摘要：热媒炉以天然气等可燃气体为燃料，以二苄基甲苯为载热体，利用热媒循环泵强制热媒循环，在炉内吸热升温后，将热能输送给用户，在放热降温后，返回热媒炉重新加热的直流式特种工业炉。
关键词：PBT；热媒炉；燃烧器；
随着环保新政策的实施，工业锅炉大气污染物的排放更加严格。对某供热厂58 MW燃气工业锅炉超低氮燃烧技术进行介绍及应用调试情况进行分析，以推动国内超低氮排放燃烧器技术发展及应用推广。
一、氮氧化物的危害及治理的必要性
天然气作为一种洁净燃料，含硫量和含氮量比煤低得多，燃烧后产生的烟气几乎无烟尘。因此，在国家和各级政府实施的“碧水蓝天工程”中，要求燃煤锅炉逐步改为天然气锅炉，特别是在一些大中城市强制实施改造。随着燃油燃气锅炉的广泛使用，一个以前没被注重的污染源——氮氧化物的污染将会变得越来越严重，对此不能不引起足够的重视。氮氧化物的危害性（例如：对臭氧层的破坏、对动物和人体的伤害、导致光化学烟雾及酸雨等）早已被国内外科学家所证实。我国很多大城市受雾霾天气的肆虐使得人们对燃气锅炉运行时排放的氮氧化物（NOx）含量也越来越关注。
二、超低氮燃烧关键技术介绍
1.超低氮燃烧器。采用四级配风和三级燃料输入，配风方式采用低速的中心风、中强度的旋流风和高强度的轴流风。与4个空气区域相对应，设计了4种特制喷枪，以向上面描述的4个空气区域注入燃料或乳化水。燃烧器采用了多种技术降低NOx生成：（1）超混合技术，采用特有的分级射流，在炉内产生内循环，使燃烧室利用最大化，降低NOx排放；亚音速燃料朝向与助燃空气的流动方向相反，使助燃空气与燃料形成对冲，达到充分混合效果；（2）浓淡燃烧技术和分级燃烧技术，在燃烧器喉口部分，将整个燃烧过程分成燃气和空气配比不同的若干阶段，使燃气的燃烧分别在燃气过浓、燃气过淡和燃尽三个区域分阶段完成燃烧。在浓燃烧区域内，燃料量过多而氧气不够，燃料不能充分燃烧形成部分CO，CO具有还原性气氛，与NOx发生还原反应生成CO2及N2，从而达到在燃烧过程中抑制NOx生成的目的。同时，在燃烧后段为淡燃烧区和燃尽区，此区域有过量的氧气将未燃尽的CO继续充分燃烧生成CO2，不降低燃烧效率；（3）半预混燃烧技术，合理的预混使燃气与助燃空气在整个炉膛空间较均匀混合燃烧。根据设计需求，将燃料喷射至前述的不同燃烧区域内，加强浓淡燃烧和分级燃烧的效果可以避免局部高温区产生。预混喷嘴的喷射角度不同，燃料从不同的方向喷射出，与空气在不同位置、不同方向进行混合，保证混合效果，并在保证火焰稳定的前提下减小根部火焰，从而最大限度抑制NOx生成并减少CO排放。
2.烟气再循环技术（FGR）。在燃气燃烧过程中，N基本以HCN的形式存在，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。同时在较低温度、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于NO的反应起到催化作用。因此使用烟气再循环技术控制O2、CO、CO2含量是一种有效降低NOx生成的手段。烟气再循环技术能有效降低火焰温度，稀释氧气浓度，降低燃烧速度，可以减少热力型NOx生成。本次改造项目在锅炉节能器后抽取约15%总烟气量的再循环烟气，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，与新鲜空气混合后送入鼓风机，再由鼓风机送至燃烧器，进入炉膛燃烧。该技术可降低燃气锅炉NOx排放40%～60%至60 mg/Nm3以下。
3.超级乳化技术。超级乳化技术针对燃烧火焰的NOx生成峰值区域使用，能降低NOx约50%至30 mg/Nm3以下，达到设计的NOx排放要求。乳化水喷射位置由CFD软件仿真模拟计算确定，模拟计算出火焰形状及火焰温度分布图后（如根据模拟结果找出火焰的峰值温度区域及NOx形成的峰值区域，再向此区域喷射微粒化后的乳化水雾，在降低NOx排放同时，不会对其他区域的氧气浓度造成影响，不对锅炉设备造成损坏。乳化水喷射角度、速度、方向、流量和颗粒等参数均由流体力学计算确定，以保证燃烧器火焰温度场均匀、燃烧稳定。乳化水颗粒、速度过小，液滴只能沿火焰外侧流动，无法起到应有效果；乳化水颗粒过大，则会造成火焰中心降温过大，影响锅炉效率。
