天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術研究

車光蘭

(青海省工業職業技術學校，青海 西寧 810000)

隨著國家對天然氣資源利用的愈來愈加重視，天然氣被廣泛的應用于化工、熱力、發電等行業。天然氣在燃燒過程中會生成氮氧化物(NOx，主要成分為NO與NO2)，而NOx作為一種大氣污染物會給自然生態環境造成嚴重的破壞[1]。并且已有研究證明，NOx在光照條件下還會發生光化學反應，所生成的化學煙霧會對人的眼睛、鼻、喉等器官造成刺激，使人產生慢性支氣管炎、鼻粘膜刺激、哮喘等疾病，嚴重的甚至會引發肺癌。因此，國家環保已明確要求需切實減少NOx的排放量，以工業天燃氣鍋爐為例，在我國多個城市已經開始執行< 30 mg/m3(標準)(換算到 3.5 %的氧氣)的NOx排放標準[2-3]。在此背景下，圍繞天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術展開研究，設計出一種高效實用的低 NOx燃燒器具有重要的現實意義。

1 天然氣燃燒NOx的生成機理及影響因素

按照機理的不同，可以將燃氣鍋爐燃燒生成NOx劃分為熱力型、快速型等幾種，從工業實踐角度老看，熱力型燃燒所生成的NOx約占總量的95%[4]。

1.1 熱力型NOx生成機理及影響因素

熱力型NOx是空氣中的N2在燃燒過程中于高溫條件之下發生氧化反應而生成的，其反應機理如下：

(1)

(2)

NO生成速度的表達公式為

(3)

式中：c(NO)為NO的摩爾濃度，c(N2)為N2的摩爾濃度，c(O2)為O2的摩爾濃度，mol/cm3；R為氣體常數，一般取值為8.314 J/(mol·K)；T為燃燒溫度，K。

從以上公式可知，熱力型NOx的生成速度受到燃燒溫度的顯著影響，并且Stephen等人[5]通過大量的實驗發現，在燃燒溫度上升到1 800 K的時候，熱力型NOx的生成速度開始顯著提升，即溫度每升高100 K，生成速度增加6～7倍(見圖1)。此外，熱力型NOx的生成速度也受到過量空氣系數的顯著影響，由式(3)可以發現，NOx的生成量與O2濃度平方根成正比例關系。吳曉磊等人研究發現，在過量空氣系數>1時，NOx的生成量隨過量空氣系數的提升而減少；在過量空氣系數<1時，NOx的生成量隨過量空氣系數的提升而增加。

圖1 熱力型NOx生成量與溫度的關系曲線

1.2 快速型NOx生成機理及影響因素

快速型NOx的生成機理為：空氣中的N2在低溫的火焰初始區與CH2、CH等發生反應而生成NH、CN、HCN等化合物，這些化合物通過進一步發生氧化反應而生成NOx?？焖傩蚇Ox的生成時間非常短，并且其只在碳氫類燃料的燃燒過程中生成。其反應公式為

N2+CH=N+HCN

(4)

N2+CH2=HCN+NH

(5)

(6)

式中：R為活性基(OH，O，H)，RO為含氧基(OH，O)，RN為含氨基(N，NH，HCN)。

傅維標等人[6]通過研究發現，快速型NOx的生成量主要與三方面因素有關：①過量空氣系數α，當α≥1時，沒有快速型NOx產生；當α比1略小時，快速型NOx具有較高的生成速率；當α<0.7時，只有少量的快速型NOx生成。②燃燒溫度T，快速型NOx的生成量隨T的升高呈指數型增長，當T<1 500 K時，幾乎沒有快速型NOx生成，而當T>1 500 K時，快速型NOx會隨溫度的升高而快速生成。③初始區火焰加熱速度h，在單一過量空氣系數條件下，快速型NOx生成量隨h的增大呈線性增長。

2 天然氣鍋爐低NOx燃燒技術概述

由天然氣燃燒NOx的生成機理可知，天然氣在燃燒過程中生成NOx的路徑主要為熱力型與快速型，而在這兩種生成路徑中，NOx的生成均受燃燒溫度的顯著影響，所以目前的天然氣鍋爐低NOx燃燒技術主要是圍繞降低燃燒溫度所展開的，其包括分級燃燒技術、煙氣再循環技術、貧燃預混燃燒技術、無焰燃燒技術等[7]。

