天然氣低氮燃燒技術研究進展及應用

雷佳莉 楊玉鵬 陳 卓

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

天然氣低氮燃燒技術研究進展及應用

雷佳莉 楊玉鵬 陳 卓

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

近年來，北京不斷加大了對燃煤鍋爐清潔能源改造的力度，下發(fā)了一系列文件要求控制鍋爐氮氧化物排放總量，并鼓勵在用燃氣鍋爐進行低氮改造。文章介紹了近年來應用較為廣泛的低氮燃燒技術，希望為進行無煤化鍋爐改造和低氮改造的工程提出指導性方法。

天然氣；氮氧化物；低氮燃燒技術；燃煤鍋爐清潔能源；排放總量

近年來，我國河北、山東、北京等地區(qū)頻繁遭遇霧霾天氣。2016年，北京市環(huán)境空氣中SO2年均濃度為10微克/立方米，遠優(yōu)于國家標準（60微克/立方米）；二氧化氮（NO2）年均濃度為48微克/立方米，超過國家標準20%；可吸入顆粒物（PM10）年均濃度為92微克/立方米，超過國家標準31%；PM2.5年均濃度為73微克/立方米，超過國家標準109%。SO2年均濃度的降低得益于北京實行的“煤改氣”政策，北京市區(qū)內(nèi)集中供熱燃煤鍋爐逐步被燃氣鍋爐替代。“煤改氣”之后，NOX已經(jīng)成為嚴重霧霾天氣的根源之一。2015年7月開始實施的《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139-2015），規(guī)定2017年4月1日后新建的鍋爐氮氧化物的排放濃度降到30mg/m3以下。北京市發(fā)改委近日下發(fā)文件《關于北京市進一步加快遠郊新城集中供熱中心清潔能源改造工作的通知》（京發(fā)改[2017]472號）指出，要確保2017年10月底前北京南部平原地區(qū)“無煤化”及2020年底前北京市平原地區(qū)“無煤化”目標實現(xiàn)。所謂“無煤化”是對現(xiàn)有鍋爐進行“煤改氣”，改用天然氣為燃料的鍋爐如何達到《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139-2015）中要求的30mg/m3以下標準，需要應用天然氣低氮燃燒技術達到環(huán)保排放要求降低NOX總排量的目的。

1 天然氣燃燒氮氧化物產(chǎn)生過程

天然氣燃燒過程中氮氧化物的生成模型可以分為三類：熱力型NOx生成模型、快速型NOX生成模型、燃料型NOX生成模型。

熱力型NOX生成是指烴類或非烴類燃料在空氣過剩條件下（α＞1）和非烴類燃料在空氣貧乏條件下（α＜1）條件下生成的，主要是空氣中N2在高溫燃燒下氧化而成的NOX。

快速型NOX的基本現(xiàn)象是天然氣在空氣貧乏條件下（α＜1）由空氣中的氮在火焰前鋒面上的快速反應而生成的。

燃料型NOX是指天然氣中及少量摻混的含氮化合物在燃燒過程中氧化而生成的，該類型氮氧化物在天然氣燃燒過程中極少生成。

工程中的各種鍋爐，天然氣的燃燒大部屬于擴散型燃燒即鍋爐內(nèi)的空氣與天然氣邊燃燒邊混合，此種燃燒產(chǎn)生的NOX主要為NO和NO2，NO成分約占90%。

2 低氮燃燒技術研究進展

低氮燃燒技術是基于氮氧化物的生成機理發(fā)展起來的減排技術，主要從以下三個方面尋找解決方法：（1）減少燃料周圍的氧濃度，包括減少總的空氣過剩系數(shù)、減少一次風量、減少燃氣燃盡前與二次風的摻混；（2）在含氧濃度較低的情況下，能夠維持足夠的時間，使生成的NOX經(jīng)過均相或多相反應被還原；（3）在空氣過量的條件下，降低燃燒溫度，減少熱力型NOX的生成，如采用煙氣再循環(huán)等。

主要方法有空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術、濃淡燃燒技術、全預混燃燒技術、煙氣再循環(huán)技術。

2.1 空氣分級燃燒技術

空氣分級燃燒技術是將空氣分級送入鍋爐，使天然氣在爐內(nèi)分級燃燒。通常采用的方法是第一級營造貧氧燃燒環(huán)境，降低燃燒區(qū)域的氧濃度及燃燒溫度，減少熱力型NOX的產(chǎn)生；第二級將燃燒所需的其余空氣通過燃燼風噴口（位于燃燒器）進入爐內(nèi)，形成富氧燃燒環(huán)境，將燃料燃盡。燃燒過程中會有一部分一級燃燒殘留的氮氧化為NO，但由于燃燒溫度較低，總的生成量不大。

