关于锅炉烟气中氮氧化物的那些事儿

为贯彻《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》，控制锅炉污染物排放，防治大气污染，国家环保部制定《锅炉大气污染物排放标准》。作为PM2.5的重要前体物，氮氧化物成为大气污染治理的重中之重，为了进一步减少氮氧化物排放，改善空气质量，全国各地区在满足国家标准的同时，还陆续出台更为严格的地方标准。

截止2019年9月，各地氮氧化物排放标准如下：

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化学反应生成 NOx 的方式有几百种。就锅炉的燃烧而言，产生 NOx 的方式主要有热力型 NOx、快速型NOx、燃料型 NOx、N2O 中间型 NOx、NNH 型 NOx 五种。而天然气锅炉（CH4 ≥ 98%）燃料成分比较单一，其生成的 NOx 主要为热力型 NOx 和快速型 NOx。

（1）热力型NOx生成机理

热力型NOx是指供给燃烧的空气中的N2在高温下氧化生成NOx的过程。热力型 NOx 基本是在燃料完全燃烧后进行的，其生成时烟气温度必须大于 1 800 K，同时烟气中含有多余的氧。生成 NOx 的量随着烟气温度的升高 和烟气中氧含量的增加而增加。另外，烟气在高温 区域经过的时间越长，越有利于产生 NOx。天然气 燃料中 CH4 的 理 论 燃 烧 温 度 为 1 900 ～ 2 100 K， 当燃料完全燃烧时，燃气锅炉炉膛出口温度通常为1 100 ～ 1 300 K。燃气锅炉设计的过量空气系数 a 通 常为 1.05 ～ 1.10，燃料燃烧后兼具高温和富氧的条件。因此，热力型 NOx 是燃气锅炉运行时产生 NOx 的主要原因。

（2）快速型NOx生成机理

快速型NOx是碳氢燃料（如 CH4）在欠氧条件下快速生成的，而 CO和 H2 在燃烧时却不会产生快速型 NOx。根据快速型 NOx 的生成机理，燃料的成分对于这种类型 NOx 的生成具有决定性的影响。当天然气锅炉的燃料成分确定后，这种影响就已经被决定。要减少燃料燃烧产生的 NOx，只能通过对燃烧锅炉中过量空气系数 a 的控制来调节快速型 NOx 的生成。当ａ≥ 1时基本上不会生成快速型 NOx；当 a 略小于 1 时，此时的快速型 NOx 生成速率最快。因此，使燃气锅炉的过量空气系数 a 大于 1，有利于降低 NOx 排放。

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目前，锅炉当氧化物控制措施主要有：

01 分级燃烧技术

这是低氮技术中较为成熟且应用非常 广泛的一种，通过分级燃烧可以将锅炉的燃烧室划分为两个区域，一个是富燃区，另一个是贫燃区。在燃烧时，可将过量的空 气加入到贫燃区中，这样便可以使火焰中心的最高温度降低，并使炉膛内的温度分布变得更加均匀，消除了局部高温，热 力 型氮氧化物的生成量也随之减少。

02 烟气再循环

在燃气锅炉的空气预热器前，将部分温度较低的烟气抽取出来，可将这部分烟气直接送入到炉膛内，也可与一次或是二次风进行混合后，再送入到炉膛内，由此不但能够使锅炉燃烧的温度大幅度降低，并且还能使氧气的浓度随之降低，氮氧化物的浓度显著降低。烟气再循环率是该方法中一个重要的技术指标，它是再循环烟气量与不采用烟气再循环时的烟气量之比。在实际应用中发现，当烟气再循环率为15-20% 时，能够使锅炉氮氧化物的排放浓度降低25%左右。这种方法既可以单独用于燃气锅炉，也可与其它低氮燃烧技术配合使用。

03 全预混技术

这是一种将锅炉燃烧所需的天然气和空气按照设定好的比例进行预先混合，然后将混合好的气体直接送入到燃烧室内进行燃烧的方法。

该技术最为突出的特点是火焰的长度较短，可以使燃烧变得更充分，热效率非常高，可以达到105% 以上，由此使得锅炉燃烧过程中的热损失大幅度降 低。全预混技术能够对燃气锅炉氮氧化物的排放量进行有效地控制，基本原理如下: 火焰在炉膛内会沿着金属纤维的表面 均匀分布，由此可使炉膛内温度场的分布变得更加均匀，这样一来，局部的热负荷随之显著降低，同时，过量空气可以起到降低火焰温度的作用，随着燃烧温度的降低，热力型氮氧化物的 浓度也会随之降低。实际应用结果显示，采用全预混技术的燃气锅炉，氮氧化物的排放量在 30mg / m3以下。虽然这种方法在降低氮氧化物排放量方面的效果比较显著，但是却会导致清理 维护的工作量增大，在具体应用时，需要对此予以注意。

天然气锅炉（CH4 ≥ 98%）燃烧生成的  NOx主要为热力型 NOx和快速型 NOx。要降低天然气锅炉的NOx排放，必须将燃料燃烧温度控制在1 800 K 以下 且保持燃烧区域尽可能均匀。同时，锅炉过量空气系 数a应保持在 1.05 ～ 1.10 范围内，越低越好。采用“低 氮燃烧器 + 烟气再循环”技术方案，可以使天然气锅炉的NO排放降低，使其低于30 mg/m3。烟气再循环 技术对在用燃气锅炉实现低氮排放具有重要作用，其方法实用简单，投资费用低，效果显著，对于锅炉的节能降耗有一定的积极作用。

参考文献

1. 岑可法，姚强，骆仲泱，等 . 高等燃烧学 [M]. 杭州：浙江大学出版社，2002.

2. 何玉晶 燃气锅炉低氮燃烧技术及应用 [J]. 机械化工 2019.8

3. 朱航科 天然气锅炉低氮燃烧改造问题分析研究 [J]. 中国资源综合利用 2019.1