低氮燃气燃烧器的研制及应用

文_邓新华 李侃平

1.北京东元同创能源技术有限公司 2.陆军军事交通学院

北京市全面实施煤改气后，NOx成为燃气锅炉排放的主要污染物。经过对典型燃气工业锅炉实际监测结果表明，北京市燃气工业锅炉NOx排放浓度平均值为156.26mg/m3，采用排放因子法估算全市燃气工业锅炉NOx排放量为9339t。

2015年7月1日北京实施《锅炉大气污染物排放标准》（DB11/139-2015），新建锅炉NOx排放质量浓度要求低于30mg/m3。

近年燃气锅炉低氮燃烧技术得到广泛深入的研究，各种型式的低氮燃烧器，特别是烟气再循环低氮燃烧器产品得到推广。

1 低氮燃气燃烧器研发背景

通过与国外燃烧器专业厂家协商合作开发FGR低氮燃烧器应用于燃气工业锅炉，2016年实施所有项目均采用FGR烟气再循环+燃气分级技术+新型电子比例调节技术，NOx＜30mg/m3,取得较好的环保效果。但是，此类型低氮燃气燃烧器运行时，壳体局部温度偏高，散热损失较大，加上产品为分体布置，在一些安装空间小的锅炉房应用受限。

在进行锅炉低氮改造中，某项目使用的3台8.4MW燃气热水锅炉均为前湿背锅炉，炉膛偏置，燃烧器接口尺寸小（直径Φ550），国内外FGR低氮燃烧机均无法满足安装要求。为此，我们尝试自行研发低氮燃烧器。

2 低氮燃烧理论基础

天然气燃烧的必要条件是：燃烧温度、燃烧产物在反应区的停留时间、燃料与空气混合均匀度。天然气燃烧产生三种形态的NOx，对于我国西气东输的天然气中基本不含有氮原子，故可以忽略燃料型NOx的影响；在常规燃气锅炉排放的氮氧化物中，NOx主要是热力型NOx，占总量的90%以上，而快速型NOx占氮氧化物总排放量不到10%。因此，控制和减少燃气锅炉尾气中NOx的产生，主要是控制燃烧过程中热力型NOx的生成。

天然气燃烧热力型NOx控制方法：①降低锅炉燃烧峰值温度。②降低氧浓度（即降低过量空气系数）。③缩短燃烧产物在高温火焰区的停留时间。

3 低氮燃烧技术

关于FGR烟气再循环的低氮燃烧技术、燃气分级技术发表了许多研究论文，本文不再赘述。关于天然气燃烧热力型NOx控制方法，我们在研制新型燃烧器时在采用FGR烟气再循环+燃气分级技术+新型电子比例调节技术基础上，增加控制NOx的措施：

（1）负荷动态变化时，必须保持空燃比的稳定

有些欧系低氮燃气燃烧器，在负荷动态变化时，空燃比不稳定，难以保证锅炉实际运行全工况下环保达标。为降低成本，有的低氮燃烧器控制系统调节阀没有位置反馈，无法纠错，自动调节精度不够，不能稳定保证环保指标达标。

（2）确保燃料与空气混合均匀度

燃料与空气混合均匀是天然气燃烧的必要条件，低氮燃烧器同样必须遵守。为保证燃料与空气混合均匀度，本项目的新型低氮燃烧器燃料分级，采用不同的气流速度，中心贫氧燃烧区的燃气流速高于周边富氧燃烧区的燃气流速，同时中心风旋流，从而增强扰动，达到混合均匀的目的。

4 新型低氮燃烧器研制成果

综合采用FGR烟气再循环、燃气分级技术、空气分区分级技术、扰流均混技术、新型电子比例调节技术、精确控制技术，经过多次试制实验，2017年底用于8.4MW燃气热水锅炉的新型低氮燃烧器研制取得初步成效，当年通过环保验收。相关数据见表1。

表1 新型燃气低氮燃烧器数据

5 新型低氮燃烧器应用实例

在3台8.4MW燃气热水锅炉低氮改造成功基础上，我们又研发系列低氮燃气燃烧器并投放市场。以某热源中心4台14MW法罗力三回程燃气热水锅炉低氮改造为例，由于锅炉炉膛尺寸小（炉膛直径Φ1400，燃烧器接口Φ1050），原欧系80mg/m3燃烧器排放NOx最低为95mg/m3，不能满足北京市环保排放标准。而且原欧系80mg/m3燃烧器负荷调节范围有限，不能大负荷运行、升温慢。运行产生大量积碳造成燃烧不充分、燃烧效率低，气耗高。

经过细致勘察和计算，针对锅炉炉膛接口尺寸小的情况，对低氮燃烧器进行定制化设计，满足现场安装条件。同时改造时将燃烧器配套风机更换为55kW。燃烧器控制系统与原锅炉控制系统兼容。

经过技术调试和试运行，新型低氮燃烧器安全投入运行，4台锅炉NOx均在26.8～28.5mg/m3，稳定达到北京市环保排放标准。新型低氮燃烧器指标和稳定性明显优于原欧系低氮燃烧器。

6 FGR低氮技术目前存在问题

6.1 锅炉总体效率下降气耗增加

烟气再循环导致：①辐射换热量减小；②对流换热量增加。对流换热量增加量不足以弥补辐射换热量减小量，锅炉总体效率下降，根据锅炉炉型和运行工况，一般锅炉效率下降0.5%～4.5%。

6.2 冷凝水响燃烧器运行及寿命

烟气再循环中产生大量冷凝水，影响燃烧器运行，特别是火焰监测器受到污染致使锅炉不定期熄火现象，燃烧器运行不稳定。运行停炉期间，冷凝水造成火焰监测器损坏经常发生。

无论液滴冲击，或者叶轮结冰，将使风机振动变大，容易损坏。特别是由于冷凝水有腐蚀性，缩短燃烧器本体、风机设备寿命和风道的使用寿命。

为减少冷凝水量，在有关项目尝试采用FGR烟道上增加冷凝器，有一定的效果。但由于运行时间比较短，还有待进一步探索。

7 结语

通过低氮燃气燃烧器的研制及应用，得出以下初步结论：

①综合采用低氮燃烧技术，低氮燃气燃烧器在锅炉实际运行工况，NOx＜30mg/m3技术上是可以实现的。

②经过近几年的研究探索，研制的新型低氮燃气燃烧器在指标稳定性方面优于部分欧系低氮燃烧器。

③采用FGR低氮燃气燃烧器过程中产生的锅炉效率下降、冷凝水问题，还有待进一步研究解决。