燃气锅炉低氮改造技术探讨

王宪辉 李 钟

(北京大学动力中心,北京 100871)

燃气锅炉低氮改造技术探讨

王宪辉 李 钟

(北京大学动力中心,北京 100871)

分析了NOx污染现状和形成原因，从分级燃烧、燃烧机预混、烟气再循环等方面，介绍了燃气锅炉低氮改造技术，并通过实际案例表明，燃气锅炉低氮改造有效降低了氮氧化物的排放量。

燃气锅炉，低氮技术，氮氧化物，污染物

0 引言

近些年，空气污染成为人们热议的话题，主要有两方面原因：

1)随着我国经济不断向前发展，能源消耗和机动车保有量快速增长，较为粗放的经济增长方式带来了空气污染问题；

2)居民生活水平提高后，也开始更多的将注意力放在空气质量和自身健康问题上。影响空气质量的污染物主要包括粉尘,SO2,CO2和NOx等，其中NOx会引起产生酸雨、加剧温室效应、破坏臭氧层和产生光学烟雾等危害，对人们所处的环境造成严重污染，也会直接影响人体健康。燃料燃烧产生的NOx占人类活动产生NOx总量的90%，是大气污染物的主要来源之一。

1 概述

北京市从1998年开始进行燃煤锅炉清洁能源改造，持续推进多年后，目前燃煤锅炉总量约3万蒸吨，燃气锅炉约7万蒸吨。与之前比较，现在大气污染物构成比例发生了较大变化，燃煤锅炉时期主要是SO2、烟尘和NOx带来的污染，燃气锅炉为主时期减少了SO2、烟尘污染，但是NOx排放量却有所增加，带来了新的问题。肖云江等人在研究中提出燃气锅炉(热效率90%)提供1 GJ热量所产生的NOx是燃煤锅炉(热效率82%)的3.5倍。2015年，北京市NOx浓度达标情况为，年均浓度为50 μg/m3，与40 μg/m3的国家标准相比超标25%。根据北京大学气象站点的空气监测数据，PM2.5与NOx的变化趋势呈现强相关性，NOx排放是重污染形成的主要因素之一。

北京市的季节性污染特征明显，采暖季污染程度明显大于非采暖季，这其中有气候条件不利污染物扩散等方面因素，但重污染天气更主要的原因还在于季节性能源消耗产生的污染物排放，这种现象在整个北方地区都比较普遍。燃气锅炉作为北京地区冬季供暖的主要热源，所排放的NOx对大气污染的贡献率较大。

煤改气后燃气锅炉的降氮问题开始引起环保部门重视，北京市NOx的排放浓度限值较之前更为严格，2017年4月1日开始执行在用锅炉80 mg/Nm3的排放限值。王庆丰等对北京市85台小区集中供热燃气锅炉NOx排放情况进行了实测，测试数据表明：燃气锅炉NOx平均排放质量浓度为125 mg/m3。另据环保部门调查报告，北京市NOx排放均值浓度为153 mg/m3。这两组数据都表明，目前北京市的在用锅炉NOx排放达标困难。对比锅炉排放要求最严格美国加州(限值为30 mg/Nm3)，我们还存在较大减排潜力。

2 NOx的生成

燃料在燃烧过程中产生NOx可分为三种类型：热力型、快速型和燃料型，NOx主要成分是NO和NO2，其中NO占95%以上，它们的产生有着各自不同的机理。燃气锅炉产生的NOx主要是热力型NOx和快速型NOx。

2.1 热力型NOx

燃烧时温度高于1 500 ℃，空气中的氮在高温下氧化生成的NOx，即为热力型NOx。这种NOx只在高温下形成，其中的生成过程是一个不分支连锁反应，也被称为捷里多维奇反应式。

N2+O→NO+N

N+O2→NO+O

N+OH→H+NO

研究表明，决定NOx产生量的最主要变量是炉膛温度。当温度低于1 500 ℃时，热力NOx的生成量很少；高于1 500 ℃时，温度每升高100 ℃，反应速率将增大6倍～7倍。

