中小型燃气锅炉低氮改造技术分析

汪鲁成 张 鹏

（菏泽旭阳锅炉设备有限公司，山东 菏泽 274000）

1 NOx的生成机理

氮的氧化物（NOx）是大气污染物之一，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。

1）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。

2）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]。

3）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。

锅炉低氮燃烧改造主要有两种方式，一是加装低氮燃烧器，另一种是更换低氮排放的燃气锅炉，两种方式均可降低锅炉尾气中氮氧化物浓度，实现达标排放。由于加装低氮燃烧器的改造方式投资小、工程简单、技术较成熟，多数单位采用加装燃烧器的改造方式。

2 案例分析

某公司现有中小燃气锅炉五台，燃气蒸汽锅炉基础NOx排放为80mg/m3左右，需要通过提标改造降低至50mg/m3以下。NOx排放的控制可通过抑制热力型和燃料型的NOx来实现。当燃料为天然气时，由于天然气氮含量较低，热力型的NOx是唯一可在实际中被控制的成分。燃烧修正通过降低火焰温度来实现，对降低热力型NOx是最为有效的。

通过综合评定，决定采用更换低氮燃烧器+烟气外循环的技术路线，在实现低氮燃烧烟气内循环的前提下，辅助烟气外循环。通过掺混烟气至空气中降低了助燃空气中氧的浓度，从而降低燃烧火焰温度200℃，抑制热力型NOx产生，将NOx的排放浓度降低了30mg/m3，使总的排放浓度达到上海市排放标准50mg/m3以下，最优值可达到28mg/m3。由此可见，燃气锅炉NOx排放浓度仍具有进一步降低的潜力可挖。

3 中小型燃气锅炉低氮改造要点分析

3.1 燃烧器的选型

将现有锅炉燃烧器更换为低氮型燃烧器以改善炉膛内烟气内循环。燃烧器选型要考虑以下4点。

1）燃烧火焰长度、宽度、刚度尺寸是否与炉膛尺寸相匹配、深入炉膛内部尺寸是否匹配烟气内循环要求，因为燃烧器火焰过大会造成水冷壁直接接触火焰而受损。以本项目50t/h燃气锅炉为例，炉膛尺寸长11520mm，宽2600mm，高2600mm，燃烧器选型时核对燃烧火焰试验参数，并与锅炉制造厂沟通取得技术匹配的认可；

2）现有前墙受热面对安装尺寸的适配程度。采用烟气内循环的燃烧器需要深入一定的长度，让火焰根部形成稳定的回流区以提高燃烧稳定性；

3）燃烧器风道、燃气管道、点火电极、PLC等接口是否匹配，有差异的需要在生产前沟通清楚；

4）燃烧器阀组型号能否重复利用，并匹配新的燃烧器控制系统。

3.2 燃烧器的更换

燃烧器的更换要注意：燃烧器法兰螺栓孔与原有锅炉前面板螺栓孔是否匹配，防止燃烧器到场后装配不上；燃烧器固定完成后，要对燃烧器与锅炉前面板之间的间隙进行二次密封；燃气主管道开孔前一定要做好安全准备，彻底放空燃气管中的残余燃气，并用可燃气体报警器在放散管处测量无误后再进行开孔作业，防止出现燃气爆燃现象；燃烧器更换后，可能会出现原有燃烧器到控制柜之间的电缆（含电源线、控制线）不匹配现象，需要重新布线，以前的原有电缆大部分都是埋地的，如需新布线建议增设桥架，不破坏现有装修地面；燃烧器控制柜与锅炉控制柜之间的连接、锅炉控制柜与DCS监视系统的连接要充分考虑锅炉控制系统匹配的完整性和可靠性。

3.3 再循环风机的选型

再循环风机选型要核对再循环风机的风压、风量是否符合设计要求，原有配电系统由于电动机功率的增加，其出线分配是否需要改变。

3.4 再循环烟风道的要求

再循环烟风道要考虑：钢板材质、厚度是否符合设计要求；烟风道肋板规格、距离是否符合设计，防止震动产生噪声；再循环风道需埋地部分，要对预制风管进行煤油渗透试验以确认严密性，埋地钢板风道外部要做防腐；由于空气与富含水蒸气的烟气掺混，混风箱、风道需设置低位自动疏水、水封装置。

3.5 热控电气系统的要求

热控电气系统要考虑：敷设增加的控制及动力电缆是否满足现场设备的需求，同时根据烟气外循环系统对锅炉控制逻辑要求升级改造并进行相应的调整试验。

3.6 调试的要求

燃烧器的调试应在燃烧器制造单位或其授权单位的技术人员现场指导下进行，锅炉使用单位应确保无关人员不得在锅炉附近聚集；燃烧调整主要根据中心环开度、外环开度、鼓风机频率确定基本燃烧情况，参考值为烟气在线监测系统CO含量不超过10mg/m3；辅助调节再循环风机频率、再循环风门开度、鼓风机开度来调节燃烧助燃风中氧含量、风燃比，以达到控制NOx排放值不超过50mg/m3的目标；调试过程中要时时监测烟气成分、火焰形状和颜色，防止燃烧不稳定造成事故，监视烟气中氧含量浓度不低于2.0mg/m3；调试结束时氧含量浓度推荐区间为2.0～4.0mg/m3，这样既可保证冬夏季稳定燃烧，又能减少烟气热损失，从而保障锅炉热效率。

4 中小型燃气锅炉低氮改造的影响

第一，锅炉热效率下降。由于炉膛燃烧温度降低、辐射换热减少、尾部烟气流量增加、对流换热量增加，锅炉整体效率存在降低的可能性。

第二，燃烧器二次风门调节杆的选型。进口燃烧器通常是采用锁紧螺栓将二次风门调节杆锁紧设计，是常规风量风压下的标准调节方式。由于中国市场氮排放要求高，采用烟气外循环技术改造的项目为更好地降低氮化物排放，在选择风机时风量风压都要大于欧洲标准。此外，针对锁紧螺栓紧固方式不可靠问题，了解到二次风门调节精度不需过小，通常卡扣式的手柄固定装置就能将把手与刻度盘卡扣在一起做好固定，以避免风量风压过大时导致二次风门调节杆打滑的可能性。

第三，对燃烧的影响。燃烧调整结束后需再次确认火焰形状和颜色，确保火焰燃烧状况良好。杜绝燃烧不充分出现积炭现象。黑色可燃物积聚在炉膛底部、四面水冷壁会影响锅炉换热效率、减少锅炉出力，严重的会导致水冷壁流动变慢、局部管道过热，损伤到管道本体，可燃物积存还会形成爆燃隐患。

5 结束语

总之，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。