浅谈燃气工业锅炉NOX排放控制技术

徐开华，张振顶，陈琪华，尤智东，程小谷

(1.广州特种承压设备检测研究院， 广东 广州 510663；2.广州市环境保护科学研究院， 广东 广州 510620）

《“十三五”节能减排综合工作方案》中指出，到2020年，全国万元国内生产总值能耗比2015年下降15%，能源消费总量控制在50亿吨标煤内。全国氮氧化物排放总量控制在1574万吨内，比2015年下降15%[1]。随着国家环保要求日趋严格，氮氧化物对环境的影响越来越受到人们的关注，治理氮氧化物污染已是大势所趋。

近年来绝大部分燃煤机组已进行了超洁净改造，NOx排放浓度控制到50 mg/m3以下，而国标中燃气锅炉还维持在150 mg/m3（按（O2)=3.5%，GB13271-2014），已无法适应节能减排的要求。北京市2015年7月1日实施的锅炉大气污染物排放标准规定：2017年3月31日前的新建锅炉氮氧化物浓度排放限值为80mg/m3[2]，2017年4月1日后的新建锅炉氮氧化物浓度排放限值为30mg/m3[2]。随后，天津、深圳等地也相应颁布了燃气锅炉NOx排放浓度低于30 mg/m3的规定。因此，深入研究燃气工业锅炉NOX排放控制的技术具有非常重要的意义。

1.燃气工业锅炉NOX生成机理的研究

燃料燃烧产生的氮氧化物（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仅占1%左右。因此，NOx的排放量主要为NO。根据NOx生成机理，燃烧过程中产生的NOx量与反应温度、燃烧方式、过量空气系数及烟气在炉内停留时间等因素有关。燃烧过程中产生NOx的主要有三种：燃料型、热力型和快速型。

1.1 热力型

热力型NOx是原苏联科学家Zeldovich于1949年提出的，主要在燃烧过程中1500℃以上的温度区域内产生，空气中的N2在高温作用下氧化生成氮氧化物。

影响热力型NOx生成的因素有温度、过量空气系数和炉内停留时间。其中温度是最主要的影响因素，1500℃是温度临界点，当温度T不超过1500℃时，几乎没有热力型NOx的生成；而当T大于1500℃时，每增加100℃，反应速率增大6～7倍。过量空气系数对其影响比较复杂。当过量空气系数增大时，导致氧气浓度增大促进化学反应平衡正向移动，加大了NOx的生成量；但同时烟气总量也会增大，导致燃烧温度降低，从而抑制了NOx的生成量。因此过量空气系数的影响比较复杂，可能是抑制也可能是促进作用，要根据具体情况分析。一般炉内停留的时间越长，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烧中氧化而成的。燃料型NOx受温度的影响不大。因为在温度为600～800℃时，含氮化合物就能热解生成燃料型NOx。燃料型NOx最主要的影响因素是过量空气系数，过量空气系数增加，氮转化成NOx的转化率会增加；当过量空气系数大于1时，NOX生成量基本不变；当过量空气系数小于1时，减少了含氧化合物的生成，转化率会明显下降，导致NOX生成量急剧下降，转化率在过量空气系数为0.7时达到极小值接近于零[4]。

1.3 快速型

快速型NOx中氮来源于助燃空气，主要是燃料中烃基化合物燃烧时，分解出大量的CH基和空气中的N2反应生成CN和HCN，接着再以极快的反应速率与氧气反应生产NOx，其中生成快速型NOx的最重要中间产物HCN。快速型NOx的生成机理十分复杂，反应中间过程只需要约60ms，故称为快速型NOx。

影响快速型NOx生成的因素主要有过量空气系数、炉膛压力、燃烧区内N2浓度，不受温度的影响，温度不变当过量空气系数增大时，NOx生成量会先增大后减小。NOx生成量与炉膛压力 0.5 次方成正比[5]。

目前，我国天然气初始成分中几乎不含有氮原子，因此可以不考虑燃料型NOX的影响[6]，燃气燃烧产生的NOx 主要为快速型和热力型。一般天然气锅炉废气中热力型的NOX占到NOX排放总量的90%以上，而快速型NOX低于10%[7]。因此，抑制燃气锅炉排放废气中NOX的生成量，主要是减少燃烧过程中热力型NOX的产生[8]。根据热力型NOX的生成机理，最重要的是控制燃烧区域的温度，NOX的生成量随着天然气燃烧温度的降低而减少；其次，控制氧气和氮气的反应浓度，浓度越低NOX的生成量也越少。