2.2 快速型NOx

1971年，费尼莫尔(Fenimore)根据碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布实验结果，认为在反应区附近会快速生成NO，遂称其为“快速NO”，即费尼莫尔反应机理。快速型氮是在高燃料浓度燃烧条件下生成的。快速NO的形成与三个因素有关，即CH原子团的浓度及形成过程、N2分子反应生成氯化物的速率和氮化物间相互转换率。

CH+N2→HCN+N

N+H2→NH+H

NH+H2→NH3

HCN+O2→NO+HCO

2.3 燃料型NOx

燃料型NOx是燃料中固定氮在高温(600 ℃)氧化后生成的NOx，煤燃烧时约75%～90%的NOx是燃料型NOx，因此燃料型NOx是燃煤锅炉产生NOx的主要来源。而天然气中氮的含量非常少，基本可以忽略。

3 低氮改造技术

低氮改造主要在锅炉的源头和尾部进行，即燃烧控制和烟气处理。燃煤锅炉也可两种技术同时采用，对于燃气锅炉，低NOx燃烧技术是普遍采用的措施。根据NOx的生成机理，要想减少其生成量，最重要的就是控制燃烧过程的温度和时间，实际控制因素即为空气燃料比、燃烧区温度及分布、后燃烧区的冷却程度和燃烧机的形状设计等。

西方发达国家早在数十年前就遇到了NOx污染问题，其控制对策值得借鉴。燃气锅炉低氮燃烧技术发展到现在，主要通过分级燃烧、燃烧机预混和烟气再循环等技术手段和措施来进行低氮控制。

3.1 分级燃烧

分级燃烧技术的主要特点是燃料和空气分级送入炉膛。燃料分级是在主燃烧区送入大部分燃料，可在一次火焰区尾部形成一个富含NH3,CH,HCN的低氧还原区，已生成的NOx在通过该区域时，部分会被还原成N2。空气分级是将燃料燃烧所需空气分阶段送入炉膛，先将理论空气量的80%左右送入主燃烧器，形成缺氧富燃料燃烧区，在燃烧后期将燃烧所需空气的剩余部分以二次风形式送入，使燃料在空气过剩区燃尽。

分级燃烧能够确保燃料进行充分燃烧，同时大大降低烟气中NOx的生成，采用分级燃烧技术可减少60%左右的NOx排放。

3.2 燃烧机预混

预混燃烧是相对于扩散燃烧的另一种典型燃烧方式，根据预混氧化剂的含量是否能够使燃料完全燃烧，分为部分预混和完全预混燃烧两类。在燃烧前，燃料与氧气已经在燃烧器内充分混合，预混燃烧的燃烧温度高、燃烧强度大，对当量比可进行完全控制，由此能够实现对燃烧温度的控制，进而控制热力型NOx的生成。

在降低NOx生成方面，完全预混燃烧和部分预混都具有很大潜力，较之非预混燃烧可减少85%左右的NOx生成。不过，预混气体有着极高的可燃性，预混燃烧火焰稳定性差，有可能导致回火，回火现象控制不好，轻则影响燃烧机使用寿命，重则会给燃烧机带来灾害性后果。由于预混燃烧在安全性控制上存在一定技术困难，目前应用并不十分广泛。这项技术还会导致过量空气系数偏高，增加排烟损失、降低锅炉效率。

3.3 烟气再循环

燃烧产生的部分烟气，经冷却后再循环送回燃烧区，或与空气进行混合后送入燃烧区，由此降低氧浓度和燃烧区的温度，达到减少NOx生成量的目的，这种方式被称为烟气再循环燃烧技术。其原理是通过循环烟气的吸热作用降低火焰温度，稀释氧气浓度，降低燃烧速度，以减少热力型NOx生成。

烟气再循环技术主要减少的是热力型NOx，对燃气锅炉降氮效果最为显著，这是由于天然气的含氮量低，且NOx生成又以热力型为主。另外，该技术的使用效果与再循环烟气量也有关，烟气再循环率一般控制在10%～20%，若过高则会出现燃烧不稳定的情况，未完全燃烧热损失也会增加。经验表明，烟气再循环率为10%～15%时，燃气炉的NOx排放浓度可降低40%以上。