2.1 分級燃燒技術

在分級燃燒技術當中，通過對燃料與空氣的比例進行合理的控制，來實現先進行富燃料燃燒以形成還原性環境，實現對熱力型NOx的抑制，再利用貧燃料燃燒過程中的富足的氧氣來實現對燃料的充分氧化。分級燃燒技術包括空氣分級燃燒與燃料分級燃燒兩種，其中，空氣分級燃燒過程如圖2(a)所示，在第一級進行富燃燃燒，然后將過量空氣加入第二級，以此來完成燃盡過程，通過在第一級與第二級間添加空氣來實現對溫度場分布的控制；燃料分級燃燒過程如圖2(b)所示，在第一級中進行燃料稀相燃燒，然后于第二級中添加燃料來將當量比控制在所要求的數值。空氣分級燃燒技術操作簡便易行，但是其燃燒溫度一般比較低，故其很少被應用于燃氣鍋爐，而燃料分級燃燒技術則可應用于各類燃氣鍋爐，其可將鍋爐煙氣中NOx質量濃度控制在60 mg/m3左右。

圖2 分級燃燒技術原理圖

2.2 煙氣再循環技術

煙氣再循環技術是將煙氣通入到火焰區域當中，以此來促使燃燒溫度降低，并且通過加入煙氣來促使O2分壓得以降低，以此來使得熱力型NOx的反應減弱，NOx的生成量降低，煙氣再循環技術包括外部煙氣再循環與內部煙氣再循環兩種[8]。其中，外部煙氣再循環的結構示意圖如圖3所示，其反應過程為煙氣由燃氣鍋爐出口經過一外部管道而接入到燃燒器空氣入口，由燃燒器重新進到鍋爐膛內而進行燃燒過程，Baltasar等人[9]通過實驗證實，利用外部煙氣再循環能夠將燃氣鍋爐NOx生成量降低70%左右；內部煙氣再循環指的是通過合理設計燃燒器與爐膛的結構，來促使爐膛內的煙氣回流至燃燒區域而參與燃燒反應，在工業應用中可以借助高速噴射火焰的卷吸作用等來實現內部煙氣再循環。燃氣再循環技術應用起來比較簡便，但是其燃燒穩定性較差，并且會在一定程度上降低鍋爐效率。

圖3 外部煙氣循環系統結構圖

2.3 貧燃預混燃燒技術

貧燃預混燃燒技術指的是先將燃料與過量空氣進行充分混合，再將混合氣體通入鍋爐里面，然后點火進行燃燒。利用貧燃預混燃燒技術可以確保燃料得以充分燃燒，通過注入過量的空氣可以促使燃燒溫度降低，以此來降低NOx的生成量，已有實踐證明，此工藝技術通過對燃燒溫度進行調控，最高能夠使NOx的生成量降低85%左右。因該工藝是在偏離理論空氣量情況下燃燒，所以燃燒過程極不穩定，易出現振蕩燃燒與火焰吹熄等現象，同時，該工藝的實際運行條件極為嚴苛，一旦操作不當，則有可能引發爆炸事故，故一般對于容量在20 t/h以上的工業鍋爐，該技術不再適用。

2.4 無焰燃燒技術

傳統火焰延燒包括擴散燃燒與預混燃燒兩種，只有將燃料與氧化劑比例控制在可燃極限范圍以內，并配備必要的點火裝置，方能建立一個火焰。通常在點燃火焰后，使火焰自身作為點火器來點火來流，這便要求火焰溫度需達到一定值，然而，較高的火焰溫度也會導致較高的NOx生成量[10]。而后來有研究人員在實驗中發現一種無焰燃燒，其為一種在低氧稀釋下的燃燒模式，其熱流均勻分布且反應速度緩慢，在鍋爐爐內溫度為1 000 ℃，空氣預熱至650 ℃時，天然氣燃料進行無焰燃燒所生成的NOx接近于0。目前，對于無焰燃燒技術的機制、特性等的研究尚不夠深入，其在工業上的應用還相當不成熟。

3 低NOx燃燒器的設計方案

實踐證明，對于天然氣工業鍋爐僅僅采用一種低NOx燃燒技術，難以達到低于30 mg/m3(標準)的NOx排放標準[11]。鑒于此，筆者立足于天然氣燃燒NOx的生成機理及影響因素，將煙氣內循環、分級燃燒等技術措施有機融合在一起，設計了一種低 NOx燃燒器，以期實現降低NOx排放量，同時抑制CO生成的目標。

3.1 燃燒頭結構設計

燃氣鍋爐低NOx燃燒器中最為核心的部分為燃燒頭，本文所設計的燃燒頭結構示意圖如圖4所示，其主要由5部分構成，分別為一級燃氣噴頭、空氣分配板、二級燃氣噴頭、外筒、內筒。其中，在一級燃氣噴頭上面設置了氣流火孔，這些氣流火孔呈徑向分布，在二級燃氣噴頭上面也設置了氣流火孔，這些氣流火孔呈軸向分布，并且均勻的分布在同一個圓周上面，在外筒的前置部分均勻設置了多個煙氣引射孔。按照一定比例使燃氣分別從一級、二級燃氣噴頭火孔噴出，其中，天然氣由一級燃氣噴頭火孔噴射而出形成一級燃氣，天然氣由二級燃氣噴頭火孔噴射而出形成二級燃氣。空氣被內筒與空氣分配板分為一級、二級空氣，與此同時，一級空氣在空氣分配板的作用之下形成旋轉氣流。

