中小型传统燃气锅炉低氮排放的一种有效解决方案——普通燃烧机全预混表面燃烧改造

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中小型传统燃气锅炉低氮排放的一种有效解决方案
    ——普通燃烧机全预混表面燃烧改造

一、低氮燃烧的必要性
二、低氮燃烧机理及技术研究
三、全预混表面燃烧技术降低Nox排放的可行性及实现方式

一、低氮燃烧的必要性
      减少NOx排放是改善环境空气质量的需要

   GB3095-2012）在调整环境空气质量功能分区方案的同时，还完善了污染物项目和监测规范，包括在基本监控项目中增设8h浓度限值，收紧NO2浓度限值等。近年来的监测数据表明，典型特征污染物PM2.5出现较大超标比例和区域性长时间严重超标情况，改善环境空气质量面临巨大挑战。

   国内外研究和治理经验表明，控制区域性PM2.5污染是一项难度非常大的系统工程，必须在综合分析基础上，提出有针对性的控制对策，才能有效缓解区域PM2.5污染。PM2.5包括一次排放和二次生成粒子两部分，以北京为例，二次粒子比例较高，特别是重污染时段PM2.5中二次粒子比例较常规时段明显增加。有观测数据表明，重污染发生时PM2.5与NOx的环境质量浓度变化呈现强相关、同步变化的特征。NOx是PM2.5的重要前体物，在形成过程中有两个作用：一是反应生成的NO3-是二次粒子的重要化学组分；二是通过光解链式反应生成O3，增加大气氧化性，提供将SOx、NOx氧化生成SO42-和NO3-的氧化剂。美国加州利用CAMQ模型模拟削减一次排放的NOx对PM2.5的影响，结果是每减少1吨NOx排放可减少约0.13吨PM2.5。北京最新研究结果表明，二次粒子是目前PM2.5的主要贡献者，且比2000年有明显上升，主要成分为水溶性离子（占53%）、地壳元素（占22%）、有机质（占20%）和元素碳（占3%），其他未知元素约占2% ，且NO3-/SO42-比例关系呈现增加趋势。水溶性离子中以SO42-、 NO3-和NH4+为主，三者之和（SNA）占PM2.5的比例平均近50%，SNA的浓度贡献是造成PM2.5污染的主要原因。因此，减少NOx排放是改善空气环境质量的重要任务之一。

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二、低氮燃烧机理及技术研究：

      1、甲烷-空气燃烧过程氮化学基本原理

燃烧理论将NOx的生成分为热力型NOx（Thermal NOx）、快速型NOx（Prompt NOx）和燃料型NOx（Fuel NOx）。天然气中含氮量较低，因此，燃料型NOx不是其主要的控制类型。热力型NOx是指燃烧用空气中的N2在高温下氧化生成NOx。关于热力型NOx的生成机理一般采用捷里道维奇机理：当温度低于1500℃时，热力NOx的生成量很少；高于1500℃时，温度每升高100℃，反应速度将增大6~7倍。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内的温度分布是不均匀的，如果有局部高温区，则在这些区域会生成较多的NOx，它可能会对整个燃烧室内的NOx生成起关键性的作用。快速型NOx在碳氢燃料燃烧且富燃料的情况下，反应区会快速生成NOx。在实际的燃烧过程中各种因素是单独变化的，许多参数均处于不断的变化中，即使是最简单的气体燃料的燃烧，也要经历燃料和空气相混合，燃烧产生烟气，直到最后离开炉膛。炉膛的温度、燃料和空气的混合程度、烟气在炉内停留时间等这些对NOx排放有较大影响的参数均处于不断的变化之中。

燃料和空气混合物进入炉膛后，由于受到周围高温烟气的对流和辐射加热，混合物气流温度很快上升。当达到着火温度时，燃料开始燃烧，这时温度急剧上升到近于绝热温度水平。同时，由于烟气与周围介质间的对流和辐射换热，温度逐渐降低，直到与周围介质温度相同，也即烟气边冷却边流过整个炉膛。由此可见，炉内的火焰温度分布实际上是不均匀的。通常，离燃烧器出口一定距离处的温度最高，在其前后的温度都较低，即存在局部高温区。由于该区的温度要比炉内平均温度水平高得多，因此它对NOx生成量有很大的影响：温度越高，NOx生成量越多。因此，在炉膛中，为了抑制NOx的生成，除了降低炉内平均温度外，还必须设法使炉内温度分布均匀，避免局部高温。

