关于燃气锅炉低氮燃烧相关知识的介绍

2019-04-11 10:03:17      点击:
关于燃气锅炉低氮燃烧相关知识的介绍
天然气作为一种清洁能源,相比于煤,燃烧产物几乎不含粉尘及SO2,其主要的污染物为氮氧化物(NOX),NOX除了危害人体健康外,在大气中通过一系列的物理化学反应,经过日照,与碳氢化合物、臭氧等生成光化学烟雾。不仅如此,NOX同时也是形成酸雨的重要成因,更是产生大气超细颗粒物(PM2.5)的重要元凶。
随着国家能源结构转型和产业升级,政府大力推广天然气等清洁能源的使用。与此同时,对于大气污染排放也越来越重视,其中对于氮氧化物允许排放浓度的标准更是日趋严格,严格的锅炉大气污染物排放标准也促进厂家对于低氮燃烧技术的研发改进工作。本文主要介绍国内外燃气锅炉氮氧化物的排放标准以及常见的低氮燃烧技术。

国内外氮氧化物的排放标准

我国锅炉氮氧化物的排放标准
我国的锅炉大气污染物排放标准基本经历了控制烟尘、控制SO2,控制NOX三个阶段。目前国家层面的现行标准为GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》,GB13271-2014为该标准的第三次修订稿。第一次修订版本是1992年发布的GB13271-91《锅炉大气污染物排放标准》,1992年的修订版分年限规定了燃煤锅炉最高允许的排放烟尘浓度、SO2排放浓度及烟气黑度。1999年和2001年进行了第二次修订,标准号分别为GWPB3-1999和GB13271-2001。第二次修订稿重新规定了锅炉(包括燃气锅炉)的烟尘、烟气黑度、SO2排放要求,并首次对氮氧化物的最高允许浓度进行要求。现行的2014年修订稿中对于氮氧化物排放浓度的规定如表1~3:
表1 在用锅炉大气污染物排放浓度限值(GB13271-2014)


表2 新建锅炉大气污染物排放浓度限值(GB13271-2014)

注:自2014年7月1日起新建锅炉执行表2的排放限值。

表3 重点地区锅炉大气污染物特别排放限值(GB13271-2014)

 
从2015年开始,在国家标准基础上,各地开始逐步制定更为严格的地方大气污染物排放标准。比如北京地区,出台了DB11/139-2015《北京市锅炉大气污染物排放标准》,要求自2017年4月1日起,在用及新建锅炉氮氧化物排放浓度限值分别为80mg/m3及30 mg/m3。DB11/139-2015中对于氮氧化物的具体要求参见表4和表5:
表4 在用锅炉大气污染物排放浓度限值(DB11/139-2015)


表5 新建锅炉大气污染物排放浓度限值(DB11/139-2015)


20多年来,北京市燃气锅炉大气污染物排放标准及发展历程见表6,最新的标准堪称世界上最严格的标准之一,北京的标准是否还会越来越严格?我们拭目以待。
表6 北京市新建燃气锅炉大气污染物排放标准变化历程


天津市2016年7月发布新标准DB12/151-2016《天津市锅炉大气污染物排放标准》,重新限定了燃气锅炉氮氧化物排放限值,新建燃油、燃气锅炉氮氧化物排放控制水平要求达到80mg/m3,具体氮氧化物的排放浓度要求见表7~8:
表7 天津市在用锅炉氮氧化物排放浓度限值(DB12/151-2016)


表8 天津市新建锅炉氮氧化物排放浓度限值(DB12/151-2016)


上海从2017年开始调研及收集征求意见,2018年新标准DB31/387—2018《上海市锅炉大气污染物排放标准》发布稿正式公布并于6月7日起正式实施。上海的地标规定自标准实施之日(2018年6月7日)起对新建的锅炉(65t/h以下)氮氧化物排放浓度限值为50mg/m3,客观地说,上海地方标准吸取了北京的经验,相对比较务实。对大吨位的锅炉更有相关明确规定,额定热功率大于等于14MW或额定蒸发量大于等于20t/h的锅炉应按《污染源自动监控管理办法》的规定安装烟气排放连续监测系统,与环保部门联网,并保证设备正常运行。从这里看出来在线烟气连续监测系统和显示将来会是趋势,就如同能耗计量上传一样。上海市的具体的排放要求见表9~11:
表9 上海市在用锅炉大气污染物排放限值(第一阶段2018/6/7~2020/9/30)


