超低氮燃烧技术在燃气锅炉上的研究与应用

娄彦龙

上海碳索能源服务股份有限公司

0 引言

根据全国各地陆续出台的锅炉废气排放标准，NOx 排放限值降低至50 mg/m3甚至30 mg/m3以下。加快推进全国中小锅炉提标改造超低氮排放工作，进一步减少污染物排放，改善空气环境质量，势在必行。

1 概述

超低氮燃烧技术是目前市场上应用较为普遍的新技术，燃气锅炉超低氮改造技术主要分为燃烧中和燃烧后的NOx 控制。通常国际上把燃烧中NOx控制措施统称为一次措施，把燃烧后的NOx控制措施统称为二次措施，即末端烟气脱硝治理技术。本文主要分析燃气锅炉领域NOx 的排放现状及产生机理，介绍在中小型燃气锅炉燃烧过程中常用的超低氮燃烧技术及案例应用。

2 NOx的排放现状及产生机理

燃料在燃烧过程中产生NOx可分为三种类型：燃料型、热力型、快速型。NOx的主要成分是NO和NO2,其中NO 的比例＞95%，废气排入空气后，NO会迅速氧化为NO2，因此环境空气的污染指标以NO2为主。两者的产生分别有各自不同的机理，燃气锅炉产生的NOx主要是热力型NOx

2.1 燃料型NOx

燃料型NOx 是燃料中的氮元素在650 ℃以上高温环境中氧化生成的，由燃料中的氮元素挥发至离子状态后与高浓度O2化合而成。由于目前市场上的天燃气氮含量极少，基本上可以忽略。

2.2 热力型NOx

空气中的氮元素在900 ℃以上高温下持续氧化生成的NOx，即为热力型NOx。该类型NOx 由于只在高温中形成，而且其生成过程是一个不分支连锁反应，即捷里多维奇反应式，见式（1）～（3）：

通过大量相关实验研究，得出一个结论：NOx产生量的重要决定性因素是燃烧器的燃烧温度。在900～370 ℃温度区间时，NOx 的生成速率比较缓慢；但是当温度升到1 600 ℃以上时，NOx 即快速上升，之后温度每提高90～110 ℃，反应速率也将增大5～8倍。

2.3 快速型NOx

历史上，Fenimore做过碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布实验，该实验结果表明：在反应区附近可能会快速生成NOx，即称其为“快速NOx”，即我们通常说的费尼莫尔反应机理。快速型NOx 是在高浓度天燃气燃烧条件下产生。它的形成主要由三个影响因素，即CH原子团的浓度及形成过程、氮气分子反应生成氯化物的速率和氮氧化物间相互转化率，相关反应式如式（4）～（7）所示：

3 超低氮燃烧改造技术

超低氮燃烧改造技术主要从燃气锅炉的燃烧源头着手，即通过燃烧过程中控制。根据第2 部分详述的NOx 生成机理，若要降低其生成量，最重要的手段是控制燃烧过程的温度和时间。其主要的影响控制因素分别为空燃比、助燃空气的温度、燃烧区温度场分布、后燃烧区的冷却状态和燃烧器机头的内部结构布局等。详见以下4 种超低氮技术。

3.1 浓淡燃烧技术

浓淡燃烧，是人为将整个燃烧过程区分为若干个不同空燃配比的阶段，使燃烧过程分别在过浓燃气区、过淡燃气区和燃尽区分阶段完成。主要目的是延缓燃尽，降低燃烧高温区的温度以减少NOx的生成，进而使NOx生成量持续降低。

3.2 分级燃烧技术

燃料的分级燃烧技术，即所谓的再燃烧技术，其特点是将燃烧过程分成3 个区域：第一燃烧区主要是氧化性或弱还原性气氛；第二燃烧区，由于炉内的二次燃料送入，使其表现为还原性气氛。在高温和还原环境中，生成CH.，该原子团与第一燃烧区生成的NOx 反应，主要生成N2。在第二燃烧区的上方，送入的二次风使燃料再次燃烧完全，此区域即为燃尽区，该部分的二次风也称为燃尽风。燃尽过程中虽然会再次生成少量的NO，但从总体看，采用分级燃烧技术后，燃气锅炉的NOx 最终排放量还是呈现明显降低的趋势。