采用空氣分級燃燒技術，通常可將氮氧化物的排放量減少約20%～30%。但由于采用該燃燒技術之后，增大了不完全燃燒熱損失，致使爐膛內(nèi)的燃燒區(qū)域向后面區(qū)域偏移，導致爐膛出口煙溫驟升，從而大大降低了燃料燃燒的熱效率。

該技術目前在工業(yè)應用中使用較為廣泛。

2.2 燃料分級燃燒

燃料分級燃燒也被稱為燃料再燃技術。

已生成的NO在遇到烴根和未完全燃燒產(chǎn)物時，會發(fā)生還原反應。總反應式為：

利用這一原理，將80%～85%燃料送入一級燃燒區(qū)（富燃料區(qū)），在過剩空氣系數(shù)大于1的條件下燃燒生成NOX；其余15%～20%的燃料則通過主燃燒器送入二級燃燒區(qū)，在過剩空氣系數(shù)小于1的條件下形成還原氣氛，將NOX還原。二級燃燒區(qū)上面還布置第三級燃燒區(qū)（燃盡區(qū)），將二級燃燒生成的未完全反應產(chǎn)物燃盡。

燃料分級燃燒法技術可以較大程度地降低NOX排放，一般情況下可以使NOX排放濃度降低50%以上，同時保證燃料一級燃燒的良好效果。

2.3 濃淡燃燒法

濃淡燃燒法適用于裝有兩個燃燒器以上的鍋爐，該方法原理是給部分燃燒器供應較多的空氣（呈貧燃料區(qū)，α＞1），即燃料過淡燃燒，此過程空氣含量過量，使燃燒火焰降低，熱力型NOx產(chǎn)生量較少；部分燃燒器供應較少的空氣（呈富燃料區(qū)，α＜1），即燃料過濃燃燒，此過程燃料過量，會有NOX生成，但因爐內(nèi)整體溫度較低，氧氣貧乏，其生成量較少；濃淡燃燒的兩種情況均偏離了NOX產(chǎn)生的化學當量比，因此降低了NOx的生成濃度。濃淡燃燒法因天然氣在爐內(nèi)的持續(xù)燃燒使鍋爐內(nèi)的溫度更加均勻，從而降低爐內(nèi)燃燒溫度，延長燃燒器及爐體壽命，同時提高天然氣的熱效率。使用該法工作時應協(xié)調(diào)兩種燃燒形式，使?jié)獾パa、搭配均勻，才能達到好的降低火焰溫度、減少NOX產(chǎn)生的效果。

2.4 全預混空氣燃燒

燃氣全預混燃燒是指天然氣在進入燃燒器前與足夠的空氣充分混合，燃燒過程中不再供給空氣的燃燒方式。全預混燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤欤紵覂?nèi)容積熱強度高，一般可達28～56×103kW/m2，且能在很小的過剩空氣系數(shù)下達到完全燃燒（通常α＝1.05～1.1），幾乎不存在不完全燃燒現(xiàn)象。全預混燃燒器表面式燃燒，火焰徑向分布，溫度場均勻，火焰穩(wěn)定，安全性好，與傳統(tǒng)的燃氣燃燒器相比，燃燒更均勻、充分，燃燒表面大，強度高，空氣過量系數(shù)小，不需要二次空氣，省去了二次空氣的入口的面積，更有利于熱能的利用和環(huán)境保護。

（1）全預混燃燒不產(chǎn)生燃料型氮氧化物；（2）不產(chǎn)生快速型氮氧化物；（3）全預混燃燒降低了熱力型氮氧化物的生成濃度，因此降低氮氧化物濃度的效果較為明顯。但全預混燃燒器對進氣系統(tǒng)的要求較其他燃燒器更高，使用時應該注意。

2.5 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是通過將鍋爐天然氣燃燒產(chǎn)出的煙氣重新引入燃燒區(qū)，實現(xiàn)對燃燒溫度及氧化物濃度的控制，從而實現(xiàn)降低氮氧化物的排放和節(jié)約能源的目的。

