天然气锅炉低氮燃烧改造及应用效果分析

天然气锅炉低氮燃烧改造及应用效果分析

郑渊蔚 邹新才

台州市特种设备检验检测研究院    318000

摘要：NOx会严重威胁生态环境以及人类健康，在工业生产的过程中是一个无法避免的问题。近几年人们对环境越来越重视，降低含氮化合物的排放浓度，也是研究的重点方向。本文探讨了使用低氮燃烧技术改进天然气锅炉之后的应用效果。希望能实现节能减排目标的同时，为类似工程起到示范作用。

关键字：NOx；低氮燃烧器；烟气再循环；应用效果分析

当前，随着社会经济的迅速发展，社会环保问题日益突出，在碳达峰和碳中和背景下，节能减排形势日益严峻。天然气锅炉氮氧化物（NOx）排放浓度问题是当今社会关注的热点之一，降低NOx的排放量成为人们普遍关注的重要课题。近年来，全国各地环保政策对NOx排放要求日趋严格，随着排放限值不断降低，一些天然气锅炉NOx排放浓度已无法满足环保要求，对现有排放不达标的天然气锅炉进行低氮改造也已迫在眉睫。

1天然气燃烧NOx生成机理及主要影响因素

有学者对燃烧过程NOx的生成机理进行了深入研究，根据产生方式的不同将NOx分为了热力型NOx(ThermalNOx)、快速型NOx(PromptNOx)、燃料型NOx(FuelNOx)、N2O中间型NOx和NNH型NOx[1]。根据天然气的组分及燃烧机理，天然气燃烧生成的NOx主要包括热力型NOx和快速型NOx，并以热力型NOx为主[2]。

热力型NOx是在高温和高氧浓度条件下，大气中的氮被氧化而形成，绝大多数气体燃料和不含氮化物的一般燃料都是通过这种方式燃烧产生NOx。温度对热力型NOx的生成有非常显著的作用，当温度低于1500℃时，热力型NOx产生量较小；当温度高于1500℃时，NOx产生量明显越大，温度每上升100℃，生成NOx的反应速度增加约6～7倍。同时，NOx产生量受燃烧均匀性的影响也较大，在温度分布不均匀的局部高温区会生成较多的热力型NOx[3]。快速型NOx是在燃烧火焰区中形成的碳氢化物基团与大气中氮作用而形成，这种形式生成NOx的速度非常快，因而得名。快速型NOx产生主要取决于火焰最初阶段中基团的浓度，在富燃料和低温燃烧条件下，其生成比例可达全部NOx总量的25%。影响快速型NOx生成最主要的因素是局部空气过量系数和火焰初始区加热速度，可以通过控制火焰初始区氧气浓度和温升速度来控制快速型NOx的生成。

2天然气锅炉低氮燃烧相关技术

由生成机理及主要影响因素可以看出，天然气锅炉燃烧NOx的生成受燃烧温度的影响最为显著，近些年降低NOx的技术研究工作主要围绕降低燃烧温度来开展，兼顾考虑减少快速型NOx生成。当前，常见的天然气低氮燃烧技术主要有分级燃烧技术、烟气再循环技术、MILD燃烧技术等。

2.1分级燃烧技术

分级燃烧技术主要是控制调节送入炉膛空气或燃料的比例来实现对NOx生成的抑制，具体可分为空气分级和燃料分级。空气分级技术是目前应用最为广泛且可靠的低氮燃烧技术，整个过程分两级来完成。第一级送入部分空气，约占燃烧总空气量的75%左右，过量空气系数小于1，让炉膛处于贫氧还原性环境，从而降低了氧气的浓度和燃烧温度，使得热力型NOx生成受到抑制；第二级送入剩余空气，过量空气系数大于1，使炉膛形成富氧环境，第一级未燃尽的天然气和中间产物完全燃烧，提高燃尽率。燃料分级燃烧技术，即再燃烧技术，是使燃料在炉膛中的燃烧分成3个不同的区域来完成，这3个区域分别是主燃区、再燃区和燃尽区，具体过程是在主燃区送入约80%的燃料，使其在过量空气系数大于1的条件下燃烧，此时炉膛内温度较高，生成的氮氧化物较多；再将剩余约20%的燃料送入再燃区，使其在过量空气系数小于1的条件下进行富燃料燃烧，产生大量还原性CH基团，将生成的氮氧化物还原；再通入空气让燃尽区过量空气系数大于1，形成贫燃料环境，将未完全燃烧的含碳物质燃尽。空气分级燃烧技术操作简便，但由于燃烧温度一般比较低，对锅炉的效率会有一定的影响，故其很少被应用于燃气锅炉，而燃料分级燃烧技术适用于各类燃气锅炉，可将锅炉烟气中NOx浓度控制在60mg/m3。

