天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术研究

天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术研究
发布时间：2022-07-12T08:37:29.833Z 来源：《新型城镇化》2022年14期作者：昝晋虎[导读] 天然气工业锅炉所排放的氮氧化物会对自然环境与人们的身体造成严重威胁，随着国家对氮氧化物排放限制越来越加严格，开发出有效的天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术工艺成为业界普遍关注的重要课题。

分析了天然气燃烧NOx的生成机理及影响因素，概述了目前已有的天然气锅炉低NOx燃烧技术，并且在已有工艺技术的基础上设计了一种低NOx燃烧器，以期实现降低NOx排放量的目的。

昝晋虎
徐州南区热电有限责任公司江苏省徐州市 221000
摘要：天然气工业锅炉所排放的氮氧化物会对自然环境与人们的身体造成严重威胁，随着国家对氮氧化物排放限制越来越加严格，开发出有效的天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术工艺成为业界普遍关注的重要课题。

分析了天然气燃烧NOx的生成机理及影响因素，概述了目前已有的天然气锅炉低NOx燃烧技术，并且在已有工艺技术的基础上设计了一种低NOx燃烧器，以期实现降低NOx排放量的目的。

关键词：天然气锅炉;低氮燃烧;燃烧器;设计方法；研究
1燃气锅炉NOx的类型及其生成机理 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：
N+OHNO+H（2）
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。

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
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。

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展望
①天然气燃烧NOx的生成机理主要包括热力型与快速型，其中以热力型为主。

要想降低天然气锅炉NOx的生成，主要是控制热力型NOx的产生，其次是控制快速型NOx的产生。

从天然气燃烧NOx生成机理的影响因素来看，可以从控制燃烧温度、过量空气系数以及初始区火焰加热速度等来降低NOx的生成量。

②目前人们围绕如何降低天然气锅炉NOx排放已经开展了广泛的研究，这些研究工作主要是围绕降低燃烧温度所展开的，已有的天然气锅炉低NOx燃烧工艺包括分级燃烧技术、烟气再循环技术、贫燃预混燃烧技术、无焰燃烧技术等。

③本文设计的低NOx燃烧器通过将平行气流与旋转气流结合起来，实现对空气、燃气混合过程的控制，通过增加火焰散热面积来降低火焰温度，进而减少NOx的排放;同时应用两级烟气内循环技术，促使燃烧区内部能够回流较多的烟气量，利用充足的烟气来减少氧气的质量浓度，并且利用烟气中所含有的惰性气体来吸收火焰的部分热量，以此来进一步抑制NOx的生成;此外，利用燃烧器一级燃烧区的旋转气流来控制空气与燃气之间的混合程度，从而避免发生不完全燃烧。

④当前在设计天然气低NOx燃烧器的过程中，缺乏精确的设计方法以及可靠经济的验证手段，随着计算机仿真技术(CFD)的不断发展，其将成为燃烧器设计的重要工具，为降低实验成本、缩短开发周期创造条件。

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。

参考文献：
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[2]刘文博,周伟业,刘贵川,吕昕宇,杨林.燃气采暖热水炉低氮氧化物燃烧技术分析[J].2020(5):31~36+43.
[3]蒋建文,王建恩,朱世波,高敏.天然气锅炉在湿法炼锌厂的实际应用[J].2020(5):4~5.
[4]路道伟,张永亮,李晓彤.锅炉负荷提高及低氮燃烧改造措施的研究[J].2020(9):168~169.。