表10 上海市在用锅炉大气污染物排放限值(第二阶段2020/10/1起)


表11 上海市新建锅炉大气污染物排放限值(2018/6/7起)


以上城市的地方标准的颁布势必会引领其他省份纷纷效仿,实际上很多省份已经发布相关标准或进行意见稿的收集征求工作。 显然,严控NOx已经成为各地方标准的既定事实。

美国锅炉氮氧化物的排放标准
美国锅炉大气污染物排放标准体系和我国类似,有联邦和地方标准,地方标准由各个州政府制定。一般来讲,各个地方政府的标准更加严格。
美国联邦政府只对29MW以上的锅炉规定了烟尘、SO2及NOX的排放浓度限值,相关联邦法律为40 CFR Part63( National Emission Standards for HazardousAir Pollutants for Major Sources: Industrial, Commercial, and InstitutionalBoilers and Process Heaters)。表12是美国联邦政府对于29MW以上锅炉NOX排放浓度限值:
 
表12 美国联邦政府29MW以上锅炉NOX排放浓度限值


美国各地氮氧化物排放浓度要求差异很大,而在美国各地氮氧化物排放浓度的标准中,以加州的标准最为严格。美国加州空气资源委员会(ARB)将本地划分了35个空气污染控制区(APCD’S)和空气质量管理区(AQMD’S),每个控制区和管理区均有各自的排放指标和控制计划。任何涉及到排放大气污染物的经营场所,必须获得当地的许可证。表13为南加州空气质量管理区的燃气锅炉氮氧化物排放浓度限值:
表13 南加州空气质量管理区燃气锅炉NOX排放浓度限值


欧盟将燃烧设备按照输入功率大小分为大中型燃烧装置(≥50MW)和小型燃烧装置(<50MW)两种类型。对于小型燃烧装置,欧盟各国自行制定大气污染物排放浓度限值,对于大中型燃烧装置,统一在欧洲议会和欧盟理事会发布的2010/75/EC《欧洲工业排放与污染防控指令》中做了规定。其中,使用气体燃料的装置NOX排放浓度见表14,欧盟对于不同种类气体燃料、不同类型燃烧装置的污染物排放做了更为细化的要求。
 
表14 使用气体燃料的燃烧装置NOX排放浓度限值(单位:mg/m3)


纵观国内外的氮氧化物排放标准,我国国家标准GB13271-2014中的氮氧化物排放浓度限值要求还较低,而北京上海等地的排放限值已经和发达国家看齐,甚至更为严格。

实际调研查看的锅炉排放情况
2015年初全国燃气工业锅炉检测统计结果显示,氮氧化物排放浓度≤200mg/m3的燃气锅炉仅有35%。
2016年北京环境科学院对市内燃气工业锅炉检测结果中,氮氧化物的排放浓度平均值为133mg/m3,而超过150mg/m3的占比43%。
2017年和2018年是北京市燃气锅炉低氮改造的集中年份,改造之后的最终统计结果现在还没有相关数据,但是预计和目前北京的地方标准的规定还有一定差距。从全国数据来看,氮氧化物的减排工作还任重道远。因此,寻求合理的低氮燃烧技术、控制技术成为亟待研究和解决的课题。从设计到顾问,从厂家到甲方都需要引起足够的重视,特别是锅炉及燃烧装置厂家自身产品及燃烧技术上必须进行改进以适应目前各地的排放标准。
 
