天然气锅炉低氮燃烧改造及应用效果分析_曹正宇.pdf

2023 年第 5 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT天然气锅炉低氮燃烧改造及应用效果分析天然气锅炉低氮燃烧改造及应用效果分析曹正宇周莘然杜振华邢传胜严少刚中海油节能环保服务有限公司天津 300457摘要:NOx对生态环境和人类健康都产生了很大的危害,在工业生产中 NOx排放是一个不可避免的问题。近年来,人们对环境保护越来越重视,如何降低 NOx排放浓度也一直是研究的重点方向。简述了天然气锅炉 NOx生成机理及主要影响因素,介绍了天然气锅炉低氮燃烧相关技术,详述了山东烟台某油气处理厂针对天然气锅炉的运行特点,采用低氮燃烧技术进行改造,使其 NOx排放浓度均控制在 30mg/m3以下的工程实践,分析了天然气锅炉改造后的应用效果。该工程实践技术方案在设计之初就注入了节能降碳理念,以期在低氮环保改造的同时实现节能降碳,为类似工程实践起到示范作用。关键词:NOx;低氮燃烧器;烟气再循环;应用效果分析作者简介:曹正宇,男,化工过程机械专业,中海油节能环保服务有限公司,主要从事废气治理及机电节能改造工作。当 前,随 着 社 会 经 济 的 迅 速 发 展,社 会 环保问题日 益 突 出,在 碳 达 峰 和 碳 中 和 背 景 下,节能减排 形 势 日益严峻。天然气锅 炉 氮 氧 化 物(NOx)排放浓度问题是当今社会关注的热点之一,降低 NOx的排放量成为人们普遍关注的重要课题。近年来,全 国 各 地 环 保 政 策 对 NOx排放要求 日 趋 严 格,随 着 排 放 限 值 不 断 降 低,一些天然气锅炉 NOx排放浓度已无法满足环保要求,对现有 排 放不达标的天然气锅 炉 进 行 低 氮改造也已迫在眉睫。1天然气燃烧 NOx生成机理及主要影响因素Turns Stephen R 对燃烧过程 NOx的生成机理进行了深入研究,根据产生方式的不同将 NOx分为了 热 力 型 NOx(Thermal NOx)、快 速 型 NOx(Prompt NOx)、燃料型 NOx(Fuel NOx)、N2O 中间型 NOx和 NNH 型 NOx1。根据天然气的组分及燃烧机理,天然气燃烧生成的 NOx主要包括热力型 NOx和 快 速 型 NOx,并 以 热 力 型 NOx为主2。热力型 NOx是在高温和高氧浓度条件下,大气中的氮被氧化而形成,绝大多数气体燃料和不含氮化物的一般燃料都是通过这种方式燃烧产生NOx。温度对热力型 NOx的生成有非常显著的作用,当温度低于 1 500 时,热力型 NOx产生量较小;当温度高于 1 500 时,NOx产生量明显越大,温度每上升 100 ,生成 NOx的反应速度增加约6 7 倍。同时,NOx产生量受燃烧均匀性的影响也较大,在温度分布不均匀的局部高温区会生成较多的热力型 NOx3。快速型 NOx是在燃烧火焰区中形成的碳氢化物基团与大气中氮作用而形成,这种形式生成 NOx的速度非常快,因而得名3。快速型 NOx产生主要取决于火焰最初阶段中基团的浓度,在富燃料和低温燃烧条件下,其生成比例可达全部 NOx总量的 25%。影响快速型 NOx生成最主要的因素是局部空气过量系数和火焰初始区加热速度,可以通过控制火焰初始区氧气浓度和温升速度来控制快速型 NOx的生成4。2天然气锅炉低氮燃烧相关技术由生成机理及主要影响因素可以看出,天然气锅炉燃烧 NOx的生成受燃烧温度的影响最为显著,近些年降低 NOx的技术研究工作主要围绕降低燃烧温度来开展,兼顾考虑减少快速型 NOx生成5。当前,常见的天然气低氮燃烧技术主要有分级燃烧技术、烟气再循环技术、MILD 燃烧技术等。2.1分级燃烧技术分级燃烧技术主要是控制调节送入炉膛空气或燃料的比例来实现对 NOx生成的抑制,具体可分为空气分级和燃料分级。