低氮燃烧器在扬州石化1#锅炉的应用

摘 要：扬州石化1#锅炉因存在易受外界波动、点火成功率低影响安全运行及烟气不能达标排放等方面问题，通过低氮燃烧器改造后，影响燃烧器安全稳定运行因素得到消除，同时尾部烟气NOx能够达标排放。

关键词：低氮燃烧 NOx 达标排放

中图分类号：TK2271 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0116-03

扬州石化热电车间现有2台锅炉，1#锅炉为SZS25-2.5/400-YQ型双锅筒纵置式室燃炉，设计锅炉效率 91.7%；3#锅炉为UG 38.5-3.82/450-MQ型煤气混烧链条炉，设计锅炉效率82.3%。1#锅炉于2014年5月建成投用，试运行表明该锅炉安全、经济、高效、自动化程度高，基本能满足生产需要。但在安全上存在易受外界瓦斯、风压、压缩风等波动导致多次停炉；多次关键时刻点火电极不打火、影响蒸汽供应；点火可靠性较差、油嘴易堵塞磨损；环保上存在纯燃气燃烧状态下氮氧化物超标达到220 mg/m3。为提高1#锅炉的安全可靠经济运行，同时减少NOx排放，于2016年9月对燃烧器进行更新改造。

1 氮氧化物产生的因素

目前，2014年國家下发了关于锅炉大气污染物排放标准，规定在重点地区燃气锅炉的氮氧化物排放浓度要达到150 mg/m3以下[1]。为此，集团公司要求进行锅炉燃烧系统改造时必须考虑降低NOx的排放。因此，笔者公司针对1# 锅炉存在的问题决定采取更换低氮燃烧器。

1.1 NOx的生成机理

氮氧化合物的生成机理主要有3种类型：（1）燃料型。燃料中含氮化合物在燃烧过程中经热分解后又被氧化生成NOx，占总量的60%～80%，燃料氮转化为NOx的量主要取决于空气燃料混合比（空燃比）；（2）热力型。热力型NOx是燃烧时空气中的氮（N2）和氧（O2）在高温下生成的NO和NO2，占总量的20%～30%，影响因素是温度，当温度高于1 500 ℃时随着温度的提高，热力型NOx会程指数倍急剧增加；（3）快速型。燃料燃烧时产生CH原子团撞击N2分子而生成CN类化合物，然后再被氧化成NOx，其所占比例很小，一般不予考虑[2]。

1.2 #锅炉产生NOx的类型

因扬州石化1#锅炉的燃料主要为炼厂干气、丙烷和外购天然气，燃料气燃烧产生的NOx主要是热力型的。热力型氮氧化合物的排放量主要受到燃烧火焰温度、氧气浓度和燃烧产物在高温区停留时间等3个方面的影响：当火焰温度>1 538 ℃时，NOx的生成速度按指数倍迅速增加；燃烧时氧气浓度越高，燃烧温度越高，则NOx的生成量越大；燃料燃烧时间越长，则NOx的生成量越大。

抑制热力型NOx的生成是本次改造主要目的，控制手段主要是消除局部高温区、降低火焰峰值温度，从而有效减少热力型NOx的生成。

2 低氮燃烧器的选用

2.1 技术简介

燃烧器是锅炉的主要设备之一，按燃料的不同可以划分为燃气系列、燃油系列、油气混烧等，按燃烧器结构形式可划分为平流式燃烧器、旋流式燃烧器、低NOx燃烧器、大风箱式燃烧器等；燃烧器主要包括燃烧器本体、燃料喷嘴、配风装置、稳燃装置等，并配备相应的管路系统、自动点火装置、火焰检测装置及控制系统，可实现负荷调节、自动点火、逻辑保护等功能；可提供燃烧器系统的整套解决办法。主要优点：燃烧器热效率高，散热损失少；燃烧器调节比大，温度调节方便，可根据负荷要求进行调节；火焰铺展性好，可根据要求对火焰尺寸进行调节；可实现低NOx燃烧要求。

该燃烧器利用如下原理，可以很显著地降低燃烧器燃烧过程中NOx的产生。

2.2 低氮燃烧的机理

2.2.1 燃料的分级燃烧

在燃烧过程中已产生的NO遇到烃根CHi、未完全燃烧产物如CO、H2、C以及CnHm时，会发生NO的还原反应，反应公式如下：

4NO+CH4=2N2+CO2+2H2O

2NO+2CnHm+（2n+m/2-1）O2=N2+2nCO2+mH2O

2NO+2CO=N2+2CO2

2NO+2C=N2+2CO

2NO+2H2=N2+2H2O

利用上述原理，将（约80%～85%）的燃料送入第一级燃烧区（也叫主要燃烧区域），在α<1条件下燃烧并生成NOx。送入第一级燃烧区的燃料称之为一次燃料，其余（约15%～20%）的燃料则在主燃烧器的外侧送入第二级燃烧区，在α<1的条件下形成很强还原性的气氛，使在第一级燃烧区域中产生的NOx在第二级燃烧区内被还原成氮气分子，二级燃烧区也叫作再燃区，送入再燃区的燃料称作二次燃料。在再燃区中不仅使已生成的NOx得到还原，还能抑制新的NOx的生成，可以将NOx的排放浓度进一步下降。

