燃气锅炉低氮排放技术改造实践

朱恒刚

摘 要：根据国家《大气污染防治行动计划》、上海市《锅炉大气污染物排放标准》新的要求，从2020年1月1日起，所有燃气锅炉氮氧化物排放水平应控制在50 mg/m3以内，为响应政府号召，根据某大楼实际情况，对大楼使用的4台燃气锅炉进行低氮排放改造，选择了加装烟气循环FGR系统，以减低氮氧化合物的排放，经过一段时间运行，第3方检测，达到了国家规定的锅炉氮氧化物排放水平应控制在50 mg/m3以内。

关键词：锅炉燃烧器;低氮排放;技术改造

中图分类号：TU995    文献标志码：A

0 引言

近年来上海市进行的清洁能源替代工作，有力地支撑了上海环境空气质量的改善。上海市SO2、PM10和PM2.5年均浓度降幅显著分别下降48%、27%和25%。与此同时上海市NOx的下降幅度偏小，仅为14%。这样的环境空气质量变化是由于上海市能源结构调整和清洁能源替代工作促成的。消减煤炭消费量、降低汽柴油中硫含量等措施是环境空气中SO2、PM10和PM2.5浓度降低的重要原因。

1 项目概况

1.1 改造背景

该项目为上海国贸中心锅炉低氮改造工程，目前大楼使用的4台HX102S锅炉均为英国克莱斯顿锅炉厂1990年出产的蒸汽锅炉，锅炉蒸发量为4 t/h，额定蒸汽温度为183℃，锅炉工作压力1.0 MPa。改造前实测氮氧化物排放水平约为128 mg/m3，基本符合上海市《锅炉大气污染物排放标准》（DB31/387—2014）中规定的低氮氧化物排放低于150 mg/m3要求。

1.2 改造依据及改造要求

2018年上海市为贯彻《中华人民共和国环境保护法》、《中华人民共和国大气污染防治法》和《上海市环境保护条例》，加强对锅炉大气污染物的排放控制，对《锅炉大气污染物排放标准》（DB31/387—2014），进行了修订，规定到2020年9月30日，在用锅炉执行表1规定的排放限值。自2020年10月1日起，在用锅炉（生物质燃料锅炉除外）执行表2规定的排放限值。

据此要求，对大楼使用的4台锅炉进行低氮改造，以达到上海市《锅炉大气污染物排放标准》（DB31/387—2014），修订版的要求即氮氧化物排放低于50 mg/m3。

1 工艺改造方案

1.1 改造方案分析

燃气锅炉由于天然气的理化特性导致其主要的污染物为氮氧化物。主要通过改进燃烧技术来降低燃烧过程中NOx的生成与排放，其主要途径有：降低燃料周围的氧浓度，减小炉内过剩空气系数，降低炉内空气总量，或减小一次风量及挥发分燃尽前燃料与二次风的混和，降低着火区段的氧浓度;在氧浓度较低的条件下，维持足够的停留时间，抑制燃料中的氮生成NOx，同时还原分解已生成的NOx;在空气过剩的条件下，降低燃烧温度，减少热力型NOx的生成。低氮燃烧技术一般可使NOx的排放量降低30%～60%。

在燃气燃烧器的设计及布置方案中有3点。1）燃料分级：有烟气内循环、燃气和空气高速差配合等类型;燃料分级，即燃料分成如果干股注入较大的燃烧空间中进行燃烧，释放的热量被较大空间内的烟气吸收，从而使烟气的温度得到降低，该技术也称为“火焰分割”。相比较于中心单喷头的扩散火焰而言，燃料分级（火焰分割）的技术措施能明显地降低烟气的核心温度。2）空气分级：有燃烧器喷嘴的空气分级和炉膛空间上的空气分级;空气分级，即空气分成如果干股喷入，实现燃气和空气在燃燃烧过程中有不同的空燃比。a）一种是燃气喷头中将空气分为如果干圈。b）一种是在炉膛空间上空气分级，即燃烧器的主燃区为贫氧燃烧，空气分阶段地注入，从而使气体燃料分阶段地燃烧、逐渐地释放热量，最終降低烟气温度。核心机制在于：通过空气分级、造成气体燃料的不完全燃烧，同时不完全燃烧的烟气产物又能在一定程度上促进燃料型NOx的还原制：NOx+CO==CO2+N2;NOx==XN HCN，CN>N2）燃料分级和空气分级对NO生成量的影响可以从图1的曲线中得到直观的了解到偏离正常空燃配比时会对NOx的降低有较大的作用。3）烟气再循环：有传统烟气再循环和O2/CO2烟气再循环。

