朱恒剛

摘 要：根據(jù)國(guó)家《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》、上海市《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》新的要求，從2020年1月1日起，所有燃?xì)忮仩t氮氧化物排放水平應(yīng)控制在50 mg/m3以內(nèi)，為響應(yīng)政府號(hào)召，根據(jù)某大樓實(shí)際情況，對(duì)大樓使用的4臺(tái)燃?xì)忮仩t進(jìn)行低氮排放改造，選擇了加裝煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)，以減低氮氧化合物的排放，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行，第3方檢測(cè)，達(dá)到了國(guó)家規(guī)定的鍋爐氮氧化物排放水平應(yīng)控制在50 mg/m3以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：鍋爐燃燒器;低氮排放;技術(shù)改造

中圖分類號(hào)：TU995? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來(lái)上海市進(jìn)行的清潔能源替代工作，有力地支撐了上海環(huán)境空氣質(zhì)量的改善。上海市SO2、PM10和PM2.5年均濃度降幅顯著分別下降48%、27%和25%。與此同時(shí)上海市NOx的下降幅度偏小，僅為14%。這樣的環(huán)境空氣質(zhì)量變化是由于上海市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和清潔能源替代工作促成的。消減煤炭消費(fèi)量、降低汽柴油中硫含量等措施是環(huán)境空氣中SO2、PM10和PM2.5濃度降低的重要原因。

1 項(xiàng)目概況

1.1 改造背景

該項(xiàng)目為上海國(guó)貿(mào)中心鍋爐低氮改造工程，目前大樓使用的4臺(tái)HX102S鍋爐均為英國(guó)克萊斯頓鍋爐廠1990年出產(chǎn)的蒸汽鍋爐，鍋爐蒸發(fā)量為4 t/h，額定蒸汽溫度為183℃，鍋爐工作壓力1.0 MPa。改造前實(shí)測(cè)氮氧化物排放水平約為128 mg/m3，基本符合上海市《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/387—2014）中規(guī)定的低氮氧化物排放低于150 mg/m3要求。

1.2 改造依據(jù)及改造要求

2018年上海市為貫徹《中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)法》、《中華人民共和國(guó)大氣污染防治法》和《上海市環(huán)境保護(hù)條例》，加強(qiáng)對(duì)鍋爐大氣污染物的排放控制，對(duì)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/387—2014），進(jìn)行了修訂，規(guī)定到2020年9月30日，在用鍋爐執(zhí)行表1規(guī)定的排放限值。自2020年10月1日起，在用鍋爐（生物質(zhì)燃料鍋爐除外）執(zhí)行表2規(guī)定的排放限值。

據(jù)此要求，對(duì)大樓使用的4臺(tái)鍋爐進(jìn)行低氮改造，以達(dá)到上海市《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB31/387—2014），修訂版的要求即氮氧化物排放低于50 mg/m3。

1 工藝改造方案

1.1 改造方案分析

燃?xì)忮仩t由于天然氣的理化特性導(dǎo)致其主要的污染物為氮氧化物。主要通過改進(jìn)燃燒技術(shù)來(lái)降低燃燒過程中NOx的生成與排放，其主要途徑有：降低燃料周圍的氧濃度，減小爐內(nèi)過剩空氣系數(shù)，降低爐內(nèi)空氣總量，或減小一次風(fēng)量及揮發(fā)分燃盡前燃料與二次風(fēng)的混和，降低著火區(qū)段的氧濃度;在氧濃度較低的條件下，維持足夠的停留時(shí)間，抑制燃料中的氮生成NOx，同時(shí)還原分解已生成的NOx;在空氣過剩的條件下，降低燃燒溫度，減少熱力型NOx的生成。低氮燃燒技術(shù)一般可使NOx的排放量降低30%～60%。

