隨著北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11/139—2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施，北京對(duì)鍋爐大氣污染物特別是氮氧化物（NO_x）的排放提出了更加嚴(yán)格的要求，要求在2017年4月1日之后：在高污染燃料區(qū)內(nèi)（市及區(qū)縣政府劃定的禁止銷售、使用高污染燃料的區(qū)域），在用的鍋爐排放煙氣中氮氧化物質(zhì)量濃度須低于80 mg/m³；新建項(xiàng)目須低于30 mg/m³。

然而，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，北京市現(xiàn)有燃?xì)忮仩t以7 MW以下的小型燃?xì)忮仩t為主，其中90%的鍋爐煙氣中氮氧化物質(zhì)量濃度在100 mg/m³以上^［1］，這與目前傳統(tǒng)的燃燒器及其控制技術(shù)有關(guān)。因此，尋求合理的低氮燃燒與控制技術(shù)成為亟待研究的課題。本文對(duì)小型燃?xì)夤徨仩t低氮燃燒技術(shù)及應(yīng)用進(jìn)行分析。 

小型燃?xì)夤岜劐仩t低氮燃燒技術(shù)及應(yīng)用

氮氧化物的形成機(jī)理

煙氣中氮氧化物主要為NO，因此研究氮氧化物的生成機(jī)理，主要是研究NO的生成機(jī)理。燃燒過程中NO生成機(jī)理分為熱力型、燃料型、快速型3種。由于天然氣的氮含量幾乎可以忽略，因此對(duì)于燃?xì)忮仩t，NO的生成機(jī)理主要為熱力型、快速型^［2］。

①熱力型NO

熱力型NO的生成是由空氣中的氮在高溫條件下氧化而成，生成量隨溫度增高而增大。當(dāng)溫度低于1 350 ℃時(shí)，幾乎不生成熱力型NO，因此溫度對(duì)熱力型NO的生成有決定性作用，并認(rèn)為熱力型NO在燃?xì)忮仩t火焰尾部生成。熱力型NO生成機(jī)理可表達(dá)為：

②快速型NO

快速型NO是碳?xì)浠衔锶剂显诟谎鯒l件下，在反應(yīng)區(qū)附近快速生成的NO，與爐膛的壓力關(guān)系比較密切，與溫度關(guān)系不大?？焖傩蚇O的生成機(jī)理可描述為碳?xì)渥杂苫c氮分子進(jìn)行反應(yīng)形成胺或氰基化合物，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變形成中間體，zui終形成NO。忽略形成碳?xì)渥杂苫募ぐl(fā)機(jī)理過程，快速型NO的生成機(jī)理可表達(dá)為：

小型燃?xì)夤岜劐仩t低氮燃燒技術(shù)及應(yīng)用

低氮燃燒技術(shù)

通常認(rèn)為，在燃?xì)忮仩t的燃燒過程中，熱力型NO對(duì)氮氧化物的貢獻(xiàn)率為90%~95%，而快速型NO的貢獻(xiàn)率僅為5%~10%。在某些情況，如在爐膛溫度較低、富氧燃燒的擴(kuò)散火焰條件下，快速型NO的影響占主導(dǎo)地位。降低氮氧化物的主要方向是抑制火焰峰值溫度，縮短煙氣在爐膛高溫區(qū)的停留時(shí)間，降低氧氣濃度等。具體的技術(shù)手段包括：稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)、火焰冷卻、煙氣再循環(huán)等^［3-4］。

①稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)。即通過控制過剩空氣系數(shù)來控制燃燒溫度，但會(huì)使火焰變得不穩(wěn)定甚至熄火。稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)與多孔介質(zhì)（如金屬纖維網(wǎng)）燃燒的結(jié)合，改善了上述情況。多孔介質(zhì)的孔隙很小，一般不存在宏觀尺度上的火焰，從理論上講，不會(huì)發(fā)生回火、熄火等情況，從而克服了稀薄預(yù)混燃燒的缺點(diǎn)。多孔介質(zhì)的存在顯著改善了燃燒室的換熱性能，可燃混合氣燃燒放出的熱量可迅速傳遞到多孔介質(zhì)中，并通過多孔介質(zhì)以輻射和導(dǎo)熱方式向低溫區(qū)域傳熱，使新鮮可燃混合氣得到有效預(yù)熱，促進(jìn)火焰區(qū)的化學(xué)反應(yīng)，使火焰?zhèn)鞑ニ俣让黠@增大，還可避免局部高溫區(qū)的形成，從而顯著消減氮氧化物的形成。

②火焰冷卻。利用燃燒產(chǎn)物、水或蒸汽降低火焰溫度，目的是為了降低火焰峰值溫度和縮短煙氣在高溫區(qū)的停留時(shí)間。

③煙氣再循環(huán)。將煙氣混合在燃料或空氣中，延緩燃料與空氣之間的混合，使得反應(yīng)區(qū)域氧氣濃度降低，并降低爐膛溫度。然而，煙氣再循環(huán)技術(shù)中煙氣回流量的調(diào)節(jié)和控制較為復(fù)雜，回流煙氣與空氣混合后易產(chǎn)生凝結(jié)水，對(duì)燃燒器造成腐蝕。此外，由于回流煙氣的含氧量低于空氣的含氧量，為了維持合適的空燃比，燃?xì)饬髁恳矐?yīng)相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致燃燒器的熱功率下降。

我們基于稀薄預(yù)混燃燒技術(shù)（結(jié)合多孔介質(zhì)）、火焰冷卻技術(shù)，對(duì)兩種低氮燃燒技術(shù)——貧燃料預(yù)混燃燒技術(shù)、水冷卻預(yù)混燃燒技術(shù)工藝與實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行探討。