烟气再循环，通过从尾部排放烟气抽取一部分比例的烟气与空气混合，从而降低了助燃气体的氧气浓度，在降低了化学反应速率的同时，降低了火焰核心温度，从而避免大量热力型NOx的生成。另外，再循环烟气中包含的NOx气体可以通过N+NO反应来降低NO的生成量，且氧气浓度的降低也能驱使NO反应体系的化学平衡朝NO生成量减少的方向偏移。

2.2 工艺改造技术——FGR烟气再循环技术

燃气锅炉低氮燃烧改造中，烟气再循环技术FGR是其中常用改造技术之一。

将部分烟气回收进入燃烧器再次利用，进入炉膛的热风可以提高效率，更节能。并在烟气口增加蝶阀。气再循环原理：将部分低温烟气直接送入炉内，或与空气（一次风或二次风）混合送入炉内，因烟气吸热和稀释了氧浓度，使燃烧速度和炉内温度降低，因而热力NOx减少，可减少60%～70%，一般烟气外循环FGR量不超过15%。图2为FGR系统示意图。

该大楼根据现场情况以及技术要点，采取低氮燃烧器+烟气循环FGR系统，在进行控制器、燃烧器的改进，燃烧器没有全部更换，进行局部更换，既达到降低氮氧化合物的排放，也节约改造成本。

2.3 工艺改造方案实施

更换上英国腾飞首创特殊设计的多火焰喷嘴，燃烧器的主火焰由多股小火焰组成，均匀地降低火焰表面温度，避免局部高温的产生，由此减少NOx的产生，如图3所示。

低氮设计加长了燃烧筒长度，可以在火焰根部形成烟气内循环。在热力学作用下，燃余烟气在区域3被引流回火焰中心，该股回流烟气可形成贫氧燃烧、减缓燃烧过程，从而降低火焰中心温度和超低NOx浓度。

加裝烟气循环FGR系统：在燃烧器低氮改造的基础上，根据现场使用情况定做设计烟气循环FGR系统（如图4所示），将合适温度合适量的烟气从锅炉烟道处引入燃烧器与助燃风充分混合，进一步降低NOx的排放。

将部分燃烧烟气吸回，进入燃烧器，与空气混合燃烧，形成贫氧混合空气参与燃烧，既能有效降低火焰温度，又能破坏形成氮氧化物的各分子按比例相遇的概率。由于烟气再循环，燃烧烟气热容量大，燃烧中心温度降低，NOx减少幅度明显[1]。

控制系统改造：燃烧器运行控制采用RatiotronicTM6000系列燃烧程序控制器，该RatiotronicTM6000系列由英国DUNPHY燃烧器公司与英国ETC公司共同研发。其优点在于可以精确控制燃烧器的运行，高度的机电一体化，迅速接收反馈信号快速调节，保持最佳高效的运行;配置的燃料控制步进电机、助燃风控制步进电机、FGR控制步进电机实现各种空/燃比独立调整，在低氮燃烧系统中能精确控制燃气燃油、助燃风、FGR回流烟气间的协调运行，达到最佳燃烧状态，节约了能源，大楼改造设备清单表见表3。

2 改造效果

该工程于2019年10月23日完成工程改造，经上海市特种设备监督检验所对锅炉进行外部检验，符合相关要求检验合格。上海工业锅炉研究所有限公司对锅炉低氮排放和锅炉能效测试均符合DB31/387—2018和DB31/T1057—2017标准要求检验合格。

通过本次低氮排放的过燃烧器的改造、加装烟气循环FGR系统、改造控制系统，达到了上海市锅炉氮氧化物排放水平应控制在50 mg/m3以内的标准。

3 结语

该次改造不改动锅炉的承压部分，不取消或修改锅炉控制部分的安全联锁保护，由于增加了FGR的控制变量，运行控制采用RatiotronicTM6000系列燃烧程序控制器，该RatiotronicTM6000系列由英国DUNPHY燃烧器公司与英国ETC公司共同研发。其优点在于可以精确控制燃烧器的运行，高度的机电一体化，迅速接收反馈信号快速调节，保持最佳高效的运行;配置的燃料控制步进电机、助燃风控制步进电机、FGR控制步进电机实现各种空/燃比独立调整，在低氮燃烧系统中能精确控制燃气、助燃风、FGR回流烟气间的协调运行，达到最佳燃烧状态，节约能源。同时，RatiotronicTM6000系列控制器可监控火焰、阀组泄漏、压力温度、液位、燃气流量、风量变化等20余组参数，因此可以很好地满足锅炉的运行要求。改造后的锅炉运行工况良好，达到低氮环保要求。

参考文献

[1]张晓红.燃气锅炉低氮改造措施与应用效果[J].工程技术研究，2020，5（8）：12-13.