低氮燃燒機

:2019-02-27 20:46:42

一、      因天然氣中並不含有N元素,故其燃燒後NOx產生是基於如下兩大機理1.1   快速生成型NOx(Prompt -NOx),空氣中的氮氣與氧氣在火焰的根部反應,因此處存在HC原子團,故反應式為:HC + N2     HCN + N此反應速度很快,並迅速形成HCN原子團,HCN參與形成

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一、      因天然氣中並不含有N元素,故其燃燒後NOx產生是基於如下兩大機理

1.1   快速生成型NOxPrompt -NOx),空氣中的氮氣與氧氣在火焰的根部反應,因此處存在HC原子團,故反應式為:

HC + N2    HCN + N

此反應速度很快,並迅速形成HCN原子團,HCN參與形成NO的反應;

此反應機理被稱為菲尼摩(Fenimore)或瞬發(Prompt-NOx)形成過程。

1.2   熱力型NOxThermal-NOx),在高溫燃燒狀態下,在火焰的高溫區形成,也被稱為澤多維奇Zeldowich機理:

  O + N2    N + NO

  O2 + N    NO + O

  在低過剩空氣區,還可發生如下反應:

  N + OH   NO + H

  上述反應與燃燒過程的溫度值密切相關,同時燃燒過程的停留時間也影響此反應過程; 

1NOx生成與溫度關係曲線

從圖1可以看出,如果燃燒溫度控製在1400℃以下,不但快速生成型的NOx生成幾乎可以忽略,而且熱力型NOx的生成量也很低;

 

二、      降低NOx生成的措施和技術方法:

目前,通過控製燃燒過程來降低天然氣燃燒的NOx排放主要圍繞降低熱力型NOx展開,技術方向為降低煙氣高溫區域的分布,措施有:

2       

2.1       降低爐膛溫度;

2.2   降低燃燒溫度並控製火焰高溫區的分布;

Ø  控製燃燒反應,從而控製燃燒及煙氣高溫區溫度及分布;

Ø  減小煙氣在高溫區的停留時間; 

       由此延伸出的技術路線主要有:擴散式燃燒方式、全預混表麵燃燒方式;

       使用實踐表明,傳統的擴散式燃燒方式,更安全(無爆燃和爆炸的危險),更可靠;同時,便於自動監控,可覆蓋全功率段; 

三、   FGR進一步降低NOx係統介紹

4   

5   

5.1  根據奧林獨特的燃燒器設計的CFD和實測,FGR時降低NOx比例的曲線如下圖4

                       4FGR比例和NOx降低曲線

Ø  20%FGR下,可以降低70%NOx排放;對應的混合助燃風含氧量為17.4%V/V

Ø  奧林推薦的FGR比例最高為20%,過高的FGR比例可能導致燃燒不穩定、震動、氣喘、甚至脫火;

Ø  結合爐膛尺寸,確定基礎的NOx排放,盡可能選低的FGR比例,達到/滿足用戶對NOx排放的苛刻要求;

5.2   FGR下冷凝水的問題:

5.2.1      天然氣燃燒後的煙氣內含水量很高,每立方天然氣可高達1.4Kg左右,是以水蒸汽的形式存在於煙氣內,遇到低溫物體會自動放熱,同時產生冷凝水;

5.2.2      FGR係統下,不但FGR管道自身需要保溫、設置疏水裝置,更重要的是在煙氣與助燃風混合時,混合風溫度降低到冷凝點以下產生的冷凝水,可能會堵塞風道、腐蝕燃燒器本體、造成電器元件短路、造成火焰檢測失靈,嚴重時甚至導致在鼓風機葉片上結冰;

5.2.3      FGR比例、新鮮空氣溫度、FGR煙氣溫度,三個變量決定是否會發生冷凝水,需要在係統方案設計時候考慮徹底避免冷凝水的產生:

l FGR比例,結合爐膛的尺寸可谘詢得到基礎NOx排放值,結合FGR降低曲線,選取合適的FGR比例;

l FGR比例確定,即可確定該FGR比例下的混合助燃風的冷凝溫度(見下圖5);係統設計需確保任何極限情況下混合助燃空氣的溫度都要在此FGR比例的冷凝點以上;  

                      5,不同FGR比例下混合助燃風露點溫度

l 新鮮助燃空氣溫度,需要根據助燃鼓風機進風口設置位置,來確定新鮮助燃空氣的溫度,室外或無任何取暖設備的獨立風機房,應以當地曆史極限低溫取;有取暖的室內,應以鍋爐房良好通風下同時室外極限低溫時的最低室溫取值;

l FGR取煙點的位置的確定,如省煤器(冷凝器)前後溫度差異較大,熱水鍋爐回水溫度設定的高低或鍋爐(含蒸汽爐)運行負荷大小不同,同一個FGR取煙點的煙氣溫度也會有較大差異;FGR取煙點的煙溫也需按最低值取;

l 如不能確保合適取煙溫度,最妥帖的方式是增加新鮮空氣加熱器,將新鮮空氣溫度提高,確保不發生混合風冷凝;(見圖3

5.2.4      舉例:

Ø  北京某著名合資汽車公司,熱水鍋爐17.5MW,運行負荷長期為小負荷(20%左右),冷凝器後排煙溫度70℃以下,冷凝器前不超過130℃;

Ø  FGR比例15%,室外取風,北京大興極限低溫-1819871月);

Ø  15%FGR下,混合風冷凝溫度為+21℃,計算如下:

新空氣溫度

FGR煙氣溫度

混合助燃風溫度

 T1,℃

Min.  T2,℃

T,℃

-18

70

-4.8

-18

130

4.2

Ø  根據以上計算,如取煙點在冷凝器後,在混合風極限低溫為-4.8℃,冬季運行,不但會有冷凝水,而且可能在極限低溫下冷凝水結冰導致係統失效;取冷凝器前+130℃煙溫點,混合風溫隻有+4.2℃,冷凝水析出是大概率事件(取決於大氣溫度高低);

Ø  基於係統運行的實際情況,增加新鮮空氣加熱裝置,采用不鏽鋼熱水空氣換熱器(溫差△T = 30℃),取鍋爐係統的熱水用於加熱,提升新鮮空氣溫度,最低到+12℃;重新計算如下: 

新空氣溫度

FGR煙氣溫度

混合助燃風溫度

 T1,℃

Min.  T2,℃

T,℃

12

70

20.7

12

130

29.7

Ø  此時,在極限低溫下,取冷凝器後的煙氣,混合風溫度+20.7℃,仍然有可能發生冷凝(是小概率事件);而取冷凝器前的煙氣,則混和助燃風溫度可達+29.7℃,可完全避免冷凝水放生; 

5.3    結論:

Ø  采用FGR是大幅度降低NOx排放的有效措施,同時,必須完整的考慮係統條件和配置,要絕對避免FGR煙氣產生冷凝水,繼而對整個鍋爐和燃燒係統產生的不利影響;

Ø  FGR下產生冷凝水的變量有3個,在無法確定各個變量極限值的情況下,最好的方法是增加新鮮空氣加熱器(熱水爐可以用熱水、蒸汽爐可用除氧水或蒸汽),而對鍋爐係統成本增加並不大;卻可保證係統的完美運行;

Ø  新鮮空氣加熱器幾乎沒有熱損失:加熱空氣後的熱量是隨助燃風進入燃燒係統內,最多也就是管道有些許散熱;春夏秋運行時,可隨時關閉新鮮空氣加熱器;

Ø  配上新鮮空氣加熱器,就可以選較低的煙氣溫度,當夏季空氣溫度較高時,避免造成的燃燒出力下降;

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