空气分级技术是目前08 2023 年第 5 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT应用最为广泛且可靠的低氮燃烧技术,整个过程分两级来完成。第一级送入部分空气,约占燃烧总空气量的 75%左右,过量空气系数小于 1,让炉膛处于贫氧还原性环境,从而降低了氧气的浓度和燃烧温度,使得热力型 NOX生成受到抑制;第二级送入剩余空气,过量空气系数大于 1,使炉膛形成富氧环境,第一级未燃尽的天然气和中间产物完全燃烧,提高燃尽率。燃料分级燃烧技术,即再燃烧技术,是使燃料在炉膛中的燃烧分成 3 个不同的区域来完成,这 3 个区域分别是主燃区、再燃区和燃尽区,具体过程是在主燃区送入约 80%的燃料,使其在过量空气系数大于 1 的条件下燃烧,此时炉膛内温度较高,生成的氮氧化物较多;再将剩余约 20%的燃料送入再燃区,使其在过量空气系数小于 1 的条件下进行富燃料燃烧,产生大量还原性 CH 基团,将生成的氮氧化物还原;再通入空气让燃尽区过量空气系数大于 1,形成贫燃料环境,将未完全燃烧的含碳物质燃尽。空气分级燃烧技术操作简便,但由于燃烧温度一般比较低,对锅炉的效率会有一定的影响,故其很少被应用于燃气锅炉,而燃料分级燃烧技术 适 用 于 各类 燃 气 锅 炉,可 将 锅 炉 烟 气 中NOx浓度控制在 60 mg/m3左右3。2.2烟气再循环技术烟气再循环技术是利用锅炉燃烧产生的烟气,将部分烟气引入炉膛继续参与燃烧,通过引入烟气与燃料的混合来实现对燃烧温度和氧化物浓度的控制。根据锅炉结构和运行特点的不同,烟气再循环技术可分内部烟气再循环与外部烟气再循环。内部烟气再循环技术是通过改变燃烧器与炉膛的内部结构,使燃烧的烟气在炉膛内自循环回流到燃烧区域参与燃烧,而外部烟气再循环则是从锅炉烟道出口管道上引出烟气通过管线并送入燃烧区域参与燃烧。烟气再循环技术对于现有锅炉改造比较容易,只需在结构上做部分改变,但单独使用该技术对 NOx减排效果有限且对锅炉燃烧稳定性及燃烧效率有不利影响,一般与其他技术联合应用6。从经济角度看,由于引入的烟气对燃料和氧化剂起到了预热的作用,也产生节能效果。实际应用中,引入烟气回流量的比例是烟气再循环燃烧的关键和难点,其烟气回流量设置是否合理直接影响该技术的应用效果7。2.3MILD 燃烧技术MILD 燃烧技术,即温和与深度低氧稀释燃烧,也叫无焰燃烧技术或无焰氧化技术,是一种低氧稀释条件下形成的温和燃烧模式。其燃烧特点是燃烧无局部高温存在,燃烧过程中没有明显的火焰锋面。与传统燃烧相比,MILD 燃烧技术氧气浓度低、噪音极小、燃烧温度低。MILD 燃烧在抑制 NOx生成方面效果突出,以天然气为燃料的燃烧能达到 NOx接近于零的排放。由于该技术采用余热回收装置来预热空气,最大限度地回收高温烟气余热,使得锅炉的热效率得到很大的提高。目前,因为对 MILD 机理性研究还不全面,该技术在工业上的应用还不成熟。但因其独特的燃烧特性,具有巨大的市场潜力与广阔的应用前景,是新 一 代 高 效 低 氮 燃 烧 技 术 的 主 要 研 究方向。3天然气锅炉低氮改造工程实例3.1项目背景山东烟台某油气处理厂 3 台天然气导热油炉NOx排放浓度均在 150 mg/Nm3左右。根据 关于印发烟台市大气污染防治三区划分方案的通知(环烟发 2016 122 号),该油气处理厂所在位置属于大气污染防治的重 点 控 制 区。山东 省 锅 炉 大 气 污 染 物 排 放 标 准(DB 37/23742018)标 准 要 求,2020 年 1 月 1 日 起,大气污染防治的重点控制区全部锅炉的氮氧化物排放量限值为100 mg/m3。为满足当地环保对NOx的排 放 要 求,需 要 对 该 油 气 处 理 厂 3 台 天然气导热油炉进行低氮改造,降低 NOx排放浓度至限值以下。3.2项目改造技术方案随着天然气锅炉 NOx排放标准越来越严格,单一的 NOx控制技术很难满足需求5。