該技術分為煙氣內(nèi)循環(huán)及煙氣外循環(huán)。

2.5.1 煙氣內(nèi)循環(huán)。通過對鍋爐燃燒器喉口、燃燒頭、燃燒風噴嘴、二次風分級、二次風旋轉(zhuǎn)葉片、高速二次風等零部件的諸多設計，使煙氣在鍋爐爐體內(nèi)形成回流，實現(xiàn)煙氣在爐膛內(nèi)的再循環(huán)。

內(nèi)循環(huán)煙氣在高溫區(qū)吸熱并稀釋該區(qū)氧濃度，降低燃料的燃燒速度和爐內(nèi)溫度，從而減少熱力型NOX的產(chǎn)生。

2.5.2 煙氣再循環(huán)。煙氣再循環(huán)是在鍋爐的空氣預熱器前（后）或鍋爐排煙管直接抽取一部分煙氣直接送入爐內(nèi)或與一次風/二次風混合后送入爐內(nèi)，煙氣的吸熱不但可降低燃燒溫度，也可降低氧氣濃度，進而降低了NOX的排放濃度。

再循環(huán)煙氣量與不采用煙氣再循環(huán)時的煙氣量之比，稱為煙氣再循環(huán)率。煙氣再循環(huán)法降低NOX排放的效果與煙氣再循環(huán)率有關。研究數(shù)據(jù)表明，當煙氣再循環(huán)率為15%～20%時，NOX的排放濃度可降低25%～30%；再循環(huán)率變大，NOX的降低率也隨之增加，但爐內(nèi)溫度下降太多，可能會導致爐內(nèi)燃燒及傳熱不穩(wěn)定，從而降低天然氣的熱利用率。同時，煙氣再循環(huán)技術中抽取的煙氣對空氣和天然氣能夠起到預熱的作用，有明顯節(jié)能效果。

煙氣再循環(huán)法可在一臺鍋爐上使用，也可和其他低氮燃燒技術配合使用，用來降低燃燒器空氣的濃度。該方法在使用過程中需要注意抽取煙氣溫度與風道氣體混合后的混合風冷凝臨界點溫度的問題。

3 工程應用時需要注意的問題

對于現(xiàn)有需要改造的燃氣鍋爐，使用以上各個技術路線均需要對燃燒器進行更換或改造，同時還需要注意以下問題：（1）鍋爐房內(nèi)是否具有足夠的改造空間。改造后能否滿足《鍋爐房設計規(guī)范》中對于爐前爐后的距離要求；（2）新的燃燒器或改造后的燃燒器及相應增加的配套設備是否會對現(xiàn)有電氣造成影響，現(xiàn)有配電是否能夠滿足改造要求；（3）新的燃燒器或改造后的燃燒器是否需要調(diào)整原有天然氣調(diào)壓箱或調(diào)壓站，現(xiàn)有燃氣壓力能否滿足改造要求。

4 結(jié)語

現(xiàn)有的低氮燃燒技術在工程中單獨使用降低NOX的效果并不理想，如何結(jié)合各技術路線的優(yōu)點，研發(fā)出燃燒高效、適合市場的低氮燃燒技術，尤其是與先進的燃燒器配合使用，對現(xiàn)有的天然氣鍋爐或其他燃燒設備進行技術改造，達到或低于規(guī)范或標準要求的排放量，是今后設計院所、工程實施單位及設備廠家研究的重點。

[1]鍋爐大氣污染物排放標準（GB13271-2014）.

[2]鍋爐大氣污染物排放標準（DB11/139-2015）.

[3]趙向哲．試析天然氣鍋爐中的天然氣燃燒及調(diào)整[J]．中國新技術新產(chǎn)品，2014，（9）.

[4]吳筱，黃國強，梁紅英．天然氣燃燒中NOX減排的數(shù)學模型[J]．化工進展，2017，26（1）.

[5]彭乾冰，錢廣華．天然氣低NOX燃燒技術研究及應用[J]．石油石化節(jié)能與減排，2015，5（3）.

[6]吳雪晴．新型低NOX燃氣燃燒器的數(shù)值模擬與實驗研究[D]．長沙理工大學，2012.

[7]王惠云，王鵬南，武延華．降低燃氣鍋爐NOX排放的技術和應用[J]．工業(yè)鍋爐，2014，（2）.

（責任編輯：蔣建華）

TQ038

1009-2374（2017）12-0066-02

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.12.034

雷佳莉（1986-），女，河北衡水人，供職于中國中元國際工程有限公司能源與環(huán)境工程中心，碩士，研究方向：能源動力工程設計。

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