淺談燃氣工業鍋爐NOX排放控制技術

徐開華，張振頂，陳琪華，尤智東，程小谷

(1.廣州特種承壓設備檢測研究院， 廣東 廣州 510663；2.廣州市環境保護科學研究院， 廣東 廣州 510620）

《“十三五”節能減排綜合工作方案》中指出，到2020年，全國萬元國內生產總值能耗比2015年下降15%，能源消費總量控制在50億噸標煤內。全國氮氧化物排放總量控制在1574萬噸內，比2015年下降15%[1]。隨著國家環保要求日趨嚴格，氮氧化物對環境的影響越來越受到人們的關注，治理氮氧化物污染已是大勢所趨。

近年來絕大部分燃煤機組已進行了超潔凈改造，NOx排放濃度控制到50 mg/m3以下，而國標中燃氣鍋爐還維持在150 mg/m3（按（O2)=3.5%，GB13271-2014），已無法適應節能減排的要求。北京市2015年7月1日實施的鍋爐大氣污染物排放標準規定：2017年3月31日前的新建鍋爐氮氧化物濃度排放限值為80mg/m3[2]，2017年4月1日后的新建鍋爐氮氧化物濃度排放限值為30mg/m3[2]。隨后，天津、深圳等地也相應頒布了燃氣鍋爐NOx排放濃度低于30 mg/m3的規定。因此，深入研究燃氣工業鍋爐NOX排放控制的技術具有非常重要的意義。

1.燃氣工業鍋爐NOX生成機理的研究

燃料燃燒產生的氮氧化物（NOx）主要包括NO、NO2、N2O4、N2O5和少量的N2O等[3]，其中NO占90%，NO2占5%～10%，N2O僅占1%左右。因此，NOx的排放量主要為NO。根據NOx生成機理，燃燒過程中產生的NOx量與反應溫度、燃燒方式、過量空氣系數及煙氣在爐內停留時間等因素有關。燃燒過程中產生NOx的主要有三種：燃料型、熱力型和快速型。

1.1 熱力型

熱力型NOx是原蘇聯科學家Zeldovich于1949年提出的，主要在燃燒過程中1500℃以上的溫度區域內產生，空氣中的N2在高溫作用下氧化生成氮氧化物。

影響熱力型NOx生成的因素有溫度、過量空氣系數和爐內停留時間。其中溫度是最主要的影響因素，1500℃是溫度臨界點，當溫度T不超過1500℃時，幾乎沒有熱力型NOx的生成；而當T大于1500℃時，每增加100℃，反應速率增大6～7倍。過量空氣系數對其影響比較復雜。當過量空氣系數增大時，導致氧氣濃度增大促進化學反應平衡正向移動，加大了NOx的生成量；但同時煙氣總量也會增大，導致燃燒溫度降低，從而抑制了NOx的生成量。因此過量空氣系數的影響比較復雜，可能是抑制也可能是促進作用，要根據具體情況分析。一般爐內停留的時間越長，NOx的生成量越大。

1.2 燃料型

燃料型NOx是燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成的。燃料型NOx受溫度的影響不大。因為在溫度為600～800℃時，含氮化合物就能熱解生成燃料型NOx。燃料型NOx最主要的影響因素是過量空氣系數，過量空氣系數增加，氮轉化成NOx的轉化率會增加；當過量空氣系數大于1時，NOX生成量基本不變；當過量空氣系數小于1時，減少了含氧化合物的生成，轉化率會明顯下降，導致NOX生成量急劇下降，轉化率在過量空氣系數為0.7時達到極小值接近于零[4]。

1.3 快速型

快速型NOx中氮來源于助燃空氣，主要是燃料中烴基化合物燃燒時，分解出大量的CH基和空氣中的N2反應生成CN和HCN，接著再以極快的反應速率與氧氣反應生產NOx，其中生成快速型NOx的最重要中間產物HCN?？焖傩蚇Ox的生成機理十分復雜，反應中間過程只需要約60ms，故稱為快速型NOx。

影響快速型NOx生成的因素主要有過量空氣系數、爐膛壓力、燃燒區內N2濃度，不受溫度的影響，溫度不變當過量空氣系數增大時，NOx生成量會先增大后減小。NOx生成量與爐膛壓力 0.5 次方成正比[5]。

目前，我國天然氣初始成分中幾乎不含有氮原子，因此可以不考慮燃料型NOX的影響[6]，燃氣燃燒產生的NOx 主要為快速型和熱力型。一般天然氣鍋爐廢氣中熱力型的NOX占到NOX排放總量的90%以上，而快速型NOX低于10%[7]。因此，抑制燃氣鍋爐排放廢氣中NOX的生成量，主要是減少燃燒過程中熱力型NOX的產生[8]。根據熱力型NOX的生成機理，最重要的是控制燃燒區域的溫度，NOX的生成量隨著天然氣燃燒溫度的降低而減少；其次，控制氧氣和氮氣的反應濃度，濃度越低NOX的生成量也越少。

