淺談燃?xì)夤I(yè)鍋爐NOX排放控制技術(shù)

徐開華，張振頂，陳琪華，尤智東，程小谷

(1.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院， 廣東 廣州 510663；2.廣州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 廣東 廣州 510620）

《“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案》中指出，到2020年，全國萬元國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%，能源消費(fèi)總量控制在50億噸標(biāo)煤內(nèi)。全國氮氧化物排放總量控制在1574萬噸內(nèi)，比2015年下降15%[1]。隨著國家環(huán)保要求日趨嚴(yán)格，氮氧化物對環(huán)境的影響越來越受到人們的關(guān)注，治理氮氧化物污染已是大勢所趨。

近年來絕大部分燃煤機(jī)組已進(jìn)行了超潔凈改造，NOx排放濃度控制到50 mg/m3以下，而國標(biāo)中燃?xì)忮仩t還維持在150 mg/m3（按（O2)=3.5%，GB13271-2014），已無法適應(yīng)節(jié)能減排的要求。北京市2015年7月1日實(shí)施的鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：2017年3月31日前的新建鍋爐氮氧化物濃度排放限值為80mg/m3[2]，2017年4月1日后的新建鍋爐氮氧化物濃度排放限值為30mg/m3[2]。隨后，天津、深圳等地也相應(yīng)頒布了燃?xì)忮仩tNOx排放濃度低于30 mg/m3的規(guī)定。因此，深入研究燃?xì)夤I(yè)鍋爐NOX排放控制的技術(shù)具有非常重要的意義。

1.燃?xì)夤I(yè)鍋爐NOX生成機(jī)理的研究

燃料燃燒產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）主要包括NO、NO2、N2O4、N2O5和少量的N2O等[3]，其中NO占90%，NO2占5%～10%，N2O僅占1%左右。因此，NOx的排放量主要為NO。根據(jù)NOx生成機(jī)理，燃燒過程中產(chǎn)生的NOx量與反應(yīng)溫度、燃燒方式、過量空氣系數(shù)及煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間等因素有關(guān)。燃燒過程中產(chǎn)生NOx的主要有三種：燃料型、熱力型和快速型。

1.1 熱力型

熱力型NOx是原蘇聯(lián)科學(xué)家Zeldovich于1949年提出的，主要在燃燒過程中1500℃以上的溫度區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生，空氣中的N2在高溫作用下氧化生成氮氧化物。

影響熱力型NOx生成的因素有溫度、過量空氣系數(shù)和爐內(nèi)停留時(shí)間。其中溫度是最主要的影響因素，1500℃是溫度臨界點(diǎn)，當(dāng)溫度T不超過1500℃時(shí)，幾乎沒有熱力型NOx的生成；而當(dāng)T大于1500℃時(shí)，每增加100℃，反應(yīng)速率增大6～7倍。過量空氣系數(shù)對其影響比較復(fù)雜。當(dāng)過量空氣系數(shù)增大時(shí)，導(dǎo)致氧氣濃度增大促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)平衡正向移動(dòng)，加大了NOx的生成量；但同時(shí)煙氣總量也會(huì)增大，導(dǎo)致燃燒溫度降低，從而抑制了NOx的生成量。因此過量空氣系數(shù)的影響比較復(fù)雜，可能是抑制也可能是促進(jìn)作用，要根據(jù)具體情況分析。一般爐內(nèi)停留的時(shí)間越長，NOx的生成量越大。

1.2 燃料型

燃料型NOx是燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成的。燃料型NOx受溫度的影響不大。因?yàn)樵跍囟葹?00～800℃時(shí)，含氮化合物就能熱解生成燃料型NOx。燃料型NOx最主要的影響因素是過量空氣系數(shù)，過量空氣系數(shù)增加，氮轉(zhuǎn)化成NOx的轉(zhuǎn)化率會(huì)增加；當(dāng)過量空氣系數(shù)大于1時(shí)，NOX生成量基本不變；當(dāng)過量空氣系數(shù)小于1時(shí)，減少了含氧化合物的生成，轉(zhuǎn)化率會(huì)明顯下降，導(dǎo)致NOX生成量急劇下降，轉(zhuǎn)化率在過量空氣系數(shù)為0.7時(shí)達(dá)到極小值接近于零[4]。

