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摘 要：通过更换焦炉煤气锅炉燃烧器、增加烟气再循环和燃尽风系统三种技术手段，实现降低氮氧化物生成的目的。试验结果表明：低氮燃烧器作用最为明显，能够将焦炉煤气锅炉氮氧化物浓度降低到150mg/Nm3（折算至O2=3%）以下，部分工况通过控制锅炉氧量可低至100mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。
关键词：焦炉煤气；低氮燃烧器；燃尽风系统；烟气再循环
一、背景
随着社会的发展，对环保要求愈加重视。与传统燃料相比，燃气燃烧产生的SO2和粉尘较少，但氮氧化物（NOx）排放值相对较高。焦炉煤气（COG）可燃成分以H2为主，由于其具有着火快，火焰初始温度高的特点，在燃烧过程中将产生大量热力型NOx。随着环保要求的提高，焦炉煤气锅炉高NOx排放特性限制其正常使用，需要对其进行低氮改造来满足环保要求。
二、焦炉煤气燃烧过程中NOx形成机理
2.1 燃气燃烧NOx形成机理
燃气锅炉运行中产生的NOx按生成机理分类主要有热力型（Thermal NOx）、燃料型（Fuel NOx）、快速型（Prompt NOx）；NOx主要是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2），其中 NO 约占 95%【1】。热力型NOx是由燃烧空气中的N2在高温下氧化而成，根据捷里多维奇（Zeldovich）反应机理，空气中的氮气在高温下氧化反应如公式（1）和公式（2）所示：
N2 + O2 —— NO + N （1）
N + O2 —— NO + O （2）
根据 Zeldovich 反应机理，NO 生成速度可用公式（3）表示：
（3）
式中：CNO 、CN2 、CO2 ———分别为NO、N2 、O2 的浓度，mol/cm3
R———气体常数，取 8.314，J/mol？K
T———燃烧温度，K
从公式（3）可以看出，燃烧温度 T、氧气浓度及氮气浓度对热力型NOx的生成速率均有重要影响。研究表明[2]，当温度达到1800 K时，热力型NO x生成速率明显加快，温度每升高100 K，生成速率将增大5～7倍。
2.2 燃气燃烧主要控制NOx手段
从焦炉煤气自身成分分析，焦炉煤气中存在的氮元素极少，几乎没有燃料型NOx，研究发现焦炉煤气燃烧产生的热力型NOx占总量的95%以上。如何通过技术手段来降低热力型NOx成为焦炉煤气锅炉低氮改造的关键。
从 NOx的生成机理可以看出，燃气低NOx燃烧的关键控制因素包括降低炉内燃烧温度、优化燃气与助燃空气的混合比、缩短氧化反应时间。主要低氮燃烧技术有：（1）空气分级燃烧；（2）燃料分级燃烧；（3）烟气再循环；（4）低过剩空气燃烧；（5）低氮燃烧器等。
三、试验内容
3.1 锅炉主要参数
东岭冶炼公司为提高自身经济效益和能源利用率，采用焦炉煤气作为驱动燃料来发电，供自身生产需要，锅炉主要参数如下：额定蒸发量：95t/h；过热蒸汽压力：5.3MPa；过热蒸汽温度：450℃；锅筒工作压力：5.83MPa；给水温度：200℃；排烟温度：160℃；燃料（焦炉煤气）：16000Nm3/h。锅炉标高22.57m，炉膛为5.81×5.81m的正方形，采用正四角直流式煤气燃烧器，假想切圆直径500mm。锅炉改造前氮氧化物排放浓度为200-250 mg/m3（O2浓度约9%-10%），折算至O2=3%条件下约为350-400 mg/m3左右。
3.2实施低氮燃烧的主要手段
3.2.1低氮燃烧器
本次改造采用的低氮燃烧器设计有三级喷枪，中心一级，四周两级，风箱与燃烧器一体设计。新燃烧器需要最大的开孔尺寸为直径810mm，原水冷壁开孔尺寸为直径840mm，所以无需对原水冷壁开孔进行更换，保留原燃烧器的火检及风道风门。每个燃烧器安装有一个高能点火枪和两个观火镜。
3.2.2烟气再循环系统
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。研究表明，随着烟气循环量的增加，NOx降低率升高，较为合理的烟气循环量为15%左右，且火焰稳定性受循环量影响较大。
从引风机出口引一路烟气到鼓风机入口前，通过烟气再循环管路上的电动调节阀，调节进入炉膛的烟气量。
3.2.3燃尽风系统（SOFA）