在燃?xì)馊紵鞯脑O(shè)計(jì)及布置方案中有3點(diǎn)。1）燃料分級(jí)：有煙氣內(nèi)循環(huán)、燃?xì)夂涂諝飧咚俨钆浜系阮愋?燃料分級(jí)，即燃料分成如果干股注入較大的燃燒空間中進(jìn)行燃燒，釋放的熱量被較大空間內(nèi)的煙氣吸收，從而使煙氣的溫度得到降低，該技術(shù)也稱為“火焰分割”。相比較于中心單噴頭的擴(kuò)散火焰而言，燃料分級(jí)（火焰分割）的技術(shù)措施能明顯地降低煙氣的核心溫度。2）空氣分級(jí)：有燃燒器噴嘴的空氣分級(jí)和爐膛空間上的空氣分級(jí);空氣分級(jí)，即空氣分成如果干股噴入，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夂涂諝庠谌既紵^程中有不同的空燃比。a）一種是燃?xì)鈬婎^中將空氣分為如果干圈。b）一種是在爐膛空間上空氣分級(jí)，即燃燒器的主燃區(qū)為貧氧燃燒，空氣分階段地注入，從而使氣體燃料分階段地燃燒、逐漸地釋放熱量，最終降低煙氣溫度。核心機(jī)制在于：通過空氣分級(jí)、造成氣體燃料的不完全燃燒，同時(shí)不完全燃燒的煙氣產(chǎn)物又能在一定程度上促進(jìn)燃料型NOx的還原制：NOx+CO==CO2+N2;NOx==XN HCN，CN>N2）燃料分級(jí)和空氣分級(jí)對(duì)NO生成量的影響可以從圖1的曲線中得到直觀的了解到偏離正常空燃配比時(shí)會(huì)對(duì)NOx的降低有較大的作用。3）煙氣再循環(huán)：有傳統(tǒng)煙氣再循環(huán)和O2/CO2煙氣再循環(huán)。

煙氣再循環(huán)，通過從尾部排放煙氣抽取一部分比例的煙氣與空氣混合，從而降低了助燃?xì)怏w的氧氣濃度，在降低了化學(xué)反應(yīng)速率的同時(shí)，降低了火焰核心溫度，從而避免大量熱力型NOx的生成。另外，再循環(huán)煙氣中包含的NOx氣體可以通過N+NO反應(yīng)來(lái)降低NO的生成量，且氧氣濃度的降低也能驅(qū)使NO反應(yīng)體系的化學(xué)平衡朝NO生成量減少的方向偏移。

2.2 工藝改造技術(shù)——FGR煙氣再循環(huán)技術(shù)

燃?xì)忮仩t低氮燃燒改造中，煙氣再循環(huán)技術(shù)FGR是其中常用改造技術(shù)之一。

將部分煙氣回收進(jìn)入燃燒器再次利用，進(jìn)入爐膛的熱風(fēng)可以提高效率，更節(jié)能。并在煙氣口增加蝶閥。氣再循環(huán)原理：將部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與空氣（一次風(fēng)或二次風(fēng)）混合送入爐內(nèi)，因煙氣吸熱和稀釋了氧濃度，使燃燒速度和爐內(nèi)溫度降低，因而熱力NOx減少，可減少60%～70%，一般煙氣外循環(huán)FGR量不超過15%。圖2為FGR系統(tǒng)示意圖。

該大樓根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況以及技術(shù)要點(diǎn)，采取低氮燃燒器+煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)，在進(jìn)行控制器、燃燒器的改進(jìn)，燃燒器沒有全部更換，進(jìn)行局部更換，既達(dá)到降低氮氧化合物的排放，也節(jié)約改造成本。

2.3 工藝改造方案實(shí)施

更換上英國(guó)騰飛首創(chuàng)特殊設(shè)計(jì)的多火焰噴嘴，燃燒器的主火焰由多股小火焰組成，均勻地降低火焰表面溫度，避免局部高溫的產(chǎn)生，由此減少NOx的產(chǎn)生，如圖3所示。

