超低氮燃烧技术在燃气锅炉上的研究与应用
摘要：近年来，社会进步迅速，我国的化工工程建设的发展也有了提高。

我国
大气污染日趋严重，环保压力越来越大，随着“煤改气”的逐渐深入，焦作市逐步
实行更严格的排放要求，由原来的氮氧化物排放≤150?mg改为≤80?mg或≤30?mg，也就是所谓的气改气（超低氮排放≤30?mg/m3）。

关键词：超低氮燃烧技术；燃气锅炉；研究与应用
引言
氮氧化物（NOx）指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物。

常见的NOx包
括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化二氮（N2O）、五氧化二氮
（N2O5）等。

作为空气污染物的NOx常指NO和NO2。

全球每年因人类向大气
排放的NOx约5300万吨。

NOx对自然环境的破坏力非常大，它是形成酸雨、光
化学烟雾的重要物质，同时也是消耗臭氧的一个重要因子。

火力发电厂作为NOx
的一个重要排放源，每年会向大气中排放大量的NOx，近些年随着国家环保政策
的日益严格，NOx排放得到严格控制。

目前国家大力推行火电厂超低改造，依据
超低排放的要求，NOx排放标准为50mg/m3。

1低氮燃烧技术改造方案
一是保证氮氧化物排放浓度≤30mg/m3，深入推进超低氮排放。

近年来，我国
多地实行了氮氧化物≤30mg的超低氮排放改造，如北京市（2016年）、郑州市（2017年）等。

所以，为避免一改再改，必须实现一步到位，满足环保要求。

二
是降低锅炉额定负荷至原负荷的75%。

由于使用烟气回流技术，参与燃烧的回流
烟气含氧量低，降低了炉胆内的温度，使得锅炉出力和效率减少，负荷降低。

三
是换装≤30mg/m3超低氮燃烧器。

主要要求如下：设计结构合理，设备尺寸、各
性能参数与现有锅炉相匹配；自动化程度高，实现燃气进气量随锅炉压力、温度
自动调节，自动开启，全过程计算机监控，操控简单，维护与保养方便；企业信
誉良好，产品质量有保障，售后服务有保障。

四是加装FGR烟气外循环装置。

结
合现场实际空间位置，选择合适的管路布置走向，不得影响锅炉的使用、维护、
行人以及安全。

五是控制柜控制部分稍作调整。

2超低氮燃烧改造技术
超低氮燃烧改造技术主要从燃气锅炉的燃烧源头着手，即通过燃烧过程中控制。

根据第2部分详述的NOx生成机理，若要降低其生成量，最重要的手段是控
制燃烧过程的温度和时间。

其主要的影响控制因素分别为空燃比、助燃空气的温度、燃烧区温度场分布、后燃烧区的冷却状态和燃烧器机头的内部结构布局等。

详见以下4种超低氮技术。

2.1浓淡燃烧技术
浓淡燃烧,是人为将整个燃烧过程区分为若干个不同空燃配比的阶段，使燃烧
过程分别在过浓燃气区、过淡燃气区和燃尽区分阶段完成。

主要目的是延缓燃尽，降低燃烧高温区的温度以减少NOx的生成,进而使NOx生成量持续降低。

2.2分级燃烧技术
燃料的分级燃烧技术，即所谓的再燃烧技术，其特点是将燃烧过程分成3个
区域：第一燃烧区主要是氧化性或弱还原性气氛；第二燃烧区，由于炉内的二次
燃料送入，使其表现为还原性气氛。

在高温和还原环境中，生成CH_,该原子团与
第一燃烧区生成的NOx反应，主要生成N2。

在第二燃烧区的上方，送入的二次
风使燃料再次燃烧完全，此区域即为燃尽区，该部分的二次风也称为燃尽风。

燃
尽过程中虽然会再次生成少量的NO,但从总体看，采用分级燃烧技术后，燃气锅
炉的NOx最终排放量还是呈现明显降低的趋势。

空气分级燃烧的基本原理是将燃
料的燃烧过程分阶段完成。

第一阶段，主燃烧区内过量空气系数α＜1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平，降低了热力型以及燃料型NOx的生成量。

