沈 斌 徐 東

1.上海鉅荷熱力技術(shù)有限公司;2.連儲(chǔ)環(huán)?？萍迹ㄉ虾＃┯邢薰?/p>

0 引言

受制于我國(guó)早期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，北方供暖和工業(yè)鍋爐大部分都是燃煤鍋爐。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來(lái)越多的城市開(kāi)展了煤改氣的工程，很多城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全天然氣供暖和燃油燃?xì)忮仩t清潔能源替代工作[1]。

燃煤鍋爐，主要污染物是粉塵和SO2的排放，對(duì)于粉塵中PM10的貢獻(xiàn)也最大。天然氣鍋爐，可以通過(guò)減少粉塵和SO2的排放，對(duì)凈化空氣有著不可估量的作用。但是由于天然氣的燃燒特性，常規(guī)的燃燒技術(shù)，NOx的排放又比燃煤要高得多。天然氣燃燒的煙氣尾氣中含有大量的氮氧化物，主要成分是一氧化氮和二氧化氮，以NOx來(lái)表示。NOx危害巨大，根據(jù)相關(guān)研究表明，PM2.5的霧霾，有很大一部分因素，就是NOx在起作用。

現(xiàn)實(shí)情況是，雖然有的大城市已經(jīng)完成了煤改氣的改造，但是在冬季，霧霾天氣的時(shí)段不減反增。不但是我們國(guó)家如此，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家也經(jīng)歷了和我們國(guó)家類似的，煤改氣以后霧霾嚴(yán)重的過(guò)程。

為了根治霧霾，凈化空氣，適應(yīng)新形勢(shì)下的環(huán)保要求，黨和國(guó)家提出了更嚴(yán)格的燃?xì)鉄煔釴Ox排放標(biāo)準(zhǔn)，即為“低氮”排放[2]。

1 低氮燃燒技術(shù)介紹

隨著低氮排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)行和推廣，各類低氮燃燒技術(shù)也猶如雨后春筍般崛起。鑒于燃?xì)馊紵奶匦?，?dāng)燃燒溫度大于1 500℃的時(shí)候，將有大量的熱力型NOx產(chǎn)生[3]。因此如何控制燃燒溫度，盡可能減少燃燒時(shí)的高溫區(qū)域，成了低氮燃燒技術(shù)的核心目標(biāo)。

目前應(yīng)用低氮燃燒技術(shù)的產(chǎn)品，有國(guó)外引進(jìn)的，有國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的。根據(jù)現(xiàn)有的市場(chǎng)情況，目前絕大部分的低氮燃燒技術(shù)，有以下幾個(gè)種類：

1.1 分層分級(jí)燃燒+煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)技術(shù)：可以分為外置煙氣再循環(huán)和內(nèi)置煙氣循環(huán)，無(wú)論是外置的煙氣再循環(huán)還是內(nèi)置的煙氣再循環(huán)，技術(shù)原理均相似。即：通過(guò)技術(shù)手段，使部分燃燒后的煙氣（主要成分是氮?dú)?，二氧化碳和水蒸氣）與新鮮空氣混合，參與到燃燒過(guò)程中（不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)），降低了燃燒過(guò)程中單位體積內(nèi)氧氣的含量，擴(kuò)大了火焰的體積，降低了燃燒溫度，從而使得NOx降低[4]。應(yīng)用本技術(shù)，能降低NOx含量30%以上。

分級(jí)燃燒技術(shù)：分為空氣分級(jí)供給和燃?xì)夥旨?jí)供給兩種方式；其原理是欠氧燃燒與過(guò)氧燃燒相結(jié)合，通過(guò)中和火焰溫度，降低NOx化合物濃度，并形成部分NOx還原的條件，從而在總量上降低排放。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，應(yīng)用本技術(shù)，NOx理論極限值約為40mg/m[3-5]。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，為了達(dá)到30mg/Nm3的排放要求，一般將上述技術(shù)結(jié)合起來(lái)運(yùn)用。“FGR”技術(shù)，是煙氣外循環(huán)技術(shù)+分級(jí)燃燒技術(shù)的結(jié)合體。

