燃气锅炉天然气低NOx燃烧技术发展

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燃气锅炉天然气低Nox燃烧技术发展

基本原理：
NOx分为热力型NOx(Thermal NOx)、快速型NOx(Prompt NOx)以及燃料型NOx (Fuel NOx)。
热力型NOx是指空气中的N2在高温下氧化生成NOx。当温度低于1500℃时，热力型NOx生成量很少；高于1500℃ 时，温度每升高100℃，NOx生成速度将增大6～7倍。在实际燃烧过程中，由于燃烧室内温度分布不均匀，如果出现局部高温区，则会在该区域生成较多的热力型NOx。因此，热力型NOx是减少天然气燃烧过程中NOx排放量的主要控制类型。
快速型NOx是由空气中的N2与燃料中的碳氢离子团(CH等)反应生成CN类化合物，然后再被氧化成NOx，通常在富燃料(氧浓度相对较低)的情况下产生。相对而言，大颗粒的固体燃料在燃烧时，较难与空气进行均匀混合，较易形成富燃料现象，从而生成快速型NOx。天然气为气体燃料，易与空气均匀混合，因此，天然气燃烧过程中不易生成快速型NOx。
燃料型NOx是指燃料中的含氮化合物在燃烧过程中热分解又接着氧化成NOx。天然气中含氮化合物的量很少，因此，天然气燃烧过程中不易生成燃料型NOx。
02研究现状
由于天然气燃烧主要产生热力型NOx，现有低NOx燃烧技术主要围绕降低燃烧温度开展，包括分级燃烧技术、贫燃预混燃烧技术、烟气再循环技术、注水-蒸汽技术、催化燃烧技术、无焰燃烧技术等。
2.1分级燃烧技术
热力型NOx需高温条件，经研究发现，当燃料与空气的当量比为1:1 时，燃烧温度最高。因此，基于该原理，人们提出目前使用最广的分级燃烧技术，包括空气分级燃烧技术与燃料分级燃烧技术。空气分级燃烧是美国在20世纪50年代提出的，将空气分两次通入锅炉，形成两级燃烧。一次空气与燃料在锅炉入口附近的着火区进行局部富燃料燃烧，仅生成少量NOx。通过推迟二次空气的混入，进而降低锅炉内温度，较大程度地抑制了热力型NOx的生成。燃料分级燃烧与空气分级燃烧正好相反，第一级为富空气燃烧，虽会生成一定量的NOx，但在第二级燃烧中，通入二次燃料，可以使第一级生成的NOx在还原气氛下生成N2，进而控制NOx生成。
空气分级燃烧比燃料分级燃烧更易于操作和控制，也更成熟，是目前使用最广泛的低NOx燃烧技术之一。但由于其燃烧温度较低，因此在供热燃气锅炉中使用较少。而燃料分级燃烧技术适用于各种燃气锅炉，且能显著降低NOx排放量，使烟气中NOx质量浓度降至60mg/m3左右。
2.2贫燃预混燃烧技术
贫燃预混燃烧是指燃料进入锅炉前与过量空气预混，再点火燃烧。其不仅能保证燃料充分燃烧，而且过量空气的通入能起到降低燃烧温度、控制NOx生成的作用。该工艺能够通过控制空气当量比来调节燃烧温度，最高可减少85%～90%的NOx生成量。但由于其是在偏离理论空气量的情况下燃烧，容易出现燃烧不稳定的现象，进而导致火焰吹熄或振荡燃烧。同时，过高的过剩空气系数会导致排烟热损失的增加，降低锅炉热效率。
2.3烟气再循环技术
烟气再循环技术是向火焰区域通入烟气，不仅能起到降低燃烧温度的作用，而且烟气的加入降低了氧气分压，进而减弱氧气与氮气生成热力型NOx的反应。烟气再循环技术分为外部烟气再循环与内部烟气再循环。外部烟气再循环技术是指锅炉出口的烟气经过一个外部管道循环返回锅炉的燃烧区。内部烟气再循环技术是指通过改变燃烧器与炉膛的结构，使烟气在炉膛内循环回流到燃烧区域。内部烟气再循环可以借助旋流燃烧器让气流产生旋转达到循环效果，也可以通过高速喷射火焰的卷吸作用使烟气循环。通过烟气再循环，产生涡流，在火焰中心形成环形的再循环区域，该区域的高温气体将回到燃烧器喉部，不仅确保了天然气点火，而且降低了火焰温度和氧气分压，进而减少NOx生成。但烟气的引入导致炉膛温度降低，烟气流速增加，炉膛与各受热面间的热量分配改变，锅炉热效率降低。同时，还可能出现燃烧不稳定的现象。
2.4注水-蒸汽技术
注水-蒸汽技术，即在锅炉燃烧区喷入水或者蒸汽，以控制燃烧温度，避免燃烧温度过高。早在1973年，美国通用电气GE公司就率先使用该技术实现了控制NOx排放量的目的。虽然注水-蒸汽技术能够有效地降低热力型NOx的生成，但是随着注水或蒸汽量的增加，天然气不完全燃烧比例增加，CO和未燃烧碳氢化合物的量增加，尤其是当水或者蒸汽与天然气的物质的量之比超过0.8时，CO和未燃烧碳氢化合物的量呈现指数增加趋势。
2.5催化燃烧技术
催化燃烧技术是指天然气在催化剂作用下进行燃烧，一般在燃烧器入口添加催化剂，让天然气和氧化剂以较低的活化能在催化剂表面反应。由于燃烧仅在催化剂表面进行，燃烧温度较低，因此可以减少NOx的生成量。常用的催化剂为多孔介质，由于多孔介质的传热系数更大，会加强火焰的对外传热，进一步降低燃烧温度，通常可低于1000K。但催化燃烧必须保证催化剂活性在燃烧过程中不变。另外，催化剂造价相对较高。因此，催化燃烧技术目前还未实现工业化应用。
2.6无焰燃烧技术