圖4 燃燒頭結構

3.2 燃氣和空氣分級供給

如圖4所示，通過把燃氣與空氣分為兩級供給，使燃燒器內部出現一級、二級兩個燃燒區域，以此來實現對燃氣、空氣混合過程的有效控制。其中，一級燃燒區域是燃燒器的火焰中心區域，在此區域當中，空氣的旋轉氣流和燃氣的徑向氣流相互交匯，從而形成一種旋轉火焰，這種火焰能夠使高溫區域內煙氣的停滯時間大大縮減，進而有效降低火焰中心的溫度，避免出現高溫；二級燃燒區域為燃燒器的火焰外圍區域，在此區域當中，空氣與燃氣都是軸向氣流，由于兩者的方向是相互平行的，從而使得兩者之間的混合過程大大減弱，進而促使燃燒溫度在一定程度上有所下降，并且因此使得火焰的長度有所增加，從而使爐膛和火焰之間的輻射換熱面積增大，通過對爐膛壁冷卻作用的充分利用，在很大程度上降低了火焰的溫度，除此之外，還在爐膛的內部形成一種均勻分布的溫度場，以此來防止出現局部高溫的情況。

3.3 煙氣內循環

本文所設計的低NOx燃燒器應用了兩級煙氣內循環技術，以此來促使燃燒區內部能夠回流較多的煙氣量，進而利用充足的煙氣來減少氧氣的質量濃度，并且利用煙氣中所含有的惰性氣體來吸收火焰的部分熱量，最終達到降低火焰溫度的目的。其中，在燃燒器一級燃燒區中的火焰是旋轉火焰，在其中心部位處能夠產生回流區，從而將煙氣由爐膛卷吸至一級燃燒區，進而形成一級煙氣內循環；此外，在燃燒器的外筒處設置了煙氣引射孔，當二級空氣與二級燃氣相互混合后而發生噴射的時候，會于煙氣引射孔位置出現一個負壓區域，從而將爐膛內部的煙氣吸進到二級燃燒區的火焰根部位置處，進而形成二級煙氣內循環(見圖4)。通過在燃燒器內部設置二級煙氣內循環，可以將煙氣更多的回流至燃燒區當中去，并且使煙氣在火焰內均勻的分布，進而進一步強化煙氣內循環的效用。

3.4 避免不完全燃燒

本文所設計的低NOx燃燒器在二級燃氣區域當中，二級燃氣與二級空氣是平行射流，兩者的混合過程比較弱，混合程度不高，并且采用了煙氣內循環設計，以此來降低氧氣的質量濃度，這些設計能夠有效降低燃燒速度，從而降低NOx的生成量，但是這些設計也會導致不完全燃燒，從而導致煙氣中一氧化碳的含量超標。鑒于此，在此低 NOx燃燒器的一級燃燒區采用了旋轉氣流，如此能夠在一定程度上使空氣與燃氣之間的混合程度得以加強，從而實現對燃燒速度的有效控制，進而在抑制NOx生成的同時，防止出現一氧化碳有毒氣體。

4 結論與展望

(1)天然氣燃燒NOx的生成機理主要包括熱力型與快速型，其中以熱力型為主。要想降低天然氣鍋爐NOx的生成，主要是控制熱力型NOx的產生，其次是控制快速型NOx的產生。從天然氣燃燒NOx生成機理的影響因素來看，可以從控制燃燒溫度、過量空氣系數以及初始區火焰加熱速度等來降低NOx的生成量。

(2)目前人們圍繞如何降低天然氣鍋爐NOx排放已經開展了廣泛的研究，這些研究工作主要是圍繞降低燃燒溫度所展開的，已有的天然氣鍋爐低NOx燃燒工藝包括分級燃燒技術、煙氣再循環技術、貧燃預混燃燒技術、無焰燃燒技術等。

(3)本文設計的低NOx燃燒器通過將平行氣流與旋轉氣流結合起來，實現對空氣、燃氣混合過程的控制，通過增加火焰散熱面積來降低火焰溫度，進而減少NOx的排放；同時應用兩級煙氣內循環技術，促使燃燒區內部能夠回流較多的煙氣量，利用充足的煙氣來減少氧氣的質量濃度，并且利用煙氣中所含有的惰性氣體來吸收火焰的部分熱量，以此來進一步抑制NOx的生成；此外，利用燃燒器一級燃燒區的旋轉氣流來控制空氣與燃氣之間的混合程度，從而避免發生不完全燃燒。

(4)當前在設計天然氣低NOx燃燒器的過程中，缺乏精確的設計方法以及可靠經濟的驗證手段，隨著計算機仿真技術(CFD)的不斷發展，其將成為燃燒器設計的重要工具，為降低實驗成本、縮短開發周期創造條件。