2.燃氣工業鍋爐NOX排放控制技術

NOX控制方法主要有煙氣凈化處理技術和低氮燃燒技術。前者指采用理化等方法處理燃燒后廢氣中的NOX；后者是指在燃燒中抑制NOX的生成。雖然煙氣凈化處理技術具有可行性，但在項目初期需要較高投入，因此經濟性較差，但脫硝效率很高；低氮燃燒技術能在不顯著增加成本的情況下降低 NOx，故目前燃氣工業鍋爐通過低氮燃燒來控制NOX的排放，得到了廣泛應用。

2.1 煙氣凈化處理技術

煙氣凈化處理技術主要有干法和濕法，干法主要包括選擇性催化還原法（SCR）、非選擇性催化還原法（SNCR）和吸附法等；濕法主要包括吸收法和生物法等（表1）[9]。由于考慮應用條件和經濟成本等因素，應用煙氣凈化處理技術降低NOX排放的技術并不常見。

表1 部分燃氣工業鍋爐煙氣凈化技術

2.2 低氮燃燒（LNB）技術

低氮燃燒（LNB）技術又稱爐內脫氮，是指采用各種燃燒技術手段來減少NOX的生成。主要有分級燃燒、煙氣再循環（FGR）、預混燃燒和無焰燃燒等。各種技術的優缺點以及減排效果見表2。

表2 部分燃氣工業鍋爐低氮燃燒技術

2.2.1 分級燃燒

分級燃燒是指燃燒所需空氣和燃料在燃燒行程的不同部位供入參加燃燒，從而實現抑制NOx生成的燃燒技術，分為空氣分級和燃料分級。

分級燃燒是實現80mg/m3排放標準常見的燃燒技術，兩種方法都是通過在時間上將熱量釋放的峰值降低，延長反應時間、降低化學反應速率等，從而達到降低煙氣溫度的目的。

分級燃燒本質是擴散式燃燒，主要是通過擴大火焰表面積來降低火焰溫度，從而降低NOX。因此，所需要的爐膛尺寸較大，但不利于鍋爐鋼耗降低，難以利用在冷凝鍋爐上。對于爐膛尺寸較小的低氮改造鍋爐也無法應用。

2.2.2 煙氣再循環（FGR)

FGR是將燃燒產出5%～20%的低溫煙氣直接返回爐內，或與空氣混合后送入爐內通過將燃過的煙氣再次引入燃燒區域，從而降低燃燒溫度和氧化物的濃度，抑制NOx的生成。FGR技術通過控制燃燒區的最高溫度，從而限制了NOx的形成。FGR技術同時還可以降低了氧氣濃度，同樣起到脫硝的作用。

2.2.3 預混燃燒

氣體燃料和氧氣預先混合成均勻的混合氣，預混氣在燃燒器內點火、燃燒的過程稱為預混燃燒。預混燃燒可以調整摻混比，使得實際燃燒溫度低于理論燃燒溫度，且不高于熱力型NOx生成的臨界溫度點，從而降低熱力型NOx的生成量。

目前應用比較成熟的鍋爐金屬纖維燃燒器采用的就是全預混微焰式燃燒技術。但該技術也存在一些難題，例如：易引起回火、混合率難控制，太高易回火，太低效果不好、表面燃燒盤使用壽命短。

2.2.4 無焰燃燒

無焰燃燒技術是指空氣和燃氣進入燃燒室前預先進行充分混合，燃燒速度極快，整個燃燒過程基本上發生在燃燒器內，火焰很短，甚至看不到火焰的一種技術。無焰燃燒是低氧條件下的燃燒狀態，其特點是整體熱流場分布均勻、爐內溫度梯度小、燃燒峰值溫度低且 NOX生成量小。無焰燃燒過程中，因不出現傳統燃燒方式中的局部高溫高氧區，從而將 NOX濃度控制在很低的水平。

3.結語

NOX控制方法主要有煙氣凈化處理技術和低氮燃燒技術。小型燃氣工業鍋爐采用煙氣凈化處理技術時經濟性相對較差。低氮燃燒技術主要是采取相應措施盡量減少NOX的產生，但NOX生成機理卻十分復雜。燃氣燃燒產生的NOx 主要為快速型和熱力型，在常規的燃氣鍋爐排放的NOX中，熱力型NOX占到總量的90%以上。因此，燃氣工業鍋爐主要考慮控制燃燒過程中熱力型NOX。

燃氣工業鍋爐低氮燃燒（LNB）技術的選擇應遵循因地制宜的方法，應根據燃氣鍋爐目前的NOX排放水平及脫硝運行成本等因素綜合比較分析，結合本廠實際和當地環保標準，進行充分的經濟、技術論證以期達到既滿足環保排放標準又節省投資的效果。