四角切圆燃气锅炉NOx减排放技术研究

姬海民，胡介旭，韩会亮，徐梦茜，张知翔，薛 宁，徐党旗，吴 博

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054；2.华能北京热电有限责任公司，北京 100020；3.中国石化塔河炼化有限责任公司，新疆 库车 842000；4.中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075）

截至2019年底，北京、天津、郑州、西安、山东、河南、乌鲁木齐、长三角、珠三角等地方政府出台政策要求新建天然气锅炉NOx排放质量浓度低于30 mg/m3，在用的天然气锅炉NOx排放低于80 mg/m3。针对这一政策，几乎所有天然气锅炉需要进行超低氮改造[1]。

目前市场上卧式燃气锅炉较多，燃烧器布置前墙呈“品”字型或“一”字型，降氮技术路线成熟[2]。而四角切圆燃气锅炉在国内很少，且NOx排放质量浓度较高（一般排烟处NOx达到400 mg/m3左右）。这主要是由于炉膛横截面积偏小、火焰伸展长度较短、火焰容易叠加等因素所致[3]。如何控制四角切圆燃气锅炉NOx排放是非常迫切的任务。

国内外学者对四角切圆燃气锅炉低氮排放研究甚少，大多数研究集中在卧式前墙布置型式的天然气锅炉低氮燃烧技术[4]、低氮天然气燃烧器结构型式[5]、低氮改造后对锅炉能效影响、烟气再循环对炉内燃烧的影响[6]等方面。

本文针对四角切圆燃气锅炉截面积小、NOx排放质量浓度高的特点，提出低氮燃烧器+燃尽风（OFA）+烟气再循环系统技术路线，并对该技术路线进行了数值模拟及工程试验。

1 四角切圆燃气锅炉结构特点

四角切圆煤粉锅炉在国内市场较多，但燃气锅炉燃烧器呈四角切圆布置型式的较少。由于该锅炉型式少见且控制NOx排放难度较大，国内很少对该问题予以关注。相比同样容量的锅炉，该型式锅炉横截面面积偏小。火焰伸展长度偏短，造成火焰集中且燃烧器火焰受炉内四角旋流作用，各只火焰混合重叠较为严重，造成热力型NOx生成质量浓度偏高[7]。以75 t/h燃气锅炉（表1）为例，对比不同燃烧器布置方式下火焰在炉内伸展、重叠以及热力型NOx生成特性，结果如图1、图2所示。

表1 75 t/h燃气锅炉结构参数对比Tab.1 Comparison of structural parameters of 75 t/h gasfired boilers

图1 燃烧器前墙布置火焰情况Fig.1 The flame in furnace with burners arranged in front wall

图2 燃烧器四角切圆布置火焰情况Fig.2 The flame in furnace with burners arranged in tangential circle

2 改造技术路线

目前新型低氮燃烧器一般采用燃料、空气分级分段燃烧技术，虽然在一定范围内能降低NOx排放，但效果有限（只能抑制30%热力型NOx生成[9]）。为了使燃气锅炉NOx排放控制在很低范围内，必须采用烟气再循环，降低氧化剂中的氧量（体积分数，下同），降低燃烧初期温度，从而抑制60%热力型NOx生成。该技术路线已成功应用在国内大多数燃气锅炉（燃烧器布置于前墙）改造[10]。但对于排放基数高、燃烧方式控制较为困难的锅炉，特别是本文提出的四角切圆燃气锅炉，采用上述技术路线很难控制NOx排放[11]。

针对四角切圆燃气锅炉进行低氮改造，借鉴燃煤机组低氮改造思路，提出采用低氮燃烧器+燃尽风+烟气再循环（FGR）技术路线进行模拟计算以及工程实施。

低氮燃烧器采用空气、燃气沿火焰轴向径向分级，保证火焰分层分区域燃烧，控制局部高温区域，从而降低热力型NOx生成[12]。燃料及助燃空气分3层，中心保证稳燃，外圈燃料高速射流拉长火焰卷吸周围烟气，抑制热力型NOx生成。低氮燃烧器结构如图3所示。