为
了完成全部燃烧过程，通过在主燃烧区域之外喷入空气，与主燃烧区域燃烧所产
生的烟气混合，在α＞1的条件下完成全部燃烧过程，这时由于温度较燃烧中心
温度显著降低，燃料型和热力型NOx特别是热力型氮NOx生成量明显降低。

结
合两级燃烧综合来看NOx总体生成量减少。

2.3超级混合技术
超级混合燃烧技术是另一种典型燃烧形式,主要分为部分混合和超级混合燃烧。

超级混合燃烧是指燃烧前，天燃气与〇2已经在燃烧器内进行充分混合，这种技
术的燃烧温度高、强度大，对当量比可进行完全控制，进而能够实现对燃烧温度
的控制,从而控制热力型NOx的生成量。

因此在降低NOx生成方面，超级混合燃
烧技术具有很大的优势，相比较于非混合燃烧技术，至少可降低80%左右的NOx
生成量。

2.4低氧燃烧技术
低氧燃烧降低氮氧化物是通过燃烧及制粉系统优化调整，减少入炉风总量，
即氧浓度，使燃烧过程中的过量空气系数尽可能接近1，也就是在在接近理论空
气量的条件下进行燃烧，尽可能满足锅炉燃烧效率的情况下进行NOx控制，一般
可以降低15%～20%的NOx排放量。

目前常用的一种低氧燃烧技术是高温低氧燃
烧技术，它主要通过提高助燃空气温度来对锅炉燃烧进行稳燃，助燃空气预热温
度越高，稳燃范围越大，越有利于燃料的充分燃烧。

有研究表明，当助燃空气的
温度提高到1000℃以上时，燃烧区的氧浓度降低到2%时仍然可以稳定燃烧。

在
张国华的试验中，使用低氧燃烧技术之后，氮氧化物浓度下降了12.5%。

2.5阶段燃烧工作机理
根据分级燃烧原理设计的阶段燃烧器，燃料的燃烧过程分阶段完成。

在第一
阶段，将从燃烧器供入炉膛的燃气量减少到总燃气量的20-30%，形成富燃料燃烧，使燃料先在富氧的燃烧条件下燃烧。

此时第一级燃烧区内过量空气系数α>1，因
而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。

因此，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，
从而减少NOx生成。

为了完成全部燃烧过程，多余空气继续向炉膛内上喷射，与
二段燃料混合燃烧，此时，由于向炉膛内喷射的空气与向炉膛内高速喷射的燃料
混合气形成一个负压区，将与炉管进行热交换后温度已下降的烟气吸回，冷却外
层火焰。

从而使整个火焰温度降低在1450℃以下，这就避免了N2与O2反应生
成NOx的温度条件。

在第一级燃烧区内的过量空气系数越大，抑制NOx的生成
效果越好，完全燃烧产物越少，燃烧效率越高、引起结渣和腐蚀的可能性越小。

结语
低氮燃烧技术主要是是基于NOx的3种生成机理，采用降低燃烧区氧量、温
度以及反应时间来降低氮氧化物浓度，可以再一定程度上降低NOx的生成量，锅
炉效率的降低。

单一的低氮燃烧技术并不能满足目前NOx的排放控制要求，需要
结合SCR以及SNCR技术进行NOx协同控制。

目前低氮燃烧技术的应用很多，不
同的企业对于不同的低氮燃烧技术NOx减排效果程度不尽相同，并没有找到一个
环保和经济效益的最佳平衡点。

在今后低氮燃烧的研究和发展过程中，可以将研
究的重点放在锅炉燃烧和氮氧化物减排的平衡点寻找方面，最大限度的挖掘低氮
燃烧技术的NOx减排效果，降低还原剂的使用量以及使用还原剂带来的一系列问题，提高经济效益和社会效益。

参考文献
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