NOx燃烧技术进行研究，对低氮氧化物燃烧器的设计具有重要意义。

1天然气工业炉低氮燃烧技术现状

在进行低氮燃烧技术改造时不单单要考虑技术的可行度，还要考虑其他多方面的因素，如改造的价格、施工量和工期、改造者的指标承潜等都是考虑对象。首先，改造的价格是关键因素，并不是按照改造价格合适就可以进行改造设计的，对于电厂来讲要考虑的是本年度的支出计划、资金状况等，而对于改造者来讲，价格因素不仅仅是获利的多少。还需要考虑成本、人工等多种因素。其次，电厂的有严格的业绩指标，面进行低氮燃烧技术改造所耗费的工期长短直接影响业绩的成败，因为在进行技术改造中是无法正常进行生产的，那就需要等待工期完成，这也住住是电厂‘等生产单位不愿进行技术改造的原因。最后，生产者进行技术改造前要考虑改造者提出指标承诺，主要包含:改造后锅炉NOx的排放值:锅炉运行参数保证、烟气生成量、排姻温度等等。

2天然气工业炉低氮燃烧技术应用

2.1贫燃预混燃烧技术

贫燃预混燃烧技术指的是先将燃料与过量空气进行充分混合，再将混合气体通入锅炉里面，然后点火进行燃烧。利用贫燃预混燃烧技术可以确保燃料得以充分燃烧，通过注入过量的空气可以促使燃烧温度降低，以此来降低NOx的生成量，已有实践证明，此工艺技术通过对燃烧温度进行调控，最高能够使NOx的生成量降低85%左右。因该工艺是在偏离理论空气量情况下燃烧，所以燃烧过程极不稳定，易出现振荡燃烧与火焰吹熄等现象，同时，该工艺的实际运行条件极为严苛，一旦操作不当，则有可能引发爆炸事故，故一般对于容量在20t/h以上的工业锅炉，该技术不再适用。

2.2弥散式燃烧技术

弥散式燃烧是一种扩散燃烧，其气体燃料和空气之间不进行预混，直接送入燃烧室进行燃烧。由于弥散燃烧在一个较大空间、较长时间内完成反应，湍流掺混过程与燃烧反应的发生比较平缓，若燃烧过程中产生的温升小于燃料自燃温度，则称之为柔和燃烧，又因其火焰轮廓几乎不可见称为无焰燃烧，或无焰氧化。它实现低NOx排放的手段有两个：一是控制助燃气体中的氧浓度，通过高速射流卷吸烟气在弥散过程中实现低氧环境；二是没有局部高温，整个炉膛内热流密度均匀，温度波动很小，实现了整体的低温燃烧。其优势：首先，延长了炉膛内衬的使用寿命，且有助于材料加工领域中控制表面温度均匀。其次，不同于传统燃烧技术，无须设置点火装置，燃气在高温下可以自燃。最后，热效率增加了30%以上，弥散燃烧回收烟气余热远远多于常规燃烧。此外，弥散燃烧的不足有：第一对空气预热温度要求很高，要利用烟气余热对其加温到1000℃左右，才能达到技术要求。第二要达到超低NOx排放，必须控制达到一个合理的低氧氛围，杜旭东等研究发现，空气流速要达到燃气流速的4倍才能实现28mg/m3。

2.3燃烧头结构设计

燃气锅炉低NOx燃烧器中最为核心的部分为燃烧头，其主要由5部分构成，分别为一级燃气喷头、空气分配板、二级燃气喷头、外筒、内筒。其中，在一级燃气喷头上面设置了气流火孔，这些气流火孔呈径向分布，在二级燃气喷头上面也设置了气流火孔，这些气流火孔呈轴向分布，并且均匀的分布在同一个圆周上面，在外筒的前置部分均匀设置了多个烟气引射孔。按照一定比例使燃气分别从一级、二级燃气喷头火孔喷出，其中，天然气由一级燃气喷头火孔喷射而出形成一级燃气，天然气由二级燃气喷头火孔喷射而出形成二级燃气。空气被内筒与空气分配板分为一级、二级空气，与此同时，一级空气在空气分配板的作用之下形成旋转气流。

