天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术研究

河南中烟工业有限责任公司南阳卷烟厂 叶帛 杨如惠 王维尚

氮氧化物是天然气在燃烧过程中产生的，不仅会对自然环境造成破坏，还会在光照条件下发生的化学反应，产生的化学气体直接损害了人们身体各部位器官，严重时会引发癌变。由于国家对天然气的广泛应用，加大了污染气体的排放量，环保部门以天然气锅炉为例发出声明，要控制环境污染，减少污染排放量。文章针对天然气锅炉降低NOx燃烧技术进行研究，对低氮氧化物燃烧器的设计具有重要意义。

1 燃气锅炉NOx 的类型及其生成机理

氮氧化物的生成方式在化学实验中有很多种方法。单纯的针对锅炉燃烧来说，氮氧化物的产生主要可分为五种方式，热力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx、N2O 中间型NOx、NNH 型Nox。因燃气锅炉的燃料成分比较单一，所以氮氧化物的生产主要是热力型和快速型。

1.1 热力型NOx 生成机理

热力型氮氧化物的生成机理是燃料在燃烧时并供给空气中的氮气，在高温情况下氧化生成的氮氧化物，这种NOx 生成机理是由苏联著名科学家研究发现的。利用道维奇方式对热力型氮氧化物的生成速度可用公式表示为：

在公式（1）中，D（O2）、D（N2）、D（NO）分别表示O2、N2、NO 浓度，mon/m3为单位；气体用R 表示，温度则用T(K)。如果天然气锅炉内燃烧添加的燃料浓度过浓时，对这种情况发生的反应，由公式表示：

热力型氮氧化物是依据燃气锅炉中燃料燃烧后，并且烟气中要有多余的氧气含量，烟气温度要大于1800K 的条件下生成的。氮氧化物的生成量与烟气温度有着直接的关系，烟气温度的升高和烟气中氧含量的增加都会促使氮氧化物量的生成，而且烟气高温持续的时间越长，越有利于氮氧化物的生成。因热力型氮氧化物的生成需要具备一定的高温和富氧，所以天气锅炉燃烧运行是该化学物质生成的主要因素。

1.2 快速型NOx 生成机理

1971 年Fenimore（弗尼莫尔）通过实验发现了快速性氮氧化物，是利用碳氢燃料在氧气欠缺的环境下快速生成的，碳氧燃料是一种液体燃料，该燃料可代替石油柴油。燃气锅炉中燃料的成分直接影响了氮氧化物的生成，如果要控制氮氧化物的生成量，可直接对燃气锅炉中的空气系数a 进行调节；当a 小于1 时，会加快快速型氮氧化物的生成率，当a 大于等于1 时，不利于快速型氮氧化物的生成，而且还会降低氮氧化物的排放。

2 NOx 燃烧技术

根据氮氧化无的生成机理得知NOx两种不同的生成路径分别为快速型、热理型[1]。由于氮氧化物在生成过程中受温度影响，所以对降低燃烧温度氮氧化物燃烧技术展开研究。

2.1 分级燃烧技术

分级燃烧技术分为燃料分级与空气分级两种，为了使燃料充分氧化，在分级燃烧时应对空气和燃料合理控制，还原性环境下，抑制热力型氮氧化物。

2.2 烟气再循环技术

再循环技术包括内部烟气再循环与外部烟气再循环，该技术将烟气通入火焰中降低燃烧温度，同时降低氧气压力使氮氧化物反应减弱，最终降低生成量。

2.3 贫燃预混燃烧技术

此技术是将燃料与空气充分混合并通入锅炉点燃，通过将燃料充分燃烧注入空气使温度降低，减少氮氧化物生成。该燃烧技术运行条件极为苛刻，操作稍有不当会造成爆炸，所以在工业锅炉容量＞20 吨时，不使用该技术。

2.4 无焰燃烧技术

无焰燃烧技术分为预混燃烧和扩散燃烧，通过氧化剂与燃料比例控制可燃范围建立火焰，但较高的火焰温度会产生大量的氮氧化物。鉴于这种化学反应科研人员发现了一种低氧燃烧模式，可将其称之为无焰燃烧，目前我国对于无焰燃烧技术的研究不成熟，尚未在工业上应用。

3 低NOx 燃烧器的设计

文章基于NOx 生成机理和因素，利用氮氧化物燃烧技术烟气内循环和分级燃烧技术相结合，减少NOx排放量，抑制钴生成专门设计了一种低NOx燃烧器。

3.1 燃烧头结构设计

低NOx燃烧器主要有5 部分组成，分别为内筒、外筒、空气分配板以及一级和二级燃气喷头，其中该燃烧器的核心部件就是燃烧头。按照一定的比例使燃气从一级和二级燃气碰头上设置气流火孔喷出，然后利用内筒与空气分配板将空气分为一级和二级，最后形成旋转气流[2]。

3.2 分级供给燃气和空气

在低NOx燃烧器中，通过空气和燃气的分开供给，有效的控制燃气与空气的混合过程。因旋转火焰的形成，很大程度地缩减了烟气内火焰高温的停滞时间，避免了高温的出现，同时也变相降低了火焰中心的温度。在火焰区域外围，由于轴向气流方向是相互平行的，使空气与燃气的混合过程减弱，使燃烧温度降低且火焰和炉膛之间辐射换热面积增大，充分利用炉膛冷却作用，降低火焰温度。

3.3 烟气内循环

为实现火焰温度降低的目的，在燃烧器研发中采用了烟气内循环技术，使燃烧区有足够的烟气量回流，利用回路烟气减少氧气浓度，再降低燃烧时，促使燃烧温度降低。在燃烧器外筒上烟气引射孔将一级，二级空气混合后喷射会出现负压区域，从而炉膛内部烟气被吸进二级燃烧火焰处，形成二级烟气内循环[3]。为进一步实现烟气内循环，需将烟气通过二级烟气内循环回流至燃烧区，并均匀分布即可。

3.4 避免不完全燃烧

在二级燃气区域中，由于空气和燃气的平行射流，所以混合过程弱，且混合程度低，再利用降低氧气量使燃烧速度降低的同时，会导致燃烧物不会完全燃烧，为避免此情况发生可采取旋转气流，加强混合程度，在控制燃烧速度的同时抑制氮氧化物产生，防止CO 有毒气体的出现。

4 结语

文章根据NOx燃烧技术的分类和生成机理，对如何降低氮氧化物，减少自然环境污染展开研究，并设计了低NOx燃烧器。该燃烧器通过对各类燃烧技术的分析得知燃烧温度、空气、散热面积以及烟气等对NOx的排放量产生影响。伴随着我国计算机仿真技术的不断发展，有助于天然气低NOx燃烧器的研究设计方法和验证手段的提升，该仿真技术也成了主要研究工具，不仅缩短了低NOx燃烧器研究周期，还大大降低了实验成本，为发展我国环保事业和工业生产具有重要意义。