烟气再循环的控制方法是通过风机进口控制挡板来调节烟气再循环回收的烟气量，挡板由PLC通过4 mA～20 mA信号进行控制，通过回收烟气量与燃烧负荷整定出最佳燃烧曲线，实现自动控制，根据锅炉不同工况下运行状况自动调整烟气的回收量，以达到锅炉在不同负荷运行下，将NOx浓度控制在合理的范围内的目的。烟气再循环技术会在一定程度上降低锅炉的热效率，需要通过合理的回收和精准的控制将其影响降至最低。

烟气再循环技术可在一台锅炉上单独使用，也可和其他低氮燃烧技术配合使用，使得NOx排放更低。

4 改造案例

4.1 蔚秀园小区供热锅炉房

蔚秀园锅炉房供热面积约21万 m2，原有2台型号为WNS10.5-1.0/115/70-Q的燃气热水锅炉，锅炉是由重庆锅炉总厂生产的强制循环水管锅炉，并以清洁能源天然气作为燃料的热水锅炉，微正压运行方式。原锅炉燃烧器及其配套辅助设备由德国Weishaupt(威索)公司生产并提供技术支持，改造前的NOx排放浓度为150 mg/Nm3。

2015年10月月底完成低氮改造，采用德国elco(欧科)分体式DG-Tron6.13000 R型燃烧机，机械式比例调节，同时采用烟气外循环技术。低氮技术改造后，经检测锅炉NOx排放浓度降低至53 mg/Nm3，每年可减少2 673 kg的NOx排放。

4.2 燕北园小区供热锅炉房

燕北园锅炉房供热面积约11万 m2，原有2台型号为WNS7-1.0/115/70-YQ的燃气热水锅炉，锅炉是由无锡华光锅炉股份有限公司生产的强制循环水管锅炉，原锅炉燃烧机及其配套辅助设备由公司生产，改造前NOx排放浓度为150 mg/Nm3。

与蔚秀园小区同时完成低氮改造，采用德国elco(欧科)EK EV09.8700G-EU3比例调节燃烧机，风机与燃烧机一体式，全电子比例调节，调节比例为1∶8，同时采用烟气外循环技术。低氮技术改造后，经检测锅炉NOx排放浓度降低至52 mg/Nm3，每年可减少1 470 kg的NOx排放。

5 结语

北京市的氮氧化物污染治理工作面临着严峻考验，政府部门已多次提高锅炉大气污染物的排放标准，还加大了检查力度和超标排放处罚力度，以罚促改、以查促治。目前，锅炉低氮技术已日趋成熟和完善，各有关企业应积极响应政府号召，尽快完成低氮改造，减少氮氧化物排放，履行环保社会责任，争取早日还北京以蓝天。

[1] DB 11/139—2015，锅炉大气污染物排放标准[S].

[2] 王庆丰,杜红波,刘进荣，等.北京市小区集中供热燃气锅炉NOx排放现状及分析[J].暖通空调,2016(5):67-69.

[3] 苏 毅,揭 涛,沈玲玲，等.低氮燃气燃烧技术及燃烧器设计进展[J].工业锅炉,2016(4):17-25.

[4] 肖云江,陈 刚,张 越.煤改燃后锅炉的NOx排放对比浅析[J].安徽建筑,2015(3):191-192.

[5] 陈伟霖.燃气锅炉增容与低氮燃烧改造设计方案及应用[J].热力发电,2014(6):127-131.

Discussion on low nitrogen transformation technology of gas fired boiler

Wang Xianhui Li Zhong

(PowerCenter,PekingUniversity,Beijing100871,China)

This paper analyzed the pollution situation and causes of Nox, from staged combustion, premixed combustion machine, flue gas recirculation and other aspects, introduced the low nitrogen transformation technology of gas fired boiler, and through the actual case showed that the low nitrogen transformation of gas boiler effectively reduced the emission of nitrogen oxides.

gas fired boiler, low nitrogen technology, nitrogen oxides, pollutant

1009-6825(2017)05-0203-02

2016-12-04

王宪辉(1981- )，男，工程师； 李 钟(1967- )，男，高级工程师

TU761.2

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