2.4折叠式火焰燃烧技术

折叠式火焰燃烧技术是一种低氮燃烧器改造技术(lownitrogenburners,LNBs)，它是在一系列降低氮氧化物技术(如空气/燃料分级和烟气内循环)的基础上，进行组合再优化的一种技术。为实现这种折叠式火焰，给出了一种具体实施过程中的改造方法，其中黄色箭头代表燃气，蓝色箭头代表空气。其减小了中间喷头的高度h和增大了中间坡面的倾角α，使得内部空气在通过燃烧器喷头的不连续部分时，骤然地进入到混合区中，加剧了空燃之间的混合，并迫使火焰在其根部形成了强烈的卷曲，最终导致火焰被拉长呈扁平状，扩大了烟气的内循环，从而减少了局部高温使炉膛内部的温度场更加均匀。根据ShengChen等的数值模拟研究，这种方法能够稳定减少氮氧化物的生成，在实验工况下其减少量表现为25.9%～69.5%。通过对以上主要的低氮燃烧技术的分析，可以看出单一的低氮控制技术远不能满足国家对氮氧化物排放的要求。因此，为了满足更低的排放标准，一方面应研究和开发新的超低氮燃烧技术，另一方面，应结合现有的低氮燃烧技术，通过合理优化选择最优前景的技术路线。

2.5评价指标量化方法

第一针对燃气工业锅炉低氮燃烧技术，结合国家重点研发计划项目（NO.2017YFF0211803），课题组在此前大量数据和文献的基础上开展了研究，并实测了38台中小型燃气工业锅炉（1～20ｔ／ｈ），对河北省某地级市开展补充问卷调研，收回有效问卷12份。低氮燃烧技术评价指标清单信息。第二应用LCA开展资源能源及间接环境影响类指标核算。燃气工业锅炉低氮燃烧技术实施手段多为既有锅炉改造，需要的资源能源投入较少。在LCA过程中，将功能单位设置为同样规格的锅炉供应同等热力时所应用的低氮燃烧技术，以此为基础来量化能源资源消耗和污染物排放。低氮燃烧技术的LCA系统覆盖低氮燃烧设备的改造和使用过程，包括改造过程低氮燃烧器等设备资源的投入、运行过程能源的投入，以及NOｘ、CO等大气污染物的排放。第三将所有评价指标分为定量和定性指标，并用相应的方法进行统一量化处理。对于定性指标，引入模糊统计分析法，根据最大隶属度原则，构建隶属度函数，再通过文献调研进行等级赋值；对于定量指标，越大越优型数据采用效益型指标公式量化，对于越小越优型数据采用成本型指标公式量化。

2.6富氧燃烧技术

富氧燃烧不同于常规燃烧，是指在所用助燃气体中氧浓度大于21%的前提下进行的燃烧过程[16]。富氧程度对理论燃烧温度的影响如图4所示，其中相对富氧浓度是指富氧相对于空气氧含量的增量。可发现：氧含量每提高1%，理论燃烧温度就会上升几十摄氏度，这种影响会逐渐被H2O和CO2的高温分解热削弱直至达到平衡，并且由于氮浓度在反应后期占主导作用，所以随氧含量的升高，氮氧化物生成量呈先上升后下降的趋势。富氧燃烧的优势：首先，它能够提高燃尽率，减少排烟热损失，使反应更充分，达到节能的效果。研究发现，氧气浓度对锅炉热效率的影响尤为显著，锅炉热效率和锅炉火用效率随着氧浓度的增大而增大，33%的富氧可使热效率提高2.7%、火用损失降低1.6%。其次，富氧贫氮技术是很有发展前景的，当纯氧作为助燃气体时是没有氮氧化物生成的。