将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛，使主燃烧区内过量空气系数在 0.8～1，燃料先在富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，延迟了燃烧过程，在还原性气氛中大量含氮基團与NOx反应，提高了NOx向N 2的转化率，降低了NOx在这一区域的生成量。将燃烧所需其余空气通过布置在主燃烧器上方的燃尽风喷口送入炉膛，在供入燃尽风以后，成为富氧燃烧区，在富氧的状况下燃尽为反应的碳氢化合物。由于该区域温度较低，不会增加NOx的生成。
从锅炉两侧的风箱分别引一路助燃空气至9.4m标高处的燃尽风风口，使未能充分燃烧的燃气充分燃烧。
四、试验结果分析
4.1 烟气再循环对NOx排放浓度的影响
将锅炉负荷维持在一定范围内，尽量维持氧量平稳，调整再循环烟气挡板门开度，并调整鼓风机入口风门及引风机出口风门开度，调整再循环烟气量。测试锅炉NOx排放浓度。随着烟气再循环风门开度的增加，NOx的排放值有所下降，下降的幅度相对较小。试验表明烟气再循环对焦炉煤气锅炉降低氮氧化物的效果有限。
4.2 燃尽风系统对NOx排放浓度的影响
将锅炉维持在一定的负荷范围内，调节燃尽风风门开度，改变燃尽风量相对总风量的比例。测量锅炉NOx排放浓度。在调试过程中受到锅炉氧量的影响，燃尽风系统对锅炉降低氮氧化物的浓度作用不明显。
4.3低氮燃烧器调试运行
在锅炉不同负荷下，通过调节的锅炉引风机和鼓风机将锅炉炉膛出口负压和炉膛氧量控制在合适范围内，调节燃尽风电动风门和烟气再循环风门，控制锅炉NOx排放值。
锅炉在低于7MW的负荷下运行，通过调整烟气再循环以及燃尽风风量，在炉膛氧量低于1.5%时，可以将NOx折算值控制在100mg/Nm3以内。高负荷时，炉膛氧量控制3%以内，通过低氮燃烧系统后，锅炉NOx折算值低于150mg/Nm3。对比改造之前，低氮燃烧系统能够使NOx排放值降低60%以上。
五、结论
1、低氮燃烧系统能够降低锅炉氮氧化物排放浓度60%以上，将锅炉NOx控制在150mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。低负荷通过控制锅炉炉膛氧量能够将排放值降低到100mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。
2、烟气再循环对焦炉煤气锅炉降低氮氧化物排放作用有限。
3、燃尽风系统对锅炉降低氮氧化物作用不明显。
参考文献：
[1]刘少林，吴金星，等.中小型燃气锅炉NOx源头控制及低氮燃烧技术研究进展[J]工业锅炉2017年（5）：17—27.
[2]钱英飞.焦炉加热燃烧时氮氧化物的形成机理及控制 [J]. 燃料与化工， 2011，42（4）：231-235
关键词：焦炉煤气；低氮燃烧器；燃尽风系统；烟气再循环
一、背景
随着社会的发展，对环保要求愈加重视。与传统燃料相比，燃气燃烧产生的SO2和粉尘较少，但氮氧化物（NOx）排放值相对较高。焦炉煤气（COG）可燃成分以H2为主，由于其具有着火快，火焰初始温度高的特点，在燃烧过程中将产生大量热力型NOx。随着环保要求的提高，焦炉煤气锅炉高NOx排放特性限制其正常使用，需要对其进行低氮改造来满足环保要求。
二、焦炉煤气燃烧过程中NOx形成机理
2.1 燃气燃烧NOx形成机理
燃气锅炉运行中产生的NOx按生成机理分类主要有热力型（Thermal NOx）、燃料型（Fuel NOx）、快速型（Prompt NOx）；NOx主要是一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2），其中 NO 约占 95%【1】。热力型NOx是由燃烧空气中的N2在高温下氧化而成，根据捷里多维奇（Zeldovich）反应机理，空气中的氮气在高温下氧化反应如公式（1）和公式（2）所示：
N2 + O2 —— NO + N （1）
N + O2 —— NO + O （2）
根据 Zeldovich 反应机理，NO 生成速度可用公式（3）表示：
（3）
式中：CNO 、CN2 、CO2 ———分别为NO、N2 、O2 的浓度，mol/cm3
R———气体常数，取 8.314，J/mol？K
T———燃烧温度，K
从公式（3）可以看出，燃烧温度 T、氧气浓度及氮气浓度对热力型NOx的生成速率均有重要影响。研究表明[2]，当温度达到1800 K时，热力型NO x生成速率明显加快，温度每升高100 K，生成速率将增大5～7倍。
2.2 燃气燃烧主要控制NOx手段
