＊李 磊

（中海石油（中國(guó)）有限公司上海分公司 上海 200335）

1.NOx的生成機(jī)理

在燃燒過程中形成的NOx主要為NO和NO2。根據(jù)燃燒中生成的NOx機(jī)理不同，主要分為“熱力型NOx”“快速型NOx”和“燃料型NOx”三種。

熱力型NOx。燃燒過程中，氮?dú)庠诟邷叵鲁掷m(xù)氧化生成的NOx，即為熱力型NOx。捷里道維奇機(jī)理：當(dāng)溫度低于1500℃時(shí)，熱力NOx的生成量很少；高于1500℃時(shí)，溫度每升高100℃，反應(yīng)速度將增大6-7倍，NOx的生成呈指數(shù)上升趨勢(shì)[1]。過?？諝庀禂?shù)影響氧氣濃度和燃燒溫度。當(dāng)過?？諝庀禂?shù)接近1.0時(shí)，NOx生成濃度最大。因?yàn)楫?dāng)過剩空氣系數(shù)遠(yuǎn)小于1.0時(shí)，燃料過濃，氧不易與氮?dú)馍蒒O。而當(dāng)過?？諝庀禂?shù)遠(yuǎn)大于1.0時(shí)，燃燒溫度降低，NO也減少。

快速型NOx。快速型NOx是由于燃料中碳?xì)浠衔锔邷胤纸馍傻腃H自由基，CH自由基破壞空氣中N2分子鍵，生成HCN、NH、N，再與火焰中的O、H等原子基團(tuán)反應(yīng)生成NO。HCN是快速型NOx生成化學(xué)反應(yīng)的中間產(chǎn)物。過?？諝庀禂?shù)是快速型NOx生成的決定因素，當(dāng)過?？諝庀禂?shù)大于1.0時(shí)，基本不生成快速型NOx?？焖傩蚇Ox的生成量占比不足5%，不是燃?xì)忮仩tNOx排放的主要來源[2]。

燃料型NOx。燃油中有部分氮化合物，燃油時(shí)會(huì)生成部分燃料型NOx。煤燃燒時(shí)約75%～90%的NOx是燃料型NOx。天然氣基本不含氮化合物，因此，燃?xì)忮仩t基本不需要考慮燃料型NOx的影響。

2.低氮改造技術(shù)

(1)煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是最為廣泛應(yīng)用的燃?xì)忮仩t低氮改造技術(shù)之一，通過提取一部分煙氣送回燃燒區(qū)，利用惰性氣體稀釋燃燒區(qū)氧濃度、降低燃燒區(qū)溫度，從而降低燃燒過程N(yùn)Ox的生成。煙氣再循環(huán)分為外部循環(huán)和內(nèi)部循環(huán)，內(nèi)部煙氣再循環(huán)需通過燃燒器與爐膛總體結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，通過燃燒器和爐膛的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，主要燃?xì)夂涂諝獾母咚偕淞骶砦?yīng)，使得煙氣在爐膛內(nèi)形成回流，參與二次燃燒。外部煙氣再循環(huán)通過一個(gè)外部管道，連接煙道、空氣風(fēng)門兩側(cè)，使得煙氣與空氣進(jìn)行混合后，進(jìn)入燃燒區(qū)。

(2)空氣分級(jí)燃燒

空氣分級(jí)燃燒通過燃燒器噴射口分層、分段布置，實(shí)現(xiàn)空氣分階段與燃料混合燃燒。第一階段燃燒得不到充分的氧氣，形成貧氧燃燒區(qū)，對(duì)NOx生成有著明顯的抑制作用。第二階段的剩余空氣在進(jìn)入爐膛后，與“貧氧燃燒”后的煙氣混合再次燃燒?？諝夥旨?jí)燃燒方案中燃料最終還是完全燃燒了，但燃燒過程中的火焰峰值和平均溫度大幅降低，使得NOx產(chǎn)生量大幅減少。

(3)燃料分級(jí)燃燒

NOx與烴基加上一氧化碳、氫氣等在一定還原性環(huán)境中，發(fā)生反應(yīng)變回氮?dú)猓@是燃料分級(jí)燃燒應(yīng)用的理論基礎(chǔ)。燃料分級(jí)燃燒技術(shù)，將燃料分兩個(gè)階段供給燃燒。大部分的燃料進(jìn)入一級(jí)燃燒區(qū)，形成了一個(gè)有過量空氣的富氧燃燒區(qū)域，有助于降低火焰的溫度；少部分的燃料進(jìn)入二級(jí)燃燒區(qū)，在過?？諝庀禂?shù)小于1.0的條件下，不充分燃燒形成還原性環(huán)境，NOx與烴基加上一氧化碳、氫氣等進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成氮?dú)??？諝夥旨?jí)燃燒和燃料分級(jí)燃燒都是分級(jí)擴(kuò)散式燃燒。當(dāng)前，最為常見的中小型燃?xì)忮仩t低氮改造方案是分級(jí)擴(kuò)散燃燒+煙氣外部再循環(huán)綜合方案。

