燃?xì)忮仩t由于天然氣的理化特性導(dǎo)致其主要的污染物為氮氧化物。目前主要通過改進(jìn)燃燒技術(shù)來降低燃燒過程中NOx的生成與排放，其主要途徑有：降低燃料周圍的氧濃度，減小爐內(nèi)過?？諝庀禂?shù)，降低爐內(nèi)空氣總量，或減小一次風(fēng)量及揮發(fā)分燃盡前燃料與二次風(fēng)的混和，降低著火區(qū)段的氧濃度；在氧濃度較低的條件下，維持足夠的停留時(shí)間，抑制燃料中的氮生成NOx，同時(shí)還原分解已生成的NOx；在空氣過剩的條件下，降低燃燒溫度，減少熱力型NOx的生成。低氮燃燒技術(shù)一般可使NOx的排放量降低30%～60%。
01丨低氮燃燒器技術(shù)
NOx生成機(jī)理簡要總結(jié)如下：
1.熱力型NOx（ThermalNOx），在高溫?zé)煔猓ù笥?400℃后）顯著增加，N元素來源于空氣中的N2；
2.快速型NOx（Promp），N元素來源于助燃?xì)怏w中的N2，生成量主要受氧氣濃度和燃料與氧氣化學(xué)當(dāng)量比影響；
3.燃料型NOx（FuelNOx），N元素來源于燃料中的氮成分，其生成主要受燃料中的氮成分和助燃?xì)怏w中的氧氣濃度影響。下圖綜合展示了NOx的來源于決定因素，低氮燃?xì)馊紵鞯募夹g(shù)原理則圍繞著以下的核心理念不斷地發(fā)展和演變。
△三種類型NOx的生成源及主要影響因素
如上圖所示，NOx的生成主要由煙氣溫度和氧氣濃度決定。因此，當(dāng)前工業(yè)中的燃?xì)獾偷紵夹g(shù)的一個(gè)重要控制方式就是降低氣體燃料燃燒過程中的煙氣溫度。降低煙氣溫度的核心指導(dǎo)原則：（1）在時(shí)間將熱量釋放的峰值降低，降低化學(xué)反應(yīng)速率、延長反應(yīng)時(shí)間；（2）在空間上將熱量分散在更廣闊的空間。
針對以上指導(dǎo)原則，在燃?xì)馊紵鞯脑O(shè)計(jì)及布置方案中有若干具體的實(shí)施措施：（1）燃料分級：有煙氣內(nèi)循環(huán)、燃?xì)夂涂諝飧咚俨钆浜系阮愋?；?）空氣分級：有燃燒器噴嘴的空氣分級和爐膛空間上的空氣分級；（3）煙氣再循環(huán)：有傳統(tǒng)煙氣再循環(huán)和O2/CO2煙氣再循環(huán)。
燃料分級，即燃料分成若干股注入較大的燃燒空間中進(jìn)行燃燒，釋放的熱量被較大空間內(nèi)的煙氣吸收，從而使煙氣的溫度得到降低，該技術(shù)也稱為“火焰分割”。相比較于中心單噴頭的擴(kuò)散火焰而言，燃料分級（火焰分割）的技術(shù)措施能明顯地降低煙氣的核心溫度。另外，采用燃?xì)馀c空氣高速差的模式，則能實(shí)現(xiàn)：氧氣濃度較低的煙氣卷吸、大空間范圍內(nèi)的燃?xì)馊紵?、延遲與空氣的混合燃燒過程。
空氣分級，即空氣分成若干股噴入，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夂涂諝庠谌既紵^程中有不同的空燃比。（1）一種是燃?xì)鈬婎^中將空氣分為若干圈；（2）一種是在爐膛空間上空氣分級，即燃燒器的主燃區(qū)為貧氧燃燒，空氣分階段地注入，從而使氣體燃料分階段地燃燒、逐漸地釋放熱量，最終降低煙氣溫度。核心機(jī)制在于：通過空氣分級、造成氣體燃料的不完全燃燒，同時(shí)不完全燃燒的煙氣產(chǎn)物又能在一定程度上促進(jìn)燃料型NOx的還原機(jī)制:
NOx+CO==CO2+N2;NOx==XN（HCN,CN>N2）
燃料分級和空氣分級對NO生成量的影響可以從圖的曲線中得到直觀的了解到偏離正常空燃配比時(shí)會對NOx的降低有較大的作用。燃料分級、空氣分級對熱力型NOx會有明顯的降低作用。在氣體燃料燃燒領(lǐng)域中，盡管燃料型NOx關(guān)注的不多，但是在燃料成分復(fù)雜的化工領(lǐng)域，也需要特別的關(guān)注。
