低氮燃烧改造综述

殷凤荣

（中国电子科技集团公司第十五研究所，北京 100083）

0 引言

污染源是防治大气污染危害的根本措施，治理途径是多方面的，近些年国家对城市采暖污染方面的提出了清洁燃烧理念，鼓励各大锅炉使用业主采取低氮改造的方式降低氮氧化物的排量，众所周知氮氧化物（NOX）是PM2.5的重要前体物，而燃气锅炉的NOX的生成量主要与火焰温度、燃烧器区段氧浓度、燃烧产物在高温区停留的时间有关，一般火焰温度越高，氮氧化物生成的就越多，反之亦然，降低氮氧化物的途径主要有两个方面：降低火焰温度，防止局部高温；降低过量空气系数和氧浓度。因此，抑制氮氧化物生成的一个重要措施就是从燃烧器入手。

1 低氮燃烧理论基础

1.1 低氮燃烧器

低氮燃烧器是指燃料燃烧过程中氮氧化物排放量低的燃烧器，通常是指氮氧化物排放在（30～80）mg/m3的燃烧器，氮氧化物排放在30 mg/m3以下称为超低氮燃烧器，实现技术大致基于：电子比调仪和氧含量控制、全预混表面燃烧、分级燃烧、烟气再循环（Flue Gas Recirculation，FGR）技术。

1.2 过量空气系数及含氧量

燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量之比称为过量空气系数，通常用α表示。α过大，说明在燃烧时实际鼓风量较大，氧气充足，对完全燃烧有利，但过大的鼓风量必然产生过大的烟气，增加排烟热损失q2，炉膛温度降低，传热不好，浪费燃料；α过小，说明实际鼓风量小，氧气不足，造成不完全燃烧热损失q3和固体不完全燃烧热损失q4，浪费燃料，炉内传热也不好。因此，合理的过量空气系数应该即保证燃料完全燃烧，又能使各项热损失降至最小。需要确定一个最佳的α使得q2+q3+q4的和最小[1]。氧含量即：燃料燃烧后，烟气中还有多余的自由氧，通常以干基容积百分比数来表示。

1.3 分级燃烧

组织燃烧所需空气和燃料在燃烧行程的不同部位供入参加燃烧，实现总体抑制NOX生成的燃烧技术。以扩散式燃烧器为例：燃烧之前，燃气不与空气混合，燃气自火孔流出后，靠扩散作用与空气混合进行燃烧[2]，其特点是燃烧稳定，不存在回火问题，运行可靠，结构简单，并可以利用低压燃料气，单火焰较长，需要较大的燃烧空间。为了能使燃料与空气较好混合，一般都是将燃料分成多股细流，使其与空气接触面增大，或者是空气与燃料气之间有一定的交角或成旋流状态，增大相互的扰动，从而使燃料气与空气更好的混合。

1.4 烟气再循环技术

燃烧产生的部分烟气与氧化剂混合后再次参加燃烧的过程称为烟气再循环燃烧技术[3]，其本质就是通过将燃烧产生的烟气重新引入燃烧区域，温度对NOX生成速率的影响呈指数关系，与烟气中的氧浓度的0.5次方成正比关系，该技术降低了火焰区的最高温度，就可以降低NOX的形成，高温烟气对氧化剂和燃料起到预热作用，实现对燃烧温度和氧化物浓度的控制，从而实现降低NOX的排放和节约能源的效果。

1.5 全预混表面燃烧技术

燃气在燃烧前与足够的空气进行混合，在燃烧过程中不再需要供给空气的燃烧方式称为全预混表面燃烧技术，其特点是火焰短，附着于燃烧表面，燃烧均匀，难以形成局部高温区，燃烧产物的停留时间非常短，过量空气系数少，无需鼓风，节省动力，即可有效控制NOX的生成[4]。以锅炉金属纤维燃烧器为例，它是一种全预混微焰式燃烧器，以特种金属纤维作为燃烧表面，可根据输出功率的大小不同，火焰产生两个基本模式，低功率输出时，燃烧器为外红辐射模式，在高功率时燃烧器是蓝火焰模式，调节功率输出时，火焰就在这两个模式之间变化。

2 锅炉低氮燃烧器的选择

（1）必须满足国家和地方环保排放要求，在满足要求的前提下，从企业的社会责任角度出发，尽量应该选择NOX排放更低的设备。

（2）达到充分燃烧的极限过量空气系数为大约1.1。对于燃气锅炉大气污染物基准含氧量排放浓度为3.5%[5]，更高的烟气氧含量通常意味着燃烧效率降低，理想的燃烧器最好的氧含量可以控制在3%以内。

