邓艳辉
四川广安发电有限责任公司 四川 广安 638000
摘要：根据全国各地陆续出台的锅炉废气排放标准,NOx排放限值降低至50mg/m3甚至30mg/m3以下。加快推进全国中小锅炉提标改造超低氮排放工作，进一步减少污染物排放，改善空气环境质量,势在必行。本文对超低氮燃烧技术在燃气锅炉上的研究与应用进行探讨。
关键词：燃气锅炉；NOx排放；FGR;低氮改造
1NOx的排放现状及产生机理
燃料在燃烧过程中产生NOx可分为三种类型：燃料型、热力型、快速型。NOx的主要成分是NO和N02，其中NO的比例>95%,废气排入空气后，NO会迅速氧化为N02,因此环境空气的污染指标以N02为主。两者的产生分别有各自不同的机理，燃气锅炉产生的NOx主要是热力型NOx。
1.1燃料型NOx
燃料型NOx是燃料中的氮元素在650°C以上高温环境中氧化生成的，由燃料中的氮元素挥发至离子状态后与高浓度02化合而成。由于目前市场上的天燃气氮含量极少，基本上可以忽略。
1.2热力型NOx
空气中的氮元素在900°C以上高温下持续氧化生成的NOx,即为热力型NOx。该类型NOx由于只在高温中形成，而且其生成过程是一个不分支连锁反应,即捷里多维奇反应式，见式(1)~(3):
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通过大量相关实验研究，得出一个结论：NOx产生量的重要决定性因素是燃烧器的燃烧温度。在900~370°C温度区间时，NOx的生成速率比较缓慢;但是当温度升到1600°C以上时，NOx即快速上升，之后温度每提高90~110°C,反应速率也将增大5~8倍。
1.3快速型NOx
历史上,Fenimore做过碳氢燃料预混火焰的轴向NO分布实验,该实验结果表明:在反应区附近可能会快速生成NOx,即称其为“快速NOx”，即我们通常说的费尼莫尔反应机理。快速型NOx是在高浓度天燃气燃烧条件下产生。它的形成主要由三个影响因素，即CH原子团的浓度及形成过程、氮气分子反应生成氯化物的速率和氮氧化物间相互转化率，相关反应式如式(4)~(7)所示：
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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。
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烟气再循环(FGR)技术
FGR技术即从锅炉出口烟道上抽取部分烟气(低温段）与助燃空气在充分混合后再送进锅炉炉腊燃烧。FGR技术不但可降低燃烧温度，而且能降O2浓度，该技术在燃料为天燃气时可以降低40%~60%左右的NOx的量。主要原理为：通过燃烧气氛中O2/CO2体积比对NOx生成量及NO/NOx的比率的显著影响。当过量空气系数为1时,NOx的排放随O2/CO2体积比的变化情况见图2-1。
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图2-1 NOx量随O2/CO2体积比的变化图
从图2-1中可以看到NOx的排放量随O2体积比的升高而增加，且增加幅度很大。这是因为在燃烧过程中，N基本是以HCN的形式存在，HCN在贫氧与富氧情况下与O2的总反应如式（8)-式（15)所示：
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由式(8)和(9)可见，贫氧条件下，HCN最终生成N2;富氧条件下,则生成NO,O2浓度的增加促进N到NOx的转化。由式（10)至式（15)可见，在较低温度下，较高CO2浓度往往促使部分CO的生成，CO直接还原NO的同时生成C*活性基团，C*活性基团则作为催化还原剂，使NO被还原为从，从而降低NOx的生成。
结束语
超低氮燃烧技术是目前市场上应用较为普遍的新技术，燃气锅炉超低氮改造技术主要分为燃烧中和燃烧后的NOx控制。通常国际上把燃烧中NOx控制措施统称为一次措施，把燃烧后的NOx控制措施统称为二次措施，即末端烟气脱硝治理技术。本文主要分析燃气锅炉领域NOx的排放现状及产生机理，介绍在中小型燃气锅炉燃烧过程中常用的超低氮燃烧技术及案例应用。希望给业界人士带来帮助。
参考文献
[1]低氮燃烧技术的分析及应用[J].雷岗星,孔祥军.资源节约与环保.2017(11)
[2]低氮燃气燃烧技术及燃烧器设计进展[J].苏毅,揭涛,沈玲玲,刘思远,郑君如,张世程,朱国庆.工业锅炉.2016(04)
[3]天然气低NO_x燃烧技术研究及应用[J].彭乾冰,钱广华.石油石化节能与减排.2015(03)