新环保形势下江苏油田燃气锅炉低氮燃烧改造现状分析

新环保形势下江苏油田燃气锅炉低氮燃烧改造现状分析

焦健

中国石化江苏油田，江苏扬州  225009

摘要：

近年来，我国大气污染造成的环保压力越来越大，标准越来越严，逐步实行更严格的排放要求，本文依据近三年来江苏油田燃气锅炉大气污染物的持续监测，结合氮氧化物（NOx）的形成以及低氮燃烧技术原理，对江苏油田燃气锅炉低氮改造前与改造后相关参数进行对比分析并总结改造效果，以及对改造后出现的问题进行原因分析。

关键词：燃气锅炉；氮氧化物（NOx）；低氮燃烧

1 绪论

1.1环保形势和背景

煤、油、气都属于化石燃料，使用过程中都会产生大气污染，但是煤炭和石油的燃烧都会产生大量的硫氧化物（SOx）、氮氧化物（NOx）和颗粒物。为了改善环境质量，近年来，我国锅炉正在经历从烧煤向烧油，最终向烧天然气转变的过程，江苏油田现已经实现全部锅炉用天然气作为燃料。

2014年国务院发布《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)；2018年，江苏省人民政府发布《关于执行大气污染物特别排放限值的通告》，至今，江苏省工业锅炉执行《锅炉大气污染物排放标准》(GB 13271—2014)特别排放限值。

同时按照《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》、《长三角地区 2018-2019 年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》等政策要求，近期燃气锅炉应基本完成低氮改造，原则上按照氮氧化物排放浓度不高于50mg/m³进行改造。

1.2氮氧化物（NOx）的危害

对于燃气锅炉来说，危害性最大的就是烟气中排放的NOx，其中主要是1500 ℃以上产生的热力型NOx，占总量的90%以上，而900-1300℃温度范围内产生的快速型NOx占氮氧化物总排放量不到10%［1］，天然气和油田井场伴生气中氮的含量非常少，基本可以忽略。

NOx不仅会形成酸雨，还会增加PM2.5以及O3，对人体健康以及生态环境造成了严重的不利影响［2］。近年来，我国由于能源消费产生的氮氧化物排放量快速上升，2000年全国氮氧化物排放量为1210万吨，到2005年增加到1910万吨，2015年我国氮氧化物排放总量仍高达1851万吨，这对生态环境及人类的健康都带来了极大的危害［3］。

针对当前环境污染的紧迫性，NOx 排放标准被不断提高，全国各地陆续出台地方标准进一步限值锅炉大气的NOx排放，多地已经降低到80mg/m³、70mg/m³甚至50mg/m³。因此，采用科学合理的措施进行燃气锅炉低氮燃烧控制，减少NOx的排放量势在必行。国内燃气锅炉低氮改造正如火如荼地进行，低氮改造工作质量的好坏，特别是燃烧器质量的好坏直接关系到锅炉是否能安全经济运行。

1.3江苏油田燃气锅炉低氮改造进度

自2019年江苏油田采油厂站库锅炉陆续进行低氮改造，截止2021年底，期间通过持续监测其中42个站库的锅炉，低氮改造并投用的共有19个站。

2 低氮燃烧技术

2.1江苏油田燃气锅炉低氮改造原理

传统锅炉燃烧控制技术由送风系统、点火系统、监测系统、燃料系统、电控系统组成，传统燃烧器负责将氧气和燃料混合在锅炉内部，点火系统点燃后持续燃烧加热锅炉内部的水来达到控制燃烧，并针对锅炉燃烧器调节负荷出力大小和燃烧运行等方面要求，对火力负荷调节有所要求，但传统燃烧器并没有对烟气中氮氧化物排放量作严格控制。

低氮燃烧控制技术是在传统燃烧器的基础上，针对烟气中氮氧化物含量进行有效控制的新技术。低氮燃烧控制技术主要在锅炉的源头和尾部进行，江苏油田油区内燃气锅炉低氮改造主要是科盟能源有限公司负责，他们采用浓淡燃烧、烟气外循环和内循环燃烧相结合技术，首先高速喷出的气流在燃烧室内形成烟气内循环，使得烟气部分回流到火焰根部，从而降低火焰中的氧浓度，减缓燃烧速度，最终降低火焰温度；并通过将燃料分为两部分进行燃烧，保持空气量恒定，一部分燃料进行过浓燃烧，另一部分实现过淡燃烧，同时应用旋流稳火技术，保证FGR大幅度开度时火焰稳定不熄灭，减少了一氧化氮的生成；最后将锅炉排烟的在烟道上抽取部分烟气（烟气外循环量设计为5%-15%，经FGR烟管从锅炉排烟主管引回至锅炉前端，由燃烧器处进入，与空气混合后送至炉胆内助燃，降低助燃风中的氧含量，增大空气总量、降低反应区温度。

