燃气锅炉低氮排放的经济性分析

吕晓军，王 彬

（1. 陕西建工金牛集团股份有限公司，陕西 西安 710043；2. 西安陕鼓动力股份有限公司，陕西 西安 710075）

2015年，北京市发布实施了《锅炉大气污染物排放标准》。该标准规定自2017年4月1日起新建锅炉氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm。2017—2018年，各地方参照北京市环保政策实施燃气锅炉低氮改造：一是新建锅炉房，包括煤改气项目，锅炉环保指标按照氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm执行；二是对已建成的燃气锅炉进行低氮改造，将氮氧化物排放 ≤ 80 mg·Nm的燃烧器更换为氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm的燃烧器。地方政府同时制定了资金奖补政策，促进燃气锅炉低氮改造项目的实施。烟气再循环（FGR）技术是目前实现氮氧化物排放 ≤ 30 mg·Nm的燃烧器普遍采用的技术。本文主要介绍了FGR技术的原理和特点，并从锅炉热效率、钢耗量、NO减排量三个方面对低氮锅炉进行经济性分析，提出在锅炉和燃烧器设计中需要攻关的问题。

1 燃气锅炉低氮排放技术

1.1 NOx的生成途径

（1）热力型NO空气中的N在900 ℃时，开始与O反应生成NO，此时反应速度比较缓慢。当温度到达1300 ℃以上时，NO产出量快速上升，由此产生的NO生成量取决于温度。（2）燃料型NO燃料中含有的NO在燃烧过程中进行热分解，继而进一步氧化生成NO，其生成量主要取决于空气、燃料的体积混合比（氧气浓度）。（3）快速型NO燃料燃烧产生的碳氢化合物撞击燃烧空气中的N生成CN、HCN，再经过高温氧化而生成NO（反应迅速，大约60 ms）。快速型生成的NO所占比例不到5%，在温度低于1300 ℃时，几乎没有快速型NO生成。天然气中含氮量较低，因此，控制热力型NO是降低NO排放的主要手段。

1.2 燃气锅炉低氮燃烧技术

目前，主流燃烧器厂家主要是通过降低炉膛温度以及调整空气与燃料的混合程度来实现低NO排放。因此，研究降低NO的技术首先是从燃烧器本身优化设计着手，采用特殊设计的燃烧头，实现分段燃烧、炉内循环，从而实现NO排放50～80 mg·Nm的目标；再配合烟气外循环技术，可以实现氮氧化物排放≤ 30 mg·Nm的目标。

2 燃气锅炉FGR技术概述

FGR技术是将部分低温烟气在燃烧器的吸入口侧送入风机后与空气混合，并通过风机出口侧的调节送入炉内或直接将其通入炉内，以增加烟气的流速及降低炉膛内的温度来降低热力型NO的形成，在送入烟气侧进行烟气循环率的控制。随着高温辐射区的逐渐减少，热力型 NO的生成得到有效的控制。FGR系统的关键参数是烟气再循环率，即再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比。

2.1 FGR烟风道布置

FGR技术是目前比较成熟且广泛应用的降低NO排放的技术。不论是采用一体机的燃烧器还是采用分体机的燃烧器，都可以采用FGR技术来降低NO排放。通过控制烟气的再循环率，可实现NO减排40%以上。

（1）采用一体机的燃气锅炉FGR系统

一体机燃烧器FGR管道布置如图1所示。采用一体机的燃气锅炉FGR系统烟风道及FGR再循环烟道结构简单。烟气从锅炉本体出来再经过节能器降温后从烟囱排出；FGR再循环烟道将经节能器后的部分低温烟气抽取回燃烧器，与空气汇合后再送入炉膛参与燃烧。低温烟气一方面吸收火焰的热量，降低火焰温度，另一方面降低反应区的氧量，有效降低了热力型NO的生成。

（2）采用分体机的燃气锅炉FGR系统

分体机燃烧器FGR管道布置如图2所示。采用分体机的燃气锅炉FGR系统中再循环烟气在进入鼓风机前与空气混合；空气可以是冷风，也可以经空气预热器预热后再与再循环烟气混合，然后将混合风送入燃烧器。

图2 分体机燃烧器FGR管道布置Fig. 2 FGR pipeline layout of the split-type burner

2.2 FGR对受热面传热的影响

烟气再循环的投入改变了吸热量份额。随着烟气再循环率的增加，炉膛内温度降低，使炉膛的辐射吸热量减少。但是，烟气在炉膛内的停留时间减少，炉膛出口烟温变化不大；对流受热面由于烟气量增加，烟速提高，烟气侧放热系数增加，对流传热量增加。

随着烟气再循环率的增加，辐射换热量减少，烟气在炉内的滞留时间减少，势必对锅炉的热效率产生影响。因此，在使用烟气再循环技术时，过量空气系数尽量保持在1.0～1.1 之间，这样既可以降低FGR对热效率的影响，又可以降低NO的排放。试验证明，烟气再循环率应控制在 10%～20%左右。

2.3 FGR对运行稳定性的影响

（1）燃烧稳定性

FGR低温烟气汇入炉膛，使炉膛温度降低，烟气流速增加，燃烧稳定性也会随着烟气再循环率增加而降低，燃烧会出现抖动及熄火等现象，导致锅炉只能低负荷运行，严重影响锅炉出力。所以，燃气燃烧器的设计运行在降低NO的同时应保证其炉内火焰稳定及燃烧效率。