（3）低氮燃烧器通常应该具备至少5∶1以上的高可调比，更低的可调比意味着实际运行过程中更多的ON/OFF启停，同时意味着更多的天然气消耗，除非是负荷常年在一个比较小的稳定区间的锅炉，选择一个高可调比的燃烧器对于降低天然气的消耗，降低运程成本，延长设备的使用寿命非常重要。

（4）对于采用FGR技术的燃烧器，需要特别关注烟气再循环率，即再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比，称为烟气再循环率，燃气锅炉的烟气再循环率一般控制在10%～20%，当采用更高的烟气再循环率时，燃烧极易不稳定，未完全燃烧热损失将会增加，烟气回收需要加装风机，保证足够的回收烟气量送入炉膛，一般采用变频控制，可以满足锅炉不同负荷下需要烟气回收量，也大大降低了电耗，同时可以保证烟气控制在合理的流速内，产生最大化的利用率。

3 常用低氮改造方案

（1）要想达到超低氮排放要求，最直接的改造方案是更换全预混表面燃烧器，通常能够将NOX在全火范围内控制到30 mg/m3以内，因无需加装烟气再循环管道，可以节省使用空间，改造工程相对简单，基于其工作原理是预先混合燃料空气，因此对于燃烧头和空气过滤器的清洁保养很重要，无形中增加了后期保养的工序，否则极易造成爆燃现象的发生，2015年起，北京作为试点城市逐步推行了燃油（气）锅炉低氮燃烧改造，2017年北京市质量技术监督局、北京市环境保护局关于锅炉低氮燃烧改造安全风险警示的通告中明确提出建议：对于7 MW（蒸发量10 t/h）以上的在用锅炉，不建议采用预混式燃烧的改造方式。

（2）利用分级燃烧加FGR的方式达到超低氮燃烧改造，此种方案的使用较为普遍，仅使用FGR通常能够将NOX在全火范围内控制在（40～65）mg，加装低氮燃烧器将进一步减少NOX的排放，达到超低氮排放。

（3）利用全预混表面燃烧加FGR方式能达到更好的降氮效果，结合了表面燃烧的NOX控制的优点和FGR降氧含量的优点，可以实现在全火范围内控制NOX到20 mg水平，同时控制氧含量在3%以内，最大化燃烧效率，当然此种方案的设备投资成本也相对较高。

4 低氮改造施工的重要环节

（1）必须选用有锅炉安装及压力管道施工资质的厂家进行施工，在用锅炉更换燃烧器的施工过程，涉及到燃气管道的拆装，根据燃气公司的要求燃气管道的施工必须由有资质的厂家进行施工，在管道拆装前后，需要联系当地燃气公司对燃气管道进行停、复气操作，确保拆除前管道内无燃气，接通后管道无漏气，从安全角度考虑，必须严格规范操作流程。

（2）在燃烧器安装前期，需要了解所选燃烧器要求的燃气压力范围，以确保适用于在用锅炉的燃气调压箱的输出压力，否则需要联系燃气公司对燃气调压箱进行调压或更换调压箱，以避免在设备点火试运行时因燃气压力过低造成无法启炉的现象发生。

（3）低氮燃烧器都自带控制柜，确保在用锅炉控制系统与燃烧器控制柜的有效对接，必要时可将锅炉控制系统一并更新，可避免锅炉控制系统与燃烧器控制系统不匹配的问题出现，一般不会对外管网的控制系统造成影响。需要注意的是若一并更新锅炉控制柜，一些锅炉本体配件的输出信号量可能会与新系统不匹配，同样需要提前确认更换相关配件，避免耽误改造施工进度。

（4）低氮燃烧器最重要的出厂指标就是型式试验证书及报告，出厂合格证，这些将作为特检所检验的重要指标。对于加装烟气再循环系统的低氮燃烧器，其形式试验证书中的型号后必须带有FGR标识，这一点需要特别注意。

5 结束语

随着我国对大气污染治理力度的不断加大，对于锅炉燃烧废气的治理将不仅局限在北京地区，低氮改造必将得到广泛应用，在用锅炉的大多数业主和锅炉使用方将直接面向燃烧器厂家，只有全面了解相关知识，才能在低氮燃烧器的选型、施工以及后续维护保养中做到知己知彼，指挥若定。