张艳伟 汪杰 李梦娜 朱雅雯

摘要：工业锅炉的NOx排放主要来自于燃料的燃烧过程，根据NOx生成的反应机理，温度和氧气浓度是影响NOx生成速率的关键，根据工程实践现在最常用的降低工业锅炉氮氧化物排放的主要方法是：空气分级技术、燃料分级技术、烟气再循环技术，本文根据多次工程实践，研究不同方法对NOx排放产生的影响，以解决工程实践中遇到的问题。

关键词：工业锅炉;氮氧化物;分级燃烧;烟气再循环

1. 引言

近几年来，随着环保标准趋于严格，大量降低氮氧化物排放浓度的燃烧器进入市场，在原有分级燃烧、浓淡 燃烧和烟气内循环等技术燃烧器的基础上，开发出全预混表面燃烧、后预混水冷燃烧等新技术[1]。氮氧化物的产生主要有三种方式，热力 型 NOx、快速型 NOx、燃料型 NOx。 因燃气锅炉的燃料成分比较单一，燃料中氮元素的含量极低所以氮氧化物的生产主要是热力型和快速型[2]。

根据NOx生成的反应机理，温度和氧气浓度是影响NOx生成速率的关键。因此，低NOx燃烧器的设计目的是降低火焰温度和控制氧气浓度。为了实现这两个目标，目前燃烧器结构设计主要通过燃气分级和空气分级实现。燃气分级：燃气分级即将燃气从一个喷嘴喷出分散为多个喷嘴喷出。多根喷枪具有多种不同的阵列方式。空气分级：空气分级一般是指从燃烧器中心向外围的层式分级。为了降低燃烧的氧气浓度，还可以将燃烧产生的烟气通过循环风机引入燃烧器风道中，对空气进行稀释，降低氧气浓度，从而可以减缓燃烧反应速率，最终降低NOx生成。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[3]。氮氧化物的生成量与多种因素有关，本文主要从炉膛结构、炉膛容积热负荷、燃烧器与锅炉的匹配、烟气再循环量等方面对对NOx产生的影响进行研究。

2.工业锅炉炉膛结构对NOx产生的影响研究

2.1 工业锅炉炉膛结构概述（以WNS型锅壳锅炉为例）

WNS型锅壳锅炉炉膛结构有三种形式，第一种是 “锥形炉胆+波纹炉胆+回燃室”的炉膛结构，主要用于三回程式锅炉;第二种是“管板+波纹炉胆+回燃室”结构，主要用于两回程式锅炉;第三种是“直通式波纹炉胆+回燃室”结构，用于两回程式锅炉。

研究发现，燃料着火以后燃烧速度很快，在燃烧器附近集中释放出燃料的极大部分热量，使燃烧器区域的火焰温度升高，“锥形炉胆+波纹炉胆+回燃室”的炉膛结构，在燃烧过程中，烟气在锥形炉胆处循环不充分;“管板+波纹炉胆+回燃室”结构，炉膛容积增大，炉膛容积热负荷减小，烟气的内循环充分，但需满足回燃室前管板的收口直径≥0.7倍的波纹炉胆直径;“直通式波纹炉胆+回燃室”结构，烟气的内循环充分，对低氮燃烧更加有利，但考虑到管板开孔的计算问题，此结构应用有限。

通过数据比对，“管板+波纹炉胆+回燃室”结构、“直通式波纹炉胆+回燃室”结构，是锅炉NOX排放≤80mg或50mg，使用的“低氮燃烧器与锅炉匹配” 技术和“低氮燃烧器+烟气外循环（FGR）与锅炉匹配”技术等2项低氮燃烧技术的最佳锅炉炉膛结构和尺寸。

2.2炉膛容积热负荷对NOx产生的影响

通过数据比对，炉膛容积热负荷大小将决定炉膛容积和受热面的多少。炉膛容積热负荷大，则炉膛容积和受热面减少，炉内吸热减少，因而当放热量相同时火焰温度升高，使得热力NO生成量升髙。反之， 如果炉膛容积热负荷小，则火焰温度降低，热力NO生成量降低。