低氮設(shè)計(jì)加長(zhǎng)了燃燒筒長(zhǎng)度，可以在火焰根部形成煙氣內(nèi)循環(huán)。在熱力學(xué)作用下，燃余煙氣在區(qū)域3被引流回火焰中心，該股回流煙氣可形成貧氧燃燒、減緩燃燒過程，從而降低火焰中心溫度和超低NOx濃度。

加裝煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)：在燃燒器低氮改造的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況定做設(shè)計(jì)煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)（如圖4所示），將合適溫度合適量的煙氣從鍋爐煙道處引入燃燒器與助燃風(fēng)充分混合，進(jìn)一步降低NOx的排放。

將部分燃燒煙氣吸回，進(jìn)入燃燒器，與空氣混合燃燒，形成貧氧混合空氣參與燃燒，既能有效降低火焰溫度，又能破壞形成氮氧化物的各分子按比例相遇的概率。由于煙氣再循環(huán)，燃燒煙氣熱容量大，燃燒中心溫度降低，NOx減少幅度明顯[1]。

控制系統(tǒng)改造：燃燒器運(yùn)行控制采用RatiotronicTM6000系列燃燒程序控制器，該RatiotronicTM6000系列由英國(guó)DUNPHY燃燒器公司與英國(guó)ETC公司共同研發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)在于可以精確控制燃燒器的運(yùn)行，高度的機(jī)電一體化，迅速接收反饋信號(hào)快速調(diào)節(jié)，保持最佳高效的運(yùn)行;配置的燃料控制步進(jìn)電機(jī)、助燃風(fēng)控制步進(jìn)電機(jī)、FGR控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)各種空/燃比獨(dú)立調(diào)整，在低氮燃燒系統(tǒng)中能精確控制燃?xì)馊加汀⒅硷L(fēng)、FGR回流煙氣間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)，節(jié)約了能源，大樓改造設(shè)備清單表見表3。

2 改造效果

該工程于2019年10月23日完成工程改造，經(jīng)上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所對(duì)鍋爐進(jìn)行外部檢驗(yàn)，符合相關(guān)要求檢驗(yàn)合格。上海工業(yè)鍋爐研究所有限公司對(duì)鍋爐低氮排放和鍋爐能效測(cè)試均符合DB31/387—2018和DB31/T1057—2017標(biāo)準(zhǔn)要求檢驗(yàn)合格。

通過本次低氮排放的過燃燒器的改造、加裝煙氣循環(huán)FGR系統(tǒng)、改造控制系統(tǒng)，達(dá)到了上海市鍋爐氮氧化物排放水平應(yīng)控制在50 mg/m3以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

該次改造不改動(dòng)鍋爐的承壓部分，不取消或修改鍋爐控制部分的安全聯(lián)鎖保護(hù)，由于增加了FGR的控制變量，運(yùn)行控制采用RatiotronicTM6000系列燃燒程序控制器，該RatiotronicTM6000系列由英國(guó)DUNPHY燃燒器公司與英國(guó)ETC公司共同研發(fā)。其優(yōu)點(diǎn)在于可以精確控制燃燒器的運(yùn)行，高度的機(jī)電一體化，迅速接收反饋信號(hào)快速調(diào)節(jié)，保持最佳高效的運(yùn)行;配置的燃料控制步進(jìn)電機(jī)、助燃風(fēng)控制步進(jìn)電機(jī)、FGR控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)各種空/燃比獨(dú)立調(diào)整，在低氮燃燒系統(tǒng)中能精確控制燃?xì)狻⒅硷L(fēng)、FGR回流煙氣間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)，節(jié)約能源。同時(shí)，RatiotronicTM6000系列控制器可監(jiān)控火焰、閥組泄漏、壓力溫度、液位、燃?xì)饬髁?、風(fēng)量變化等20余組參數(shù)，因此可以很好地滿足鍋爐的運(yùn)行要求。改造后的鍋爐運(yùn)行工況良好，達(dá)到低氮環(huán)保要求。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉紅.燃?xì)忮仩t低氮改造措施與應(yīng)用效果[J].工程技術(shù)研究，2020，5（8）：12-13.