2.2.2 空气的分级燃烧

曾有研究报告做了通过改变过量空气系数的实验研究，通过一系列实验，经验数据得到如下：

当过量空气系数α=0.9时，NOx浓度处于谷值。在α<0.9时，随过量空气系数的增加，太过浓的燃烧，快速型NOx剧烈增加而导致NOx浓度的剧烈降低。在α>0.9时，NOx浓度随α的增加而增加。当α=1.2时，由于主燃烧区域的温度较高，热力型NOx产生作用使得NOx浓度出现峰值。其后NOx浓度随着α的增加而较快下降。当α>1.4后，由于温度的降低和空气量比例的增加而产生的稀释作用，NOx浓度随α的增加而缓慢降低[3]。

根据以上原理，设计的燃烧器将燃料分级送入燃烧器，分层燃烧；燃烧器中心为油枪，燃气从两个进口分别进入燃烧器，同时在燃烧器内部将空气分层送入中心燃烧区域及周界燃尽区域，使燃烧区域分成氧化、还原、氧化3种气氛，从而有效地控制NOx的生成。

该种燃烧器能确保在运行工况下保证火焰不偏斜，确保火焰不直接冲刷炉壁，火焰尺寸与炉膛结构匹配，且可以使火焰在不停炉的情况下进行调节；该系列燃烧器运用了超混合技术，燃烧更稳定可靠，温度场更均匀；燃烧效率保证99.99%；过量空气系数低，可以达到α=1.05。NOx生成量≤100 mg/Nm3（在纯燃气条件下）。

3 改造经过

2016年9月10～30日对1#锅炉低氮燃烧器進行安装及配管。并于10月9日至10月30日进行燃烧器的调试工作。在调试过程中发现内外层瓦斯配比不均导致火检无法探测到火焰停机、燃油时雾化蒸汽阀开启后将瓦斯火焰吹熄、面板上火检探测位置过于局限不能满足锅炉处于小火且外层气开启后的稳定运行、单烧燃油时火检探测存在盲点等问题，车间适时根据燃烧器调试进度对相关流程进行调整优化如：将炉前燃油回油阀改至调节阀前、增设3处火检以满足锅炉安全可靠运行、将点火瓦斯线引至进1#炉瓦斯调节阀前以确保长明灯瓦斯压力、对1#炉顺控启动运行至正常燃烧器保留长明灯进行程序更改、将鼓引风机运行状态与燃烧器切断阀进行联锁、保留原九江中船航仪燃烧器的调节风门并通过DCS调节以降低送风机转速等。优化启用、停用油枪、吹扫等操作步骤，确保1#锅炉的安全稳定运行。同时将经验进行总结，并对编写的操作规程多次进行修改完善。

4 改造效果

更新低氮燃烧器后点火方式手动、自动相结合，同时增加一个点火电极，提高点火成功率；将点火、停炉、点油枪等操作糅合进DCS中，操作过程及模式更为直观易学；燃料适用范围增加，燃油量较之前有所增加；增加点火枪退出执行机构，保护点火部件，易于维护，增加锅炉正常操作自动手动切换功能，消除仪表隐患；降低成本，利用原有燃烧器的风门及干气管路控制阀；火焰检测由原来的1处增加为5处，提高了锅炉运行的稳定可靠性；更换高强度耐磨燃油油嘴，减少油嘴堵塞次数。

由表1的计算可以看出，在完成低氮燃烧改造后，1#锅炉的氮氧化物减排量约为29 t/a，减少排放超过60%，同时在减排的过程中，几乎不增加运行成本。可以得出燃气锅炉的低氮燃烧技术改造，具有非常明显的经济效益和社会效益。

5 结语

作为导致空气污染的数个主要源头之一——氮氧化合物，随着国民和政府对环保方面的关注，现今国家大气环保的要求对于氮氧化物排放标准日趋严格，因此较低的前期投入和零成本运行的锅炉低氮改造势必成为重要抓手，将1#锅炉低氮燃烧改造进行简要介绍，为3#锅炉煤改气达标排放打下了坚实的理论实践基础。

参考文献

[1]GB 13271­—2014，锅炉大气污染物排放标准[S].

[2]丁永航，周大海.燃烧过程中NOx的生成机理和抑制技术[J].上海煤气，2007（4）：19-22.

[3]于岩，阎维平，刘彦丰，等.空气分离/烟气再循环技术中NOx排放特性及机理分析[J].热力发电，2003（3）：47-49.

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