上述燃燒技術(shù)，為了降低反應(yīng)溫度，需要盡可能擴(kuò)大火焰的體積。但目前絕大部分的鍋爐爐膛體積，并不是為低氮燃燒設(shè)計(jì)的，鍋爐爐膛體積有限，當(dāng)火焰體積大于爐膛體積，會(huì)使燃燒不充分，在工程應(yīng)用中，最直接的后果，是一氧化碳超標(biāo)。為了避免火焰體積過(guò)大，一般采取的措施是降低燃燒器的功率輸出，這樣既能實(shí)現(xiàn)30mg/Nm3的低氮排放要求，又能保證燃燒的充分性，其缺點(diǎn)是鍋爐的輸出功率下降了。此外，存在CO易升高、煙氣回流管道冷凝式處理等棘手問(wèn)題，目前此技術(shù)已經(jīng)在美國(guó)被新技術(shù)逐漸替代。

因此，本技術(shù)在中心回燃鍋爐、鑄鐵鍋爐等特殊爐型低氮改造具有一定的局限性。

1.2 水冷預(yù)混技術(shù)

燃燒器火焰中設(shè)有冷卻水管，火焰噴射到爐膛內(nèi)，可通過(guò)冷卻水管中流動(dòng)的冷卻水帶走大量的熱量，降低火焰溫度，達(dá)到低氮排放[6]。

本技術(shù)可實(shí)現(xiàn)30mg/Nm3的低氮排放要求。但是本技術(shù)需要冷卻水路，這就成為最致命的難點(diǎn)：無(wú)法用于現(xiàn)有鍋爐的改造。一般來(lái)說(shuō)，新設(shè)計(jì)的鍋爐，可以使用本技術(shù)實(shí)現(xiàn)低氮排放。

本技術(shù)另一個(gè)難點(diǎn)，即燃燒器和鍋爐合二為一，燃燒器為專用的燃燒器，而不是通用的燃燒器。用戶的選擇權(quán)相對(duì)較小。一旦燃燒器出現(xiàn)了故障，鍋爐廠家可選擇的燃燒器維修方相對(duì)較少，這是本技術(shù)存在的一個(gè)市場(chǎng)局限性。

因此，本技術(shù)在中心回燃鍋爐、鑄鐵鍋爐等爐型的低氮改造中具有明顯缺陷。

1.3 全預(yù)混燃燒技術(shù)

全預(yù)混燃燒技術(shù)，由特殊合金編織成金屬絲網(wǎng)，燃?xì)夂涂諝饩珳?zhǔn)混合，在金屬纖維絲網(wǎng)上產(chǎn)生短簇型火焰，燃燒均勻，難以形成局部高溫區(qū)，有效抑制了NOx的生成，達(dá)到超低排放效果，實(shí)現(xiàn)NOx排放小于30mgN/m3[7]。

由于全預(yù)混燃燒的特性，徹底改變了原有的“擴(kuò)散式燃燒”的燃燒方式，因此本技術(shù)屬于“改變?nèi)紵绞健钡募夹g(shù)。本技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)火焰短，燃燒空間小，爐膛適應(yīng)性廣泛。即：只要是個(gè)爐膛，就能用全預(yù)混燃燒技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃燒。利用本技術(shù)設(shè)計(jì)的鍋爐，體積可以比相同出力的常規(guī)鍋爐減小一半以上。

(2)徹底改變?nèi)紵绞?，單一技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)30mg N/m3的排放。

(3)通用型強(qiáng)，可以和常規(guī)擴(kuò)散式燃燒器互換。

(4)可實(shí)現(xiàn)異形設(shè)計(jì)，適應(yīng)各種特殊的爐型，比如：中心回燃鍋爐、鑄鐵鍋爐、大氣式鍋爐，甚至燃煤鍋爐都可用本技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)“煤改氣”“氮化物30mg/Nm3排放”的改造，成為美國(guó)超低氮改造的主流技術(shù)。

2 中心回燃鍋爐和鑄鐵鍋爐的介紹及低氮改造

2.1 中心回燃鍋爐特點(diǎn)

燃料自燃燒器被噴入爐膛，在爐膛內(nèi)正壓燃燒；由于高速火焰引起煙氣在爐膛中回流(卷吸)作用，高溫?zé)煔庠趶臓t膛尾部返回到前煙箱，再進(jìn)入煙管進(jìn)行充分換熱，最后經(jīng)煙囪排入大氣（見(jiàn)圖1）。

