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摘要：随着国家对PM2.5的控制越来约严格，相应的大气污染物排放标准也日益严格起来。大量的小吨位的燃煤炉被清洁的燃天然气锅炉所取代。天然气锅炉燃烧排放的NOx排放量也随之增大，成为众多企业及锅炉厂家迫切解决的问题，笔者在本篇文章中主要对NOx的产生机理及控制方法进行阐述。
关键词：天然气锅炉；低氮燃烧器；氧量；过量空气系数；氮氧化物排放
引言
能源消费一直是世界共同关注的问题，随着人类社会的飞速发展，能源消费需求不断扩大，节省能源消费是一大命题。因此，氮能源的减排及其充分利用就越发重要。低氮燃煤技术具有低投资、高效益的优点。氮能源在我国工业锅炉的应用中相当普及，但同时氮能源在锅炉中燃烧过程时会加速扩大NOx的排放量及速度，如果不能节能减排，将不能充分发挥它的价值，且会严重浪费氮能源，甚而影响环境健康，所以严格控制NOx的排放量首当其冲。锅炉中低氮燃烧技术实质上就是改善燃烧条件，使其充分燃烧，产生更多能量同时减少NOx生成。目前我国工业锅炉常用的低氮燃烧技术主要有燃料分级技术、空气分级技术、烟气再循环技术等。
1 氮氧化物的危害
氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐，硝酸是酸雨形成的原因之一。氮氧化物还与其他污染物在一定条件下产生光化学烟雾。不仅破坏植物，建筑等财物，对人体的一些器官也有危害，危害人体健康。随着大量天然气锅炉的投用，排放入空气中的氮氧化物越来越多，如何能降低氮氧化物的排放，成为锅炉厂家的新的探索方向。
2 氮能源在锅炉中生成氮氧化物的机制
2.1燃烧型
燃烧型NOx是氮能源燃料在锅炉中的完全燃烧及不完全燃烧产生的。我们知道，氮能源燃料中氮化合物的热分解温度是600℃~800℃，在该温度条件下生成燃烧性NOx。首先是含氮化合物高温分解成中间环节产物，主要包括N、氰化氢、氰化物等，然后中间产物进一步氧化形成了NOx。煤粉锅炉含氮能源的燃烧过程相继发生挥发份燃烧、焦炭燃烧2个阶段，所以，燃料型NOx的生成与挥发份燃烧、焦炭燃烧有密切关系。
2.2热力型
热力型NOx的产生的必备条件是高温，它是指氮能源燃烧过程中空气中的N在高温下氧化产生，在锅炉中经过燃烧生成NOx的一系列连锁效应。温度是影响空气中O、N化转为NOx的必需因素。随着温度的改变，产生的NOx含量及含有比例也会发生改变，温度越高，产生的各种NOx的速度越快、产量就越高。反应温度的升高，反应速度以指数规律而增加。
2.3快速型
快速型NOx是指当氮能源燃料局部浓度过高时，在氮能源燃料燃烧区附近会快速生成Ox。碳氢化合物经过高温条件下分解会产生碳氢自由基，碳氢自由基与空气中的氮气反应生成N2和氰化氢，N2和氰化氢再与空气中的O2以极为快速的方式生成NOx，NOx生成量与炉膛压力为正相关，温度变化不明显。
锅炉NOx的生成含量及其比例需要考虑以下因素：（1）氮燃料本身的物理及化学特点。（2）锅炉工作时的高温燃烧温度范围。（3）燃烧区内烟气中N2、O2、燃料煤的含氮量，氮能源燃料与空气中氮及氧气之间的混合比例。（4）氮能源燃料在火焰区和炉膛高温内的停留反应时间。
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3 NOx的控制方向
针对以上问题，我们在锅炉的设计和运行过程中可以采用一些措施来达到降低NOx生成的目的。我们知道影响热力型NOx生成的因素主要有：①燃烧温度②燃烧区域的氧浓度③燃烧气体在高温区的滞留时间。随着燃烧温度的上升，NOx的生成量也随之上升。
