天然气燃烧器低NOx排放措施的研究

天然气燃烧器低NOx排放措施的研究

邱康平

徐州科融环境资源股份有限公司江苏徐州221004

能源需求随着我国经济发展而日益增长，在能源消耗的过程中，由于燃料燃烧造成的环境污染日益严重。随着“西气东输”和“川气出川”等工程的实施，燃气锅炉的燃料资源得到充分保证，燃气锅炉使用量逐年上升。目前，我国提倡城市中小型工业锅炉和生活锅炉燃用天然气，以取代分布广、能耗高、污染严重的燃煤锅炉。但天然气最严重的污染物是NOx，氮氧化合物是形成光化学烟雾，破坏臭氧层重要的大气污染物，控制NOx生成是现在亟待研究解决的问题。

1.天然气燃烧NOx的生成机理

在NOx中，NO约占90%以上，NO2约占5%~10%.天然气90%以上是甲烷，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷等。天然气在燃烧过程中，NOx的生成机理主要有以下两种。

1.1热力型NOx的生成

热力型NOx是燃烧空气中的氮在高温下氧化而成的。其生成机理是由前苏联科学家捷里道维其（Zeldovich）提出的，热力型NOx源于燃烧过程中空气中的氮气被氧化。当温度高于1800K时，空气中的O2被分解成O，与氮气发生氧化反应，反应机理如下：

O2=O+ON2+O=NO+NN+O2=NO+ONO+OH=NO+H

冯杰等人经研究发现其热力学方程为：=3×[N2]exp（-54200/RT）

结合热力学方程，经研究热力型NOx与温度的关系见表1。

由方程式和图1可知，NOx主要在火焰下游的高温区生成，随着反应温度的升高，其反应速率按指数增加。当<1000℃时，NOx的生成量很少，当>1500℃时，每增加100℃，反应速率增大6~7倍。由此可知影响NOx生成的关键因素是：1、燃烧的温度2、氧的浓度3、燃料和氧气混合物在高温区停留的时间。

1.2快速型NOx的生成

在富燃料的区域，碳氢化合物燃烧时会分解为活性CHi自由基团，它们会破坏空气中N2的分子键而反应生成中间产物HCN，进而快速被氧化成NOx。快速型生成的速度快，对温度的依赖小，其生成位置在火焰内部。

Hayhurst等把快速型NOx的反应简化为以下2个反应：

CH+N2=HCN+NCH2+N2=HCN+NH

2、控制天然气燃烧器燃烧NOx排放的方法

2.1燃烧前对燃料和空气的预处理

2.1.1对燃料的预处理

在天然气中预加入水或水蒸汽是目前最常用的方法，如图2所示，在天然气的入口加入水或水蒸汽，天然气与水或水蒸汽充分混合后通过天然气枪喷嘴喷出，与助燃空气混合后燃烧。利用水或水蒸汽汽化潜热降低燃烧高温区的温度，同时稀释氧的浓度，抑制了热力型NOx的生成。经实验表明，当加入的水蒸汽在相对于空气体积的4~5%时，可以达到最佳效果，CO和NOx的生成量最小。

2.1.2对空气的预处理

1）如图3降低助燃空气预热温度，降低火焰区的温度峰值，从而减少热力型NOx的生成。

2）空气分离技术，从空气中分离出O2参与燃烧，从而减少热力型NOx的生成。

2.2燃料分级

燃料分级是通过燃烧器气枪把燃料分为3级，送入炉膛内参与燃烧，形成富氧和富燃料燃烧区域。如图4所示，一级燃烧区域，燃料富氧燃烧（α>1），过量的助燃空气既保证中心火焰稳定燃烧不脱火又保证中心燃烧区域无明显的高温区。二级燃烧区域，燃料富燃料燃烧（α<1），二级燃料通过圆周均布喷枪沿轴向喷入二级燃烧区域，大量的燃料形成还原性气氛，将之前生成的NOx还原，降低NOx的生成量，其降氮效果达到50%。

2.3空气分级

空气分级是通过燃烧器把空气分为3级，送入炉膛内参与燃烧，形成三级燃烧区域。如图5所示，一次风直流喷入一级燃烧区域形成空心火焰，冷却中心高温区域。二次风旋流喷入二级燃烧区域与燃料混合，保证燃料稳定燃烧。三次风直流喷入三级燃烧区域与烟气混合燃烧。一次风、二次风只加部分空气，一级、二级燃烧区域内富燃料燃烧，降低燃烧区域内的燃烧速度和温度，燃料不能完全燃烧，抑制NOx的生成。三级燃烧区域为燃尽区域，使燃料达到完全燃烧，由于三级燃烧区域的温度相对较低，有助于减少NOx的生成，其降氮效果达到40%。三级燃料和三级助燃空气分层次布置，

2.4烟气再循环

目前常用的烟气再循环方法包括烟气外部循环和烟气内部循环。烟气外部循环是目前使用较多的低NOx燃烧技术。如图6所示，在烟囱或空预器前抽取一部分低温烟气，与助燃空气一起进入送入燃烧器。烟气的吸热和稀释氧的浓度会降低燃烧速度和火焰的温度，抑制了NOx的生成，其降氮效果达到60%。经实验表明，烟气再循环量一般控制在10%~20%，若循环量超过30%会明显降低燃烧效率。烟气内部循环是利用燃烧器的内部结构，卷吸燃烧区域的烟气，与燃料混合后进入炉膛燃烧，有明显的降氮效果。下表是实验数据对比：

2.5燃料分级和空气分级融合使用

燃料分级和空气分级都是比较有效的降低NOx的方法，两种方法同时融合使用，其降氮效果达到70%.如图所示，燃料和助燃空气各分为三级，燃烧器的中心走一次直流风，喷入一级燃烧区域形成空心火焰，冷却中心高温区域。一级、二级燃烧区域，燃料富氧燃烧（α>1），过量的助燃空气既保证中心火焰稳定燃烧不脱火又保证中心燃烧区域无明显的高温区。三级燃烧区域，燃料富燃料燃烧（α<1），三级燃料占总燃料的比例大，通过圆周均布喷枪沿轴向喷入三级燃烧区域，大量的燃料形成还原性气氛，将之前生成的NOx还原，降低NOx的生成量，其降氮效果达到50%。三级燃料和三级助燃空气的分层次布置，降低了燃烧区域内的燃烧速度和温度，燃料不能完全燃烧，抑制NOx的生成。以下是实验数据对比：

2.6燃料分级、空气分级和烟气再循环融合使用

经实验表明，燃料分级、空气分级和烟气再循环融合使用是最为有效的降低NOx的方法。下表是实验过程中，记录的实验数据对比：

由上表中数据及实验过程中的现象可知，最为经济有效的降低NOx的方法是采用燃料分级、空气分级、烟气内部循环燃烧器。燃料和空气分层次布置，燃料和助燃空气均匀分布的同时又偏离理论空气量燃烧，降低了燃烧区域内的燃烧速度和温度；引入烟气内部循环后，利用卷吸回来的大量烟气，稀释燃料和氧的浓度，降低燃烧速度，温度场均匀，无明显的高温区，抑制NOx的生成。

3.结语

综上，降低NOx的方法有很多种，目前有效的降低NOx的方法是把采用燃料分级、空气分级、烟气内部循环燃烧器合理融合。

参考文献：

[1]毕玉森.低氮氧化物燃烧技术发展方向，2000（02）

[2]宋少鹏、卓建坤.天然气供热锅炉低氮燃烧技术研究现状，2016（02）