从焦炉煤气自身成分分析，焦炉煤气中存在的氮元素极少，几乎没有燃料型NOx，研究发现焦炉煤气燃烧产生的热力型NOx占总量的95%以上。如何通过技术手段来降低热力型NOx成为焦炉煤气锅炉低氮改造的关键。
从 NOx的生成机理可以看出，燃气低NOx燃烧的关键控制因素包括降低炉内燃烧温度、优化燃气与助燃空气的混合比、缩短氧化反应时间。主要低氮燃烧技术有：（1）空气分级燃烧；（2）燃料分级燃烧；（3）烟气再循环；（4）低过剩空气燃烧；（5）低氮燃烧器等。
三、试验内容
3.1 锅炉主要参数
东岭冶炼公司为提高自身经济效益和能源利用率，采用焦炉煤气作为驱动燃料来发电，供自身生产需要，锅炉主要参数如下：额定蒸发量：95t/h；过热蒸汽压力：5.3MPa；过热蒸汽温度：450℃；锅筒工作压力：5.83MPa；给水温度：200℃；排烟温度：160℃；燃料（焦炉煤气）：16000Nm3/h。锅炉标高22.57m，炉膛为5.81×5.81m的正方形，采用正四角直流式煤气燃烧器，假想切圆直径500mm。锅炉改造前氮氧化物排放浓度为200-250 mg/m3（O2浓度约9%-10%），折算至O2=3%条件下约为350-400 mg/m3左右。
3.2实施低氮燃烧的主要手段
3.2.1低氮燃烧器
本次改造采用的低氮燃烧器设计有三级喷枪，中心一级，四周两级，风箱与燃烧器一体设计。新燃烧器需要最大的开孔尺寸为直径810mm，原水冷壁开孔尺寸为直径840mm，所以无需对原水冷壁开孔进行更换，保留原燃烧器的火检及风道风门。每个燃烧器安装有一个高能点火枪和两个观火镜。
3.2.2烟气再循环系统
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。研究表明，随着烟气循环量的增加，NOx降低率升高，较为合理的烟气循环量为15%左右，且火焰稳定性受循环量影响较大。
从引风机出口引一路烟气到鼓风机入口前，通过烟气再循环管路上的电动调节阀，调节进入炉膛的烟气量。
3.2.3燃尽风系统（SOFA）
将燃烧所需的空气量分成两级送入炉膛，使主燃烧区内过量空气系数在 0.8～1，燃料先在富燃料条件下燃烧，使得燃烧速度和温度降低，延迟了燃烧过程，在还原性气氛中大量含氮基團与NOx反应，提高了NOx向N 2的转化率，降低了NOx在这一区域的生成量。将燃烧所需其余空气通过布置在主燃烧器上方的燃尽风喷口送入炉膛，在供入燃尽风以后，成为富氧燃烧区，在富氧的状况下燃尽为反应的碳氢化合物。由于该区域温度较低，不会增加NOx的生成。
从锅炉两侧的风箱分别引一路助燃空气至9.4m标高处的燃尽风风口，使未能充分燃烧的燃气充分燃烧。
四、试验结果分析
4.1 烟气再循环对NOx排放浓度的影响
将锅炉负荷维持在一定范围内，尽量维持氧量平稳，调整再循环烟气挡板门开度，并调整鼓风机入口风门及引风机出口风门开度，调整再循环烟气量。测试锅炉NOx排放浓度。随着烟气再循环风门开度的增加，NOx的排放值有所下降，下降的幅度相对较小。试验表明烟气再循环对焦炉煤气锅炉降低氮氧化物的效果有限。
4.2 燃尽风系统对NOx排放浓度的影响
将锅炉维持在一定的负荷范围内，调节燃尽风风门开度，改变燃尽风量相对总风量的比例。测量锅炉NOx排放浓度。在调试过程中受到锅炉氧量的影响，燃尽风系统对锅炉降低氮氧化物的浓度作用不明显。
4.3低氮燃烧器调试运行
在锅炉不同负荷下，通过调节的锅炉引风机和鼓风机将锅炉炉膛出口负压和炉膛氧量控制在合适范围内，调节燃尽风电动风门和烟气再循环风门，控制锅炉NOx排放值。
锅炉在低于7MW的负荷下运行，通过调整烟气再循环以及燃尽风风量，在炉膛氧量低于1.5%时，可以将NOx折算值控制在100mg/Nm3以内。高负荷时，炉膛氧量控制3%以内，通过低氮燃烧系统后，锅炉NOx折算值低于150mg/Nm3。对比改造之前，低氮燃烧系统能够使NOx排放值降低60%以上。
五、结论
1、低氮燃烧系统能够降低锅炉氮氧化物排放浓度60%以上，将锅炉NOx控制在150mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。低负荷通过控制锅炉炉膛氧量能够将排放值降低到100mg/Nm3（折算至O2=3%）以下。
2、烟气再循环对焦炉煤气锅炉降低氮氧化物排放作用有限。
3、燃尽风系统对锅炉降低氮氧化物作用不明显。
参考文献：
[1]刘少林，吴金星，等.中小型燃气锅炉NOx源头控制及低氮燃烧技术研究进展[J]工业锅炉2017年（5）：17—27.
[2]钱英飞.焦炉加热燃烧时氮氧化物的形成机理及控制 [J]. 燃料与化工， 2011，42（4）：231-235