一、低氮燃燒的必要性

　　減少NOx排放是改善環(huán)境空氣質量的需要近年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，典型特征污染物PM2.5出現(xiàn)較大超標比例和區(qū)域性長時間嚴重超標情況，改善環(huán)境空氣質量面臨巨大挑戰(zhàn)。

　　國內外研究和治理經(jīng)驗表明，控制區(qū)域性PM2.5污染是一項難度非常大的系統(tǒng)工程，必須在綜合分析基礎上，提出有針對性的控制對策，才能有效緩解區(qū)域PM2.5污染。PM2.5包括一次排放和二次生成粒子兩部分，以北京為例，二次粒子比例較高，特別是重污染時段PM2.5中二次粒子比例較常規(guī)時段明顯增加。有觀測數(shù)據(jù)表明，重污染發(fā)生時PM2.5與NOx的環(huán)境質量濃度變化呈現(xiàn)強相關、同步變化的特征。此外，NOx是PM2.5形成的重要前體物。因此，減少NOx排放是改善空氣環(huán)境質量的重要任務之一。

　　二、國內外燃氣工業(yè)鍋爐NOx控制技術現(xiàn)狀

　　現(xiàn)有低NOx燃燒技術主要圍繞如何降低燃燒溫度，減少熱力型NOx生成開展的，主要技術包括分級燃燒、預混燃燒、煙氣再循環(huán)、多孔介質催化燃燒和無焰燃燒。

　　(1)燃料分級燃燒或空氣分級燃燒

　　熱力型NOx生成很大程度上取決于燃燒溫度。燃燒溫度在當量比為1的情況下達到最高，在貧燃或者富燃的情況下進行燃燒，燃燒溫度會下降很多。運用該原理開發(fā)出了分級燃燒技術。

　　空氣分級燃燒第一級是富燃料燃燒，在第二級加入過量空氣，為貧燃燃燒，兩級之間加入空氣冷卻以保證燃燒溫度不至于太高。燃料分級燃燒與空氣分級燃燒正好相反，第一級為燃料稀相燃燒，而在第二級加入燃料使得當量比達到要求的數(shù)值。這兩種方法最終將會使整個系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)保持一個定值，為目前普遍采用的低氮燃燒控制技術。

　　(2)貧燃預混燃燒技術

　　預混燃燒是指在混合物點燃之前燃料與氧化劑在分子層面上完全混合。對于控制NOx的生成，這項技術的優(yōu)點是可以通過當量比的完全控制實現(xiàn)對燃燒溫度的控制，從而降低熱力型NOx生成速率，在有些情況下，預混燃燒和部分預混可比非預混燃燒減少85%—90%的NOx生成。另外，完全預混還可以減少因過量空氣系數(shù)不均勻性所導致的對NOx生成控制的降低。但是，預混燃燒技術在安全性控制上仍存在未解決的技術難點：一是預混氣體由于其高度可燃性可能會導致回火；二是過高的過量空氣系數(shù)會導致排煙損失的增加，降低了鍋爐熱效率。

　　(3)外部煙氣再循環(huán)和內部煙氣再循環(huán)技術

　　燃燒溫度的降低可以通過在火焰區(qū)域加入煙氣來實現(xiàn)，加入的煙氣吸熱從而降低了燃燒溫度。通過將煙氣的燃燒產(chǎn)物加入到燃燒區(qū)域內，不僅降低了燃燒溫度，減少了NOx生成；同時加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與氮氣生成熱力型NOx的過程，從而減少NOx的生成。根據(jù)應用原理的不同，煙氣再循環(huán)有兩種應用方式，分別為外部煙氣再循環(huán)與內部煙氣再循環(huán)。

　　對于外部煙氣再循環(huán)技術來說，煙氣從鍋爐的出口通過一個外部管道，重新加入到爐膛內。根據(jù)研究，外部煙氣再循環(huán)可以減少70%的NOx生成。外循環(huán)比例對NOx控制效果也有較大影響，隨著外循環(huán)比例的增加NOx降低幅度也更加明顯，但循環(huán)風機電耗也將增加。

　　對于內部煙氣再循環(huán)，煙氣回流到燃燒區(qū)域主要通過燃燒器的氣體動力學。內部煙氣再循環(huán)主要通過高速噴射火焰的卷吸作用或者旋流燃燒器使得氣流產(chǎn)生旋轉達到循環(huán)效果。