氮氧化物(NOx)的产生机理及类型

燃气燃烧过程中产生的NOx的主要有燃料型、热力型和快速型。
01热力型NOx
由空气中的N2在高温下氧化产生,反应温度越高,NOX的生成速度越快。影响因素如下:
a)火焰温度,当温度低于1300℃,产生的NOX很少,温度超过1500℃时,NOX将会成倍增加。
b)氧气浓度:氧气浓度越高,NOX产生量越大。
c)燃烧时间:在高温区停留时间越长,NOX生成量越多。
02快速型NOx
燃烧过程中碳氢化合物高温分解产生CH自由基和空气中的N2分子反应生成HCN和N,再进一步氧化,反应的时间只需要60ms。快速型NOX的生产量占比非常少,通常不足5%。
03燃料型NOx
指的是燃料中的含氮化合物在燃烧过程中产生的,含氮化合物中的氮通常以原子状态存在,其结合键能量小,在燃烧过程中很容易分解出来氧化成NOX,由于天然气中基本不含有固定氮,所以燃料型NOX基本可以忽略。
综上,我们在进行低氮燃烧技术改进时,主要控制的是热力型NOX,根据其产生机理,控制的方向是降低火焰温度,尤其是降低火焰峰值温度,缩小火焰高温区的范围,缩短烟气在高温区停留时间,降低氧气的浓度等。
按照控制NOX排放的主要措施按控制的环节不同可以分为两类:第一类是控制NOX的产生,通过降低燃烧高温区的温度,缩小高温区的分布范围,具体的措施有:燃料/空气分级燃烧技术,烟气再循环技术(内循环、外循环),全预混表面燃烧技术,水冷燃烧技术,低过量空气系数等方法。第二类是烟气脱硝技术,就是说对烟气中已经产生的NOX进行处理,主要的相关技术有:贵金属催化脱硝法,选择性催化还原法(SCR),选择性非催化还原法(SNCR)、碱液吸收法等。
在燃气锅炉行业目前应用较多、有效且简单的控制氮氧化物的方式主要为燃烧控制法,即第一类。主要是通过优化炉内燃烧工况,合理优化燃料与空气混合,控制火焰分布,降低炉膛内温度来实现降低制氮氧化物。常见的有以下几种方法:
空气分级燃烧
将燃烧所需要的空气分阶段与燃料混合燃烧,降低燃烧强度和火焰温度。二次供风出口速度很高,卷席周围烟气,使得烟气在炉内再循环。分级配风一方面降低了中心火焰的温度,另外一方面稀释了火焰表面的氧浓度,从而抑制了NOX的生成。

图1 分级配风示意图

燃料分级燃烧
燃料分级燃烧是指将燃气从不同的区域送入炉膛,使得燃料分阶段、分区域进行燃烧。充分利用燃烧室的空间,将燃料分散布置,降低火焰集中度,降低高温区的温度。
分级燃烧
一般低氮燃烧器将空气分级和燃料分级相结合,统称分级燃烧技术。分级燃烧技术原理实质是通过贫氧和过氧相结合,使火焰分散,降低火焰温度,促使炉内烟气局部循环,形成还原气氛,部分还原已经产生的NO为N2,从而在总量上控制NOx的排放浓度。
分级燃烧技术虽然可以一定程度降低氮氧化物的产生,但是很多燃烧器在实际使用中没有完全实现助燃空气和燃气的充分混合,炉膛内存在局部高温区,其温度高于产生热力型NOx的温度,造成NOx浓度超标。另一方面,有可能出现燃料和空气的混合流动不佳,造成一氧化碳超标,局部积碳等不完全燃烧的现象。为了降低反应温度,需要尽可能使火焰分散,扩大火焰形状,也就是说需要结合炉膛配合使用,而大多是情况是炉膛体积有限,为了避免火焰相对炉膛过大,通常会降低燃烧器的输出功率,这样可以降低NOx浓度及保证充分燃烧,但是缺点是锅炉的功率下降了,而且有烟气冷凝的风险。
据相关文献及实际运行数据显示,分级燃烧一般可将NOx排放浓度控制在60~80 mg/m3,可满足国家标准,但是对于目前的很多地方标准,这种技术已经不能满足。
实际工程应用中,分级燃烧会和烟气再循环技术(FGR)结合起来应用,以满足30mg/m3的排放要求。
烟气再循环技术(FGR)
烟气再循环技术指的是将燃烧后的部分烟气(主要为水蒸气、二氧化碳和氮气)引出返回至燃烧器,与新鲜的空气混合参与燃烧。再循环烟气的温度与炉膛内的火焰温度比要低得多,能够显著降低炉膛内的温度,减少炉膛容积热强度。同时,由于引入的烟气含氧量极低,在炉膛内可以有效降低炉膛内的氧气浓度,有效抑制了NOx的形成。

