低氮燃燒技術在鍋爐節能減排中的運用論文
低氮燃燒技術在鍋爐節能減排中的運用論文
摘要：探討分析NOx的生成機制，闡述低氮燃燒技術在鍋爐節能減排中的應用情況及其可能存在的問題，以解決控制NOx的排放量，減少環境汙染。
關鍵詞：低氮燃燒技術；節能減排；鍋爐
能源消費一直是世界共同關注的問題，隨著人類社會的飛速發展，能源消費需求不斷擴大，節省能源消費是一大命題。因此，氮能源的減排及其充分利用就越發重要。低氮燃煤技術具有低投資、高效益的優點。氮能源在我國工業鍋爐的應用中相當普及，但同時氮能源在鍋爐中燃燒過程時會加速擴大NOx的排放量及速度，如果不能節能減排，將不能充分發揮它的價值，且會嚴重浪費氮能源，甚而影響環境健康，所以嚴格控制NOx的排放量首當其衝。鍋爐中低氮燃燒技術實質上就是改善燃燒條件，使其充分燃燒，產生更多能量同時減少NOx生成。目前我國工業鍋爐常用的低氮燃燒技術主要有燃料分級技術、空氣分級技術、煙氣再迴圈技術等。
1氮能源在鍋爐中生成氮氧化物的機制
氮能源燃料在鍋爐燃燒過程中產生的NOx主要包括N2O、NO2、NO，N2O佔總含量約1%，NO2佔總含量約2%~10%，含量最多的是NO，佔總含量90%以上，各種NOx含量比例的差異和燃燒條件關係密切。鍋爐生產中NOx的生成機理主要有三種類型：燃燒型、熱力型、快速型。
1.1燃燒型
燃燒型NOx是氮能源燃料在鍋爐中的完全燃燒及不完全燃燒產生的。我們知道，氮能源燃料中氮化合物的熱分解溫度是600℃~800℃，在該溫度條件下生成燃燒性NOx。首先是含氮化合物高溫分解成中間環節產物，主要包括N、氰化氫、氰化物等，然後中間產物進一步氧化形成了NOx。煤粉鍋爐含氮能源的燃燒過程相繼發生揮發份燃燒、焦炭燃燒2個階段，所以，燃料型NOx的生成與揮發份燃燒、焦炭燃燒有密切關係。
1.2熱力型
熱力型NOx的產生的必備條件是高溫，它是指氮能源燃燒過程中空氣中的N在高溫下氧化產生，在鍋爐中經過燃燒生成NOx的一系列連鎖效應[1]。溫度是影響空氣中O、N化轉為NOx的必需因素。隨著溫度的改變，產生的NOx含量及含有比例也會發生改變，溫度越高，產生的各種NOx的速度越快、產量就越高。反應溫度的升高，反應速度以指數規律而增加。
1.3快速型
快速型NOx是指當氮能源燃料區域性濃度過高時，在氮能源燃料燃燒區附近會快速生成Ox。碳氫化合物經過高溫條件下分解會產生碳氫自由基，碳氫自由基與空氣中的氮氣反應生成N2和氰化氫，N2和氰化氫再與空氣中的O2以極為快速的方式生成NOx，NOx生成量與爐膛壓力為正相關，溫度變化不明顯。鍋爐NOx的生成含量及其比例需要考慮以下因素：（1）氮燃料本身的物理及化學特點。（2）鍋爐工作時的高溫燃燒溫度範圍。（3）燃燒區內煙氣中N2、O2、燃料煤的含氮量，氮能源燃料與空氣中氮及氧氣之間的混合比例。（4）氮能源燃料在火焰區和爐膛高溫內的停留反應時間。
2鍋爐低氮燃燒技術的應用
鍋爐低氮燃燒技術主要是在鍋爐工作時改變燃燒條件，最大程度地減少NOx的生成，或透過最大程度地消耗已產生的NOx使之降低到最少，或兩種手段都兼備。常見的`氮能源低氮燃燒技術包括低過量空氣技術、空氣分級技術、燃料分級技術、煙氣再迴圈技術等。
2.1低過量空氣技術
