王冠
杭州市城乡建设设计院股份有限公司，浙江省杭州市310000
摘要：近年来，我国对燃气锅炉的应用越来越广泛。基于中小型燃气锅炉领域NOx的排放现状及产生机理，从浓淡燃烧技术、分级燃烧技术、超级混合技术、烟气外循环(FGR)技术等方面介绍中小型燃气锅炉超低氮改造技术。结合项目案例,通过对锅炉进行技术改造后有效降低了NOx排放浓度。
关键词：燃气锅炉；NOx排放；FGR;低氮改造
引言
通过低氮燃烧技术可降低NOx排放以及对周围环境造成的不良影响。目前，燃气工业锅炉常用的低氮燃烧技术主要有燃料分级技术、空气分级技术、烟气再循环技术、预混表面燃烧技术等，本文研究常规低氮燃烧技术在降低NOx排放的情况下对排烟热损失Q2产生的影响。
1NOX生成机理
燃煤电厂锅炉燃烧过程中NOx的生成机理主要包括3种，即3种NOx类型：燃料型NOx，低氮燃烧器以及快速型NOx。NOx生成量主要受温度、氧含量以及反应时间的影响。
1.1燃料型NOx
燃料型NOx是NOx的主要来源，是由于煤中含氮有机物的C-N键能约为253kJ/（g·mol），比氮分子的N≡N键能946kJ/（g·mol）小得多，燃烧过程中很容易吸收足够的能量而断裂。燃料燃烧过程中主要是两种成分的燃烧，即挥发分和焦炭的燃烧，因此燃料型NOx也由这两部分燃烧生成的NOx组成，其中挥发分氮占到绝大多数，约为75%～95%，当煤热解脱去挥发分时，氮主要以胺类和氰类等形式随挥发份析出，主要是HCN和NH3，与含氧化合物反应生成NOx。其次是焦炭氮燃烧生成的NOx。有研究表明，焦碳氮转变为NOx是在火焰尾部焦炭燃烧区生成的，该区域的氧含量相对较低，同时焦碳颗粒容易在高温条件下发生熔结，封闭孔隙，减少了反应的比表面积，限制了NOx的生成，焦炭氮一般占到燃料型NOx的25%左右。
1.2低氮燃烧器
控制NOX的出发点是为了避免它的在主窑燃烧器在高温环境下形成。关键的策略被称为间接点火。其基本原理是，以尽量减少一次空气（即携带煤，并通过该燃烧器），作为燃烧空气，并利用二次空气（从窑头熟料冷却器）。这种做法最大限度地减少燃料消耗，从而降低了氮氧化物的产生。窑头燃烧器宜采用轴流风是通过布置在燃烧器喷头周边的喷射孔高速喷出的，这就大大减少了所需的一次空气的量同时，加速了与二次风的混合，与传统的相比燃烧器，具有降低了能耗，推力大，火焰集中。
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(1)~(4)所示：
CH+N2-->HCN〇+N（1）
N+H2—NH+H（1）
NH+H2-->nh3（2）
HCN+Q^NO+HCO(4)
2低NOx燃烧技术对Q2的影响分析
(1)如果烟气循环量过大或混合不均匀，可能导致炉内燃烧及传热不稳定，引起烟气中CO、炭黑污染物和碳氢化合物等产物大量产生，污染了受热面，使锅炉吸热量下降，排烟温度升高，从而导致锅炉Q2升高。
(2)由于抽取低温烟气参与燃烧，提高了参与燃烧的空气温度，炉膛中烟气量增大，温度场更均匀、充满度更好。炉膛内火焰中的双原子分子(如O2、N2)对热辐射是透明的，具有辐射能力的主要是三原子分子(如CO2、H2O)，FGR致使炉膛内辐射能力增强，理论上也可能提升炉膛的吸热量。由于FGR增大了锅炉循环烟气量，对流受热面烟气流速随之提高，在烟温变化不大的情况下，对流吸热量将提高，从而使排烟温度降低，导致Q2下降。
3超低氮燃烧改造技术
3.1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。
3.2空气分级燃烧技术
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。燃煤锅炉中空气分级燃烧的实现方式主要包括两类：垂直方向的空气分级燃烧和水平方向的空气分级燃烧。才雷等人通过对采用空气分级燃烧前后的数据对发现炉膛温度，飞灰可燃物以及未完全燃烧热损失升高，而锅炉效率和氮氧化物浓度降低，特别是氮氧化物排放浓度显著降低（降低39.5%）。不同的过量空气系数对于NOx的生成有明显的影响。
3.3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。
3.4烟气再循环
目前使用较多的还有烟气再循环法，它是在锅炉的空气预热器前抽取一部分低温烟气直接送入炉内，或与一次风或二次风混合后送入炉内，不但可降低燃烧温度，而且也降低了氧气浓度，直接影响燃料型和热力型NOx的生成量，进而降低了NOx的排放浓度。从空气预热器前抽取温度较低的烟气，通过再循环风机将抽取的烟气送入空气烟气混合器，和空气混合后一起送入炉内，再循环烟气量与无再循环时的烟气量之比，称为烟气再循环率，即：再循环率=再循环烟气量/无再循环烟气量×100%。烟气再循环法降低NOx排放的效果与燃料品种和烟气再循环率有关。经验表明，烟气再循环率为15%～20%时，煤粉炉的NOx排放浓度可降低25%左右。而且与燃料种类和燃烧温度有关，燃烧温度越高，烟气再循环率对NOx降低率的影响越明显。根据华海峰等人的研究结果显示采用烟气再循环技术之后床温和炉膛氧量以及氮氧化物浓度均降低，氮氧化物平均降低14.1%。但是，增加烟气再循环后，烟气中携带粉尘颗粒对再循环风机及一次风机造成一定程度的磨损。
结语
综上所述，目前低氮燃烧技术的应用很多，不同的发电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
［1］马朝霞.氧化铜基催化剂选择性催化还原氮氧化物研究［D］.杭州：浙江大学，2015.
［2］张翱.电站锅炉煤粉燃烧器降低NOx排放的研究［D］.武汉：华中科技大学，2007.
［3］国家发改委生态环境部，国家能源局.全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案[EB/OL].（2015-12-11）.