图3 低氮燃烧器结构简图Fig.3 The structural diagram of low NOx burner

燃尽风系统一方面主要将燃尽距离沿高度拉长，确保燃烧器区域在欠氧环境内混合燃烧，生成还原性气氛如CO或CHi烃类；将生成的NO还原成N2，控制热力型NOx生成[13]。另一方面燃烧区域氧量降低，抑制混合燃烧强度，从而大大降低燃烧温度，进而抑制热力型NOx生成。烟气再循环系统主要利用锅炉尾部低温烟气（φ(O2)=3.5%）与助燃空气混合，混合后（混合物的φ(O2)=18.5%）送入炉膛与燃料扩散燃烧，抑制燃烧强度及温度，进而控制热力型NOx生成[14]。

某动力车间75 t/h锅炉为无锡太湖锅炉厂生产制造的TH75-3.82/450-YQ型单汽包、Π型布置、自然循环锅炉。锅炉燃烧系统由4台燃气燃烧器组成。燃烧器在炉膛四角布置，燃烧器火焰为假想的切线圆。本文借助该锅炉研究低氮燃烧器、燃尽风、烟气再循环3种因素对燃气锅炉NOx排放影响。具体研究工况见表2。

表2 不同工况技术对比Tab.2 Technical comparison between different working conditions

3 数值模拟对比计算结果

本文对以上4种工况进行数值模拟研究，借助Solidworks软件建立三维模型，导入Gambit进行网格划分（图4）。利用Fluent商用软件进行燃烧数值模拟，模拟工况及边界参数见表3。

表3 模拟工况及边界参数Tab.3 The simulated operating conditions and boundary parameters

图4 四角切圆燃气锅炉网格模型(1:1)Fig.4 The grid model of tangentially-fired gas boiler (1:1)

工况1与工况2温度场分布、NOx质量浓度分布对比如图5、图6所示。从图5、图6可以看出，更换低氮燃烧器后（工况2），炉内流体混合动力场未发生明显变化，但燃烧区域局部高温区域减少，温度降低，生成的热力型NOx质量浓度降低。主要由于低氮燃烧器采用燃料空气特殊分级技术，使得燃烧火焰在炉内分布均匀，消除了局部高温区域。

图5 工况1与工况2温度场对比Fig.5 Temperature fields under working condition 1 and 2

图6 工况1与工况2的NOx体积分数模拟结果对比Fig.6 The simulated NOx volume fractions under working condition 1 and 2

工况3与工况4温度场分布、NOx质量浓度分布对比如图7、图8所示。从图7、图8可以看出，在低氮燃烧器基础上利用燃尽风系统后（工况3），高温区域及NOx生成量均有明显降低。这主要由于近85%助燃空气送入主燃烧区域与全部燃料进行混合燃烧，即偏离化学当量比燃烧，降低主燃烧区域火焰燃烧剧烈程度，从而控制了热力型NOx生成。在工况3基础上利用再循环技术（工况4），控制氧化剂氧量为18%，高温区域进一步降低，NOx生成质量浓度大大降低。这主要由于低温惰性烟气与助燃空气混合，一方面稀释了助燃空气中氧的体积分数，另一方面烟气中有CO2和H2O，降低了火焰燃烧温度，进而抑制了热力型NOx生成。

图7 工况3与工况4温度场对比Fig.7 Temperature fields under working condition 3 and 4

从整个炉膛高度横截面上分析中心温度分布，其结果如图9所示。对比工况1、工况2，更换低氮燃烧器后，炉膛内截面中心温度较改前降低约100 ℃。对比工况2、工况3，在工况2基础上增加燃尽风系统，燃烧区域中心温度降低80 ℃左右，燃尽风区域中心温度上升100 ℃左右。该区域温度虽然升高，但整体低于1 400 ℃，抑制了该区域热力型NOx生成。而CO自燃点为608.5 ℃[14]（即在氧气充足的条件下，温度在608.5 ℃环境中，CO与O2反应生成CO2），对比工况3、工况4：在工况3基础上增加烟气再循环技术，炉内截面中心温度较工况3降低150 ℃左右。在8 m处（燃尽风区域）温度也相应降低，但在燃尽风区域温度整体高于CO自燃点温度，能保证在该温度区域内燃烧区域未燃尽的CO与燃尽风混合燃烧生成CO2，确保CO在该区域内充分燃尽。