2、国内外燃气工业锅炉NOx控制技术现状

现有低NOx燃烧技术主要围绕如何降低燃烧温度，减少热力型NOx生成开展的，主要技术包括分级燃烧、预混燃烧、烟气再循环、多孔介质催化燃烧和无焰燃烧。

    （1）燃料分级燃烧或空气分级燃烧

热力型NOx生成很大程度上取决于燃烧温度。燃烧温度在当量比为1的情况下达到最高，在贫燃或者富燃的情况下进行燃烧，燃烧温度会下降很多。运用该原理开发出了分级燃烧技术。

空气分级燃烧（见图4-1）第一级是富燃料燃烧，在第二级加入过量空气，为贫燃燃烧，两级之间加入空气冷却以保证燃烧温度不至于太高。燃料分级燃烧与空气分级燃烧正好相反，第一级为燃料稀相燃烧，而在第二级加入燃料使得当量比达到要求的数值。这两种方法最终将会使整个系统的过量空气系数保持一个定值，为目前普遍采用的低氮燃烧控制技术。

（2）贫燃预混燃烧技术

预混燃烧是指在混合物点燃之前燃料与氧化剂在分子层面上完全混合，其工艺流程见图4-2。对于控制NOx的生成，这项技术的优点是可以通过当量比的完全控制实现对燃烧温度的控制，从而降低热力型NOx生成速率，在有些情况下，预混燃烧和部分预混可比非预混燃烧减少85%—90%的NOx生成。另外，完全预混还可以减少因过量空气系数不均匀性所导致的对NOx生成控制的降低。但是，预混燃烧技术在安全性控制上仍存在未解决的技术难点：一是预混气体由于其高度可燃性可能会导致回火；二是过高的过量空气系数会导致排烟损失的增加，降低了锅炉热效率。

（3）外部烟气再循环和内部烟气再循环技术

燃烧温度的降低可以通过在火焰区域加入烟气来实现，加入的烟气吸热从而降低了燃烧温度。通过将烟气的燃烧产物加入到燃烧区域内，不仅降低了燃烧温度，减少了NOx生成；同时加入的烟气降低了氧气的分压，这将减弱氧气与氮气生成热力型NOx的过程，从而减少NOx的生成。根据应用原理的不同，烟气再循环有两种应用方式，分别为外部烟气再循环与内部烟气再循环。

对于外部烟气再循环技术来说，烟气从锅炉的出口通过一个外部管道，重新加入到炉膛内。根据RØkke等的研究，外部烟气再循环可以减少70%的NOx生成。图4-3为外循环烟气的结构示意图。外循环比例对NOx控制效果也有较大影响，随着外循环比例的增加NOx降低幅度也更加明显，但循环风机电耗也将增加。

对于内部烟气再循环，烟气回流到燃烧区域主要通过燃烧器的气体动力学。内部烟气再循环主要通过高速喷射火焰的卷吸作用或者旋流燃烧器使得气流产生旋转达到循环效果。图4-4a在燃烧器头部加了一个循环杯，中间通过高速气流，由于压力差使得烟气重新加入到燃烧区域中。图4-4b通过高速气流喷嘴达到循环效果。

通过运用一个旋流器或者切向气流进口来生成一个有切向速度的气流，旋转过程即产生了涡流。涡流的强度可以用一个无量纲数旋流度S表示。当旋流度超过0.6，气流中将会产生足够的径向和轴向压力梯度，这会导致气流反转，在火焰中心产生一个环形的再循环区域。中心再循环区域的高温气体将回到燃烧器喉部，这确保了对冷的未燃烧气体的点火，同时通过降低火焰温度和降低氧气分压减少NOx生成。

（4）多孔介质催化燃烧

降低火焰温度的另一个办法就是尽可能快和多的加强火焰对外的传热。Zepter在燃烧器内增加了多孔介质（PIM），使得燃烧反应发生在多孔介质内，这样从燃烧器到周围环境的辐射和对流换热就被加强了。实验表明，使用PIM燃烧器的燃烧温度低于1600K，NOx生成量在5-20ppm左右。