3.3 超级混合技术

超级混合燃烧技术是另一种典型燃烧形式，主要分为部分混合和超级混合燃烧。超级混合燃烧是指燃烧前，天燃气与O2已经在燃烧器内进行充分混合，这种技术的燃烧温度高、强度大，对当量比可进行完全控制，进而能够实现对燃烧温度的控制，从而控制热力型NOx的生成量。

因此在降低NOx生成方面，超级混合燃烧技术具有很大的优势，相比较于非混合燃烧技术，至少可降低80%左右的NOx生成量。

3.4 烟气再循环（FGR）技术

FGR 技术即从锅炉出口烟道上抽取部分烟气（低温段）与助燃空气在充分混合后再送进锅炉炉膛燃烧。FGR技术不但可降低燃烧温度，而且能降低O2浓度，该技术在燃料为天燃气时可以降低40%～60%左右的NOx的量。

主要原理为：通过燃烧气氛中O2/CO2体积比对NOx 生成量及NO/NOx 的比率的显著影响。当过量空气系数为1时，NOx的排放随O2/CO2体积比的变化情况见图3-1。

图3 -1 NOx量随O2/CO2体积比的变化图

从图3-1 中可以看到NOx 的排放量随O2体积比的升高而增加，且增加幅度很大。这是因为在燃烧过程中，N基本是以HCN的形式存在，HCN在贫氧与富氧情况下与O2的总反应如式（8）-式（15）所示：

由式（8）和（9）可见，贫氧条件下，HCN 最终生成N2；富氧条件下，则生成NO，O2浓度的增加促进N到NOx的转化。

由式（10）至式（15）可见，在较低温度下，较高CO2浓度往往促使部分CO 的生成，CO 直接还原NO 的同时生成C＊活性基团，C＊活性基团则作为催化还原剂，使NO 被还原为N2，从而降低NOx的生成。

4 技术应用（实例）

4.1 上海某卷烟厂蒸汽锅炉超低氮改造

上海某卷烟厂锅炉房原有2台蒸发量20 t/h 威曼双炉胆燃气蒸汽锅炉，每台锅炉配置2台燃烧器。每台燃烧器功率7 900 kW，锅炉工作压力1.15 MPa，进水温度为104 ℃，饱和蒸汽温度209 ℃，改造前的NOx排放浓度为108 120 mg/Nm3～120 mg/Nm3。

2019 年9 月底完成超低氮改造，采用国内上海华之邦分体式W-SLG10-AB 型低氮燃烧器，电子比例式调节，同时采用烟气外循环技术。此燃烧器经技术改造后，经检测锅炉NOx排放浓度降低至40 mg/Nm3，单台锅炉的NOx减排量为1 920 kg/年。

4.2 宝龙集团真空热水锅炉超低氮改造

上海宝龙集团奉贤、七宝、嘉定、曹路、泥城、华新等6个基地原有24台真空热水锅炉，锅炉由浙江上能锅炉有限公司提供的真空热水锅炉，并以洁净的天然气作为能源，进/出口温度为50 ℃/60 ℃，出水压力1.6 MPa，改造前的NOx排放浓度为150 mg/Nm3。

2019 年9-12 月底陆续完成超低氮改造，采用国外进口意大利百得一体式TBG LXME FGR 型超低氮燃烧器，电子比例式调节，同时采用烟气外循环技术。此技术改造后，经检测，锅炉NOx 排放浓度降低至50 mg/Nm3，整个集团锅炉的NOx减排量约为7 800 kg/年。

5 总结

《打赢蓝天保卫战三年行动计划2018-2020年》的发布，NOx 污染治理工作依然面临着严峻的考验，全国各地的政府部门不仅陆续提高锅炉大气污染物的排放标准，排放限值普遍定在3 050 mg/Nm3～50 mg/Nm3，而且还加大了检查力度和超标排放的处罚力度，以罚促改、以查促治、以治提升环境，形成一个有效的闭环。

具体的改造实例，验证了通过更换低氮燃烧器+FGR 技术，可以将中小型蒸汽及热水锅炉的NOx排放降低至50 mg/Nm3以下。