2.燃气工业锅炉NOX排放控制技术

NOX控制方法主要有烟气净化处理技术和低氮燃烧技术。前者指采用理化等方法处理燃烧后废气中的NOX；后者是指在燃烧中抑制NOX的生成。虽然烟气净化处理技术具有可行性，但在项目初期需要较高投入，因此经济性较差，但脱硝效率很高；低氮燃烧技术能在不显著增加成本的情况下降低 NOx，故目前燃气工业锅炉通过低氮燃烧来控制NOX的排放，得到了广泛应用。

2.1 烟气净化处理技术

烟气净化处理技术主要有干法和湿法，干法主要包括选择性催化还原法（SCR）、非选择性催化还原法（SNCR）和吸附法等；湿法主要包括吸收法和生物法等（表1）[9]。由于考虑应用条件和经济成本等因素，应用烟气净化处理技术降低NOX排放的技术并不常见。

表1 部分燃气工业锅炉烟气净化技术

2.2 低氮燃烧（LNB）技术

低氮燃烧（LNB）技术又称炉内脱氮，是指采用各种燃烧技术手段来减少NOX的生成。主要有分级燃烧、烟气再循环（FGR）、预混燃烧和无焰燃烧等。各种技术的优缺点以及减排效果见表2。

表2 部分燃气工业锅炉低氮燃烧技术

2.2.1 分级燃烧

分级燃烧是指燃烧所需空气和燃料在燃烧行程的不同部位供入参加燃烧，从而实现抑制NOx生成的燃烧技术，分为空气分级和燃料分级。

分级燃烧是实现80mg/m3排放标准常见的燃烧技术，两种方法都是通过在时间上将热量释放的峰值降低，延长反应时间、降低化学反应速率等，从而达到降低烟气温度的目的。

分级燃烧本质是扩散式燃烧，主要是通过扩大火焰表面积来降低火焰温度，从而降低NOX。因此，所需要的炉膛尺寸较大，但不利于锅炉钢耗降低，难以利用在冷凝锅炉上。对于炉膛尺寸较小的低氮改造锅炉也无法应用。

2.2.2 烟气再循环（FGR)

FGR是将燃烧产出5%～20%的低温烟气直接返回炉内，或与空气混合后送入炉内通过将燃过的烟气再次引入燃烧区域，从而降低燃烧温度和氧化物的浓度，抑制NOx的生成。FGR技术通过控制燃烧区的最高温度，从而限制了NOx的形成。FGR技术同时还可以降低了氧气浓度，同样起到脱硝的作用。

2.2.3 预混燃烧

气体燃料和氧气预先混合成均匀的混合气，预混气在燃烧器内点火、燃烧的过程称为预混燃烧。预混燃烧可以调整掺混比，使得实际燃烧温度低于理论燃烧温度，且不高于热力型NOx生成的临界温度点，从而降低热力型NOx的生成量。

目前应用比较成熟的锅炉金属纤维燃烧器采用的就是全预混微焰式燃烧技术。但该技术也存在一些难题，例如：易引起回火、混合率难控制，太高易回火，太低效果不好、表面燃烧盘使用寿命短。

2.2.4 无焰燃烧

无焰燃烧技术是指空气和燃气进入燃烧室前预先进行充分混合，燃烧速度极快，整个燃烧过程基本上发生在燃烧器内，火焰很短，甚至看不到火焰的一种技术。无焰燃烧是低氧条件下的燃烧状态，其特点是整体热流场分布均匀、炉内温度梯度小、燃烧峰值温度低且 NOX生成量小。无焰燃烧过程中，因不出现传统燃烧方式中的局部高温高氧区，从而将 NOX浓度控制在很低的水平。

3.结语

NOX控制方法主要有烟气净化处理技术和低氮燃烧技术。小型燃气工业锅炉采用烟气净化处理技术时经济性相对较差。低氮燃烧技术主要是采取相应措施尽量减少NOX的产生，但NOX生成机理却十分复杂。燃气燃烧产生的NOx 主要为快速型和热力型，在常规的燃气锅炉排放的NOX中，热力型NOX占到总量的90%以上。因此，燃气工业锅炉主要考虑控制燃烧过程中热力型NOX。

燃气工业锅炉低氮燃烧（LNB）技术的选择应遵循因地制宜的方法，应根据燃气锅炉目前的NOX排放水平及脱硝运行成本等因素综合比较分析，结合本厂实际和当地环保标准，进行充分的经济、技术论证以期达到既满足环保排放标准又节省投资的效果。