PIM燃烧器还可以在燃烧器入口处添加催化剂，这样燃料分子和氧化剂分子就会以一个比较低的活化能在催化剂表面进行反应。这样反应温度相比于同类的燃烧要更低。由于反应过程只在催化剂表面进行，不会产生NOx，这样催化燃烧的NOx生成可以降至1ppm。催化燃烧的缺点就是必须保证活性表面在一个比较低的温度下不被氧化或蒸发，且催化剂造价相对较高，难以得到工业化应用。

（5）无焰燃烧

传统的火焰燃烧分为预混燃烧和扩散燃烧，其主要特点包括：①燃料与氧化剂在高温下反应，温度越高越有助于火焰的稳定；②火焰面可视（甲烷燃烧的火焰一般为蓝色，有碳烟产生时为黄色）；③大多数燃料在很薄的火焰层内完成燃烧，但是燃烧反应会在下游的不可见的区域内完成。

为了建立一个火焰，燃料与氧化剂之比必须在可燃极限之内，同时需要点火装置。一般情况下，火焰在点燃以后一般自己充当点火器，对来流进行点火。这就需要足够高的火焰温度来达到最小点火能量，但是高的火焰温度会使得NOx生成增加。

Wuenning J.G等在实验室内观察到了一种无焰的燃烧，如图4-5所示。在炉内温度为1000℃，空气预热到650℃的情况下，燃料在无焰的情况下燃烧，一氧化碳低于1ppm，NOx接近于零排放。

为了稳定火焰，可视的燃烧过程需要在燃烧后产生很强的烟气回流；对于无焰燃烧，烟气回流发生在燃烧之前，甚至可能在燃烧器当中，这样再循环的烟气加热了预混的燃料，降低了炉膛温度，扩大了反应区域。

无焰燃烧火焰分布均匀，燃烧温度低，同时羟基生成少，这使得NOx产生更少。无焰燃烧需要以下条件：①分别射入高动量的空气和燃料流；②大量内部的或者外部的高温燃烧产物循环；③热量的快速移除，以保证炉膛内各处均未达到绝热火焰温度。无焰燃烧不需要传统的稳燃装置或条件（比如强涡）。

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首先与大家分享一些产品开发数据：

    数据是在两台传统热水锅炉上测得，该锅炉原先采用的是1吨意高燃烧机（BLU700.1PAB）。    最初，用户是希望通过改造来消除燃烧振荡（大火时噪音大，严重扰民，无法运行），采用金属纤维炉头改造后，降噪效果立竿见影；同时，我们借现场的条件，做了进一步的排放测试（仪器采用德图340）。
    炉头数据：
    A机
    1、燃烧面有效直径  174mm
    2、燃烧面有效长度  540mm
    3、有效燃烧面积      0.2952m2
         对应燃烧强度：1、460kw，1558kw/m2；2、240kw，813kw/m2

    B机
    1、燃烧面有效直径  174mm
    2、燃烧面有效长度  520mm
    3、有效燃烧面积      0.2842m2

         对应燃烧强度：1、550kw，1935kw/m2；2、470kw，1653kw/m2；3、310kw，1090kw/m2

    从数据来看，燃烧强度降低到1500kw/m2附近时，Nox排放可以控制到40mg/m3以下。

    另外，最近会将B机的燃烧强度及空气过剩系数进行调整，和A机进一步对比，测试数据后面补充。
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普通燃烧机全预混表面燃烧改造可能面临的主要问题

    实践发现，改造面临的主要问题是：
    1、均匀布气
    2、功率损失
    3、锅炉接口匹配（点火及火检针外移）
    4、燃烧机占地空间增加
    5、必须增加空气过滤装置

