王杰剛，，皇雅斌，魏博，楊青，史江，孟永彪

（1.煤炭清潔轉化與化工過程自治區(qū)重點實驗室，新疆大學化學化工學院，新疆 烏魯木齊830046；2.新疆西部明珠工程建設有限公司，新疆 克拉瑪依 834000）

熱采技術是針對稠油開采的一種重要方式，蒸汽的注入可降低稠油流動性，提高地層油體積系數(shù)[1]?？死斠罏鯛柡逃吞镏饕猿碛蜑橹?，注汽點分布較廣，若采用大型鍋爐，在蒸汽管網(wǎng)布置方面投資較大，且存在較大的水力損失。因此，注汽鍋爐均以小型燃氣鍋爐為主。隨著油田勘探的進展，注汽鍋爐數(shù)量不斷增加。

目前國家頒布的在用及新建燃氣鍋爐排放特別限值分別為400 mg/m3和200 mg/m3[2]。各地方政府針對燃氣鍋爐排放限值也制定了地方標準，山東、上海、天津等地在用燃氣鍋爐NOx排放限值為150～200 mg/m3，新建鍋爐排放限值為30～80 mg/m3[3]。我國稠油開采注汽鍋爐自上世紀80年代投入運營已達30余年[4]，當前NOx排放濃度與日益嚴格的鍋爐排放標準相比普遍超標。因此，這些鍋爐均需要采用相關技術來降低NOx的排放。

當前降低燃氣鍋爐NOx排放技術主要有空氣分級[5]、燃料分級[6]、旋流燃燒[7]、富氧燃燒[8]、煙氣再循環(huán)[9]等方法，其中煙氣再循環(huán)技術在煙道尾部抽出一部分煙氣，利用循環(huán)風機將煙氣通入爐膛入口重新參與燃燒，無需對燃燒器進行改造，費用相對經(jīng)濟而被廣泛應用。謝正武[10]探討了煙氣再循環(huán)對鍋爐熱力計算的影響，曾強等[11-14]對煙氣再循環(huán)鍋爐進行數(shù)值模擬，這些研究表明煙氣再循環(huán)技術可實現(xiàn)低氮燃燒。在進行煙氣再循環(huán)時，循環(huán)煙氣中存在少量過剩氧氣，因此入口空氣量略有降低，但目前針對煙氣再循環(huán)的研究均以燃燒產(chǎn)生煙氣的百分比或燃燒空氣量的百分比直接進行計算，與實際燃燒狀況不符，其計算結果也存在一定誤差。

文章以YZG22.5-14/360-G燃氣注汽鍋爐為研究對象，針對其燃燒過程中NOx排放超標的問題，提出采用煙氣再循環(huán)技術降低NOx排放，考慮再循環(huán)煙氣中的氧氣，采用迭代的方法計算燃燒所需的氧化劑體積和燃燒產(chǎn)生的煙氣體積，并以此為基礎，進一步計算不同煙氣再循環(huán)率、鍋爐負荷條件下排煙溫度、燃燒效率、燃燒溫度、燃料消耗量等具體參數(shù)，為燃氣注汽鍋爐更加準確地開展煙氣再循環(huán)降低NOx排放提供理論參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選定的研究對象為YZG22.5-14/360-G臥式強制循環(huán)直流鍋爐，采用煙氣再循環(huán)技術降低NOx排放，鍋爐流程如圖1所示。從鍋爐對流段后抽取一部分煙氣，與空氣混合形成氧化劑；燃氣與氧化劑送入燃燒器燃燒，在輻射段產(chǎn)生高溫煙氣，依次流經(jīng)過渡段、過熱段、對流段后排放到大氣。介質經(jīng)給水預熱器、對流段、輻射段吸熱后進入汽液分離器，分離后的飽和蒸汽進入過熱段進一步加熱，分離后的飽和水與過熱器出口的過熱蒸汽混合，以調控過熱度。