小型燃?xì)夤岜劐仩t低氮燃燒技術(shù)及應(yīng)用

技術(shù)工藝與應(yīng)用效果

系統(tǒng)配置

①貧燃料預(yù)混燃燒

貧燃料預(yù)混燃燒工藝見圖1。與傳統(tǒng)的槍式燃燒器中燃?xì)馀c空氣分別送入爐膛內(nèi)邊混合邊燃燒的方式不同，預(yù)混燃燒技術(shù)是將燃?xì)馀c稍過量的空氣在進(jìn)入爐膛之前先混合均勻，再一起送入燃燒器頭部。 

將燃?xì)馀c空氣預(yù)先混合均勻，這樣可以避免局部熱點(diǎn)，提高反應(yīng)速度，縮短高溫區(qū)反應(yīng)時(shí)間，火焰溫度相對(duì)較低?；旌暇鶆虻目扇蓟旌蠚獯┻^金屬纖維網(wǎng)的狹小孔隙，在金屬纖維網(wǎng)的外表面燃燒，高密度金屬纖維網(wǎng)使得火焰更加穩(wěn)定，火焰溫度降低，火焰噪聲減小。

由于火焰是在金屬網(wǎng)表面燃燒，燃燒火焰很短。若過?？諝庀禂?shù)過大，有可能使火焰脫離金屬纖維表面而造成脫火，相同的排煙溫度情況下，鍋爐的排煙熱損失也越大。然而，若過?？諝庀禂?shù)過小，有可能使金屬纖維網(wǎng)表面的溫度過高，不僅NO生成量增加，而且容易造成金屬網(wǎng)燒結(jié)破損而引發(fā)爆燃等問題。因此，為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒，需要選擇合適的過剩空氣系數(shù)，一般將煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)控制在5%~9%。

②水冷卻預(yù)混燃燒 

水冷卻預(yù)混燃燒工藝見圖3?；旌虾蟮目扇蓟旌蠚膺M(jìn)入燃燒器分配室，分配室為空腔結(jié)構(gòu)，空腔下部的分配面板（見圖4）上沖壓了可燃混合氣分配小孔，分配面板下部均勻布置翅片管（管內(nèi)通循環(huán)水），可燃混合氣經(jīng)分配室空腔穿過分配小孔在翅片管下方均勻燃燒。燃燒過程在翅片管下表面發(fā)生，均勻布置的分配小孔縮短了火焰長度，提高了燃燒過程反應(yīng)速度，使得燃燒過程在很短的火焰內(nèi)迅速完成，燃燒產(chǎn)生的熱量被循環(huán)冷卻水迅速帶走，控制燃燒溫度升高，有效抑制熱力型NO的生成。

應(yīng)用效果

①貧燃料預(yù)混燃燒

北京市某小區(qū)地下燃?xì)忮仩t房采用2臺(tái)熱功率為540 kW的預(yù)混冷凝燃?xì)忮仩t，配置金屬纖維網(wǎng)燃燒器。經(jīng)測試，運(yùn)行初期2臺(tái)鍋爐煙氣中平均氧體積分?jǐn)?shù)為6%，NO體積分?jǐn)?shù)為（5~10）×10^-6。

煙氣中的氮氧化物約95%為NO，氮氧化物質(zhì)量濃度以二氧化氮計(jì)。根據(jù)DB 11/139—2015的規(guī)定，氮氧化物體積分?jǐn)?shù)（數(shù)量級(jí)為10^-6，單位為1）與質(zhì)量濃度（單位為mg/m³）折算系數(shù)取2.05。 

貧燃料預(yù)混燃燒技術(shù)可很好地控制氮氧化物的排放量。但該項(xiàng)目在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于空氣中粉塵雜質(zhì)含量較高，進(jìn)入燃燒器的粉塵堵塞了金屬纖維網(wǎng)的孔隙（新投運(yùn)與運(yùn)行2個(gè)月后的金屬纖維網(wǎng)見圖5），導(dǎo)致可燃?xì)怏w燃燒狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)。表現(xiàn)出污染物排放量不達(dá)標(biāo)，甚至易發(fā)生爆燃情況。針對(duì)這種情況，需在空氣進(jìn)氣流道設(shè)置過濾裝置，并定期檢查過濾材料的污染情況，必要時(shí)進(jìn)行清理甚至更換。

a.新投運(yùn)金屬纖維網(wǎng)b.運(yùn)行2個(gè)月后的金屬纖維網(wǎng) 

②水冷卻預(yù)混燃燒

北京市某小區(qū)采用4臺(tái)熱功率為550 kW的水冷卻預(yù)混燃燒冷凝式鍋爐。經(jīng)測試，4臺(tái)鍋爐煙氣中平均氧體積分?jǐn)?shù)為4%，NO體積分?jǐn)?shù)為（5~12）×10^-6。

根據(jù)已知參數(shù)，由式（1）、（2）可計(jì)算得到基準(zhǔn)煙氣含氧量下氮氧化物質(zhì)量濃度為11.11~26.67 mg/m³，滿足DB 11/139—2015的相關(guān)規(guī)定。由此可知，水冷卻預(yù)混燃燒技術(shù)也可以很好地控制氮氧化物的排放。

與金屬纖維網(wǎng)的孔隙尺寸相比，分配面板上的小孔要大得多，因此水冷卻預(yù)混燃燒技術(shù)對(duì)粉塵的影響不敏感。但由于分配室中可燃混合氣的分配均勻性隨著分配室尺寸的增大而變差，進(jìn)而影響氮氧化物的排放量，因此應(yīng)用水冷卻預(yù)混燃燒技術(shù)的燃?xì)忮仩t熱功率受限，目前已知的zui大熱功率為2 000 kW。