我们可以采取以下措施：①燃烧条件优化，降低火焰锋面温度。热力型NOx是由助燃空气中的N2在高温作用下氧化二生成。根据泽利多维奇（Zeldovich）的研究，热力型NOx与炉膛中的温度有很大关系。当燃烧温度低于1800K时热力型NOx的生成量较少；当温度高于1800K时，NOx的生成量急剧增加。温度每上升100K，NOx将上升6～7倍。②降低燃烧区域的氧浓度。我们在进行锅炉受热面布置的热力计算设计时，会填写过量空气系数，以保证燃料的完全燃烧。如果在保证燃烧的情况下尽量减小过量空气系数，这样，氧浓度下降，热力型NOx的生成量也会降低。③减少燃烧气体在高温区的滞留时间。而在氧浓度较低的情况下，则应维持足够的停留时间，使燃料中的N不易生成NOx，并使已有的NOx经过均相和多重均相反应被分解还原。这就需要我们在设计的时候布置合理的炉膛宽度，高度及长度，辅以合理的燃气压力，配合燃烧机的火焰燃烧情况，达到降低一部分NOx排放的目的。
4 锅炉运行过程中降低NOx生成的措施
4.1选择合适的过量空气系数。
4.2采用合理的锅炉负荷。如果锅炉保持75%的负荷运行，锅炉炉膛的燃烧温度会降低，NOx的生成环境恶略，会有效减少NOx的排放。
4.3采用新技术的低氮燃烧机
低氮燃烧机主要分为预混型燃烧机和非预混型燃烧机。
预混燃烧器又可分为贫燃预混和水冷预混。贫燃预混本身也存在一些缺点，比如：需要高过量空气系数，会造成锅炉效率的降低，而且容易回火和爆燃。水冷预混在2t/h以下的炉子中比较常用，但是它也会造成相对比较大的锅炉效率的降低。
非预混型燃烧机可分为烟气内循环技术和烟气再循环技术。（1）烟气内循环技术相对于烟气再循环技术要复杂，它是通过燃烧机的旋流叶片等装置使烟气在炉膛内部再循环。（2）燃气外循环在现低氮运行的锅炉系统中比较常见。是将锅炉尾部受热面（一般是节能器后）的烟气的一部分（通常占比低于30%，最常取用的是15%～20%）经管道接回燃烧机，与燃料，风量混合后进入炉膛。再循环的烟气温度一般在100～150摄氏度，进入炉膛后会降低高温燃烧区的温度，还会稀释燃烧区域的氧量，能有效的达到降低NOx的目的。但是过低的燃烧温度和氧量又容易造成低温熄火及燃烧不稳定等状况。不过通过调节循环烟气，风量及燃料的配比，可以达到稳定的燃烧。
5 低氮锅炉的使用效果
现在投用的很大比例的新锅炉都是低氮燃烧锅炉，还有很大一部分旧炉子改造为低氮燃烧的锅炉。我公司的产品通过布置合理的受热面，结合低氮燃烧机的使用以及燃气再循环技术的利用，炉子的NOx排放量达到《锅炉大气污染物排放标准》（DB11/139-2015）的排放要求。
6 低氮技术现存的问题
氮能源低氮燃烧技术是目前实践中节能减排的重要手段之一。但是也存在着一定不足之处：随着空气量的增大，不完全燃烧的损耗增加。氧气量过低、燃烧区温度过低时，如果不同时提高燃料细度，其他飞灰可燃物的产生会大范围增大。在燃烧器区域的水冷壁管的金属在缺氧状态下燃烧会加速腐蚀损坏。在降低燃烧温度与延迟燃烧时间的同时，也降低了着火的稳定性及锅炉的低负荷燃烧稳定性，安全生产系数降低。
7 结束语
低氮锅炉已成为未来清洁锅炉的发展趋势，从目前的结果来看，控制NOx的效果还是比较明显的。随着全球对环境的要求越来越高，低氮燃烧锅炉将会有更大的发展空间。我们会在技术上逐步完善，不久的将来肯定能将低氮技术现存的问题解决。
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论文作者:高少娟,常思捷,方永峰
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/19
标签：锅炉论文; 温度论文; 燃料论文; 烟气论文; 炉膛论文; 能源论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;