△燃料與空氣化學(xué)當(dāng)量比對NO生成量的影響
在氣體燃料的燃燒中，快速型NOx的生成機(jī)制值得關(guān)注，該機(jī)制將很大程度影響著低氮燃燒器技術(shù)的極限減排能力。快速型NOx主要由碳?xì)浠罨c空氣中的氮?dú)馔ㄟ^反應(yīng)（CHi+N2==HCN+NH）生成大量NO的前驅(qū)產(chǎn)物HCN、CN及NH，見圖中HCN和NH被氧化生成NO的途徑。
現(xiàn)有的理論研究表明，快速型NOx生成機(jī)制主要發(fā)生在較低溫度、富燃料燃燒環(huán)境中，而燃料分級和空氣分級所導(dǎo)致的煙氣溫度降低、局部空間的富燃料燃燒環(huán)境正好有利于快速型NOx的生成。一般而言，表面燃燒器、空氣分級燃燒器等燃?xì)馊紵魉傻腘Ox中，大部分由快速型NOx提供，因此，這一點(diǎn)需要在燃?xì)馊紵鞯脑O(shè)計(jì)過程中進(jìn)行考慮。國際上一些先進(jìn)水平采用高速燃?xì)饩砦罅繝t膛煙氣的方式來減少快速型NOx的生成。
煙氣再循環(huán)而言，通過從尾部排放煙氣抽取一部分比例的煙氣與空氣混合，從而降低了助燃?xì)怏w的氧氣濃度，在降低了化學(xué)反應(yīng)速率的同時(shí)，降低了火焰核心溫度，從而避免大量熱力型NOx的生成。另外，再循環(huán)煙氣中包含的NOx氣體可以通過N+NO反應(yīng)來降低NO的生成量，且氧氣濃度的降低也能驅(qū)使NO反應(yīng)體系的化學(xué)平衡朝NO生成量減少的方向偏移。
在O2/CO2煙氣再循環(huán)的方案中，該方案從根源上消除了熱力型NOx和快速型NOx，只剩下燃料型NOx的生成，而在CO2為主要環(huán)境氣體時(shí)，氣體燃料的燃料型NOx生成量會被極大的降低，可能達(dá)到理論上的凈零排放，目前相關(guān)的技術(shù)還主要應(yīng)用于減排壓力更大的燃煤領(lǐng)域中。
02丨分級燃燒技術(shù)
燃?xì)夤I(yè)鍋爐低氮改造中，分級燃燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)80mg/m3排放標(biāo)準(zhǔn)最常規(guī)的燃燒技術(shù)之一。
分級燃燒又可分為空氣分級與燃料分級兩種。
空氣分級燃燒是將所有空氣分段送入，通常將理論空氣量的70-80%作為一次風(fēng)送入爐膛，使燃料在缺氧富燃料穩(wěn)定著火燃燒（一次燃燒區(qū)），形成濃相核心火焰。由于燃燒速度和溫度峰值降低，減少了熱力型NOx。其余空氣以二次風(fēng)或三次風(fēng)形式送入，使燃料進(jìn)入空氣過剩區(qū)域（燃盡區(qū)），燃盡風(fēng)的投入并迅速與燃燒產(chǎn)物混合，保證燃盡。雖然這是空氣量很多，但由于火焰溫度較低，在二次燃燒區(qū)不會產(chǎn)生較多的NOx，因而總NOx生成量得以控制。燃燒器實(shí)現(xiàn)空氣分級燃燒是通過推遲混合，分級送入二次風(fēng)或三次風(fēng)控制燃燒過程。
燃料分級燃燒是將燃燒過程中以及生成的NOx還原為N2，采用二次燃燒，在欠氧燃燒形成活化原子團(tuán)，用它還原主燃區(qū)產(chǎn)生的NOx。該法是將爐膛內(nèi)的燃料燃燒過程設(shè)計(jì)成三個(gè)區(qū)域：主燃燒區(qū)、再燃還原區(qū)、燃盡區(qū)。在主燃燒區(qū)后注入二次燃料形成還原氣氛，在高溫和還原氣氛下生成碳?xì)湓訄F(tuán)，并與主燃區(qū)形成的NOx發(fā)生反應(yīng)，將其還原。燃盡區(qū)送入燃盡風(fēng)，完成燃盡過程。正常情況下，利用約20%的二次燃料可還原NOx總量的50%—60%。
△分級燃燒燃燒器本體及燃燒火焰圖
03丨煙氣再循環(huán)技術(shù)
