天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術研究

河南中煙工業有限責任公司南陽卷煙廠 葉帛 楊如惠 王維尚

氮氧化物是天然氣在燃燒過程中產生的，不僅會對自然環境造成破壞，還會在光照條件下發生的化學反應，產生的化學氣體直接損害了人們身體各部位器官，嚴重時會引發癌變。由于國家對天然氣的廣泛應用，加大了污染氣體的排放量，環保部門以天然氣鍋爐為例發出聲明，要控制環境污染，減少污染排放量。文章針對天然氣鍋爐降低NOx燃燒技術進行研究，對低氮氧化物燃燒器的設計具有重要意義。

1 燃氣鍋爐NOx 的類型及其生成機理

氮氧化物的生成方式在化學實驗中有很多種方法。單純的針對鍋爐燃燒來說，氮氧化物的產生主要可分為五種方式，熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx、N2O 中間型NOx、NNH 型Nox。因燃氣鍋爐的燃料成分比較單一，所以氮氧化物的生產主要是熱力型和快速型。

1.1 熱力型NOx 生成機理

熱力型氮氧化物的生成機理是燃料在燃燒時并供給空氣中的氮氣，在高溫情況下氧化生成的氮氧化物，這種NOx 生成機理是由蘇聯著名科學家研究發現的。利用道維奇方式對熱力型氮氧化物的生成速度可用公式表示為：

在公式（1）中，D（O2）、D（N2）、D（NO）分別表示O2、N2、NO 濃度，mon/m3為單位；氣體用R 表示，溫度則用T(K)。如果天然氣鍋爐內燃燒添加的燃料濃度過濃時，對這種情況發生的反應，由公式表示：

熱力型氮氧化物是依據燃氣鍋爐中燃料燃燒后，并且煙氣中要有多余的氧氣含量，煙氣溫度要大于1800K 的條件下生成的。氮氧化物的生成量與煙氣溫度有著直接的關系，煙氣溫度的升高和煙氣中氧含量的增加都會促使氮氧化物量的生成，而且煙氣高溫持續的時間越長，越有利于氮氧化物的生成。因熱力型氮氧化物的生成需要具備一定的高溫和富氧，所以天氣鍋爐燃燒運行是該化學物質生成的主要因素。

1.2 快速型NOx 生成機理

1971 年Fenimore（弗尼莫爾）通過實驗發現了快速性氮氧化物，是利用碳氫燃料在氧氣欠缺的環境下快速生成的，碳氧燃料是一種液體燃料，該燃料可代替石油柴油。燃氣鍋爐中燃料的成分直接影響了氮氧化物的生成，如果要控制氮氧化物的生成量，可直接對燃氣鍋爐中的空氣系數a 進行調節；當a 小于1 時，會加快快速型氮氧化物的生成率，當a 大于等于1 時，不利于快速型氮氧化物的生成，而且還會降低氮氧化物的排放。

2 NOx 燃燒技術

根據氮氧化無的生成機理得知NOx兩種不同的生成路徑分別為快速型、熱理型[1]。由于氮氧化物在生成過程中受溫度影響，所以對降低燃燒溫度氮氧化物燃燒技術展開研究。

2.1 分級燃燒技術

分級燃燒技術分為燃料分級與空氣分級兩種，為了使燃料充分氧化，在分級燃燒時應對空氣和燃料合理控制，還原性環境下，抑制熱力型氮氧化物。

2.2 煙氣再循環技術

再循環技術包括內部煙氣再循環與外部煙氣再循環，該技術將煙氣通入火焰中降低燃燒溫度，同時降低氧氣壓力使氮氧化物反應減弱，最終降低生成量。

2.3 貧燃預混燃燒技術

此技術是將燃料與空氣充分混合并通入鍋爐點燃，通過將燃料充分燃燒注入空氣使溫度降低，減少氮氧化物生成。該燃燒技術運行條件極為苛刻，操作稍有不當會造成爆炸，所以在工業鍋爐容量＞20 噸時，不使用該技術。

2.4 無焰燃燒技術

無焰燃燒技術分為預混燃燒和擴散燃燒，通過氧化劑與燃料比例控制可燃范圍建立火焰，但較高的火焰溫度會產生大量的氮氧化物。鑒于這種化學反應科研人員發現了一種低氧燃燒模式，可將其稱之為無焰燃燒，目前我國對于無焰燃燒技術的研究不成熟，尚未在工業上應用。

3 低NOx 燃燒器的設計

文章基于NOx 生成機理和因素，利用氮氧化物燃燒技術煙氣內循環和分級燃燒技術相結合，減少NOx排放量，抑制鈷生成專門設計了一種低NOx燃燒器。

3.1 燃燒頭結構設計

低NOx燃燒器主要有5 部分組成，分別為內筒、外筒、空氣分配板以及一級和二級燃氣噴頭，其中該燃燒器的核心部件就是燃燒頭。按照一定的比例使燃氣從一級和二級燃氣碰頭上設置氣流火孔噴出，然后利用內筒與空氣分配板將空氣分為一級和二級，最后形成旋轉氣流[2]。

3.2 分級供給燃氣和空氣

在低NOx燃燒器中，通過空氣和燃氣的分開供給，有效的控制燃氣與空氣的混合過程。因旋轉火焰的形成，很大程度地縮減了煙氣內火焰高溫的停滯時間，避免了高溫的出現，同時也變相降低了火焰中心的溫度。在火焰區域外圍，由于軸向氣流方向是相互平行的，使空氣與燃氣的混合過程減弱，使燃燒溫度降低且火焰和爐膛之間輻射換熱面積增大，充分利用爐膛冷卻作用，降低火焰溫度。

3.3 煙氣內循環

為實現火焰溫度降低的目的，在燃燒器研發中采用了煙氣內循環技術，使燃燒區有足夠的煙氣量回流，利用回路煙氣減少氧氣濃度，再降低燃燒時，促使燃燒溫度降低。在燃燒器外筒上煙氣引射孔將一級，二級空氣混合后噴射會出現負壓區域，從而爐膛內部煙氣被吸進二級燃燒火焰處，形成二級煙氣內循環[3]。為進一步實現煙氣內循環，需將煙氣通過二級煙氣內循環回流至燃燒區，并均勻分布即可。

3.4 避免不完全燃燒

在二級燃氣區域中，由于空氣和燃氣的平行射流，所以混合過程弱，且混合程度低，再利用降低氧氣量使燃燒速度降低的同時，會導致燃燒物不會完全燃燒，為避免此情況發生可采取旋轉氣流，加強混合程度，在控制燃燒速度的同時抑制氮氧化物產生，防止CO 有毒氣體的出現。

4 結語

文章根據NOx燃燒技術的分類和生成機理，對如何降低氮氧化物，減少自然環境污染展開研究，并設計了低NOx燃燒器。該燃燒器通過對各類燃燒技術的分析得知燃燒溫度、空氣、散熱面積以及煙氣等對NOx的排放量產生影響。伴隨著我國計算機仿真技術的不斷發展，有助于天然氣低NOx燃燒器的研究設計方法和驗證手段的提升，該仿真技術也成了主要研究工具，不僅縮短了低NOx燃燒器研究周期，還大大降低了實驗成本，為發展我國環保事業和工業生產具有重要意義。