成才林 高兴民
摘 要：该文论述了燃气（天然气）锅炉在燃烧过程中产生氮氧化物（NOX）的机理，提出了降低氮氧化物浓度的3条途径：一是采用具有超低氮功能的低氮燃烧器;二是增设烟气再循环系统;三是增加燃烧器智能调节控制系统。根据这一原理，某单位改造了现有的3台锅炉，从实践的结果来看，运行效果良好，锅炉氮氧化物的排放数值由改造前的102mg/m3降低到了改造后的29mg/m3，达到了环保排放的要求。
关键词：燃烧器 氮氧化物 烟气再循环 应用探究
中图分类号：TU758.7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）09（a）-0067-03
Abstract： This paper discusses the mechanism of nitrogen oxides （NOx） produced in the combustion process of gas （natural gas） boilers， and puts forward three ways to reduce the concentration of nitrogen oxides. One is to adopt the low nitrogen burner with ultra-low nitrogen function， the second is to add flue gas recirculation system， and the third is to increase the intelligent control system of burner. According to this principle， a unit has reformed the existing three boilers. According to the practice results， the operation effect is good. The NOx emission value of the boiler is reduced from 102mg/m3 to 29mg/m3， which meets the requirements of environmental protection.
Key Words： Burner; NOx; Flue gas recirculation; Application research
某單位现有2011年出厂的燃气（天然气）锅炉3台（1台10t，2台15t），负责整个单位采暖热源供给。3台锅炉在投入使用时各项污染物排放指标均能达到当时标准要求，但是按照目前环保部门“在用锅炉需通过改造使氮氧化物排放浓度不高于50mg/m3力争不高于30 mg/m3”的要求，锅炉目前状况无法达标排放，需要加以改造。
1 氮氧化物生成的原理
1.1 氮氧化物的分类与生成机理
燃气（以天然气为例，主要成分甲烷HC4）锅炉在工作的过程中，所产生的废气氮氧化物（NOX）生成于空气中的氮气、氧气以及燃料中的微量氮气，共分热力型NOX、快速型NOX和燃料型NOX这3种氮氧化物。
热力型NOX，它是空气中的氮气（空气的主要成分是78%的氮气和21%的氧气）和氧气在高温下发生化学反应生成的NOX，因为需要1500℃以上的高温，所以生成的此类氮氧化物称作热力型NOX;快速型NOX，它是天然气中的主要成分甲烷HC4，有一小部分在高温状态下首先分解成碳氢类原子团后，与NX反应生成HCN、CN等类物质，然后它们再被氧化生成NOX，因为它们的反应速度极快，瞬间完成，所以生成的此类氮氧化物称作快速型NOX;燃料型NOX，它是燃料中的微量氮气在燃烧过程中首先因受热而分解，再接着被氧化而生成的NOX，因为此时的NOX来源于燃料中的氮气，故称此类氮氧化物为燃料型NOX。
对于天然气锅炉，因为天然气中氮气的含量微小（大约占1.1%），因而产生的氮氧化物可以忽略不计，所以天然气锅炉燃烧工作过程中产生的氮氧化物基本上属于热力型NOX和快速型NOX，那么只需考虑如何大幅降低热力型NOX、快速型NOX的影响即可。
1.2 热力型NOX产生的化学分析
热力型NOX的生成是进入炉膛的助燃空气，亦即N2和O2，在高温下首先由O2分解成氧原子与氮气分子发生下列链式反应：O+N2=NO+N，N+O2=NO+O，其中第一个反应起主导控制作用，其反应条件与温度、氧原子的浓度有关，随着环境温度的上升和氧原子浓度的增大，总的反应产物也随之增大。由于最终的总反应N2+O2=2NO，2NO+O2=2NO2是吸热反应，所以降低温度、降低氧气含量会使热力型NOX的生成量明显降低。
结论：控制锅炉排放热力型NOX数量的方法可以概括为：降低燃气火焰中心区的最高温度;降低锅炉炉膛内的平均温度[1];实现较低空气量的供给，即降低氧气浓度。
1.3 快速型NOX产生的化学分析
以天然气为例说明燃气锅炉在工作过程中所发生的化学反应。未参与燃烧的CH4会分解出大量的CH、C2等原子团，它们会在高温的作用下和空气中N2分子发生化学反应，包含CH+N2=HCN+N，C2+N2=2CN等。然后，火焰中存在的大量OH、O原子团，与上述产物发生如下反应：CN+O2=NCO+O，HCN+OH=NCO+H2，HCN+O=NCO+H。最后，NCO被氧化生成NO，反应如下：NCO+O=NO+CO，NCO+OH=NO+CO+H，则生成了快速型氮氧化物[2]。
结论：在锅炉燃烧天然气过程中，未参与燃烧而是先分解成CH类原子团的天然气数量极少，所以快速型NOX，实际生成量很少，在考虑控制NOX的生成时，可以忽略快速型NOX的存在这一因素。
2 锅炉改造技术方案
根据以上氮氧化物产生的机理，重点从以下3个方面来考虑减少热力型NOX的生成量。
2.1 超低氮燃烧器需与现有锅炉相匹配
氮氧化物的形成与炉膛尺寸、炉膛内部结构都有直接关系，与锅炉炉膛内壁耐火材料的热吸收、热反射性能也有一定的联系，所以我们在设计燃烧器的时候，必须结合锅炉的具体情况，明确锅炉的具体参数，才能使燃烧器和锅炉相适应，体现出低氮燃烧器应有的价值[3]。比如采用定制模拟仿真设计技术，使燃烧器与原有锅炉最佳匹配，燃烧火焰适合炉膛尺寸，可以使燃烧与排放达到最佳运行状態;采用气枪分层、分段布置的技术，使空气与燃气混合均匀，燃烧充分，稳定无震动，可以有效降低氮氧化物的生成;燃烧器的喉部采用耐高温不锈钢材质，对于提高喉部质量、降低喉部温度、进而降低氮氧化物的生成量也有一定作用。
2.2 增加烟气再循环管道（FGR）
FGR烟气回流措施降低氮氧化物排放的机理：烟气的特点是含氧量低，其中还掺杂有不参与燃烧的气体，包括氮气、水汽、二氧化碳、二氧化氮等。取自锅炉烟道底部的烟气，经烟气再循环管道与燃烧空气混合后，就稀释了助燃空气中氧的含量，进入炉膛内实现低氧燃烧，使NOX的生成量减少了，达到锅炉烟气氮氧化物含量低的目的[4]。
2.3 增加智能调节控制系统
不像实验室的理想状态下的运行数据那么精准，NOX的生成机理其实非常复杂，但我们还是能够推导出它的生成与炉膛火焰的温度、助燃氧气的浓度有关。随着高科技的发展，低氮燃烧器的智能调节控制系统，能够实时监测NOX生成量，以此来判断NOX是否符合我们设定的排放标准，再自动调节天然气、助燃空气的供给比例，从而达到满足烟气中的NOX的含量要求。
3 结语
新型超低氮燃烧器配合烟气再循环系统是能够实现氮氧化物达标排放的。某单位根据这一理论，对其三台锅炉进行了改造，更换了超低氮燃烧器，增设了烟气再循环系统，更换了智能控制系统。在运行过程中，由当地环保部门监测，其氮氧化物的排放数值由改造前的102mg/m3降低到了23mg/m3，实现了达标排放。
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