文_鄧新華 李侃平

1.北京東元同創(chuàng)能源技術(shù)有限公司 2.陸軍軍事交通學(xué)院

北京市全面實施煤改氣后，NOx成為燃氣鍋爐排放的主要污染物。經(jīng)過對典型燃氣工業(yè)鍋爐實際監(jiān)測結(jié)果表明，北京市燃氣工業(yè)鍋爐NOx排放濃度平均值為156.26mg/m3，采用排放因子法估算全市燃氣工業(yè)鍋爐NOx排放量為9339t。

2015年7月1日北京實施《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139-2015），新建鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度要求低于30mg/m3。

近年燃氣鍋爐低氮燃燒技術(shù)得到廣泛深入的研究，各種型式的低氮燃燒器，特別是煙氣再循環(huán)低氮燃燒器產(chǎn)品得到推廣。

1 低氮燃氣燃燒器研發(fā)背景

通過與國外燃燒器專業(yè)廠家協(xié)商合作開發(fā)FGR低氮燃燒器應(yīng)用于燃氣工業(yè)鍋爐，2016年實施所有項目均采用FGR煙氣再循環(huán)+燃氣分級技術(shù)+新型電子比例調(diào)節(jié)技術(shù)，NOx＜30mg/m3,取得較好的環(huán)保效果。但是，此類型低氮燃氣燃燒器運行時，殼體局部溫度偏高，散熱損失較大，加上產(chǎn)品為分體布置，在一些安裝空間小的鍋爐房應(yīng)用受限。

在進行鍋爐低氮改造中，某項目使用的3臺8.4MW燃氣熱水鍋爐均為前濕背鍋爐，爐膛偏置，燃燒器接口尺寸小（直徑Φ550），國內(nèi)外FGR低氮燃燒機均無法滿足安裝要求。為此，我們嘗試自行研發(fā)低氮燃燒器。

2 低氮燃燒理論基礎(chǔ)

天然氣燃燒的必要條件是：燃燒溫度、燃燒產(chǎn)物在反應(yīng)區(qū)的停留時間、燃料與空氣混合均勻度。天然氣燃燒產(chǎn)生三種形態(tài)的NOx，對于我國西氣東輸?shù)奶烊粴庵谢静缓械?，故可以忽略燃料型NOx的影響；在常規(guī)燃氣鍋爐排放的氮氧化物中，NOx主要是熱力型NOx，占總量的90%以上，而快速型NOx占氮氧化物總排放量不到10%。因此，控制和減少燃氣鍋爐尾氣中NOx的產(chǎn)生，主要是控制燃燒過程中熱力型NOx的生成。

天然氣燃燒熱力型NOx控制方法：①降低鍋爐燃燒峰值溫度。②降低氧濃度（即降低過量空氣系數(shù)）。③縮短燃燒產(chǎn)物在高溫火焰區(qū)的停留時間。

3 低氮燃燒技術(shù)

關(guān)于FGR煙氣再循環(huán)的低氮燃燒技術(shù)、燃氣分級技術(shù)發(fā)表了許多研究論文，本文不再贅述。關(guān)于天然氣燃燒熱力型NOx控制方法，我們在研制新型燃燒器時在采用FGR煙氣再循環(huán)+燃氣分級技術(shù)+新型電子比例調(diào)節(jié)技術(shù)基礎(chǔ)上，增加控制NOx的措施：

（1）負荷動態(tài)變化時，必須保持空燃比的穩(wěn)定

有些歐系低氮燃氣燃燒器，在負荷動態(tài)變化時，空燃比不穩(wěn)定，難以保證鍋爐實際運行全工況下環(huán)保達標。為降低成本，有的低氮燃燒器控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥沒有位置反饋，無法糾錯，自動調(diào)節(jié)精度不夠，不能穩(wěn)定保證環(huán)保指標達標。

（2）確保燃料與空氣混合均勻度

燃料與空氣混合均勻是天然氣燃燒的必要條件，低氮燃燒器同樣必須遵守。為保證燃料與空氣混合均勻度，本項目的新型低氮燃燒器燃料分級，采用不同的氣流速度，中心貧氧燃燒區(qū)的燃氣流速高于周邊富氧燃燒區(qū)的燃氣流速，同時中心風(fēng)旋流，從而增強擾動，達到混合均勻的目的。