圖1 鍋爐工藝流程

1.2 燃料特性

研究對象所采用的天然氣主要成分和發(fā)熱量如表1所示。由表1可見，CH4體積分數(shù)達到91.02%，C2H6達到5.5%。S含量為3.37 mg/m3，未監(jiān)測到H2S。天然氣的發(fā)熱量達到了35 996.36 kJ/m3。

表1 天然氣成分和發(fā)熱量

1.3 計算方法

燃燒時最佳過量空氣系數(shù)為1.2，過量空氣太少，則燃燒不完全；過量空氣太多，則造成較大的排煙損失[15]。采用煙氣再循環(huán)時，循環(huán)的煙氣中含有一部分氧氣，因此燃燒所需的空氣量應相應降低。

燃料燃燒的計算均以1 m3干氣體在標準狀態(tài)下的體積進行計算。研究主要涉及的是燃氣鍋爐采用煙氣再循環(huán)技術的改動，因此僅著重介紹煙氣循環(huán)后氧化劑和煙氣產(chǎn)物的計算。未采用煙氣再循環(huán)技術鍋爐的理論燃燒所需空氣量和煙氣量將參照《燃油燃氣鍋爐房設計手冊》[15]進行計算，這里不做贅述。不同鍋爐負荷、天然氣成分不同、過量空氣系數(shù)等不同時，氧化劑和煙氣迭代的流程和方法相同，并引入迭代精度來判斷氧化劑和煙氣含量是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

采用煙氣再循環(huán)技術燃料燃燒的氧化劑和煙氣成分含量的計算思路和流程如圖2所示。

首先依據(jù)表1天然氣特性，通過天然氣成分計算出實際空氣量，進一步通過燃料量和實際空氣量計算獲得實際煙氣量及煙氣成分，分別按煙氣體積分數(shù)0、5%、10%、15%和20%進行循環(huán)，獲得循環(huán)煙氣量及循環(huán)煙氣中各組分的含量。以燃燒耗氧量不變?yōu)榛鶞?，考慮循環(huán)煙氣量、循環(huán)煙氣各組分含量，獲得采用煙氣再循環(huán)后由循環(huán)煙氣和新空氣組成的氧化劑體積與各組分含量，并耦合負荷對應的燃料量，獲得煙氣再循環(huán)后的煙氣量與成分，并與前次煙氣流量和成分進行對比，當誤差小于0.02%時迭代完成，否則以該次循環(huán)煙氣的成分和流量進行重新計算，直到誤差小于0.02%時結束。

圖2 迭代計算思路及流程

在計算過程中，注汽鍋爐按不同煙氣體積分數(shù)（0、5%、10%、15%、20%）開展煙氣的再循環(huán)，同時考慮循環(huán)煙氣帶入爐膛的O2、CO2、N2、H2O及熱量等因素，對鍋爐不同負荷下排煙溫度、燃燒效率、燃料消耗量、理論燃燒溫度等參數(shù)開展計算。

2 計算結果與討論

2.1 煙氣再循環(huán)迭代計算結果

通過圖2所示流程對不同煙氣再循環(huán)率條件下的燃料燃燒所需的氧化劑體積和產(chǎn)生的煙氣體積開展煙氣再循環(huán)迭代計算，計算結果如表2所示。

將表2中數(shù)據(jù)進行整理，如圖3所示。

由表2和圖3可見，當不開展煙氣再循環(huán)時，即煙氣再循環(huán)率為0，迭代前后氧化劑與煙氣體積不變。隨著煙氣再循環(huán)率升高，計算結束時的迭代次數(shù)增加，迭代計算后較迭代前所需氧化劑與產(chǎn)生煙氣體積均上升。在煙氣再循環(huán)率為20%時，需迭代5次才能使計算滿足誤差要求，迭代后所需氧化劑的體積較未迭代前升高4.29%，產(chǎn)生煙氣體積較未迭代前升高3.86 %。