传统的火焰燃烧为局部燃烧过程，由于反应仅发生在火焰处，因此，极易形成局部高温，导致NOx的生成。1989年德国和日本的工程师提出了无焰燃烧技术。无焰燃烧是指将高温空气和燃料通过不同喷口喷入燃烧室，剧烈混合，使反应在一个宽广区域内发生，有时甚至会充满整个炉膛，火焰被剧烈放大，锋面消失，无明显轮廓，肉眼看不见明显火焰，因此被称为无焰燃烧。由于燃烧在整个炉膛内发生，温度分布均匀，不会出现局部高温区，从而将NOx浓度控制在较低水平。进行无焰燃烧时需将空气预热至650℃，炉内温度仅为1000℃，NOx接近于零排放。进行无焰燃烧，需要满足以下要求：应分别射入高速空气流和燃料流，以降低氧气浓度；应保持整个燃烧环境温度稳定；炉膛内多余热量应快速移除，以保证炉膛内温度不会过高。
2.7其他技术
为了在降低燃烧温度的同时，使燃料尽可能充分燃烧，Pourhoseini提出了一种新型的扩散燃烧技术。该技术借助燃料热解的原理，将20%～50%的天然气直接通至火焰中心。经实验发现，这部分天然气在火焰中心直接裂解为炭黑颗粒，不仅提高了火焰辐射热量，而且裂解过程为吸热过程，大大降低了火焰温度，进而减少近35%的NOx排放量。
Zhu Lei等人提出了一个多级注氢燃烧工艺，发现通过对燃烧炉进行多点注氢，不仅能够提高燃烧效率，还能起到降低NOx生成量的作用。
由于天然气低NOx燃烧技术主要是通过降低燃烧温度来减少NOx排放量，这势必会导致燃烧所产生的热量降低，因此人们提出了将天然气与其他燃料混合的双燃料燃烧工艺，最常用的为天然气与汽油。两种燃料混合进料，并结合均质压燃技术，在保证燃烧所产生的热量的前提下，通过燃料的充分混合，均匀燃烧，避免局部高温的出现，降低NOx排放量。
03发展趋势
由于人们对空气质量、环境的关注度日益提高，对天然气低NOx燃烧技术的研究热度也持续增长。总体来说，低NOx燃烧技术主要分为4个阶段。
①早期燃烧技术是在稳定燃烧的前提下提高燃料燃尽率，忽略了NOx的生成。
②随着燃烧控制技术工业化水平的提高以及环保部门对NOx控制要求的提出，以分级燃烧为代表的低NOx燃烧技术开始了大规模的应用，至今仍广泛使用。
③分级燃烧对NOx排放量的控制水平差异较大。迫于环境空气质量亟待改善的压力，燃烧器领域开始采用烟气再循环对在用燃烧器进行改造，分级燃烧和烟气再循环组合技术开始得到广泛应用。2003 年美国南加州再次发布了调严天然气NOx排放标准，使贫燃预混工艺开始普及。
④随着能源价格上涨，排烟热损失和风机能耗过大的问题逐渐凸显，不得不继续开发业主接受度高、兼顾NOx排放和能源效率的新技术。
在我国开展低NOx燃烧技术研究的高校和科研院所主要包括中国特种设备检测研究院燃烧器测试中心、清华大学、浙江大学、同济大学、中国科学技术大学等。但国内对天然气低NOx燃烧技术在多技术耦合方面的研究还多停留在理论阶段，在工程应用方面仍有许多工作尚未开展。而在北美已有多项工程案例。未来还需借鉴国外的成功案例，加强多种低NOx燃烧工艺耦合的应用研究。
燃烧器是控制NOx生成量的核心设备，而目前国内燃烧器中进口燃烧器约占市场总份额的 90%，且以欧洲品牌为主。扩散燃烧有助于火焰稳定，操作安全，是目前燃烧器企业采用的主要技术。但由于其火焰内存在局部高温区，会产生相对较多的热力型NOx，导致目前国内NOx排放水平在100～400mg/m3 范围内。未来还须加强国产燃烧器的设计、研究。总体来说，应围绕以下两方面进行，首先是注重燃烧器的低NOx燃烧设计，其次应与锅炉设计相匹配，集成装备的研发是解决燃气锅炉NOx的重要问题。
我国除技术研究之外，为了推进低NOx燃烧技术的应用，地方政府开始逐步出台相应的优惠政策。例如，北京市在2017年出台计划，拟完成总容量为1×10000t/h 燃气(油)锅炉低NOx燃烧技术改造任务，并公布了2017年锅炉低NOx燃烧技术改造补贴政策。单台锅炉的补贴额度为(5.5～9.6)×10000元/(t·h-1)。2018年，西安市也颁布了燃气锅炉低氮NOx燃烧改造工作相关政策，一方面对NOx排放标准进行了规范，另一方面也提出了一系列的优惠补贴政策。
04建议
① 受技术、装备、监测等方面的限制，我国NOx排放国家标准宽于国外标准，国内在标准制定和执行方面还有待进一步加强。国家、地方应制定更为严格的NOx排放标准，并完善法规体系，严于执行和监督管理，使之落实到位。
② 以天然气为原料的燃气锅炉，要降低 NO x排放，主要是控制热力型NOx的产生，其次是快速型NOx。应通过降低火焰高温有效地减少热力型NOx的产生。目前常用的天然气低NOx燃烧工艺包括:分级燃烧、贫燃预混燃烧、烟气再循环、注水 －蒸汽、催化燃烧、无焰燃烧以及其他兼顾燃烧效率与低NOx燃烧的新工艺。
③ 为了在保证燃烧效率的基础上，进一步降低NOx的排放量，未来的研究工作需要围绕以下几方面开展:在现有工艺的基础上进行深度再开发;在保证燃烧效率的前提下，研究、优化新型的低NOx燃烧技术；加强多工艺耦合技术的研发，主要包括工艺方案的耦合以及多燃料耦合两方面;积极开展低NOx燃烧技术的工业化应用。
④ 对国内而言，还需要加强多工艺耦合的应用研究以及国产燃烧器的设计生产。燃烧器的研究一方面应注重燃烧器的低NOx燃烧设计；另一方面还应与锅炉设计相匹配，集成装备的研发是解决燃气锅炉NOx的重要问题。
⑤ 低NOx燃烧技术改造政府补贴政策的出台可以进一步推动低NOx燃烧器发展。