三、燃烧器改造
1.改造原则。燃气点火系统仅为整个机组的一部分，它的使用必须满足机组的整体需要，同时又受到机组原设计的限制。,（1）保证点火过程安全可靠，燃气点火系统的设计必须保证在机组整体启停过程的安全可靠，点火投入功率能满足锅炉点火启动曲线的要求;并能满足检修周期的要求。（2）设计合理，系统易于操作。在满足点火的前提下，各部分系统的设计应最大限度地利用机组的已有资源;整个系统的设计应便于运行人员的使用和维护。
2.燃烧器方案。按照热媒炉资料及要求，本方案每台热媒炉配置1台气燃烧器，同时配备相应的系统配置。根据锅炉资料、燃料资料及燃烧器的结构形式，确定以下基本设计参数见表2。根据热媒炉的设计，本方案设计的火焰尺寸为Φ2 200 mm(最大直径)×5 000 mm。
3.燃气点火系统的组成。燃气点火系统由燃烧器、燃气及吹扫置换系统、配风系统、高能点火装置、火检检测系统、控制系统等组成。燃烧器作为热媒炉的心脏，主要由燃烧器本体、稳焰装置、配风器、点火气枪、主气枪、防爆气动推进器、防爆高能点火装置、火焰检测设备等组成;燃烧器采用点火枪点燃点火气枪，再由点火气枪点火主气枪的二级点火方式。它具有结构紧凑、燃烧稳定、调节比大、噪音低;火焰铺展性好、燃烧完全、燃烧易于控制等特点。燃烧器中心供风带有稳燃罩，使火焰形成回流区，稳定火焰形状，也促使空气与燃料的充分混合。燃气气枪前端采用耐热钢制作，以确保喷嘴的使用寿命。燃烧器上加装观火孔，通过观火孔可以观察到燃烧器火焰燃烧状况。
4.改造技术思路。根据低氮分级燃烧原理，燃烧器将燃料分级送入燃烧器，分层燃烧;同时在燃烧器内部将空气分层送入中心燃烧区域及周界燃尽区域，使燃烧区域分成氧化、还原、氧化3种气氛，从而有效的控制NOx的生成。燃烧器能确保在运行工况下保证火焰不偏斜，确保火焰不直接冲刷炉壁，火焰尺寸与炉膛结构匹配，且可以使火焰在不停炉的情况下进行调节;该燃烧器运用了超混合技术，燃烧更稳定可靠，温度场更均匀;燃烧效率保证99．99%;过量空气系数低，可以达到α=1．05，NOx生成量不大于100 mg/m3。
四、燃烧器改造安全环保及效果分析
1#热媒炉于2016年2～3月进行了改造，更换为低氮燃烧器，2016年7月份热媒炉点火运行，2016年10月份河南政院检测研究院检测1#热媒炉烟气各项排放指标合格。某政院检测研究院检测结果见表1。
表1 改造后排放检测结果
经过低氮燃烧器改造，各项排放指标均有所降低，烟尘由14．5 mg/m3降至8．9mg/m3，NOX由377 mg/m3降至87 mg/m3，林格曼黑度由1及降为小于1级，各项指标均符合《GB13271-2014》中燃气锅炉标准限值要求，达到了改造目的，实现了尾气的超低氮排放，满足环保验收标准，为装置长周期安全运行提供了坚实基础。
五、低氮燃烧技术的发展前景
随着我国NOx排放总量的不断上升，由此造成的环境污染也不断加剧，对NOx的控制迫在眉睫。在未来很长一段时间里，氮氧化物的总量控制将会是我国环保工作的重点。从技术成熟性和成本节约性的角度来看，低氮燃烧技术更加适合我国工业及电力行业现状。因此，低氮燃烧技术在我国有极大地发展空间。
燃料和空气分级配比低氮燃烧技术在热媒炉上的应用，在保证热媒炉高效点火，安全稳定运行的前提下，显著的降低了NOx的排放，为大气污染物排放治理和企业生产起到了良好的推动作用。
参考文献
[1]姜明,天然气再燃降低NOx排放的热态工业试验研究.2016.
论文作者:张朋飚,王超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/10/17
标签：热媒论文; 燃烧器论文; 火焰论文; 燃料论文; 技术论文; 燃气论文; 烟气论文; 《电力设备》2018年第18期论文;