中心回燃鍋爐，由于爐膛需要經(jīng)過(guò)2路煙氣，因此看上去好像爐膛很大，其實(shí)留給中心火焰的空間并不大。而常規(guī)的FGR方式的低氮燃燒器，恰恰需要足夠大的燃燒空間，這就形成了一個(gè)主要的矛盾。因此中心回燃的鍋爐，并不適合FGR方式的燃燒器進(jìn)行低氮改造。而全預(yù)混燃燒器，恰恰相反，對(duì)爐膛的要求很低，單一技術(shù)即可實(shí)現(xiàn)低氮排放，能滿足中心回燃鍋爐的低氮改造要求。

圖1 中心回燃鍋爐煙氣路線

2.2 鑄鐵鍋爐特點(diǎn)

利用鑄鐵的耐腐蝕性和鑄造性，把鑄鐵做成爐片，若干個(gè)爐片組合，即成為一個(gè)鑄鐵鍋爐。鑄鐵鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu)，由各個(gè)爐片單元決定，一般都比較小。由于鑄鐵鍋爐的爐片（見(jiàn)圖2），需要開(kāi)模加工，因此改變爐片的結(jié)構(gòu)，并不是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的方案。為了鑄鐵鍋爐實(shí)現(xiàn)NO×30mg/Nm3的排放，需要專門設(shè)計(jì)的燃燒器，以適應(yīng)其特殊的爐膛。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段，筆者認(rèn)為全預(yù)混燃燒器是一個(gè)比較容易實(shí)現(xiàn)的方案。

圖2 典型的鑄鐵爐片

3 市場(chǎng)上有關(guān)全預(yù)混技術(shù)的問(wèn)題釋疑

3.1 “爆燃”和“不安全”的釋疑

全預(yù)混技術(shù)“不安全”，有“爆燃”的可能，使用“壽命短”，這是一種誤解。首先爆燃并不是“爆炸”，最不利的情況是損壞燃燒器，不會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的安全事故。早期國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家，利用拼裝技術(shù)，直接上馬了很多全預(yù)混的工程。由于技術(shù)不過(guò)關(guān)，導(dǎo)致了很多爆燃的事故。但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前爆燃的可能性，已接近于零。全預(yù)混燃燒也是美國(guó)加州這個(gè)世界低氮排放控制最嚴(yán)格的地方主流技術(shù)，最大鍋爐容量已有25t/h的全預(yù)混超低氮燃燒鍋爐的成熟用戶。

3.2 燃燒器容易堵塞，壽命短的釋疑

現(xiàn)有的主流全預(yù)混燃燒技術(shù)，包括國(guó)外的產(chǎn)品，由于采用燒結(jié)焊金屬絲網(wǎng)的特殊結(jié)構(gòu)，確實(shí)容易堵塞，從而影響壽命。目前最好的全預(yù)混燃燒機(jī)，有針對(duì)性地加裝了空氣過(guò)濾和進(jìn)風(fēng)壓差保護(hù)以及防回火通道等有效措施，極大地改進(jìn)了應(yīng)用條件，科學(xué)地解決了這個(gè)問(wèn)題。經(jīng)過(guò)近10年的研發(fā)，針對(duì)中國(guó)空氣現(xiàn)狀，采用自己研發(fā)的獨(dú)特的粗格金屬燃燒網(wǎng)，已消除了燒結(jié)焊表面纖維網(wǎng)堵塞現(xiàn)象，徹底解決了這個(gè)問(wèn)題。我們最早兩臺(tái)全預(yù)混燃燒器，輸出功率700kW，自2008年～2009年采暖季開(kāi)始運(yùn)行，到如今接近10年的運(yùn)行時(shí)間，無(wú)需空氣過(guò)濾，沒(méi)有堵塞的隱患，到目前運(yùn)行良好。這是我們?cè)趪?guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上本土化的提高與改進(jìn)。

4 結(jié)論

目前常用燃?xì)獾偷紵夹g(shù)均能滿足工業(yè)上氮氧化物排放需求，但FGR和水冷燃燒技術(shù)對(duì)于爐膛體積需求大，而中心回燃鍋爐和鑄鐵鍋爐爐膛體積小，低氮改造，可采用全預(yù)混燃燒技術(shù)。目前已經(jīng)完成改造的鑄鐵鍋爐、中心回燃鍋爐、中心回燃+立式+導(dǎo)熱油鍋爐等特殊鍋爐，均取得了較好的排放參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)12mg/m3的氮氧化物排放目標(biāo)。