图9 沿炉膛高度方向横截面中心温度分布Fig.9 The temperature distributions in cross section center along the furnace height direction

不同负荷下4种工况NOx生成质量浓度模拟结果如图10所示。由图10可见：工况1在100%负荷下，NOx生成质量浓度为365.52 mg/m3，与实际运行结果（380 mg/m3左右）比较吻合；工况2采用低氮燃烧器，NOx生成质量浓度为262.08 mg/m3，降幅30%；工况3采用低氮燃烧器+燃尽风系统，NOx生成质量浓度为188.33 mg/m3，降幅25%；工况4采用低氮燃烧器+燃尽风+烟气再循环系统，NOx生成质量浓度为75.89 mg/m3，降幅60%。

图10 模拟不同负荷下NOx生成质量浓度对比Fig.10 The simulated NOx generation mass concentrations at different loads

综上可知：采用低氮燃烧器+燃尽风+烟气再循环，能大幅度降低四角切圆燃气锅炉NOx生成质量浓度，达到目前地方标准要求（在用的燃气锅炉NOx排放低于80 mg/m3）。

4 试验测试数据对比

对某化工动力厂75 t/h四角切圆燃气锅炉进行低氮燃烧器+燃尽风系统+烟气再循环改造，将原有燃烧器更换成新型低氮燃烧器，在炉膛高度方向布置燃尽风喷口（燃尽风占比15%），并从引风机之后用再循环风机抽取17%左右低温烟气送入燃烧器助燃风道内与助燃空气混合，最后送入炉内参与燃烧[15]。

对锅炉改造后各个负荷点进行调试统计（测试数据），提取负荷变化过程中蒸汽参数变化和排烟温度变化数据，如图12所示；同时提取稳定负荷时的氧量、NOx排放质量浓度进行整理归纳，结果如图13、图14所示。

图12 改造后锅炉排烟温度数据Fig.12 The exhaust gas temperatures of the boiler after the modification

从图11、图12可以看出：改造后锅炉平均蒸汽温度445 ℃左右，满足工艺要求；满负荷工况下排烟温度较改造前上升15 ℃左右，根据排烟温度与锅炉热效率的关系推算出锅炉热效率降低约1.5%。主要原因：由于增加燃尽风及烟气再循环系统，锅炉截面中心温度略有降低，导致辐射换热有所降低。由于烟气量增大，流速增大，对流换热增强但由于减少的炉内辐射换热量ΔQt大于增加的对流换热量ΔQv，锅炉整体吸热量降低，导致锅炉热效率降低。

图11 改造后锅炉蒸汽温度数据Fig.11 The boiler steam temperatures after the modification

从图13可以看出，改造后，锅炉排烟氧量处于2.8%～4.5%，较改造前（3.5%～4.0%）有所提高。考虑到锅炉改造后安全稳定运行，调试选取的运行氧量偏高，但基本维持设计要求。从图14可以看出，改造后NOx排放较改造前降低约60%～70%左右，效果显著。

图13 锅炉尾部出口氧量对比数据Fig.13 The comparisons of O2 emissions from boiler tail

图14 锅炉尾部NOx排放对比数据Fig.14 The NOx mass concentrations at the boiler tail under different conditions

5 结 论

本文针对四角切圆燃气锅炉结构及燃烧特殊性，提出了低氮改造技术路线。即采用低氮燃烧器+燃尽风+烟气再循环3种技术组合。通过数值优化模拟及试验得出如下结论：

1）由于四角切圆燃气锅炉炉膛偏小，炉内四角燃烧湍流混合较快，火焰伸展距离相比同样容量锅炉偏短，火焰极易重叠，造成局部高温区域较大，生成大量热力型NOx。

2）低氮燃烧器只能降低25%～30%的NOx生成量；燃尽风系统能降低20%～25%的NOx生成量；烟气再循环系统能降低60%～70%的NOx生成量。

3）该技术路线在75 t/h燃气锅炉成功改造应用，在各个负荷点下NOx排放均能达到80 mg/m3以下，减排效果显著。为NOx生成量偏高的燃气锅炉提供了技术借鉴。