许琼武

(昆明云能化工有限公司，云南 昆明 650300)

节能减排是国家的大战略背景，而锅炉氮氧化物排放是空气污染的主要源头之一，因此，锅炉的氮氧化物减排改造迫在眉睫。自2015年北京市推出新的地方标准《锅炉大气污染物排放标准》(DB 11/139—2015)以来，全国各地相继颁布严苛的锅炉大气污染物排放标准，对新建锅炉及在用锅炉均提出了相应的氮氧化物排放要求。

锅炉氮氧化物的控制技术可以分为2种：①炉内燃烧法控制NOx技术；②燃烧后烟气处理技术。在实际应用过程中，燃烧法控制NOx具有设备初投资或改造成本小、运行费用低的特点。烟气处理技术主要包括SNCR技术和SCR技术，有设备初投资费用和运行成本高、容易造成二次污染的缺点。

昆明云能化工有限公司(以下简称“昆明云能”)原燃氢锅炉NOx的排放浓度超过200 mg/m3。为响应国家节能减排号召，拟实施超低氮燃烧技术改造，将NOx的值降低至50 mg/m3，实现达标排放、节能减排的目的。该项目在燃氢锅炉氮氧化物减排方面具有较好的示范效应。

1 原燃氢锅炉概况

昆明云能烧碱装置现有1台6 t/h燃氢锅炉，锅炉型号为SZS6-1.25-Qq，配套的燃烧器为天然气和氢气两用燃烧器。因天然气未能接入生产装置，锅炉建成后一直以富余的氢气作为燃料，燃烧副产蒸气。经相关单位进行环保测试，燃烧氢气时氮氧化物排放超出环保限制，具体排放指标如表1所示。

表1 原锅炉氮氧化物排放数据

原燃烧器设计参数如下。

运行环境：负压运行；

排烟温度：155 ℃；

助燃风温度：20 ℃；

氢气参数：温度10～20 ℃，设计压力10 kPa，热值9 489 kJ/m3；

氢气耗量：600～1 800 m3/h，实际运行300～800 m3/h。

2 超低氮改造的预期目标

超低氮改造的预期目标如下：

氮氧化物(NOx) <50 mg/m3；

w(NO) <10-5；

w(颗粒物) <5×10-6；

燃烧器燃烧效率 >99.99%。

3 改造原理

燃料燃烧中生成的NOx有“热力型”、“快速型”和“燃料型”3种。

“热力型NOx”——由助燃空气中的氮气在高温下与氧化合而成。当燃烧温度超过1 350 ℃时少量生成，当燃烧温度超过1 538 ℃时，呈指数型大量生成。

“快速型NOx”——在碳氢化合物燃料过多时，在反应区附近会快速生成 NOx。

“燃料型NOx”——由燃料中的化学氮在挥发分析出中成离子状态，与高浓度氧化合而成。

氢的发热值虽然比核燃料低，但却是所有的化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，是汽油发热值的3倍。氢的燃烧性好，点燃快，并且燃点高，燃烧速度快。

氢气燃料比较干净，是仅有氢气不含其他成分的燃料型化合物，故燃料燃烧的过程中，NOx的生成来源为热力型化合物。

氢气的低位发热量虽然低，热值为10 776 kJ/m3，但1 m3氢气燃烧需要的空气量少(2.38 m3/m3)，燃烧的烟气量也少(2.32 m3/m3)，故氢气燃烧的理论烟气温度高，约2 050 ℃。而天然气(CH4)的理论燃烧温度约为1 870 ℃。氢气燃烧的理论燃烧温度比天然气高出很多，也比热力型NOx大量生成的温度1 538 ℃高很多。且氢气的燃烧速度快，所以氢气燃烧器NOx的原始排放值高。

“热力型NOx”产生的主要原因是高的燃烧温度使氮分子游离增加化学活性，其次是高的氧浓度。要减少“热力型NOx”的生成，可采取以下措施。

(1)减少燃烧最高温度区域范围。

(2)降低锅炉燃烧的峰值温度。

(3)降低燃烧的过量空气系数和局部氧浓度。

当氢气燃烧器设计不合理，没有充分耦合分级燃烧、浓淡燃烧、无烟气外循环等低氮燃烧技术，未对氢气燃烧时的温度和速度进行控制，氢气燃烧时则会出现火焰集中、燃烧温度高、燃烧速度快、局部高温区多的情况，从而导致NOx的排放多。

4 超低氮改造措施

针对昆明云能锅炉燃料的特点，采用更换燃烧器和增加烟气再循环的方法，控制燃烧温度及氧浓度，从而降低氮氧化物排放。

具体改造措施如下。

4.1 更换低氮燃烧器

原燃烧器结构设计使燃烧火焰太集中，导致火焰中心温度较高，NOx的排放多。要重新安装低氮燃烧器。本项目选用BONUS氢气超低氮燃烧器替换原燃烧器。

BONUS燃烧器本体燃料及空气均采用分级输送。氢气喷嘴采用特殊结构设计，以确保燃料与空气充分混合，结合中心稳燃技术，保持稳定燃烧。鉴于氢气燃烧较快的特性，本燃烧器分级扩散式燃烧技术将火焰推出喉口燃烧，避免喉口等区域温度过高，减小了火焰脉动产生的震动，即使在点火时，也能保证不脱火不回火，稳定燃烧，保持高调节比。助燃空气经风门执行器调节进入燃烧器助燃。空气在喉口内分三级：一次风保证火焰稳定地浓燃烧；二次风与燃气形成还原燃烧，产生还原气氛；三次风保证淡燃烧。这样才能使燃烧器产生较低的NOx排放。

