中小型燃气锅炉低氮改造技术及改造的问题

＊李 磊

（中海石油（中国）有限公司上海分公司 上海 200335）

1.NOx的生成机理

在燃烧过程中形成的NOx主要为NO和NO2。根据燃烧中生成的NOx机理不同，主要分为“热力型NOx”“快速型NOx”和“燃料型NOx”三种。

热力型NOx。燃烧过程中，氮气在高温下持续氧化生成的NOx，即为热力型NOx。捷里道维奇机理：当温度低于1500℃时，热力NOx的生成量很少；高于1500℃时，温度每升高100℃，反应速度将增大6-7倍，NOx的生成呈指数上升趋势[1]。过剩空气系数影响氧气浓度和燃烧温度。当过剩空气系数接近1.0时，NOx生成浓度最大。因为当过剩空气系数远小于1.0时，燃料过浓，氧不易与氮气生成NO。而当过剩空气系数远大于1.0时，燃烧温度降低，NO也减少。

快速型NOx。快速型NOx是由于燃料中碳氢化合物高温分解生成的CH自由基，CH自由基破坏空气中N2分子键，生成HCN、NH、N，再与火焰中的O、H等原子基团反应生成NO。HCN是快速型NOx生成化学反应的中间产物。过剩空气系数是快速型NOx生成的决定因素，当过剩空气系数大于1.0时，基本不生成快速型NOx。快速型NOx的生成量占比不足5%，不是燃气锅炉NOx排放的主要来源[2]。

燃料型NOx。燃油中有部分氮化合物，燃油时会生成部分燃料型NOx。煤燃烧时约75%～90%的NOx是燃料型NOx。天然气基本不含氮化合物，因此，燃气锅炉基本不需要考虑燃料型NOx的影响。

2.低氮改造技术

(1)烟气再循环

烟气再循环是最为广泛应用的燃气锅炉低氮改造技术之一，通过提取一部分烟气送回燃烧区，利用惰性气体稀释燃烧区氧浓度、降低燃烧区温度，从而降低燃烧过程NOx的生成。烟气再循环分为外部循环和内部循环，内部烟气再循环需通过燃烧器与炉膛总体结构化设计，通过燃烧器和炉膛的结构化设计，主要燃气和空气的高速射流卷吸效应，使得烟气在炉膛内形成回流，参与二次燃烧。外部烟气再循环通过一个外部管道，连接烟道、空气风门两侧，使得烟气与空气进行混合后，进入燃烧区。

(2)空气分级燃烧

空气分级燃烧通过燃烧器喷射口分层、分段布置，实现空气分阶段与燃料混合燃烧。第一阶段燃烧得不到充分的氧气，形成贫氧燃烧区，对NOx生成有着明显的抑制作用。第二阶段的剩余空气在进入炉膛后，与“贫氧燃烧”后的烟气混合再次燃烧。空气分级燃烧方案中燃料最终还是完全燃烧了，但燃烧过程中的火焰峰值和平均温度大幅降低，使得NOx产生量大幅减少。

(3)燃料分级燃烧

NOx与烃基加上一氧化碳、氢气等在一定还原性环境中，发生反应变回氮气，这是燃料分级燃烧应用的理论基础。燃料分级燃烧技术，将燃料分两个阶段供给燃烧。大部分的燃料进入一级燃烧区，形成了一个有过量空气的富氧燃烧区域，有助于降低火焰的温度；少部分的燃料进入二级燃烧区，在过剩空气系数小于1.0的条件下，不充分燃烧形成还原性环境，NOx与烃基加上一氧化碳、氢气等进行化学反应生成氮气。空气分级燃烧和燃料分级燃烧都是分级扩散式燃烧。当前，最为常见的中小型燃气锅炉低氮改造方案是分级扩散燃烧+烟气外部再循环综合方案。

(4)预混燃烧

预混燃烧是相对于扩散燃烧的另一种典型燃烧方式。预混技术是空气、燃料在进入燃烧区之前进行充分混合，从而使燃烧速度不再受限于气体扩散速度等物理条件，燃烧速度更快，火焰小且分布更均匀，火焰的最高温度大幅降低。

①水冷预混燃烧低氮燃烧器。火焰根部采用高传热系数的水冷壁，布置于火孔板夹层中，将火孔板喷出的预混火焰所产生的高温迅速带走，有效抑制热力型NOx，降低了NOx的排放。因涉及水冷循环系统特殊设计，仅适用于新建锅炉。

②全预混金属纤维网燃烧器。燃气空气混合物在透气性均匀的金属纤维网燃烧头表面进行燃烧，形成无数蓝色火苗组成的火面，发热均匀，热交换效率高，避免了燃烧区局部高温出现，也称之为面式燃烧。

预混燃烧存在不利因素，因预混燃烧器的多孔分布或金属纤维网结构，空气清洁度较差或存在空气冷凝水时，易发生燃烧器堵塞，燃烧火焰稳定性差的同时，如果供气速度小于火焰传播速度，就会导致回火及爆燃，甚至造成爆炸。

3.低氮改造实例中的仪控策略

（1）程序控制器。进口燃烧器配套的程序控制器为模块化控制器，配套一个LED显示功能的控制指示器，控制指示器用于燃烧器曲线等参数设置及故障信息代码查询，无法提供可编程和良好人机界面服务。