2.7烟气再循环

烟气再循环燃烧是指燃料燃烧产生的部分烟气，经冷却后再循环送回燃烧区，或与空气进行混合后送入燃烧区，温度较低的烟气起到了稀释剂作用，吸收燃烧过程中产生的部分热量，降低燃烧区的温度，从而减少氮氧化物的生成。烟气再循环燃烧技术减少的主要是热力型氮氧化物，因此对燃气锅炉有着十分明显的降氮效果。另外，该技术的使用效果与再循环烟气量也有关。一般情况下，送入锅炉的烟气再循环量为总烟气量的10%～15%，若比例过高可能会有燃烧不稳定的情况出现，同时也会增加未完全燃烧导致的热损失。但烟气再循环技术会在一定程度上降低锅炉的总体热效率，增加燃料消耗，需要通过合理的回收和精准的控制最大限度的降低其影响。

3天然气工业炉低氮燃烧技术优化措施

3.1优化内部运行方式，提升设备应用质量和效率

首先，将分级风导流板角度适当调大，在拱上下行气流的压制作用下贴向冷灰斗下行，在冷灰斗表面形成一层空气膜，因而冷灰斗不易结渣。减小分级风风门，则防焦风风量将增大，有效防止炉膛结焦。其次，合理控制锅炉氧量水平，调节二次风量，调节炉底注入风，使其提供充足的氧量保证煤粉的充分燃烧，同时要严禁缺氧燃烧，避免局部区域的炽热焦碳和挥发分得不到氧量而出现局部还原性气氛，导致结焦。同时，要调节一次风，使火焰长度合适；调节三次风，开度调整范围在15%-35%间，使火焰不贴壁，有效调整锅炉燃烧，适当提高磨煤机料位，以保持较低的一次风压，维持合适的风煤比，通过调整磨煤机给煤量和分离器转速等手段，控制磨煤机出口温度，维持两端出口温度基本一致。由于#3炉A磨煤机粉管风速偏低，但A磨出力不低，造成风煤比低，因此减少A磨出力，同时增加A磨燃烧器后墙二次风量。

3.2锅炉低氮改造要将安全性放在首要位置

锅炉低氮燃烧改造方式多样，技术复杂。为了保障改造工作的顺利实施，有效防范安全风险，预防事故发生，锅炉使用单位要全面落实锅炉低氮燃烧改造安全主体责任。在签订锅炉低氮改造合同时，应明确燃烧器取得合格的型式试验证书、报告的相关要求。需要修理燃烧器时，应当商请燃烧器制造商或其授权的单位进行。

3.3加强对锅炉低氮燃烧设备应用管理质量

在应用锅炉低氮燃烧设备过程中，针对#3炉改造实际情况进行深入的分析，对此首先要对电厂锅炉低氮燃烧设备#3炉的炉膛漏风进行全面查找，一旦发现有漏风情况，要及时封堵炉膛漏风，并积极增加火焰的充满度和搅拌混合情，从而防止火焰中心升高或偏斜。其次，加大对入厂煤、入炉煤质的监督，对燃煤进行合理掺配，确保入炉煤质符合设计煤种。同时，要严格空预器、受热面定期吹灰工作，尤其是重点区域要增加吹灰次数，对有故障的吹灰器及时联系检修处理，确保清洁和传热效果。最后，加强巡回检查，就地检查活动磨煤机回粉阀，并炉底渣样、燃烧器着火情况和除渣系统运行状况及时掌握。同时，当煤质有波动时，要根据实际情况进行调整，合理配风，保证空气和燃料的良好混合，避免形成还原性气氛，防止局部严重积灰、结焦。

结语

对于我国来讲，执行比发达国家更加严苛的环境保护标准是必然趋势。天然气工业炉产生的氮氧化物已经不能满足排放标准。根据天然气氮氧化物生成机理，主要为热力型和快速型。通过分析和比较各种低氮燃烧技术，认为燃料分级耦合烟气内循环是解决超低氮排放的有效技术路线，为将来燃烧器结构优化提供一种思路。

参考文献

[[1]宋少鹏.基于烟气再循环的工业锅炉天然气低氮燃烧研究[D].北京：清华大学热能工程系，2019:4-5.

[2]李芳，毕明树.燃煤过程中NOx的生成机理及控制技术[J].工业锅炉，2020,06:32-35.

[3]TurnsStephenR.燃烧学导论：概念与应用(第二版)[M].北京：清华大学出版社，2021.