（2）锅炉稳定性

在2012年以来的“煤改气”过程中，SZS型燃气锅炉在运行中暴露出一些不稳定问题。从该型锅炉几十年的设计运行经验分析，一般蒸发量40 t·h（或热功率29 MW）以下的锅炉稳定性良好。但是大型化以后，锅炉高度增加，自支撑结构的稳定性下降，对膜式壁、对流管束、烟风道的结构强度提出更高的要求。这些问题已经引起各锅炉厂家的重视：一方面对膜式壁、对流管束进行加强，提高受热面的刚度，增加稳定性；一方面降低烟气流速，避免对流管束因为卡门涡街现象而产生共振影响结构刚度。另外，炉膛火焰稳定性也影响锅炉本体的稳定，当火焰脉动频率与炉体或烟风道振动频率相同时，炉体或烟风道会产生振动，这时就要对燃烧作进一步调整。

3 FGR低氮燃烧技术的经济性分析

以SZS130-1.6-Q型燃气蒸汽锅炉为例，分析烟气再循环对锅炉热效率、风机功率、钢材消耗和氮氧化物减排的影响。

3.1 锅炉设计参数

额定蒸发量为130 t·h；额定蒸汽压力为1.6 MPa；额定蒸汽温度为204 ℃；排烟温度为80 ℃；锅炉效率为95%；燃料为天然气，其低位发热量为33077.3 kJ·Nm。

3.2 烟气再循环对锅炉热效率的影响

锅炉采用分体式燃烧器，FGR取烟点在节能器后，在不考虑冷凝器的情况下建立计算模型，获得不同烟气再循环率下的锅炉性能参数。烟气再循环率对能效的影响如表1所示。

表1 烟气再循环率对能效的影响
Tab. 1 Effect of FGR rate on energy efficiency

烟气再循环率/% 总烟气量/（Nm3·h-1） FGR烟气量/（Nm3·h-1） 排烟温度/℃ 天然气耗量/（Nm3·h-1） 锅炉热效率/%0116901 0 169 9637 92.0210 116901 11690 175 9645 91.9515 116901 17535 178 9660 91.8120 116901 23380 181 9675 91.67

从表1中数据可知，随着烟气再循环率的提高，锅炉排烟温度逐渐升高，热效率降低。但是热效率的变化很小，这主要是因为再循环烟气增加后，炉膛辐射换热量降低，但是对流管束换热增加，因此，总体热效率变化不大。

FGR再循环率为15%时燃料比不投用FGR时多消耗23 Nm·h。经计算，单台锅炉一个采暖季多消耗燃气量66240 Nm。

3.3 烟气再循环对风机功率的影响

在额定工况下，分别对烟气再循环率为0%和15%两种工况的风量、压头（进行了温度、海拔修正并考虑了储备系数）进行计算。风机功率计算结果如表2所示。

表2 风机功率计算结果
Tab. 2 Calculation of the fan power

烟气再循环率% 风量/（m3·h-1） 压头/Pa 功率/kW 0126802 6920 35015 145823 8994 450

通过计算分析，投入FGR以后，由于烟气量增加，对流管束烟气流速增加，锅炉烟气流动阻力增大，风机功率增大，在相同负荷下耗电量增加。

3.4 烟气再循环对锅炉钢材消耗的影响

随着烟气再循环率的提高，烟气量增加，对流管束烟气流速增加；炉膛火焰燃烧不稳定，火焰脉动。因此，在锅炉设计时，就应考虑投入FGR对锅炉稳定性造成的影响。一般对燃烧器采取调整配风、优化燃烧头等方法提高燃烧器火焰的稳定性，减小脉动。而对于锅炉则采取加强受热面的方法提高整体刚度，例如采用大直径厚壁管代替小直径薄壁管、膜式壁外围增加刚性梁等。投用FGR时燃气锅炉的钢耗量比未投用FGR时增加10% ～15%。

3.5 烟气再循环对锅炉氮氧化物排放的影响

投用FGR以后，燃气锅炉氮氧化物排放低于30 mg·Nm，平均排放质量浓度为19.6 mg·Nm，优于陕西省最新的执行标准DB 61/1226—2018《锅炉大气污染物排放标准》中50 mg·Nm的要求。参照环保指标，可实现减排30.4 mg·Nm，即每燃烧1 Nm的天然气，可减排352.6 mg的NO，环保效益明显。从以上三点分析可以看出，燃气锅炉投用FGR以后，NO减排效果明显，排放指标低于地方排放指标。但是，随着再循环率的提高，锅炉总体热效率下降。如何在不影响锅炉热效率的情况下实现减排目标是锅炉和燃烧器设计中需要解决的问题。

4 结语

FGR技术是实现燃气锅炉低氮排放的成熟技术，但是实际应用过程中遇到的燃烧稳定性、锅炉稳定性、锅炉效率下降、耗气量增加、钢耗量增加等问题也不能忽视。本文介绍了利用FGR技术降低NO排放的原理和特点，分析了FGR技术的经济性。结果表明，烟气再循环率的合理控制可以兼顾低氮排放和锅炉热效率。但是，由于投用FGR后锅炉热效率的下降不可避免，下一步应提高锅炉热效率，将FGR对锅炉热效率的影响降到最低，更好地实现节能减排的目标。