2.2烟气再循环技术

烟气再循环技术是利用锅炉燃烧产生的烟气，将部分烟气引入炉膛继续参与燃烧，通过引入烟气与燃料的混合来实现对燃烧温度和氧化物浓度的控制。根据锅炉结构和运行特点的不同，烟气再循环技术可分为内部烟气再循环与外部烟气再循环。内部烟气再循环技术是通过改变燃烧器与炉膛的内部结构，使燃烧的烟气在炉膛内自循环回流到燃烧区域参与燃烧，而外部烟气再循环则是从锅炉烟道出口管道上引出烟气通过管线并送入燃烧区域参与燃烧。烟气再循环技术对于现有锅炉改造比较容易，只需在结构上做部分改变，但单独使用该技术对NOx减排效果有限且对锅炉燃烧稳定性及燃烧效率有不利影响，一般与其他技术联合应用。从经济角度看，由于引入的烟气对燃料和氧化剂起到了预热的作用，也产生节能效果。实际应用中，引入烟气回流量的比例是烟气再循环燃烧的关键和难点，其烟气回流量设置是否合理直接影响该技术的应用效果。

2.3MILD燃烧技术

MILD燃烧技术，即温和与深度低氧稀释燃烧，也叫无焰燃烧技术或无焰氧化技术，是一种低氧稀释条件下形成的温和燃烧模式。其燃烧特点是燃烧无局部高温存在，燃烧过程中没有明显的火焰锋面。与传统燃烧相比，MILD燃烧技术氧气浓度低、噪音极小、燃烧温度低。MILD燃烧在抑制NOx生成方面效果突出，以天然气为燃料的燃烧能达到NOx接近于零的排放。由于该技术采用余热回收装置来预热空气，最大限度地回收高温烟气余热，使得锅炉的热效率得到很大的提高。目前，因为对MILD机理性研究还不全面，该技术在工业上的应用还不成熟。但因其独特的燃烧特性，具有巨大的市场潜力与广阔的应用前景，是新一代高效低氮燃烧技术的主要研究方向。

3天然气锅炉低氮改造工程实例

3.1项目背景

山东烟台某油气处理厂3台天然气导热油炉NOx排放浓度均在150mg/Nm3左右。根据《关于印发烟台市大气污染防治三区划分方案的通知》（环烟发〔2016〕122号），该油气处理厂所在位置属于大气污染防治的重点控制区。山东省《锅炉大气污染物排放标准》（DB37/2374—2018）标准要求，2020年1月1日起，大气污染防治的重点控制区全部锅炉的氮氧化物排放量限值为100mg/m3。为满足当地环保对NOx的排放要求，需要对该油气处理厂3台天然气导热油炉进行低氮改造，降低NOx排放浓度至限值以下。具有良好的使用效果，不仅将能源的利用率有效提升，还为企业长远发展打下基础。

3.2项目改造技术方案

随着天然气锅炉NOx排放标准越来越严格，单一的NOx控制技术很难满足需求。燃料分级燃烧技术和外部烟气再循环组合技术是当前应用较多的技术组合，工程应用案例较多。该技术方案仅需将原燃烧器更换为燃料分级低氮燃烧器，并在外部安装烟气循环管道用于烟气循环，其实施性较强，改造工作量较小，投资费用及运行维护费用也较低，被广泛应用于天然气锅炉低氮改造，有较高的使用价值以及应用效果，不仅能有效降低含氮化合物的排放，还能节约能源，在一定程度上降低了成本支出，提升了企业的经济价值。

结束语：

根据天然气锅炉的生产条件以及工艺特点，使用燃料分级燃烧技术对天然气导热油炉进行低氮改造，对比调试之后能够稳定运行的数据可以知道，通过论证导热油炉的低氮改造效果，证实了燃料分级燃烧技术以及外部烟气再循环组合技术，有利于低氮改造，并且有良好的使用效果。天然气的低氮改造项目完全达到了预期要求，成功降低了NOx的排放浓度具有较高的使用价值，在目前节能减排的严峻形势下，这一项目的顺利实施，具有良好的借鉴意义以及示范作用。

参考文献：

[1]陈镇南，陈湘清，张希旺，刘欣.燃气锅炉低氮改造技术方案与应用效果分析[J].工业锅炉，2022(2):37-41.

[2]何欣.电厂锅炉应用低氮燃烧器节能效果分析[J].电力系统装备，2021(16):157-158.

[3]彭良辉，张贺强，陈红龙.低氮燃烧器+烟气再循环技术在炼厂中压蒸汽锅炉上的应用[J].化工管理，2020(8):120-121.