(4)預(yù)混燃燒

預(yù)混燃燒是相對(duì)于擴(kuò)散燃燒的另一種典型燃燒方式。預(yù)混技術(shù)是空氣、燃料在進(jìn)入燃燒區(qū)之前進(jìn)行充分混合，從而使燃燒速度不再受限于氣體擴(kuò)散速度等物理?xiàng)l件，燃燒速度更快，火焰小且分布更均勻，火焰的最高溫度大幅降低。

①水冷預(yù)混燃燒低氮燃燒器?；鹧娓坎捎酶邆鳠嵯禂?shù)的水冷壁，布置于火孔板夾層中，將火孔板噴出的預(yù)混火焰所產(chǎn)生的高溫迅速帶走，有效抑制熱力型NOx，降低了NOx的排放。因涉及水冷循環(huán)系統(tǒng)特殊設(shè)計(jì)，僅適用于新建鍋爐。

②全預(yù)混金屬纖維網(wǎng)燃燒器。燃?xì)饪諝饣旌衔镌谕笟庑跃鶆虻慕饘倮w維網(wǎng)燃燒頭表面進(jìn)行燃燒，形成無數(shù)藍(lán)色火苗組成的火面，發(fā)熱均勻，熱交換效率高，避免了燃燒區(qū)局部高溫出現(xiàn)，也稱之為面式燃燒。

預(yù)混燃燒存在不利因素，因預(yù)混燃燒器的多孔分布或金屬纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)，空氣清潔度較差或存在空氣冷凝水時(shí)，易發(fā)生燃燒器堵塞，燃燒火焰穩(wěn)定性差的同時(shí)，如果供氣速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣?，就?huì)導(dǎo)致回火及爆燃，甚至造成爆炸。

3.低氮改造實(shí)例中的儀控策略

（1）程序控制器。進(jìn)口燃燒器配套的程序控制器為模塊化控制器，配套一個(gè)LED顯示功能的控制指示器，控制指示器用于燃燒器曲線等參數(shù)設(shè)置及故障信息代碼查詢，無法提供可編程和良好人機(jī)界面服務(wù)。

（2）鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)。鍋爐低氮改造后，鍋爐的液位控制、出爐壓力等聯(lián)鎖保護(hù)仍有原PLC控制，通過PLC柜內(nèi)的安全聯(lián)鎖回路鏈串入程序控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)燃燒器安全停車，此類聯(lián)鎖報(bào)警及時(shí)間信息可通過原PLC配套觸摸屏直觀顯示，并通過PLC與DCS的通訊實(shí)現(xiàn)在中控操作站上直觀顯示。燃燒器本機(jī)聯(lián)鎖保護(hù)在燃燒器程序控制器上實(shí)現(xiàn)，如燃?xì)忾y組泄漏、燃?xì)鈮毫Ω摺L(fēng)壓力低等安全聯(lián)鎖停爐及報(bào)警信息必須到現(xiàn)場(chǎng)程序控制器配套控制指示器上查閱代碼，設(shè)備維護(hù)效率低。

（3）鍋爐負(fù)荷控制。鍋爐負(fù)荷控制可采用內(nèi)部負(fù)荷控制（負(fù)荷控制的PID運(yùn)算由程序控制器完成），也可以采用外部負(fù)荷控制（負(fù)荷控制的PID運(yùn)算由外部比例調(diào)節(jié)儀完成）。部分燃燒器程序控制器只提供PT100 RTD電阻輸入節(jié)點(diǎn)，用于連接鍋爐出水溫度輸入，但無法連接鍋爐出口壓力的mA信號(hào)，此時(shí)需要采用外部負(fù)荷控制。比例調(diào)節(jié)儀根據(jù)鍋爐出口壓力的mA信號(hào)與設(shè)定值偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，將PID輸出mA信號(hào)傳至程序控制器。程序控制器再把相應(yīng)的開度信號(hào)分別送至風(fēng)門、燃?xì)忾T、FGR閥門伺服電機(jī)。

4.燃?xì)忮仩t低氮改造的主要問題

(1)程序控制器調(diào)試兩種燃燒曲線與型式試驗(yàn)不符

天然氣處理裝置需要蒸汽用于天然氣脫碳，脫碳前，天然氣中二氧化碳含量35%左右，脫碳后，天然氣中二氧化碳含量2.8%左右。燃燒器使用脫碳后燃料進(jìn)行調(diào)試，在天然氣裝置投產(chǎn)前，因燃料的二氧化碳含量高達(dá)35%，蒸汽鍋爐無法點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒。燃燒器程序控制器包含了燃?xì)夂腿加蛢煞N燃燒控制模式，調(diào)試燃油燃燒曲線來控制脫碳前的燃?xì)馊紵?，通過燃料選擇開關(guān)切換兩種燃燒曲線，可適應(yīng)兩種燃?xì)夤r燃燒。此方案，雖然解決生產(chǎn)難題，但存在一個(gè)合規(guī)性的問題。燃燒器的型式試驗(yàn)報(bào)告僅包含燃?xì)馊紵褪皆囼?yàn)合格報(bào)告，并未對(duì)燃油燃燒模式做型式試驗(yàn)。