（2）锅炉安全联锁保护。锅炉低氮改造后，锅炉的液位控制、出炉压力等联锁保护仍有原PLC控制，通过PLC柜内的安全联锁回路链串入程序控制器内实现燃烧器安全停车，此类联锁报警及时间信息可通过原PLC配套触摸屏直观显示，并通过PLC与DCS的通讯实现在中控操作站上直观显示。燃烧器本机联锁保护在燃烧器程序控制器上实现，如燃气阀组泄漏、燃气压力高、风压力低等安全联锁停炉及报警信息必须到现场程序控制器配套控制指示器上查阅代码，设备维护效率低。

（3）锅炉负荷控制。锅炉负荷控制可采用内部负荷控制（负荷控制的PID运算由程序控制器完成），也可以采用外部负荷控制（负荷控制的PID运算由外部比例调节仪完成）。部分燃烧器程序控制器只提供PT100 RTD电阻输入节点，用于连接锅炉出水温度输入，但无法连接锅炉出口压力的mA信号，此时需要采用外部负荷控制。比例调节仪根据锅炉出口压力的mA信号与设定值偏差进行PID运算，将PID输出mA信号传至程序控制器。程序控制器再把相应的开度信号分别送至风门、燃气门、FGR阀门伺服电机。

4.燃气锅炉低氮改造的主要问题

(1)程序控制器调试两种燃烧曲线与型式试验不符

天然气处理装置需要蒸汽用于天然气脱碳，脱碳前，天然气中二氧化碳含量35%左右，脱碳后，天然气中二氧化碳含量2.8%左右。燃烧器使用脱碳后燃料进行调试，在天然气装置投产前，因燃料的二氧化碳含量高达35%，蒸汽锅炉无法点火和稳定燃烧。燃烧器程序控制器包含了燃气和燃油两种燃烧控制模式，调试燃油燃烧曲线来控制脱碳前的燃气燃烧，通过燃料选择开关切换两种燃烧曲线，可适应两种燃气工况燃烧。此方案，虽然解决生产难题，但存在一个合规性的问题。燃烧器的型式试验报告仅包含燃气燃烧型式试验合格报告，并未对燃油燃烧模式做型式试验。

(2)燃烧器的主要配件与型式试验不符

燃烧器的型式试验报告不仅包含燃烧器的型号，还包含程序控制器、燃料安全切断阀、风机电机、伺服马达等主要配件信息。从多处项目中发现，改造项目中的燃料安全切断阀和风机电机与型式试验报告中型号不符，主要原因是，锅炉原有配置的风机电机、安全切断阀与燃烧器是分体的，且可以满足配套新型燃烧器基本功能要求，又是高价值配件，就保留原配件使用。

(3)燃烧器的主要配件防护等级不符合现场使用要求

如伺服马达防护等级为IP54，主要满足锅炉厂房内使用；而工业锅炉设备多半为露天安装，工厂设计中对电器设备防护等级要求是IP65。

(4)小负荷燃烧时出现“喘振”问题

低氮改造后，锅炉燃烧载位在0～35%时，空气进气量忽高忽低，鼓风机存在“喘振”现象，行程在处于36%～100%时，“喘振”消失。主要原因在于燃烧器与锅炉匹配度不够导致，如燃烧器适应的负荷范围与原锅炉不一致、风力和风量与排烟阻力匹配不够等，仅通过调试无法彻底消除震动。

(5)燃烧器的尺寸与原锅炉接口不匹配

燃烧器头的形状和尺寸与锅炉炉墙开口连接处不一致，对炉墙开口连接板进行焊接改造，适应安装需要。因没有相关检测标准，现场焊接作业质量难以保证。此种情况下，易出现锅炉小负荷燃烧的“喘振”问题。

(6)火焰探测器(光眼)需增加冷却风

锅炉改造完成后，运行不到一周出现了光眼故障，检查发现温度过高导致光眼电子部件损坏，在增加了独立冷却风机后，再未出现光眼故障问题。

(7)燃烧器程序控制器存在程序漏洞

燃烧器程序控制器在安全联锁触发停车后，有时无法复位故障信号，需要停电重启，程序控制器方能消除故障信号。供应商技术人员反应此问题在其它项目也有出现，初步判断程序控制器存在程序漏洞，用户无法对程序控制器程序进行在线分析及修改。

(8)锅炉安全联锁保护存在漏项

锅炉低氮改造方案不严谨，缺少撬装设备工艺PID流程图等设计变更资料支持，在对燃气安全切断阀更换及燃气管道焊接施工作业中，未预留安装燃气压力开关的工艺接口，造成安全联锁保护存在漏项。另外，燃烧器程序控制器的安全联锁应包含原锅炉液位联锁、出炉压力联锁、流量联锁、排烟温度联锁等，需要通过电气接线改造实现。在电气接线改造前，缺乏严谨的电气图纸设计，部分信号未串入程序控制器外部安全保护链回路，导致锅炉安全联锁保护存在漏项。

5.小结

锅炉低氮改造重点关注锅炉安全、环保、能效是否符合要求。燃气锅炉低氮改造的使用单位应重点检查燃烧器型式试验证书相关信息与实物是否一致，验证安全联锁保护动作可靠且不存在漏项，同时应向地方特种设备检验机构申请锅炉外部检验、锅炉排放废气检验检测、锅炉运行工况能效测试。