魏兵
潍坊市滨投分布式能源有限公司 山东省潍坊市 261100
摘要：近年来，社会进步迅速，我国的化工工程建设的发展也有了提高。我国大气污染日趋严重，环保压力越来越大，随着“煤改气”的逐渐深入，焦作市逐步实行更严格的排放要求，由原来的氮氧化物排放≤150?mg改为≤80?mg或≤30?mg，也就是所谓的气改气（超低氮排放≤30?mg/m3）。
关键词：超低氮燃烧技术；燃气锅炉；研究与应用
引言
氮氧化物（NOx）指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。常见的NOx包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮（N2O5）等。作为空气污染物的NOx常指NO和NO2。全球每年因人类向大气排放的NOx约5300万吨。NOx对自然环境的破坏力非常大，它是形成酸雨、光化学烟雾的重要物质，同时也是消耗臭氧的一个重要因子。火力发电厂作为NOx的一个重要排放源，每年会向大气中排放大量的NOx，近些年随着国家环保政策的日益严格，NOx排放得到严格控制。目前国家大力推行火电厂超低改造，依据超低排放的要求，NOx排放标准为50mg/m3。
1低氮燃烧技术改造方案
一是保证氮氧化物排放浓度≤30mg/m3，深入推进超低氮排放。近年来，我国多地实行了氮氧化物≤30mg的超低氮排放改造，如北京市（2016年）、郑州市（2017年）等。所以，为避免一改再改，必须实现一步到位，满足环保要求。二是降低锅炉额定负荷至原负荷的75%。由于使用烟气回流技术，参与燃烧的回流烟气含氧量低，降低了炉胆内的温度，使得锅炉出力和效率减少，负荷降低。三是换装≤30mg/m3超低氮燃烧器。主要要求如下：设计结构合理，设备尺寸、各性能参数与现有锅炉相匹配；自动化程度高，实现燃气进气量随锅炉压力、温度自动调节，自动开启，全过程计算机监控，操控简单，维护与保养方便；企业信誉良好，产品质量有保障，售后服务有保障。四是加装FGR烟气外循环装置。结合现场实际空间位置，选择合适的管路布置走向，不得影响锅炉的使用、维护、行人以及安全。五是控制柜控制部分稍作调整。
2超低氮燃烧改造技术
超低氮燃烧改造技术主要从燃气锅炉的燃烧源头着手，即通过燃烧过程中控制。根据第2部分详述的NOx生成机理，若要降低其生成量，最重要的手段是控制燃烧过程的温度和时间。其主要的影响控制因素分别为空燃比、助燃空气的温度、燃烧区温度场分布、后燃烧区的冷却状态和燃烧器机头的内部结构布局等。详见以下4种超低氮技术。
2.1浓淡燃烧技术
浓淡燃烧,是人为将整个燃烧过程区分为若干个不同空燃配比的阶段，使燃烧过程分别在过浓燃气区、过淡燃气区和燃尽区分阶段完成。主要目的是延缓燃尽，降低燃烧高温区的温度以减少NOx的生成,进而使NOx生成量持续降低。
2.2分级燃烧技术
燃料的分级燃烧技术，即所谓的再燃烧技术，其特点是将燃烧过程分成3个区域：第一燃烧区主要是氧化性或弱还原性气氛；第二燃烧区，由于炉内的二次燃料送入，使其表现为还原性气氛。在高温和还原环境中，生成CH_,该原子团与第一燃烧区生成的NOx反应，主要生成N2。在第二燃烧区的上方，送入的二次风使燃料再次燃烧完全，此区域即为燃尽区，该部分的二次风也称为燃尽风。燃尽过程中虽然会再次生成少量的NO,但从总体看，采用分级燃烧技术后，燃气锅炉的NOx最终排放量还是呈现明显降低的趋势。空气分级燃烧的基本原理是将燃料的燃烧过程分阶段完成。第一阶段，主燃烧区内过量空气系数α＜1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，降低了热力型以及燃料型NOx的生成量。
为了完成全部燃烧过程，通过在主燃烧区域之外喷入空气，与主燃烧区域燃烧所产生的烟气混合，在α＞1的条件下完成全部燃烧过程，这时由于温度较燃烧中心温度显著降低，燃料型和热力型NOx特别是热力型氮NOx生成量明显降低。结合两级燃烧综合来看NOx总体生成量减少。
2.3超级混合技术
超级混合燃烧技术是另一种典型燃烧形式,主要分为部分混合和超级混合燃烧。超级混合燃烧是指燃烧前，天燃气与〇2已经在燃烧器内进行充分混合，这种技术的燃烧温度高、强度大，对当量比可进行完全控制，进而能够实现对燃烧温度的控制,从而控制热力型NOx的生成量。因此在降低NOx生成方面，超级混合燃烧技术具有很大的优势，相比较于非混合燃烧技术，至少可降低80%左右的NOx生成量。
2.4低氧燃烧技术
低氧燃烧降低氮氧化物是通过燃烧及制粉系统优化调整，减少入炉风总量，即氧浓度，使燃烧过程中的过量空气系数尽可能接近1，也就是在在接近理论空气量的条件下进行燃烧，尽可能满足锅炉燃烧效率的情况下进行NOx控制，一般可以降低15%～20%的NOx排放量。目前常用的一种低氧燃烧技术是高温低氧燃烧技术，它主要通过提高助燃空气温度来对锅炉燃烧进行稳燃，助燃空气预热温度越高，稳燃范围越大，越有利于燃料的充分燃烧。有研究表明，当助燃空气的温度提高到1000℃以上时，燃烧区的氧浓度降低到2%时仍然可以稳定燃烧。在张国华的试验中，使用低氧燃烧技术之后，氮氧化物浓度下降了12.5%。
2.5阶段燃烧工作机理
根据分级燃烧原理设计的阶段燃烧器，燃料的燃烧过程分阶段完成。在第一阶段，将从燃烧器供入炉膛的燃气量减少到总燃气量的20-30%，形成富燃料燃烧，使燃料先在富氧的燃烧条件下燃烧。此时第一级燃烧区内过量空气系数α>1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。因此，不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx在这一燃烧中的生成量，从而减少NOx生成。为了完成全部燃烧过程，多余空气继续向炉膛内上喷射，与二段燃料混合燃烧，此时，由于向炉膛内喷射的空气与向炉膛内高速喷射的燃料混合气形成一个负压区，将与炉管进行热交换后温度已下降的烟气吸回，冷却外层火焰。从而使整个火焰温度降低在1450℃以下，这就避免了N2与O2反应生成NOx的温度条件。在第一级燃烧区内的过量空气系数越大，抑制NOx的生成效果越好，完全燃烧产物越少，燃烧效率越高、引起结渣和腐蚀的可能性越小。
结语
低氮燃烧技术主要是是基于NOx的3种生成机理，采用降低燃烧区氧量、温度以及反应时间来降低氮氧化物浓度，可以再一定程度上降低NOx的生成量，锅炉效率的降低。单一的低氮燃烧技术并不能满足目前NOx的排放控制要求，需要结合SCR以及SNCR技术进行NOx协同控制。目前低氮燃烧技术的应用很多，不同的企业对于不同的低氮燃烧技术NOx减排效果程度不尽相同，并没有找到一个环保和经济效益的最佳平衡点。在今后低氮燃烧的研究和发展过程中，可以将研究的重点放在锅炉燃烧和氮氧化物减排的平衡点寻找方面，最大限度的挖掘低氮燃烧技术的NOx减排效果，降低还原剂的使用量以及使用还原剂带来的一系列问题，提高经济效益和社会效益。
参考文献
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