2.3不同分级燃烧在相同炉膛中影响NOx产生因素研究

2.3.1燃料燃烧生成NOX的机理

烟气中的NOX主要是燃料燃烧过程中生成的，其中氮来源于空气和燃料，氧主要来源于空气。燃气工业锅炉NOX的生成途径分为T—NO（热力型）和P-NO（快速型）。

T—NO是空气中的N2和O2主要在高温1600℃以上反应生成，抑制它的生成量可用降低燃烧温度和防止局部高温区产生、降低氧气浓度（减少过量空气系数）、缩短烟气在高温区的停留时间。

P-NO在较富燃料区域，碳氢化合物燃烧时，会分解成CH、CH2和C2等基团，它们会破坏空气中N2，生成中间产物HCN、NH、CN、N等，中间产物又与火焰中O、OH等原子基团在火焰面上快速反应生成NOX;抑制它的生成量可提供足够的氧气解决。

由上述可知，过量空气系数对NOX的形成有重要影响。试验研究发现，直接混合燃烧过程中采用较低的过量空气系数（1.02～1.03），可在反应区内形成低氧燃烧，对T—NO的产生起着一定的控制作用，通常这种方法可降低NOX排放15%～20%，但是，当在过低的过量空气系数下运行，如果燃烧组织不好，CO和烟尘的排放量将增加，燃烧效率将降低;相反，预混表面燃烧速度很快，较高的过量空气系数有助于燃料快速燃烧并降低燃烧温度，对P-NO的产生起着一定的控制作用，可有效减少NOX的形成。

2.3.2分级燃烧对NOx产生的影响研究

（1）燃料分级对NOx产生的影响

将80-85%的燃料送入第一级燃烧区，在α（过量空气系数）>1条件下，燃烧火焰的峰值温度降低，T-NO的生成受到限制;其余15-20%的燃料则在主燃烧器的上部送入二级燃烧区，在α<1的条件下形成很强的还原性气氛，使得在一级燃烧区中生成的NOx在二级燃烧区（又称再燃区）内被还原成氮分子;为保证再燃区中生成的未完全燃烧产物的燃尽，在再燃区的上面还需布置"火上风"喷口，形成第三级燃烧区（燃尽区）;使得已生成的NOx得到还原，还抑制了新的NOx的生成，使NOx的排放浓度进一步降低。一般，采用燃料分级可使NOx的排放浓度降低50%以上。

（2）空气分级对NOx产生的影响

分两级供入炉内，在第一阶段，将从主燃烧器供入炉膛的空气量减少到总燃烧空气量的70-75%（相当于理论空气量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧，α<1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，不但延迟了燃烧过程，而且在还原性气氛中降低了生成NOx的反应率，抑制了NOx在这一燃烧中的生成量。为了完成全部燃烧过程，完全燃烧所需的其余空气则通过布置在主燃烧器上方的专门空气喷口送入炉膛，由于富氧的二次燃烧段温度相对较低，与第一级燃烧区在"贫氧燃烧"条件下所产生的烟气混合，在α>1的条件下完成全部燃烧过程，有助于减少T-NO形成。

分级燃烧技术中影响NOx生成量的因素，主要归结为燃料本身的影响和燃烧条件的影响。燃烧条件的影响主要有燃料与空气的比、燃烧烟气的停留时间、主燃烧区温度水平、各级空气比、主燃烧区过量空气系数、配风方式等，因此要取得最佳效果，必须综合考虑各种因素。

2.4燃烧器开发与锅炉匹配技术研究结果

低氮燃烧器开发必须与锅炉炉膛容积热负荷匹配，并保证任何时候燃烧器燃烧火焰都不能与辐射受热面接触，且需解决锅炉炉膛容积热负荷过低时，辐射受热面水冷度增加，火焰传播不稳定，容易发生“脱火”的现象。