圖3 迭代前后氧化劑和煙氣體積隨煙氣再循環(huán)率變化

2.2 煙氣再循環(huán)對燃燒特征參數(shù)的影響

對煙氣再循環(huán)技術的YZG22.5-14/360-G燃氣注汽鍋爐的氧化劑體積和煙氣體積進行迭代計算，然后對鍋爐開展熱力計算。通過計算結果分析了煙氣再循環(huán)技術對排煙溫度、燃料效率、燃料消耗量以及爐膛理論燃燒溫度的影響。

2.2.1 排煙溫度

圖4為不同負荷情況下煙氣再循環(huán)率對排煙溫度的影響。從圖4可以看出，隨鍋爐負荷升高，排煙溫度逐漸增加，這是由于負荷升高，造成爐內燃料量和煙氣量都增加，同時，工質吸熱量也增加，但吸收的熱量相對較少，造成排煙溫度升高。隨著煙氣再循環(huán)率升高，循環(huán)煙氣量增加，煙氣流量和流速也將增加，增加的流速會使煙氣換熱系數(shù)增加，但煙氣流量較大，被工質吸收的熱量相對較少，造成排煙溫度升高。負荷越高，排煙溫度增加幅度隨煙氣再循環(huán)率的增加更明顯。

2.2.2 燃燒效率

圖5為考慮迭代平衡后燃燒效率隨煙氣再循環(huán)率的變化。從圖5可以看出，煙氣再循環(huán)率從0上升至20%時，鍋爐燃燒效率從90.40%增加到90.71%。煙氣再循環(huán)率的增加，鍋爐輸入熱量也相應升高，造成鍋爐效率略有降低；但循環(huán)煙氣使鍋爐煙氣量大幅升高，煙氣流速增加，換熱系數(shù)升高，造成鍋爐效率上升，因此，鍋爐效率總體上升。另外，循環(huán)煙氣攜帶的熱量與空氣摻混，使入爐氧化劑溫度提高，可提高燃料的著火速度，使燃料在爐膛燃燒更充分。

2.2.3 燃料消耗量

整理了鍋爐不同負荷、不同煙氣再循環(huán)率條件下的燃料消耗量，如表3所示。從表3可以看出，增加煙氣再循環(huán)率可以減少燃料消耗量。隨著煙氣再循環(huán)率的增加，鍋爐效率略有升高，因此燃料量略有降低。

表3 不同煙氣再循環(huán)率及負荷下的燃料消耗量 m3/h

2.2.4 爐膛理論燃燒溫度的影響

燃燒理論溫度隨煙氣再循環(huán)率的變化關系如圖6所示。從圖6可以看出，隨著煙氣再循環(huán)率的增加，爐膛內天然氣理論燃燒溫度直線下降，從1 904.14℃下降到1 596.5℃。由此可見，循環(huán)煙氣率的增加使得爐膛內惰性氣體增加，惰性氣體吸收大量的熱量，造成爐膛內燃燒溫度下降。

圖6 理論燃燒溫度與煙氣再循環(huán)率的關系

3 結論

為更加準確地研究采用煙氣再循環(huán)技術對燃氣注汽鍋爐相關燃燒特征參數(shù)的影響，對燃燒過程所涉及的氧化劑和煙氣含量進行了迭代熱力計算，并分析了煙氣再循環(huán)率對燃燒效率、排煙溫度、燃料消耗量、理論燃燒溫度的影響。得到如下結論：

1）與未采用迭代計算相比，迭代計算獲得燃燒所需氧化劑體積和產(chǎn)生煙氣體積與實際燃燒狀況更吻合，隨著煙氣再循環(huán)率升高，迭代計算與未迭代計算的誤差也逐漸升高，在煙氣再循環(huán)率為20%時，燃燒所需氧化劑體積和產(chǎn)生煙氣體積的誤差分別為4.29%和3.86%。

2）隨著煙氣再循環(huán)率升高，排煙溫度逐漸升高，但鍋爐效率也略有提高，進而使鍋爐燃料量降低，同時降低爐膛內的燃燒溫度。

3）迭代計算方法和結果對采用煙氣再循環(huán)技術的鍋爐運行具有實際指導意義和效果。