图2  烟气外循环低氮燃烧系统

烟气再循环技术属于低氮改造的主要技术之一,但是在实际应用中有以下问题:
01烟气再循环率的控制
烟气再循环率指的是再循环烟气量与全部排烟量之比。一定范围内,烟气再循环率增加有利于降低NOx浓度,但是当烟气再循环率增加到一定量时,NOx浓度下降速度变小。但是同时,烟气循环率的增加使得燃烧不稳定,不完全燃烧率增加,锅炉出力及效率降低。所以,合理控制烟气再循环率非常重要,然而,其控制要求较为复杂,不仅需要考虑NOx浓度,同时要考虑燃烧器的功率调节以及烟气温度等条件。
02燃烧器产生冷凝水
冬季,空气温度较低,回流烟气中含有大量的水蒸气,此时,两者混合时,极易产生冷凝水,导致燃烧器和鼓风机腐蚀损坏。所以FGR系统需要兼顾空气温度,烟气循环率、烟气温度等因素,必须保证混合后的气体温度高于烟气露点温度。通常会通过加热助燃空气的方式来解决以上问题,但是如何加热?加热到多少温度这些都是需要慎重考虑的问题,由此带来控制系统的复杂程度变高。
03炉膛匹配性问题
一般应用FRG改造技术的锅炉需要较大的炉体结构,而很多改造的锅炉炉体并不满足此条件。
 
水冷燃烧技术
燃烧器的火焰被冷却水管包围,通过冷却水管的冷却水带走热量,降低火焰温度,从而破坏氮氧化物生成条件。通常搭配预混燃烧技术一起使用,预混燃烧可有效缩小火焰长度,较短的火焰可充分被冷却水管进行降温。
本技术可有效降低NOx排放浓度,但是适用性不广。由于采用水冷却,所以对于大多数改造项目,由于炉体结构无法改造,所以本技术无法应用。水冷燃烧基本只能适用于置换案例或全新设计炉体的工程案例。另外,这种炉体一般搭配专用燃烧器,而不是通用燃烧器,一旦燃烧器出现故障,用户可选择的燃烧器就非常局限。
 
全预混金属丝网表面燃烧
全预混燃烧技术配合金属纤维是目前小型燃气锅炉的主流低氮燃烧技术。
全预混燃烧指的是在燃烧之前将燃料和所需全部助燃空气进行精确比例预混,在燃烧全过程中,可实时进行空燃比的恒定。也就是说,氧浓度基本可以维持恒定,不太会出现氧浓度过高的区域。
由铁-铬-铝及稀有金属材料制成的多孔金属纤维网为燃烧表面,其气孔分布均匀,燃烧强度大,燃气和空气精确混合后,在其表面产生短簇型火焰,燃烧面积大,燃烧均匀,没有局部高温区,有效抑制NOx的生成。
全预混燃烧+多孔金属纤维网的配合使用,由于多孔金属纤维网的孔隙很小,燃烧时不存在宏观尺寸上的火焰(所以又称无焰燃烧),理论上讲,基本不会产生回火。
与传统扩散式燃烧相比,全预混表面燃烧的火焰径向均匀分布,且燃烧表面积大,温度分布均匀,峰值温度低,火焰发生速度快,反应停留时间短等优点,NOx排放浓度可达到30 mg/m3以下。在排放标准最严的美国加州地区,该技术也是低氮燃烧的主流应用技术。


图3 全预混金属丝网表面燃烧

全预混金属丝网表面燃烧的主要弊端是燃烧器丝网容易堵塞,这是由于国内空气及天然气质量较差导致。
但是对于全预混燃烧技术“不安全”的看法是一种误解,从上面的解释我们可以看出,全预混燃烧搭配多孔金属纤维引起回火的可能性微乎其微。国内低氮改造的热潮,催生了很多国内生产厂家,简易组装直接上马了许多全预混燃烧器及锅炉,由于质量及技术不过关,导致了一些质量和安全事故。但是随着目前技术的改进和更多安全保障措施的加入,这种安全事故的可能性,已经几乎为零。
目前BDR在中国市场上投放的所有商用全预混燃气锅炉,都标配了空气过滤器等安全保护装置,并且锅炉中都有进风、排烟压差保护及防回火等多重保障措施。

总体来讲,每种低氮燃烧技术都有其适用条件和不同的效果。对于具体的项目,需要根据炉体的结构、尺寸、功率等条件来考虑采用哪种措施。例如,如果炉膛直径及燃烧器喉口较大,可采用燃料分级和烟气内循环。如果炉膛细长,则不宜采用燃料分级,可采用空气分级。烟气外循环具有普适性,但是控制要求高,更适合大中型的锅炉使用。全预混表面燃烧技术,各方面优势都很突出,但是目前适用于小型燃气锅炉。另外,多种技术的耦合利用也是一种低氮燃烧改造的趋势。