3.烟气再循环技术研究

3.1不同烟气再循环量对NOx产生的影响研究

同一爐膛相同负荷情况下，不同烟气再循环量对NOx产生的影响研究烟气再循环的本质是通过将燃烧产出的烟气重新引入燃烧区域，实现对燃烧温度氧化物浓度的控制，从而实现降低氮氧化物的排放和节约能源的效果。其减排机理可以用热力型NOx的生成机理来解释。热力型NOx形成的主要控制因素是温度，温度对NOx生成速率的影响呈指数关系。影响热力型NOx生成的另一个主要因素是烟气中的氧浓度，其生成速率与氧浓度的0.5次方成正比，所以烟气再循环技术降低了火焰区域的最高温度，降低了NOx的形成;同时烟气再循环降低了氧和氮的浓度，同样起到降低NOx的作用。另外烟气再循环技术中高温烟气对氧化剂和燃料起到预热的作用，有明显节能效果。测试数据显示，烟气循环量与NOx排放量成反比，烟气循环量越大，NOx排放量就越小。

3.2 烟气再循环量及对锅炉点火影响研究

实现烟气再循环难点在于烟气回流量的控制。采用何种方式回流烟气及强化回流是烟气再循环燃烧技术的重要研究内容。

1、烟气再循环最适宜量的研究

（1）采用单个风机进行烟气再循环研究。

技术步骤：锅炉烟道—→空气、烟气混合箱—→鼓风机入口—→燃烧器入口。适用范围：新建锅炉。

（2）采用两个风机串联或并联进行烟气再循环研究。

技术步骤：锅炉烟道—→再循环风机入口—→空气、烟气混合箱        鼓风机入口—→燃烧器入口。适用范围：锅炉改造。

存在问题：采用烟气再循环时需加装再循环风机、烟道，增大了投资，系统复杂。对原有设备进行改装时还会受到场地的限制。

烟气再循环率10-25%时，T-NO、F-NO及P-NO得到最好的控制，燃气炉的NOx排放浓度可降低40%以上;如烟气再循环率大于25%时，造成烟气太多，燃料得不到充足的氧气，会出现燃烧会不稳定或不完全燃烧，导致热损失会增加。

研究发现，取烟点会因取烟温度、烟气流量、冷风温度、风道压力的不同，直接影响到混合后的烟气温度。从再循环烟气与冷助燃空气和预热助燃空气混和研究的理论数据得出，助燃空气温度0℃时，最佳取烟温度范围200-220℃之间;烟气再循环混合箱，能保证进入鼓风机的再循环烟气和空气的混合风的烟风温度稳定，风机没有出现由于叶轮温度不均匀导致的喘振现象，保证了燃烧器进风口送风稳定流畅。

建议：（1）如有冷凝水生成，应在烟循系统最低点及鼓风机底部各增加一套疏水装置，将其及时排出;同时还需在抽烟气口设置溢流装置防止凝水倒灌;（2）在混风箱空气入口前加装空气预热器，提高空气温度，减少混风冷凝水的产生，可防止部分冷凝水进入风道系统;（3）混风箱内需进行防腐处理;（4）混风箱设置检查孔，方便检查、维护，同时需做好保温处理;（5）在烟风系统设计或锅炉系统节能改造时，可先采用CFD模拟软件对备案方案做出定性分析，再决定最终结构方案，有利于保证系统可靠、稳定运行，使设计或改造项目的实施达到预期效果。

4. 结论

本文根据 NOx 燃烧技术的分类和生成机理，对如何降低氮氧化物，减少自然环境污染进行研究，研究了炉膛结构、炉膛容积热负荷、燃料分级技术、空气分级技术和烟气再循环技术对工业锅炉的NOx排放的影响，针对工程实践中出现的问题进行了论述并给出了建议解决方案，对烟气再循环技术的烟气循环量、烟气循环的温度给出了明确的规定，解决了工程实践中遇到的问题为发展我国环保事业和工业生产具有重要意义。

参考文献：

[1]秦宏波， 薛恒荣， 申婷婷，等. 燃气工业锅炉低氮改造冷凝水产生状况分析和对策研究[J]. 上海节能， 2018（9）：4.

[2]叶帛、杨如惠、王维尚. 天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术研究[J]. 河北农机， 2020（11）：2.

[3]车光兰.天然气锅炉低氮氧化物燃烧技术研究[J].工业加热，2020（3）：13～16.