燃气工业燃气锅炉低氮燃烧器NOx燃烧器应该怎样设计

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燃气燃烧器理论
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&&&&&&& 摘要：本文阐述了氮氧化物（NOx）的生成机理及抑制技术，并对燃气锅炉中常用的低氮燃烧技术进行了介绍，展望了低氮燃烧技术在我国的发展前景。
&&&&&&& 关键词：煤改气；NOx排放；过量空气系数；烟气再循环（超）低氮燃烧器
&&&&&&& 1.前言
&&&&&&& 1.1氮氧化物的危害及治理的必要性
&&&&&&& 天然气作为一种洁净燃料，含硫量和含氮量比煤低得多，燃烧后产生的烟气几乎无烟尘。因此，在国家和各级政府实施的&碧水蓝天工程&中，要求燃煤锅炉逐步改为天然气锅炉，特别是在一些大中城市强制实施改造。随着燃油燃气锅炉的广泛使用，一个以前没被注重的污染源&&氮氧化物的污染将会变得越来越严重，对此不能不引起足够的重视。
&&&&&&& 氮氧化物的危害性（例如：对臭氧层的破坏、对动物和人体的伤害、导致光化学烟雾及酸雨等）早已被国内外科学家所证实。我国很多大城市受雾霾天气的肆虐使得人们对燃气锅炉运行时排放的氮氧化物（NOx）含量也越来越关注。
&&&&&&& 2.氮氧化物（NOx）的生成机理及抑制措施
&&&&&&& 2.1氮氧化物（NOx）的生成机理
&&&&&&& 在大气中存在的氮氧化物有NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等；在煤、石油、天然气等燃料的燃烧时产生的氮氧化物有NO、NO2等，通常把二者统称为氮氧化物（NOx）。
&&&&&&& 理论上，燃气锅炉NOx有三种不同的生成机理：热力型NOx由燃烧空气中的N2在高温下氧化而成；燃料型NOx由燃料中的氮元素转换而成；快速型NOx由空气中的N2和碳氢原子团（如：CH、HCN）反应生成，一般生成量很小（可忽略不计）。
&&&&&&& 影响热力型NOx生成的原因主要有三个：
&&&&&&& （1）燃烧温度
&&&&&&& （2）在燃烧区域的氧化浓度
&&&&&&& （3）燃烧气体在高温区的滞留时间
&&&&&&& 上述三个因素对NOx生成量的影响见图1、图2、图3。
&&&&&&& 由图1可知，随着燃烧温度的上升，NOx的生成量呈数量级上升；
&&&&&&& 由图2可知，随着过量空气系数增大（即氧气浓度增加时），NOx的生成量急剧上升；
&&&&&&& 由图3可知，随着燃烧气体在高温区域的滞留时间增加，NOx的生成量随之增加；
&&&&&&& 显然，燃料NOx的生成量与燃烧中所含氮化合物的多少有直接关系。同时，与燃烧时的火焰温度、氧气浓度等因素有关。
&&&&&&& 2.2氮氧化物（NOx）的抑制措施
&&&&&&& 通过对NOx生成原因的分析，采用下列对应措施可抑制NOx的生成：
&&&&&&& 3.治理氮氧化物（NOx）的方法
&&&&&&& 由上述天然气燃烧时NOx的生成机理可知，降低燃气锅炉的NOx排放量，主要是降低热力型NOx的生成。在锅炉燃烧过程中，通常通过提高燃烧温度等方法来提高燃烧热效率，但在提高热效率的同时也增加了NOx的生成量。因此，如何在保证锅炉热效率的同时，抑制NOx的生成，就是治理NOx技术研究的主要方向。近年来，抑制NOx生成的技术在欧美、日本等发达国家取得了很大的进展，主要方法如下：
&&&&&&& 3.1改变锅炉运行工况
&&&&&&& 3.1.1选择合适的过量空气系数
&&&&&&& 为保证燃料完全燃烧，通常在保证燃烧所需的理论空气量外，还需要供给一定比例的过量空气。当过量空气系数取得过小时，可能导致不完全燃烧；过量空气系数取得过大，则将增加排烟热损失。经过目前使用的锅炉调查发现，许多锅炉的过量空气系数均取得较大。在高温燃烧过程中，如过量空气系数大则燃气中氧气浓度高，将会大量生成NOx。
&&&&&&& 因此，选择合适的过量空气系数，即在保证燃烧热效率的前提下取较小的过量空气系数，以尽量降低烟气中氧气浓度，将能有效抑制NOx的生成。