4.2 烟气再循环系统

烟气再循环技术即从烟道上抽取部分烟气(低温段)，与助燃空气在混合箱内混合后送进炉膛燃烧，从而实现烟气再循环技术。具体实施内容为：在尾部烟道处取部分烟气，通过烟道及烟气调节门引到鼓风机入口处的烟气混合箱内，经烟气混合箱送入鼓风机，再由鼓风机送入炉膛燃烧。烟气再循环技术不但可降低燃烧温度，而且降低了氧气浓度，该技术在燃气时可以降低40%～60%的NOx的量。

燃烧气氛中O2与CO2的体积比对NOx生成量及NO、NOx的比率有明显影响。当过量空气系数为1时，NOx的排放随O2与CO2体积比的变化情况见图1。

图1 O2+CO2中O2的浓度与NOx浓度的关系

由图1可以看到：NOx的排放量随O2体积比的升高而增加，且增加幅度很大。这是因为燃气燃烧过程中，N基本以HCN的形式存在，HCN在贫氧与富氧情况下与O2的总反应如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由(1)(2)可见：贫氧条件下，HCN最终生成N2；在富氧条件下则生成NO。O2浓度的增加有利于N到NOx的转化。

由(3)至(8)可见：在较低温度下，较高CO2浓度会使C不完全燃烧产生部分CO，CO可直接还原NO，同时生成C*活性基团，C*活性基团对C与NO的反应起到催化作用。

不同的锅炉，可以采取不同的烟气再循环方式，不但可降低氧气浓度，而且降低了氮氧化物的浓度。图2为本燃氢锅炉采用的烟气再循环系统。

图2 再循环烟气系统示意图

4.3 实现烟气循环量自动调节

调试过程中，实现助燃风、燃气量、烟气循环量在线自动调节，可保证负荷波动情况下NOx达标排放，同时提高燃烧效率，调节火焰形状，降低热力型NOx的产生。

5 烟气再循环系统中冷凝水问题的解决

在常规烟气再循环系统改造过程中，经常出现锅炉烟气中携带的大量水蒸气进入助燃风管道内凝结成水或者冰的情况，从而影响系统的稳定运行，在北方尤为明显，因此，如何减少烟气再循环系统中冷凝水的出现是锅炉低氮改造中一个不容忽视的问题。

一般来说，燃气锅炉的烟气含有近18%的水分，燃烧反应的通式为：

通过理论计算可知：烟气中的水分冷凝点在57～58 ℃，因此，只要所抽取的烟气温度高于58 ℃，烟气就能顺利抽取，不致于在管道中冷凝成水。

循环烟气跟空气混合后形成混合空气，当混合空气中水分超出饱和湿度时，多余的水分会自然冷凝成水。温度越高，空气中可以含有的水分就越多；反之，温度越低，空气中可以含有的水分就越少。根据这个原理，如果升高混合空气的温度，使混合空气中的水分处于未饱和状态，那么就能有效抑制冷凝水的生成。另一方面，如果可以，尽可能使进入混合烟气中的冷凝水提前析出排出，同样可减少冷凝水对系统的影响。

因此，针对本次低氮改造，拟采用如下有效措施，减少冷凝水对系统的影响。

(1)设置烟气混合箱。

再循环烟气经过烟气输送管进入烟气混合箱，与空气在混合箱内交叉射流，剧烈冲撞混合，形成均匀混合的烟气-空气混合气。同时烟气遇大量冷的空气，水蒸气迅速冷凝，混合气在导流装置的导流作用下，旋转至烟气混合箱下部，在壁面效应和离心分离的作用下，液态冷凝水和混合气产生分离。该混合箱能实现烟气和助燃空气均匀混合，改善燃烧，且新型烟气混合箱具有脱水功能，该产品结构简单，运行稳定。

(2)选择合理取烟点。

① 该项目取烟口为引风机出口，其烟气温度大于120 ℃。预热空气可提高混合气体的温度。

② 取烟口尽可能是在烟道末端，即锅炉烟气经过烟道降温，已去除大量的冷凝水，定量的烟道末端烟气与空气进入混合箱，进而降低末端烟气温度，再凝结出冷凝水，减少混合气体中水蒸气的含量。

③ 取烟量与空气量要按最大比例，从根本上减少空气的进入量，进而降低氮氧化物。

④ 严格控制引风机的风速，严禁风速过快。

(3)风道中设置疏水管。

在风道最低点处，设置疏水点和疏水管道，将烟气中剩余的、积累在风道中的冷凝水及时排出。

6 实施超低氮的效果和社会效益分析

6.1 降氮氧化物效果分析

锅炉低氮措施实施后，对锅炉进行燃烧调试，数据整理如表2所示。

表2 超低氮改造后烟气成分分析表

由表2可以看出：在锅炉运行负荷变化范围内，NOx的排放值均从初始值大于200 mg/m3降低至50 mg/m3以内，超低氮燃烧改造取得了圆满的效果。

6.2 社会效益分析

实施超低氮措施后，单台锅炉实现的减排量如表3所示。

表3 超低氮改造后NOx减排效果分析表

由表3可以看出：单台锅炉1年的减排量约为2.52 t，减排能力明显。而且超低氮燃烧改造完成后，减排过程几乎没有任何经济成本。因此燃气锅炉超低氮燃烧改造，具有重大的经济效益和环境效益，为燃氢锅炉低氮改造起到示范性带头作用。

7 结语

氮氧化物是导致空气污染的酸雨、臭氧空洞、光化学烟雾等环境问题的主要原因之一，随着国民和政府对环保的关注，氮氧化物排放标准日趋严格是当今的趋势，因此低前期投资和低运行成本的锅炉超低氮改造势必将成为重中之重。昆明云能本次针对燃气锅炉的改造大大降低了氮氧化物的排放，满足国家最新颁发的污染物排放标准，为社会、为国家的节能环保事业贡献自己的力量。