    均匀布气和功率损失往往容易变成一对矛盾。简单地降低表面开孔度就能明显改善布气的均匀度，但会带来一定程度的功率损失，目前的经验来看，这种方法大约能保留70-80%左右的出力。如何能改善布气的均匀度，而不降低出力，是一个需要进一步实践去解决的关键问题。
    点火及火检针的外移，需要增大锅炉与燃烧机的接口口径，对于重新设计锅炉来说，这不是什么问题；但是，如果原有锅炉的口径无法改变，则需要改造时对金属纤维炉头做变径处理，除了可能带来增加均匀布气的难度，还会使锅炉外需要的空间增加（因改造都是在不改变原燃烧机结构的前提下进行，燃烧筒部分只能全部移到锅炉外部）。
    因为需要一定的空间进行空燃气体的充分混合，同时，还需要预留外置点火火检位置，通常，改造后的燃烧机占地空间会增加100-200mm长度，变径处理的情况下，则需要另外增加一个原火焰筒的长度。
    增加空气过滤能减轻炉头堵塞，减少炉头维护工作，延长炉头使用寿命。

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三、全预混表面燃烧技术降低NOx排放的可行性及实现方式
    “全预混金属纤维表面燃烧技术”将空气和天然气在进入燃烧室之前按比例完全混合，使天然气充分燃烧的同时，降低火焰温度以减少NOx的产生，使NOx在运行工况下最高排放可控制到30ppm以下；同时还降低空气的需求量，提高烟气的露点，使烟气尽早进入冷凝阶段，以进一步提高燃烧效率。

    国外的金属纤维燃烧器产品已经有多年的应用经验，并且配套了铸铝等高效率的换热结构，排放效果毋庸置疑；但也存在必须在其配套换热器中才能达到排放效果的弊端；在低氮排放要求下，传统的燃烧机面临必须更换的尴尬局面，而昂贵的新装备无疑也带来了不菲的使用成本。

    适应市场的需要，湖南惠同依托“金属纤维耐高温织物专利技术”，根据中国国情推出了“普通燃烧机的低氮燃烧改造方案”。普通燃烧机只需通过加装惠同金属纤维炉头，不需要大的结构改动，燃烧机的控制也不需要任何改变，就能实现低氮表面燃烧。经过实践验证，这是一种实现低氮燃烧非常有效的方案，也是中小型传统燃气锅炉低氮排放改造的高性价比方案。

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未完，待续，有兴趣的朋友请关注后续补充信息。

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“金属纤维表面燃烧技术”应用案例：
    山西崇光科技有限公司和山西崇光冷凝供热设备有限公司是国内唯一采用欧洲进口大型商用铸铝换热器总成进行商用全预混低氮燃烧冷凝锅炉产品生产的企业。
    崇光公司对商用天然气全预混低氮燃烧冷凝供热技术的引进和应用在国内掌握技术制高点，与欧洲行业领袖直接合作，在国内独家引进目前世界唯一的独立大型铸铝冷凝换热器总成以及大功率全预混变频风机等核心技术，结合中国应用环境研发的自主品牌独立大型商用冷凝锅炉，使锅炉单燃烧室输出功率达到1000KW，与欧美主流商用冷凝锅炉核心配置一致，其产品填补了国内空白。
    为了使天然气全预混低氮燃烧冷凝供热技术这一全球领先的燃气供热技术更好地适应中国的应用环境，服务于中国的能源结构调整，使天然气这一清洁能源的使用更清洁、更环保，崇光公司与荷兰贝卡尔特公司、德国EBM公司、德国冬斯公司等正在合作建立商用全预混低氮冷凝供热技术中国应用研发中心。
http://www.cglngl.com/

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北京市燃气锅炉氮氧化物排放标准全国率先降低至60mg/Nm3以下

天然气低氮燃烧标准呼之欲出,专家解读NOx排放新标准

http://www.cglngl.com/news/news0034.html

锅炉大气污染物排放标准

http://www.cglngl.com/news/news0032.html

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测试数据照片
烟气分析仪器：德图340

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意高BLU700普通燃烧机改造

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利雅路FS20改造

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    根据EN676标准，全预混表面燃烧方式要达到欧洲3级排放标准，空气过剩系数要求就是不一样的，测试时只要不超过1.4即可。这样，对换热提出了更高的要求，要低氮又要节能，需要从换热上配合做改善。
    我们的方案是，传统锅炉如果要通过金属纤维炉头实现低氮燃烧，需要适当提高空气过剩系数（不能受原先国家测试标准的约束，因为那时候的标准并没有考虑低氮燃烧的要求）；同时，为了提高锅炉效率，需要适当增加冷凝器等二次换热装置。