&&&&&&& 3.1.2确定合适的锅炉负荷
&&&&&&& 当生产和生活热负荷波动，要求锅炉高负荷运行时，通常增加鼓风机风量使炉温升高，此时过量空气系数往往较大，炉温很高，生成的NOx量很多。如使锅炉在非满负荷状态下平稳运行，降低炉膛温度，则可有效抑制NOx的生成。
&&&&&&& 3.1.3确定合适的炉膛温度
&&&&&&& 热力型NOx是由于助燃空气中的N2在高温作用下氧化而生成，根据泽利多维奇（Zeldovich）的研究，热力型NOx与炉膛中的温度有很强的联系。通常认为当燃烧温度低于1800K时，热力型NOx生成量较少；当温度高于1800K时，NOx的生成量急剧增加。温度每增加100K，NOx的生成速度将增加6～7倍。
&&&&&&& 3.2改变锅炉的燃烧装置
&&&&&&& 3.2.1（超）低NOx燃烧器
&&&&&&& 燃气锅炉的关键部件是燃烧器，国内燃烧器配用国内燃烧器的比例很小，大部分采用威索、利雅路、奥林、扎克等进口燃烧器。目前，欧美、日本等发达国家锅炉上配置的低氮燃烧器，大致有如下三种：
&&&&&&& 3.2.1.1自身再循环低NOx燃烧器
&&&&&&& 这种形式的燃烧器，是在燃烧过程中吸入炉膛的燃烧气体以参与再循环，降低燃烧区域的氧气浓度，以降低火焰温度，达到减少氮氧化物量的目的。
&&&&&&& 3.2.1.2二次（或多次）燃烧型低NOx燃烧器
&&&&&&& 这种形式的燃烧器将燃烧所必需的空气量分为一次、二次（或更多次）空气。当一次空气参与燃烧时，其不完全燃烧生成物与二次（或更多次）空气混合再燃烧，以达到完全燃烧的结果。在燃烧过程中，由于最初氧气不足造成燃烧缓慢，阻碍了急速高温区的形成，从而引起了抑制NOx生成的作用。
&&&&&&& 3.2.1.3浓淡燃烧型低NOx燃烧器
&&&&&&& 这种形式的燃烧器将两种喷嘴交错布置，燃烧时燃料过剩的火焰区域与空气过剩的火焰区域相邻排列，延缓了燃烧过程，降低了火焰温度，抑制了NOx生成。
&&&&&&& 3.2.2烟气再循环
&&&&&&& 烟气再循环技术是将部分低温烟气直接送入炉内，或与空气混合后送入炉内，因烟气吸热和稀释了氧浓度，使得燃烧速度和炉内温度降低，因而热力型NOx减少。
&&&&&&& 再循环率的定义：r=再循环的烟气容积/（再循环的烟气容积+助燃空气的容积）
&&&&&&& 烟气再循环的效果不仅与燃料种类有关，还与再循环的烟气量有关。再循环烟气量一般以烟气再循环率r表示。再循环率过大，炉温降低太多，燃烧不稳定，化学与机械不完全热损失增加。再循环率过小，达不到降低NOx的效果。因此，烟气再循环率一般不超过30%。一般大型锅炉限制在10%-20%，这时NOx可降低25%-35%。
&&&&&&& 与设置低NOx燃烧器相比，这种方法的成本要低很多。对于已有的锅炉改造，设置旁通烟道不失为一种简单易行的方法。
&&&&&&& 3.2.3喷水或蒸汽
&&&&&&& 将水或者蒸气通过燃烧器喷入炉膛，水吸收潜热蒸发而导致火焰温度下降，起到抑制NOx生成的作用。这种方法简单易行，但需注意若过量过度喷蒸汽将会导致火焰不稳定，降低燃烧热效率。
&&&&&&& 4.低氮燃烧技术的发展前景
&&&&&&& 随着我国NOx排放总量的不断上升，由此造成的环境污染也不断加剧，对NOx的控制迫在眉睫。北京市也即将在2017年出台更加严苛的氮氧化物排放标准，对工业锅炉用户和火电厂将提出很高的要求。在未来很长一段时间里，氮氧化物的总量控制将会是我国环保工作的重点。从技术成熟性和成本节约性的角度来看，低氮燃烧技术更加适合我国工业及电力行业现状。因此，低氮燃烧技术在我国有极大地发展空间。
参考文献：
[1]郝吉明& 马广大& 主编《大气污染控制工程》第二版 .高等教育出版社& 2002
[2]王春莲等编写《燃气燃油锅炉培训教材》航空工业出版社& 1999
[3]钱申贤& 主编《燃油燃气锅炉技术管理手册》 中国建筑工业出版社& 2006
[4]陆耀庆等《供暖通风设计手册》北京：中国建筑工业出版社& 1987
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