　　通過運用一個旋流器或者切向氣流進口來生成一個有切向速度的氣流，旋轉過程即產(chǎn)生了渦流。渦流的強度可以用一個無量綱數(shù)旋流度S表示。當旋流度超過0.6，氣流中將會產(chǎn)生足夠的徑向和軸向壓力梯度，這會導致氣流反轉，在火焰中心產(chǎn)生一個環(huán)形的再循環(huán)區(qū)域。中心再循環(huán)區(qū)域的高溫氣體將回到燃燒器喉部，這確保了對冷的未燃燒氣體的點火，同時通過降低火焰溫度和降低氧氣分壓減少NOx生成。

　　(4)多孔介質催化燃燒

　　降低火焰溫度的另一個辦法就是盡可能快和多的加強火焰對外的傳熱。在燃燒器內增加了多孔介質(PIM)，使得燃燒反應發(fā)生在多孔介質內，這樣從燃燒器到周圍環(huán)境的輻射和對流換熱就被加強了。實驗表明，使用PIM燃燒器的燃燒溫度低于1600K，NOx生成量在5-20ppm左右。

　　PIM燃燒器還可以在燃燒器入口處添加催化劑，這樣燃料分子和氧化劑分子就會以一個比較低的活化能在催化劑表面進行反應。這樣反應溫度相比于同類的燃燒要更低。由于反應過程只在催化劑表面進行，不會產(chǎn)生NOx，這樣催化燃燒的NOx生成可以降至1ppm。催化燃燒的缺點就是必須保證活性表面在一個比較低的溫度下不被氧化或蒸發(fā)，且催化劑造價相對較高，難以得到工業(yè)化應用。

　　(5)無焰燃燒

　　傳統(tǒng)的火焰燃燒分為預混燃燒和擴散燃燒，其主要特點包括：①燃料與氧化劑在高溫下反應，溫度越高越有助于火焰的穩(wěn)定；②火焰面可視(甲烷燃燒的火焰一般為藍色，有碳煙產(chǎn)生時為黃色)；③大多數(shù)燃料在很薄的火焰層內完成燃燒，但是燃燒反應會在下游的不可見的區(qū)域內完成。

　　為了建立一個火焰，燃料與氧化劑之比必須在可燃極限之內，同時需要點火裝置。一般情況下，火焰在點燃以后一般自己充當點火器，對來流進行點火。這就需要足夠高的火焰溫度來達到最小點火能量，但是高的火焰溫度會使得NOx生成增加。

　　經(jīng)研究，在爐內溫度為1000℃，空氣預熱到650℃的情況下，燃料在無焰的情況下燃燒，一氧化碳低于1ppm，NOx接近于零排放。

　　為了穩(wěn)定火焰，可視的燃燒過程需要在燃燒后產(chǎn)生很強的煙氣回流；對于無焰燃燒，煙氣回流發(fā)生在燃燒之前，甚至可能在燃燒器當中，這樣再循環(huán)的煙氣加熱了預混的燃料，降低了爐膛溫度，擴大了反應區(qū)域。

　　無焰燃燒火焰分布均勻，燃燒溫度低，同時羥基生成少，這使得NOx產(chǎn)生更少。無焰燃燒需要以下條件：①分別射入高動量的空氣和燃料流；②大量內部的或者外部的高溫燃燒產(chǎn)物循環(huán)；③熱量的快速移除，以保證爐膛內各處均未達到絕熱火焰溫度。無焰燃燒不需要傳統(tǒng)的穩(wěn)燃裝置或條件(比如強渦)。

　　三、NOx超低排放監(jiān)測的可行性與市場前景

　　NOx生成機理比較復雜，大致可以認為是由氮氣與氧氣在高溫下生成NO，NO與O2在高溫反應下生成NO2。可見NOx的生成與O2的濃度有關，也與火焰溫度有關。減少過剩空氣量，則O2濃度變小，火焰溫度降低，NOx生成量下降。如果過剩空氣量增加，雖然O2濃度增高有利于NOx的生成，但由于燃燒溫度降低，總的結果是NOx生成量減少。因此，過剩空氣系數(shù)為某一值時（與燃氣熱值、燃燒器等因素有關），NOx的生成量最高，增大或減少過剩空氣系數(shù)，NOx的生成量都會減少。由此可見，通過實時監(jiān)測NOx含量，判斷NOx是否超標，再適當增大或減少過剩空氣量，就可以減少NOx的生成，從而降低煙氣中的NOx含量。