燃?xì)忮仩t低氮燃燒改造中，煙氣再循環(huán)技術(shù)FGR是其中常用改造技術(shù)之一。將部分煙氣回收進(jìn)入燃燒器再次利用，進(jìn)入爐膛的熱風(fēng)可提高效率，更節(jié)能。并在煙氣口增加蝶閥。氣再循環(huán)原理：將部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與空氣（一次風(fēng)或二次風(fēng)）混合送入爐內(nèi)，因煙氣吸熱和稀釋了氧濃度，使燃燒速度和爐內(nèi)溫度降低，因而熱力NOx減少，可減少60%-70%，一般煙氣外循環(huán)FGR量不超過15%。下圖所示為FGR系統(tǒng)示意圖。
△FGR系統(tǒng)示意圖
FGR系統(tǒng)采用耐高溫不銹鋼喉口，無需耐火材料，提高喉口質(zhì)量，降低根部溫度，降低NOx產(chǎn)生。為達(dá)到安全運(yùn)行，控制系統(tǒng)嚴(yán)格按照燃燒控制安全的SIL3標(biāo)準(zhǔn)制定方案。控制系統(tǒng)采用燃燒管理器作為燃燒點(diǎn)火程序控制、閥組程序檢漏和燃燒比例調(diào)節(jié)控制單元。
管理器具備滿足SIL3燃燒安全標(biāo)準(zhǔn)，雙CPU互相驗(yàn)證運(yùn)行，以保證運(yùn)行安全可靠（這時(shí)一般PLC控制所達(dá)不到的要求）。同時(shí)燃燒管理器針對FGR方案具備煙氣溫度觸發(fā)啟動功能（鍋爐冷態(tài)啟動后根據(jù)排煙溫度觸發(fā)FGR運(yùn)行）和煙氣溫度補(bǔ)償功能（解決煙氣溫度變化引起密度變化，從而使得與新風(fēng)混合后燃燒空燃比的改變得以補(bǔ)償）。
系統(tǒng)另外配置PLC和觸摸屏作為數(shù)據(jù)采集監(jiān)控單元。這里PLC不參與燃燒程序控制和調(diào)節(jié)。PLC與燃燒管理器通訊，采集燃燒運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，通過觸摸屏組態(tài)的人機(jī)畫面顯示，以達(dá)到監(jiān)控鍋爐燃燒運(yùn)行。同時(shí)PLC還采集鍋爐運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)（如回水溫度顯示，排煙溫度顯示，鍋爐缺水、水循環(huán)、超溫超壓連鎖以及風(fēng)機(jī)變頻控制等）作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行個(gè)監(jiān)控，以保證鍋爐高效、低排放、安全運(yùn)行。
04丨表面燃燒技術(shù)
燃?xì)忮仩t低氮改造中，采用表面燃燒技術(shù)是降低NOx排放濃度的有效途徑之一。
表面燃燒燃燒器的工作原理是：均勻混合后的燃?xì)狻⒖諝饣旌衔飰喝胼椛淦黝^部，并在輻射器表面層的外表面內(nèi)進(jìn)行燃燒，使輻射表面形成熾熱的火焰，向外輻射能量。表面燃燒燃燒器實(shí)現(xiàn)燃料在燃燒反應(yīng)之前，與助燃空氣進(jìn)行預(yù)混合，燃料噴出后，在燃燒頭前部表面燃燒盤上快速燃燒。由于加快O2與燃料的燃燒
反應(yīng)速度，從而降低高溫時(shí)NOx的生成量，同時(shí)遏制O與N的反應(yīng)。表面燃燒技術(shù)在CO達(dá)標(biāo)，O2：3.5%時(shí)，最終達(dá)到NOx排放20～30mg/Nm3。
但目前表面燃燒技術(shù)也存在一些缺陷，主要表現(xiàn)為：容易引起回火、難以控制混合率，太高易回火，太低低氮效果不好、為防止回火和降低調(diào)整混合率難度，燃燒器需附加其他技術(shù)措施，從而對燃燒器使用壽命有所影響、表面燃燒盤（金屬織物）有一定的使用壽命，維護(hù)費(fèi)用會增加。
△表面燃燒燃燒器示意圖
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