内容来源：锅炉人

水国燃烧器总代

水国是研究纯内循环的低氮技术，对内循环FIR技术的稍微有自己独特的研究和发现，作为上面老师的对内循环这个技术的补充：
   水国是利用双内循环技术，从三个方面低氮成因入手，解决降低这三种低氮的合成，就是今天水国推广的双内循环引射技术，双FIR，水国双内循环燃烧器降氮机理：
A:通过空气及燃气高速喷射的文丘里效应，在炉膛内部实现烟气内循环（FIR）功能，分别实现烟气与空气的内循环及烟气与燃料的内循环，见图4烟气内循环（FIR）原理示意。
B:分级燃烧：通过独特的燃气和空气分级设计，实现燃烧器在炉内出口处形成分级火焰，降低燃烧火焰温度减少热力型NOX的形成；跟老师讲的一致；
c:烟气内部循环（FIR）：通过分级燃烧设计的分级火焰的燃烧速度不同，高速火焰带动低速火焰形成烟气的内部卷吸，形成内部烟气循环，进一步降低火焰温度，减少热力型NOX的形成；
D:燃料内循环（FIR）：内部烟气与燃料进行再混合，通过降低燃料热值实现燃烧温度的降低，来减少燃料型NOX的形成。
E:通过燃气和空气的直角相交，进行充分混合并喷射到1000℃以下的区域，来减少快速型氮氧化物的生成。