NOx的產生隨著爐內的空氣量增加而增加，所以當鍋爐內空氣含量過低時，可減少NOx的產生，同時可以降低鍋爐內熱造成的損耗。低過量空氣技術有可能引起CO、炭黑汙染物和碳氫化合物等代謝產物的堆積、降低燃燒效率。所以在工業鍋爐生產工作中，當確認空氣過剩時，要注意同時滿足鍋爐熱效率、燃燒效率及降低NOx等條件，從而在減少NOx產生的同時儘量避免降低熱效率。
2.2燃燒分級技術
燃料分級技術是指氮能源燃料進行燃燒時燃燒區氣體狀態均處於接近自然空氣的特性下。所需空氣先後2階段通入，即兩段燃燒[2]。第一段空氣約佔空氣量的5%~10%左右，燃料明顯多於氧氣，此時呈較低的燃燒區域，從而使生成的NOx減少。第2階段是將剩餘的空氣送入溫度比較低的區域，使第一段燃燒產生的不完全燃燒產物完全燃燒。兩階段通氣後，儘管氧氣多於燃料，但因為煙氣溫度的降低而減少了NOx的快速生成。同時在再燃區設定燃盡風噴口可確保不完全燃燒產物能夠完全燃燒。
2.3空氣分級技術
空氣分級技術是透過降低燃料點火區的O2濃度，使點火區產生的揮發分更充分地和NOx進行還原反應，加速NOx的代謝，減少NOx的排放，同時在主燃區充分的供O2量則可以使氮能源燃料得到充分燃燒。空氣分級燃燒技術有水平方向和垂直方向燃燒技術2種。水平方向空氣分級技術一般是指在與煙氣垂直的爐膛斷面上透過將一次風、二次風不等切圓，部分二次風射流偏向爐牆進而引起空氣分級燃燒。垂直方向空氣分級技術是將燃料所需的空氣分成主二次風和燃盡風兩部分送入爐膛使燃料最終儘可能多地完成完全燃燒，減少NOx的排放的同時，提升熱效率。2.4煙氣再迴圈利用技術對煙氣進行再迴圈利用是減少NOx生成的有效途徑。機理是將部分已經冷卻的煙氣迴圈利用，重複多次送入到燃燒區，透過多次迴圈往復一方面可以降低O2濃度，提高主燃區的工作溫度，減少NO生成，另一方面可以達到提高高熱效率的效果，煙氣迴圈率一般在5%~20%的之內最佳，這種狀態減少NOx生成的效果最好。
3低氮技術存在的問題
氮能源低氮燃燒技術是目前實踐中節能減排的重要手段之一。但是也存在著一定不足之處：（1）隨著2階段燃燒方法中空氣量的增大，不完全燃燒的損耗增加。（2）氧氣量過低、燃燒區溫度過低時，如果不同時提高燃料細度，其他飛灰可燃物的產生會大範圍增大。在燃燒器區域的水冷壁管的金屬在缺氧狀態下燃燒會加速腐蝕損壞。（3）在降低燃燒溫度與延遲燃燒時間的同時，也降低了著火的穩定性及鍋爐的低負荷燃燒穩定性，安全生產係數降低。
4結語
隨著工業發展，國家越來越重視儘可能減少NOx的排放，企業在加大生產的同時要兼顧如何有效降低鍋爐煙氣中的NOx含量，避免汙染環境，提高鍋爐的熱效能。低氮燃燒技術能夠有效減少NOx的生成及其排放，但仍然存在不足之處，因此如何完善並解決其相關技術及其可能產生的不良問題是我們目前需要解決的問題。
作者:鄭於賢 單位:福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院莆田分院
參考文獻:
[1]梁春壽.低氮燃燒技術在1080t/h燃煤鍋爐上的應用//中國金屬學會.2014年全國冶金能源環保生產技術會文集[C].北京:中國金屬學會,2014:5.
[2]王凡,劉宇,盧長柱,等.層燃鍋爐低氮燃燒技術研究[J].環境工程,2014(1):140-143.