燃料分级燃烧技术和外部烟气再循环组合技术是当前应用较多的技术组合,工程应用案例较多。该技术方案仅需将原燃烧器更换为燃料分级低氮燃烧器,并在外部安装烟气循环管道用于烟气循环,其实施性较强,改造工作量较小,投资费用及运行维护费用也 较 低,被 广 泛 应 用 于 天 然 气 锅 炉 低 氮改造。结合该油气处理厂锅炉运行情况和工艺特点综合分析,本项目 3 台天然气导热油炉低氮改造选择的技术路线为燃料分级燃烧技术和外部烟气再循环组合技术,具体改造内容包括将锅炉原燃烧器更换为燃料分级低氮燃烧器,燃料分级低氮燃18 2023 年第 5 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT烧器结构示意图如图 1 所示。该燃烧器已将烟气引风机一体化,流程中无需再增加引风机。新增烟气冷却器,用来降低烟气温度,通过降温后的烟气来更好地调节炉膛燃烧温度。新增烟气再循环流程示意图如图 2 所示。从导热油炉烟囱底部引出再循环烟气管线连接至烟气冷却器,将烟气自330 冷却至 145 ,冷却后的烟气再通过烟气循环管线送至燃烧器入口处,与助燃空气混合后由燃烧器再次进入炉膛燃烧。a:烟气回流口b:天然气入口图 1燃料分级低氮燃烧器结构示意图图 2新增烟气再循环流程示意图4天然气锅炉改造效果综合评价4.1改造后减排效果评价改造完 成 后,通 过 烟 气 分 析 仪 在 从 烟 道 取样口监测显示,3 台天然气导热油炉稳定运行时NOx排放浓度均在 26 28 mg/Nm3之间。这是由于将原燃烧器更换为燃料分级低氮燃烧器后,天然气与 助 燃 气体混合燃烧更均 匀,避 免 了 局部燃烧高温。同时,通过烟气外循环引入烟气,炉膛整体 温 度 也有了一定程度的 下 降,这 就 对热力型 NOx的产生起到了很大的抑制作用。根据厂里统计,2020 年该油气处理厂生产用天然气全年消耗量为 189.6 万 Nm3,由烟气分析仪监 测 数 据 折 算 出 改 造 前 NOx排 放 浓 度 约150 mg/Nm3,按照 1 Nm3天然气实际产生的烟气量 12.42 Nm3,NOx年排放量约 189.6 12.42 150/100=3 532 kg。改造完成后,测得 NOx排放浓度约 27 mg/Nm3,如按该厂天然气年消耗量不变计算,每年 NOx排放量降为 189.6 12.42 28/100=659 kg,每年可减少 NOx排放量约2 873 kg,NOx减排率约 81%,减排效果十分显著。4.2改造后节气效果评价本项目第 1 台导热油炉改造于 2021 年 10 月底完成。导热油炉 2021 年生产用天然气日耗量统计结果见图 3。图 3导热油炉 2021 年生产用天然气日耗量结合导热油炉改造前后关键时间节点的耗气量变化,选取 10 月和 11 月生产热负荷接近的 2 个月份的时间段对天然气导热油炉稳定运行的数据进行对比分析,从 2021 年 11 月 1430 日,生产用天然气累计消耗量约 39 403 Nm3,改造前在相同天数内(10 月 925 日)生产用天然气累计消耗量为 59 872 Nm3,即改造后生产用天然气消耗量减20 469 Nm3,减少约 34%,生产耗气量明显减少。改造完成后每年可减少天然气消耗量为 189.6 34%=64.464 万 Nm3,按照每标立天然气产生二氧化碳1.964 3 kg,折合二氧化碳减排量每年约64.464 1.964 3 10=1 266 t,降碳效果也很明显。28 2023 年第 5 期CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT5结论以山东烟台某油气处理厂工程项目为背景,结合天然气锅炉生产条件、工艺特点,选择燃料分级燃烧技术和外部烟气再循环组合技术对 3 台天然气导热油炉进行低氮改造,将调试稳定运行后的数据进行对比分析,得到如下结论和建议:(1)通过对油气处理厂导热油炉进行低氮改造的应用效果论证,验证了燃料分级燃烧和外部烟气再循环组合技术在低氮改造上的有效性,该技术组合工程应用效果较好。