(2)燃燒器的主要配件與型式試驗(yàn)不符

燃燒器的型式試驗(yàn)報(bào)告不僅包含燃燒器的型號(hào)，還包含程序控制器、燃料安全切斷閥、風(fēng)機(jī)電機(jī)、伺服馬達(dá)等主要配件信息。從多處項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)，改造項(xiàng)目中的燃料安全切斷閥和風(fēng)機(jī)電機(jī)與型式試驗(yàn)報(bào)告中型號(hào)不符，主要原因是，鍋爐原有配置的風(fēng)機(jī)電機(jī)、安全切斷閥與燃燒器是分體的，且可以滿足配套新型燃燒器基本功能要求，又是高價(jià)值配件，就保留原配件使用。

(3)燃燒器的主要配件防護(hù)等級(jí)不符合現(xiàn)場(chǎng)使用要求

如伺服馬達(dá)防護(hù)等級(jí)為IP54，主要滿足鍋爐廠房?jī)?nèi)使用；而工業(yè)鍋爐設(shè)備多半為露天安裝，工廠設(shè)計(jì)中對(duì)電器設(shè)備防護(hù)等級(jí)要求是IP65。

(4)小負(fù)荷燃燒時(shí)出現(xiàn)“喘振”問題

低氮改造后，鍋爐燃燒載位在0～35%時(shí)，空氣進(jìn)氣量忽高忽低，鼓風(fēng)機(jī)存在“喘振”現(xiàn)象，行程在處于36%～100%時(shí)，“喘振”消失。主要原因在于燃燒器與鍋爐匹配度不夠?qū)е拢缛紵鬟m應(yīng)的負(fù)荷范圍與原鍋爐不一致、風(fēng)力和風(fēng)量與排煙阻力匹配不夠等，僅通過調(diào)試無法徹底消除震動(dòng)。

(5)燃燒器的尺寸與原鍋爐接口不匹配

燃燒器頭的形狀和尺寸與鍋爐爐墻開口連接處不一致，對(duì)爐墻開口連接板進(jìn)行焊接改造，適應(yīng)安裝需要。因沒有相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)質(zhì)量難以保證。此種情況下，易出現(xiàn)鍋爐小負(fù)荷燃燒的“喘振”問題。

(6)火焰探測(cè)器(光眼)需增加冷卻風(fēng)

鍋爐改造完成后，運(yùn)行不到一周出現(xiàn)了光眼故障，檢查發(fā)現(xiàn)溫度過高導(dǎo)致光眼電子部件損壞，在增加了獨(dú)立冷卻風(fēng)機(jī)后，再未出現(xiàn)光眼故障問題。

(7)燃燒器程序控制器存在程序漏洞

燃燒器程序控制器在安全聯(lián)鎖觸發(fā)停車后，有時(shí)無法復(fù)位故障信號(hào)，需要停電重啟，程序控制器方能消除故障信號(hào)。供應(yīng)商技術(shù)人員反應(yīng)此問題在其它項(xiàng)目也有出現(xiàn)，初步判斷程序控制器存在程序漏洞，用戶無法對(duì)程序控制器程序進(jìn)行在線分析及修改。

(8)鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)存在漏項(xiàng)

鍋爐低氮改造方案不嚴(yán)謹(jǐn)，缺少撬裝設(shè)備工藝PID流程圖等設(shè)計(jì)變更資料支持，在對(duì)燃?xì)獍踩袛嚅y更換及燃?xì)夤艿篮附邮┕ぷ鳂I(yè)中，未預(yù)留安裝燃?xì)鈮毫﹂_關(guān)的工藝接口，造成安全聯(lián)鎖保護(hù)存在漏項(xiàng)。另外，燃燒器程序控制器的安全聯(lián)鎖應(yīng)包含原鍋爐液位聯(lián)鎖、出爐壓力聯(lián)鎖、流量聯(lián)鎖、排煙溫度聯(lián)鎖等，需要通過電氣接線改造實(shí)現(xiàn)。在電氣接線改造前，缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾姎鈭D紙?jiān)O(shè)計(jì)，部分信號(hào)未串入程序控制器外部安全保護(hù)鏈回路，導(dǎo)致鍋爐安全聯(lián)鎖保護(hù)存在漏項(xiàng)。

5.小結(jié)

鍋爐低氮改造重點(diǎn)關(guān)注鍋爐安全、環(huán)保、能效是否符合要求。燃?xì)忮仩t低氮改造的使用單位應(yīng)重點(diǎn)檢查燃燒器型式試驗(yàn)證書相關(guān)信息與實(shí)物是否一致，驗(yàn)證安全聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作可靠且不存在漏項(xiàng)，同時(shí)應(yīng)向地方特種設(shè)備檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)申請(qǐng)鍋爐外部檢驗(yàn)、鍋爐排放廢氣檢驗(yàn)檢測(cè)、鍋爐運(yùn)行工況能效測(cè)試。