　　由于目前部分地區(qū)現(xiàn)行的NOx含量限值均低于國家標準，甚至更低，現(xiàn)行國家標準與地方標準對比及發(fā)布現(xiàn)狀見表1；并出臺了相應的中小型低氮燃氣鍋爐改造工作方案、要求及補貼標準，為低氮燃氣鍋爐設計與改造市場提供了重大的發(fā)展契機，也使得NOx超低排放監(jiān)測技術成為未來中小型燃氣鍋爐排放監(jiān)測市場的開發(fā)熱點。

單位：mg/m³

表1.現(xiàn)行NOx排放國家標準與地方標準對比

　　針對中小型低氮燃氣鍋爐的設計、改造與應用，銳意自控推出的超低量程在線紫外煙氣分析儀Gasboard-3000UV、便攜紅外煙氣分析儀Gasboard-3800Plus及便攜紫外煙氣分析儀Gasboard-3800UV，可滿足中小型燃氣鍋爐超低氮排放監(jiān)測的需求。表2為煙氣分析儀NO含量監(jiān)測的主要參數(shù)。

表2.煙氣分析儀NO含量監(jiān)測主要參數(shù)

　　Gasboard-3000UV結合紫外差分吸收光譜技術及電化學傳感技術，可同時測量SO2、NO、O2等氣體的體積濃度。對于低濃度NO含量監(jiān)測，Gasboard-3000UV基于紫外差分吸收光譜技術，采用獨特算法，長光程多次回返氣體室，避免煙氣中氣態(tài)水與煙氣采樣流量對NO測量結果的影響，抗干擾能力強，測量精度高，測量范圍小于100mg/m³，可實現(xiàn)中小型低氮燃氣鍋爐低NOx濃度的監(jiān)測。圖1為Gasboard-3000UV內部結構示意圖。

圖1.Gasboard-3000UV內部結構示意圖

　　Gasboard-3800Plus基于非分光紅外(NDIR)技術及長壽命電化學(ECD)傳感技術，可同時測量煙氣中SO2、NO、CO、CO2、O2等氣體體積濃度，以及煙氣溫度、流速等參數(shù)，并統(tǒng)計出排放率、排放總量。對于低濃度NO含量監(jiān)測，Gasboard-3800Plus在基于微流紅外氣體分析技術，有效消除水分冷凝、HC干擾、測試分辨率等因素對測量結果影響的同時，結合隔半氣室氣路設計，保證被測信號與參考信號的強度之比不受溫度、壓力等監(jiān)測環(huán)境影響，漂移小、性能穩(wěn)定，滿足低濃度NO含量監(jiān)測的需求。圖2為配置預處理裝置的Gasboard-3800Plus。

圖2.配置預處理裝置的Gasboard-3800Plus

　　Gasboard-3800UV基于紫外差分吸收光譜技術、非分光紅外(NDIR)技術及長壽命電化學(ECD)傳感技術，可同時測量煙氣中SO2、NO、CO、CO2、O2等氣體體積濃度，以及煙氣溫度、流速等參數(shù)，并統(tǒng)計出排放率、排放總量。對于低濃度NO含量監(jiān)測，Gasboard-3800UV采用DOAS算法，依靠深紫外波段和不同光程作用，無水分吸收，不受水分、粉塵干擾，被測氣體間無交叉干擾，檢測下限低，分辨率達0.1mg/m³，滿足超低排放監(jiān)測需求。同時，還可滿足中小型燃氣鍋爐改造驗收及燃氣鍋爐污染氣體排放第三方監(jiān)測需求。

　　此外，Gasboard-3800Plus與Gasboard-3800UV分析主機配備一體化采樣及伴熱裝置，原裝進口便攜式預處理裝置，可確保樣氣滿足儀表檢測要求；還可自動計算過量空氣系數(shù)和燃燒效率，應用于中小型燃氣鍋爐節(jié)能監(jiān)測中。

　　四、結束語

　　隨著“煤改氣”工程建設的加快推進與生態(tài)環(huán)境壓力的加大，中小型燃氣鍋爐低氮改造市場逐漸受到熱捧，也為NOx超低排放監(jiān)測市場帶來了較大發(fā)展契機，在中小型燃氣鍋爐改造、驗收過程中需采取必要的低氮監(jiān)測手段，才能將燃氣鍋爐調整到良好運行狀態(tài)，實現(xiàn)鍋爐運行效率的最大化與污染排放的減量化。

（來源：工業(yè)過程氣體監(jiān)測技術）