1.3 快速型

快速型NOx中氮來源于助燃空氣，主要是燃料中烴基化合物燃燒時(shí)，分解出大量的CH基和空氣中的N2反應(yīng)生成CN和HCN，接著再以極快的反應(yīng)速率與氧氣反應(yīng)生產(chǎn)NOx，其中生成快速型NOx的最重要中間產(chǎn)物HCN?？焖傩蚇Ox的生成機(jī)理十分復(fù)雜，反應(yīng)中間過程只需要約60ms，故稱為快速型NOx。

影響快速型NOx生成的因素主要有過量空氣系數(shù)、爐膛壓力、燃燒區(qū)內(nèi)N2濃度，不受溫度的影響，溫度不變當(dāng)過量空氣系數(shù)增大時(shí)，NOx生成量會(huì)先增大后減小。NOx生成量與爐膛壓力 0.5 次方成正比[5]。

目前，我國天然氣初始成分中幾乎不含有氮原子，因此可以不考慮燃料型NOX的影響[6]，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的NOx 主要為快速型和熱力型。一般天然氣鍋爐廢氣中熱力型的NOX占到NOX排放總量的90%以上，而快速型NOX低于10%[7]。因此，抑制燃?xì)忮仩t排放廢氣中NOX的生成量，主要是減少燃燒過程中熱力型NOX的產(chǎn)生[8]。根據(jù)熱力型NOX的生成機(jī)理，最重要的是控制燃燒區(qū)域的溫度，NOX的生成量隨著天然氣燃燒溫度的降低而減少；其次，控制氧氣和氮?dú)獾姆磻?yīng)濃度，濃度越低NOX的生成量也越少。

2.燃?xì)夤I(yè)鍋爐NOX排放控制技術(shù)

NOX控制方法主要有煙氣凈化處理技術(shù)和低氮燃燒技術(shù)。前者指采用理化等方法處理燃燒后廢氣中的NOX；后者是指在燃燒中抑制NOX的生成。雖然煙氣凈化處理技術(shù)具有可行性，但在項(xiàng)目初期需要較高投入，因此經(jīng)濟(jì)性較差，但脫硝效率很高；低氮燃燒技術(shù)能在不顯著增加成本的情況下降低 NOx，故目前燃?xì)夤I(yè)鍋爐通過低氮燃燒來控制NOX的排放，得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 煙氣凈化處理技術(shù)

煙氣凈化處理技術(shù)主要有干法和濕法，干法主要包括選擇性催化還原法（SCR）、非選擇性催化還原法（SNCR）和吸附法等；濕法主要包括吸收法和生物法等（表1）[9]。由于考慮應(yīng)用條件和經(jīng)濟(jì)成本等因素，應(yīng)用煙氣凈化處理技術(shù)降低NOX排放的技術(shù)并不常見。

表1 部分燃?xì)夤I(yè)鍋爐煙氣凈化技術(shù)

2.2 低氮燃燒（LNB）技術(shù)

低氮燃燒（LNB）技術(shù)又稱爐內(nèi)脫氮，是指采用各種燃燒技術(shù)手段來減少NOX的生成。主要有分級燃燒、煙氣再循環(huán)（FGR）、預(yù)混燃燒和無焰燃燒等。各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及減排效果見表2。

表2 部分燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)

2.2.1 分級燃燒

分級燃燒是指燃燒所需空氣和燃料在燃燒行程的不同部位供入?yún)⒓尤紵?，從而?shí)現(xiàn)抑制NOx生成的燃燒技術(shù)，分為空氣分級和燃料分級。