(2)低氮改造项目完全达到预期要求,成功将 NOx排放浓度从原先 150 mg/Nm3左右降至 30mg/Nm3以 下,远 低 于 当 地 地 方 排 放 标 准100 mg/Nm3,预留较大的标准提升空间,环保风险长期可控,达到预期目标。(3)经过计算,改造完成后该油气处理厂每年可以 节 省 约 34%的生产用天然气量,减 少 约81%的 NOx排放量,减少约 1 266 t 二氧化碳排放量,节能减排降碳效果明显,环保效益和经济效益显著。在当前严峻的节能减排形势下,该项目的顺利实施具有较好的示范作用和借鉴意义。参考文献1 Turns Stephen R.燃烧学导论:概念与应用(第二版)北京:M.清华大学出版社,2009.2 车光兰.天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术研究 J.工业加热,2020,49(3):13-16.3 蓝廖春,李璐伶,温永刚.天然气低氮氧化物燃烧技术发展 J.煤气与热力,2018,38(10):38-42.4 钟北京,傅维标.燃烧过程中快速型氧化氮形成机理及其影响因素 J.燃烧科学与技术,1997,3(4):57-62.5 宋少鹏,卓建坤,李娜,等.燃料分级与烟气再循环对天然气低氮燃烧特性影响机理 J.中国电机工程学报,2016,36(24):6849-6858+6940.6 王晶,廖昌建,王海波,等.锅炉低氮燃烧技术研究进展 J.洁净煤技术,2022,28(2):99-114.7 兰健,吕田,金永星.烟气再循环技术研究现状及发展趋势 J.节能,2015,34(10):4-9+2.(上接第 72 页)作中来,个别企业、部门缺乏正向激励制度、办法,更有甚者,因为排查出的多半是排查人本岗位的问题,相关人员可能还要面临各种处罚,后续的隐患整改往往还要这部分人来做,这些都不利于隐患排查工作的全员参与,更谈不上全过程实行,到头来隐患排查工作只剩下一张杜撰的表格。隐患排查不应该只是应付检查的一张表格、一个清单,而应是全体人员工作经验、智慧的结晶,是保证装置安全平稳运行的“平安符”。4.3隐患排查责任落实不清隐患排查工作应该贯穿于安全生产工作全程,是每一个人岗位职责的一部分,但目前仍有个别企业对隐患排查工作重视程度不够,奖惩机制不严,排查上报的有奖励,不排查不上报的没有处罚,致使相当一部分员工没有参与到隐患排查工作中来,违背了隐患排查“全员参与”的基本要求,不利于隐患的全面排查治理。应将隐患排查与员工岗位职责、工作业绩、职级晋升等进行挂钩,多查多得、多劳多得,建立良好的隐患排查工作的风气,进一步形成良好的安全文化氛围。4.4隐患排查治理信息化程度低大部分企业隐患排查上报还停留在口头上报、书面上报阶段,工作量繁杂,应加强信息化建设,建立信息化系统,实现隐患排查电子化上报、图片化上报,隐患审核流程、整改方案、进度、整改效果电子化、公开化、透明化,隐患台账实时自动更新,将人员从大量的整理工作中解放出来,更好地投入到隐患排查中去2。5结语基于安全风险分级管控和隐患排查治理的双重预防机制的应用,有效遏制了重特大事故的发生,为石油化工企业安全管理提供了新的思路,指明了新的方向。虽然双重预防机制建设过程中存在种种问题,但在不断改进与探索过程中,也为安全生产提供了宝贵的经验,我们应该根据行业自身特点,寻求适合自身的管理手段,更好的推动和完善双重预防机制,从源头上遏制事故的发生。参考文献1 张胜利.双重预防机制本质内 涵 及 运 行 质 量 保 障J.劳动保护,2022,70(1):44-45.2 张慧,马永斌.化工企业双重预防机制的现状及改进措施 J.化工管理,2021,34(34):117-118.38