2.2江苏油田燃气锅炉低氮改造应用现状

对江苏油田燃气锅炉进行持续监测，收集近三年来的监测数据，将完成低氮改造的和没有改造的进行分类研究：

2.2.1使用传统燃烧器的站库锅炉

对23个没有低氮改造的站库锅炉进行监测，，其余20个站库的锅炉长期正常运行持续取得数据，汇总长期平稳运行的20个站库NOx平均排放浓度和最高浓度，有8个站库的例行监测中NOx至少一次超过150mg/m³，所有监测数据均高于80mg/m³，难以满足未来江苏省环保的发展需要。

2.2.2完成改造的站库锅炉

对19个进行低氮改造的站库进行监测，汇总长期平稳运行的16个站库锅炉低氮改造前后的平均排烟温度、NOx平均排放浓度以及平均氧含量进行分析对比：

表2-1 安装低氮燃烧器前后锅炉烟气监测结果对比

安装低氮燃烧器后监测结果如比见表2-1。从上表可看出，安装低氮燃烧器大幅降低了NOx的排放浓度，16个站库锅炉NOx排放浓度平均降低40.74%，同时平均氧含量降低47.43%，燃料获得更加充分的燃烧，平均排烟温度下降31.33%表明能量损失减少，综合来看实现了节能环保的双赢。

3 存在的主要问题及原因分析

燃气锅炉低氮改造技术应用时间较短，众多应用技术的适用范围和工程经验都在摸索、优化中，面对国内纷繁复杂的应用环境，进行低氮改造的锅炉难免出现多种问题。在对江苏油田低氮改造锅炉的持续监测中，也出现了一些明显的问题。

3.1 NOx排放浓度不稳定

实施低氮改造的燃气锅炉NOx排放浓度原则上不高于50mg/m³，按照该标准，许多站库并不能达标或稳定达标。造成NOx排放浓度波动的主要原因是燃料气的气压不稳定，低氮燃烧器调试根据现场气量及气压调整风机频率、出风量、进气量、热风量和引风频率，将燃气和空气按照最佳比例进行混合。但是许多情况下这些站库锅炉以井场伴生气为一部分或者全部的气源，气压无法做到稳定，造成设定的工况参数与实际情况的偏离，造成NOx排放浓度不稳定。油田除少数站库买常规天然气外，大多数站库用井场伴生气普遍存在夏天气量大，冬天气量不足的情况，使低氮燃烧器的参数需要实时调整以满足生产现状。

3.2 燃烧不充分

燃烧不完全造成一氧化碳含量过高，超过仪器量程，可能是也是由于燃料气的进气气压不稳定导致，但同时也有可能是低氮燃烧器燃烧不稳定造成。比如气量突然增大，风门没有同步增大导致氧气不足；以及氧气充足，但是流速过大，导致燃气在火焰区及炉膛内停留时间随之缩短，从而致使燃气无法充分完全燃烧。

3.3 冷凝水回流腐蚀

燃气锅炉产生烟气冷凝水是因为烟气中水蒸气在低于露点温度时冷凝成水，多发生于锅炉在设计的一定额定负荷情况下排烟温度略高于烟气的露点温度，而在低负荷长期运行的情况下，烟气温度低于烟气露点温度；而低氮燃烧技术的烟气再循环技术将烟气从烟道引回炉膛，烟气经过回流管，热量不断散失也容易凝结析出冷凝水，不及时排放也会阻塞烟道，影响燃烧效率和排放指标。

部分冷凝水泄漏到锅炉房工作区域，更严重的是这些带弱酸性和粉尘的凝结水被吹入燃烧器，污染燃烧器的金属部件及电控设备，据现场操作人员反映也多次出现冷凝水过多并且排放不及时导致管道和承压件腐蚀的现象。

参考文献

[1]朱树青.油田燃气锅炉低氮燃烧控制[J].中国石油和化工标准与质量,2018,038(009):86-87.

[2]杨禹坤.燃气锅炉烟气再循环低氮技术研究[D].郑州大学.

[3]王宪辉,李钟.燃气锅炉低氮改造技术探讨[J].山西建筑,2017,43(5):2.