低氮燃烧技术在锅炉节能减排中的运用

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摘要：探讨分析NOx的生成机制，阐述低氮燃烧技术在锅炉节能减排中的应用情况及其可能存在的问题，以解决控制NOx的排放量，减少环境污染。

关键词：低氮燃烧技术；节能减排；锅炉

能源消费一直是世界共同关注的问题，随着人类社会的飞速发展，能源消费需求不断扩大，节省能源消费是一大命题。因此，氮能源的减排及其充分利用就越发重要。低氮燃煤技术具有低投资、高效益的优点。氮能源在我国工业锅炉的应用中相当普及，但同时氮能源在锅炉中燃烧过程时会加速扩大NOx的排放量及速度，如果不能节能减排，将不能充分发挥它的价值，且会严重浪费氮能源，甚而影响环境健康，所以严格控制NOx的排放量首当其冲。锅炉中低氮燃烧技术实质上就是改善燃烧条件，使其充分燃烧，产生更多能量同时减少NOx生成。目前我国工业锅炉常用的低氮燃烧技术主要有燃料分级技术、空气分级技术、烟气再循环技术等。

1氮能源在锅炉中生成氮氧化物的机制

氮能源燃料在锅炉燃烧过程中产生的NOx主要包括N2O、NO2、NO，N2O占总含量约1%，NO2占总含量约2%~10%，含量最多的是NO，占总含量90%以上，各种NOx含量比例的差异和燃烧条件关系密切。锅炉生产中NOx的生成机理主要有三种类型：燃烧型、热力型、快速型。

1.1燃烧型

燃烧型NOx是氮能源燃料在锅炉中的完全燃烧及不完全燃烧产生的。我们知道，氮能源燃料中氮化合物的热分解温度是600℃~800℃，在该温度条件下生成燃烧性NOx。首先是含氮化合物高温分解成中间环节产物，主要包括N、氰化氢、氰化物等，然后中间产物进一步氧化形成了NOx。煤粉锅炉含氮能源的燃烧过程相继发生挥发份燃烧、焦炭燃烧2个阶段，所以，燃料型NOx的生成与挥发份燃烧、焦炭燃烧有密切关系。

1.2热力型

热力型NOx的产生的必备条件是高温，它是指氮能源燃烧过程中空气中的N在高温下氧化产生，在锅炉中经过燃烧生成NOx的一系列连锁效应[1]。温度是影响空气中O、N化转为NOx的必需因素。随着温度的改变，产生的NOx含量及含有比例也会发生改变，温度越高，产生的各种NOx的速度越快、产量就越高。反应温度的升高，反应速度以指数规律而增加。

1.3快速型

快速型NOx是指当氮能源燃料局部浓度过高时，在氮能源燃料燃烧区附近会快速生成Ox。碳氢化合物经过高温条件下分解会产生碳氢自由基，碳氢自由基与空气中的氮气反应生成N2和氰化氢，N2和氰化氢再与空气中的O2以极为快速的方式生成NOx，NOx生成量与炉膛压力为正相关，温度变化不明显。锅炉NOx的生成含量及其比例需要考虑以下因素：（1）氮燃料本身的物理及化学特点。（2）锅炉工作时的高温燃烧温度范围。（3）燃烧区内烟气中N2、O2、燃料煤的含氮量，氮能源燃料与空气中氮及氧气之间的混合比例。（4）氮能源燃料在火焰区和炉膛高温内的停留反应时间。

2锅炉低氮燃烧技术的应用

锅炉低氮燃烧技术主要是在锅炉工作时改变燃烧条件，最大程度地减少NOx的生成，或通过最大程度地消耗已产生的NOx使之降低到最少，或两种手段都兼备。常见的氮能源低氮燃烧技术包括低过量空气技术、空气分级技术、燃料分级技术、烟气再循环技术等。

2.1低过量空气技术

NOx的产生随着炉内的空气量增加而增加，所以当锅炉内空气含量过低时，可减少NOx的产生，同时可以降低锅炉内热造成的损耗。低过量空气技术有可能引起CO、炭黑污染物和碳氢化合物等代谢产物的堆积、降低燃烧效率。所以在工业锅炉生产工作中，当确认空气过剩时，要注意同时满足锅炉热效率、燃烧效率及降低NOx等条件，从而在减少NOx产生的同时尽量避免降低热效率。

2.2燃烧分级技术

燃料分级技术是指氮能源燃料进行燃烧时燃烧区气体状态均处于接近自然空气的特性下。所需空气先后2阶段通入，即两段燃烧[2]。第一段空气约占空气量的5%~10%左右，燃料明显多于氧气，此时呈较低的燃烧区域，从而使生成的NOx减少。第2阶段是将剩余的空气送入温度比较低的区域，使第一段燃烧产生的不完全燃烧产物完全燃烧。两阶段通气后，尽管氧气多于燃料，但因为烟气温度的降低而减少了NOx的快速生成。同时在再燃区设置燃尽风喷口可确保不完全燃烧产物能够完全燃烧。

2.3空气分级技术

空气分级技术是通过降低燃料点火区的O2浓度，使点火区产生的挥发分更充分地和NOx进行还原反应，加速NOx的代谢，减少NOx的排放，同时在主燃区充分的供O2量则可以使氮能源燃料得到充分燃烧。空气分级燃烧技术有水平方向和垂直方向燃烧技术2种。水平方向空气分级技术一般是指在与烟气垂直的炉膛断面上通过将一次风、二次风不等切圆，部分二次风射流偏向炉墙进而引起空气分级燃烧。垂直方向空气分级技术是将燃料所需的空气分成主二次风和燃尽风两部分送入炉膛使燃料最终尽可能多地完成完全燃烧，减少NOx的排放的同时，提升热效率。2.4烟气再循环利用技术对烟气进行再循环利用是减少NOx生成的有效途径。机理是将部分已经冷却的烟气循环利用，重复多次送入到燃烧区，通过多次循环往复一方面可以降低O2浓度，提高主燃区的工作温度，减少NO生成，另一方面可以达到提高高热效率的效果，烟气循环率一般在5%~20%的之内最佳，这种状态减少NOx生成的效果最好。

3低氮技术存在的问题

氮能源低氮燃烧技术是目前实践中节能减排的重要手段之一。但是也存在着一定不足之处：（1）随着2阶段燃烧方法中空气量的增大，不完全燃烧的损耗增加。（2）氧气量过低、燃烧区温度过低时，如果不同时提高燃料细度，其他飞灰可燃物的产生会大范围增大。在燃烧器区域的水冷壁管的金属在缺氧状态下燃烧会加速腐蚀损坏。（3）在降低燃烧温度与延迟燃烧时间的同时，也降低了着火的稳定性及锅炉的低负荷燃烧稳定性，安全生产系数降低。

4结语

随着工业发展，国家越来越重视尽可能减少NOx的排放，企业在加大生产的同时要兼顾如何有效降低锅炉烟气中的NOx含量，避免污染环境，提高锅炉的热效能。低氮燃烧技术能够有效减少NOx的生成及其排放，但仍然存在不足之处，因此如何完善并解决其相关技术及其可能产生的不良问题是我们目前需要解决的问题。

作者:郑于贤 单位:福建省锅炉压力容器检验研究院莆田分院

参考文献:

[1]梁春寿.低氮燃烧技术在1080t/h燃煤锅炉上的应用//中国金属学会.2014年全国冶金能源环保生产技术会文集[C].北京:中国金属学会,2014:5.

[2]王凡,刘宇,卢长柱,等.层燃锅炉低氮燃烧技术研究[J].环境工程,2014(1):140-143.