分級燃燒是實(shí)現(xiàn)80mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)常見的燃燒技術(shù)，兩種方法都是通過在時(shí)間上將熱量釋放的峰值降低，延長反應(yīng)時(shí)間、降低化學(xué)反應(yīng)速率等，從而達(dá)到降低煙氣溫度的目的。

分級燃燒本質(zhì)是擴(kuò)散式燃燒，主要是通過擴(kuò)大火焰表面積來降低火焰溫度，從而降低NOX。因此，所需要的爐膛尺寸較大，但不利于鍋爐鋼耗降低，難以利用在冷凝鍋爐上。對于爐膛尺寸較小的低氮改造鍋爐也無法應(yīng)用。

2.2.2 煙氣再循環(huán)（FGR)

FGR是將燃燒產(chǎn)出5%～20%的低溫?zé)煔庵苯臃祷貭t內(nèi)，或與空氣混合后送入爐內(nèi)通過將燃過的煙氣再次引入燃燒區(qū)域，從而降低燃燒溫度和氧化物的濃度，抑制NOx的生成。FGR技術(shù)通過控制燃燒區(qū)的最高溫度，從而限制了NOx的形成。FGR技術(shù)同時(shí)還可以降低了氧氣濃度，同樣起到脫硝的作用。

2.2.3 預(yù)混燃燒

氣體燃料和氧氣預(yù)先混合成均勻的混合氣，預(yù)混氣在燃燒器內(nèi)點(diǎn)火、燃燒的過程稱為預(yù)混燃燒。預(yù)混燃燒可以調(diào)整摻混比，使得實(shí)際燃燒溫度低于理論燃燒溫度，且不高于熱力型NOx生成的臨界溫度點(diǎn)，從而降低熱力型NOx的生成量。

目前應(yīng)用比較成熟的鍋爐金屬纖維燃燒器采用的就是全預(yù)混微焰式燃燒技術(shù)。但該技術(shù)也存在一些難題，例如：易引起回火、混合率難控制，太高易回火，太低效果不好、表面燃燒盤使用壽命短。

2.2.4 無焰燃燒

無焰燃燒技術(shù)是指空氣和燃?xì)膺M(jìn)入燃燒室前預(yù)先進(jìn)行充分混合，燃燒速度極快，整個(gè)燃燒過程基本上發(fā)生在燃燒器內(nèi)，火焰很短，甚至看不到火焰的一種技術(shù)。無焰燃燒是低氧條件下的燃燒狀態(tài)，其特點(diǎn)是整體熱流場分布均勻、爐內(nèi)溫度梯度小、燃燒峰值溫度低且 NOX生成量小。無焰燃燒過程中，因不出現(xiàn)傳統(tǒng)燃燒方式中的局部高溫高氧區(qū)，從而將 NOX濃度控制在很低的水平。

3.結(jié)語

NOX控制方法主要有煙氣凈化處理技術(shù)和低氮燃燒技術(shù)。小型燃?xì)夤I(yè)鍋爐采用煙氣凈化處理技術(shù)時(shí)經(jīng)濟(jì)性相對較差。低氮燃燒技術(shù)主要是采取相應(yīng)措施盡量減少NOX的產(chǎn)生，但NOX生成機(jī)理卻十分復(fù)雜。燃?xì)馊紵a(chǎn)生的NOx 主要為快速型和熱力型，在常規(guī)的燃?xì)忮仩t排放的NOX中，熱力型NOX占到總量的90%以上。因此，燃?xì)夤I(yè)鍋爐主要考慮控制燃燒過程中熱力型NOX。

燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮燃燒（LNB）技術(shù)的選擇應(yīng)遵循因地制宜的方法，應(yīng)根據(jù)燃?xì)忮仩t目前的NOX排放水平及脫硝運(yùn)行成本等因素綜合比較分析，結(jié)合本廠實(shí)際和當(dāng)?shù)丨h(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行充分的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)論證以期達(dá)到既滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)又節(jié)省投資的效果。