4 新型低氮燃燒器研制成果

綜合采用FGR煙氣再循環(huán)、燃氣分級技術(shù)、空氣分區(qū)分級技術(shù)、擾流均混技術(shù)、新型電子比例調(diào)節(jié)技術(shù)、精確控制技術(shù)，經(jīng)過多次試制實驗，2017年底用于8.4MW燃氣熱水鍋爐的新型低氮燃燒器研制取得初步成效，當年通過環(huán)保驗收。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 新型燃氣低氮燃燒器數(shù)據(jù)

5 新型低氮燃燒器應(yīng)用實例

在3臺8.4MW燃氣熱水鍋爐低氮改造成功基礎(chǔ)上，我們又研發(fā)系列低氮燃氣燃燒器并投放市場。以某熱源中心4臺14MW法羅力三回程燃氣熱水鍋爐低氮改造為例，由于鍋爐爐膛尺寸?。t膛直徑Φ1400，燃燒器接口Φ1050），原歐系80mg/m3燃燒器排放NOx最低為95mg/m3，不能滿足北京市環(huán)保排放標準。而且原歐系80mg/m3燃燒器負荷調(diào)節(jié)范圍有限，不能大負荷運行、升溫慢。運行產(chǎn)生大量積碳造成燃燒不充分、燃燒效率低，氣耗高。

經(jīng)過細致勘察和計算，針對鍋爐爐膛接口尺寸小的情況，對低氮燃燒器進行定制化設(shè)計，滿足現(xiàn)場安裝條件。同時改造時將燃燒器配套風(fēng)機更換為55kW。燃燒器控制系統(tǒng)與原鍋爐控制系統(tǒng)兼容。

經(jīng)過技術(shù)調(diào)試和試運行，新型低氮燃燒器安全投入運行，4臺鍋爐NOx均在26.8～28.5mg/m3，穩(wěn)定達到北京市環(huán)保排放標準。新型低氮燃燒器指標和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于原歐系低氮燃燒器。

6 FGR低氮技術(shù)目前存在問題

6.1 鍋爐總體效率下降氣耗增加

煙氣再循環(huán)導(dǎo)致：①輻射換熱量減?。虎趯α鲹Q熱量增加。對流換熱量增加量不足以彌補輻射換熱量減小量，鍋爐總體效率下降，根據(jù)鍋爐爐型和運行工況，一般鍋爐效率下降0.5%～4.5%。

6.2 冷凝水響燃燒器運行及壽命

煙氣再循環(huán)中產(chǎn)生大量冷凝水，影響燃燒器運行，特別是火焰監(jiān)測器受到污染致使鍋爐不定期熄火現(xiàn)象，燃燒器運行不穩(wěn)定。運行停爐期間，冷凝水造成火焰監(jiān)測器損壞經(jīng)常發(fā)生。

無論液滴沖擊，或者葉輪結(jié)冰，將使風(fēng)機振動變大，容易損壞。特別是由于冷凝水有腐蝕性，縮短燃燒器本體、風(fēng)機設(shè)備壽命和風(fēng)道的使用壽命。

為減少冷凝水量，在有關(guān)項目嘗試采用FGR煙道上增加冷凝器，有一定的效果。但由于運行時間比較短，還有待進一步探索。

7 結(jié)語

通過低氮燃氣燃燒器的研制及應(yīng)用，得出以下初步結(jié)論：

①綜合采用低氮燃燒技術(shù)，低氮燃氣燃燒器在鍋爐實際運行工況，NOx＜30mg/m3技術(shù)上是可以實現(xiàn)的。

②經(jīng)過近幾年的研究探索，研制的新型低氮燃氣燃燒器在指標穩(wěn)定性方面優(yōu)于部分歐系低氮燃燒器。

③采用FGR低氮燃氣燃燒器過程中產(chǎn)生的鍋爐效率下降、冷凝水問題，還有待進一步研究解決。