1、甲烷-空氣燃燒過程氮化學（xué）基本原理

　　燃燒理論將NOx的生成分為熱力型NOx(Thermal NOx)、快速型NOx(Prompt NOx)和燃（rán）料型（xíng）NOx(Fuel NOx)。天然（rán）氣中含氮量較低，因此，燃料型NOx不是其主要的控製類型。熱力（lì）型NOx是（shì）指燃（rán）燒用空氣中的N2在高溫下氧（yǎng）化生成NOx。關於熱力型NOx的生（shēng）成機理一般采用捷裏道維奇機理：當溫度低（dī）於（yú）1500℃時，熱力NOx的生成量很少;高於1500℃時，溫度每升高100℃，反應（yīng）速度將增大6~7倍。在實（shí）際燃燒過程中，由（yóu）於燃燒室（shì）內的溫（wēn）度分布是不均勻的，如果有局部高溫區，則在這些區域會生成較多的NOx，它可能會對整個燃燒室內的NOx生成起關鍵性的作用。快速型NOx在（zài）碳氫燃料燃燒且富燃（rán）料的情（qíng）況下，反應區會快速生成NOx。在實際的燃燒過程中各種因素是單獨變化的，許多（duō）參（cān）數均處於不斷的變化中（zhōng），即使是簡單的氣體燃料（liào）的燃燒，也要經（jīng）曆燃料和空氣相混合，燃燒產生煙氣，直到離開爐膛。爐膛的溫度、燃料和空氣的混合程度、煙氣在爐內停留時間等這些（xiē）對NOx排放有較大影（yǐng）響的參數均處於不斷的變化之中。

燃料和空氣混合物進入爐膛後，由於受到周圍高溫煙氣的（de）對流和輻射加（jiā）熱，混合物氣流溫度（dù）很快上升。當達到著火溫度時，燃（rán）料開始燃燒，這時（shí）溫度急劇上升到近於絕熱溫度水平（píng）。同時，由於煙（yān）氣與周（zhōu）圍介質間的對流和輻（fú）射換熱，溫（wēn）度逐（zhú）漸降（jiàng）低，直到與周圍（wéi）介質溫度相同，也即煙氣邊冷卻邊流過整（zhěng）個爐膛。由此可見，爐（lú）內的火焰溫（wēn）度分布實際上是不均勻的。通（tōng）常，離燃燒器出口（kǒu）一定距離處的溫度，在其前後的（de）溫度都較低，即存在局部高溫區。由於該區的溫度要比爐內平均溫度（dù）水（shuǐ）平高得多，因（yīn）此它（tā）對NOx生成量有（yǒu）很大的影響：溫度越高，NOx生成量越多。因（yīn）此，在爐膛中，為了抑製NOx的生成，除了降低爐內平均溫度外，還必（bì）須（xū）設法使爐內溫度分布（bù）均（jun1）勻，避免局部高溫。

2、國內外燃氣工業鍋爐NOx控製技術現狀

　　現有低NOx燃（rán）燒技術主要圍繞如何降低燃燒溫（wēn）度，減少熱力型NOx生成開展的（de），主要（yào）技術包括分級燃（rán）燒、預混燃燒（shāo）、煙氣再循環、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（jí）燃燒

　　熱力型NOx生成（chéng）很大程度上取決於燃燒溫度。燃燒溫度在（zài）當（dāng）量（liàng）比為1的情（qíng）況下達到，在貧燃或者（zhě）富燃（rán）的情況下進（jìn）行燃燒，燃燒溫度會下降很多。運用該原理開（kāi）發出了分級燃燒技術。

　　空氣分（fèn）級燃燒級是富燃料燃燒，在（zài）第（dì）二級加入過量空氣，為貧燃燃燒，兩（liǎng）級之間加入空氣冷卻（què）以保證燃燒溫度不至於太高。燃料分級燃（rán）燒與空氣分級燃燒正好相反，級為（wéi）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（de）數值。這兩種（zhǒng）方法終將會使整個係統的過量空（kōng）氣係數（shù）保持一個定值，為目前普（pǔ）遍采用的低氮燃燒控製技術。

(2)貧燃預混燃（rán）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（zǐ）層麵上完全（quán）混（hún）合。對於控製NOx的生成，這項技術（shù）的優點是可（kě）以通過當量比（bǐ）的完全控製實現對燃燒溫度的控製，從而降低熱力型（xíng）NOx生成速率，在有些情況下，預混燃燒和部分預（yù）混可比非預混燃燒（shāo）減少（shǎo）85%—90%的NOx生成。另外，完全預混還可以減少（shǎo）因過（guò）量空氣係數不均勻性所導致的對NOx生成控製的降低。但是，預混燃燒技術在安全性控（kòng）製上仍（réng）存在未解決的技術難（nán）點：一是預混氣體由於其高度可燃性可能會導致回火（huǒ）;二是過高的過量空氣係數會導致排煙損失的增加（jiā），降低了鍋爐（lú）熱效率。

(3)外部煙氣再（zài）循環和內部煙氣再循環技術

　　燃燒溫度的降低（dī）可（kě）以（yǐ）通過在（zài）火焰區域加入煙氣來實現，加入的煙氣吸熱從而降低了燃（rán）燒溫度。通過將（jiāng）煙氣的燃燒產物加入到燃燒區域內，不（bú）僅降低（dī）了燃燒（shāo）溫度，減少了NOx生成;同時加（jiā）入（rù）的煙氣降低了氧氣（qì）的分壓，這將減弱氧（yǎng）氣與氮氣生成熱力（lì）型NOx的過程，從而減少NOx的生成。根據應用（yòng）原理的（de）不（bú）同，煙氣再（zài）循環（huán）有兩種應用方式（shì），分別為外部煙氣再循（xún）環與（yǔ）內部煙（yān）氣再循環。

　　對於外部煙（yān）氣再循環技術來說（shuō），煙氣從鍋爐的出口通過一個外部管道，重新加入到（dào）爐膛內。根據研究，外部煙（yān）氣再（zài）循環可以（yǐ）減少70%的NOx生成。外循環比例（lì）對NOx控製效果也有（yǒu）較大影響，隨著外（wài）循環比例的增加NOx降低幅度也更加明顯，但循環風機（jī）電耗也將增加。

　　對於內部煙氣再循環，煙氣回流到燃燒區域主要通過燃燒器的氣體動力學（xué）。內部煙氣再循環主要（yào）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生旋轉達到循環效果。

　　通過運用（yòng）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，旋轉過程即產生了渦（wō）流。渦（wō）流的（de）強度（dù）可以用一個無量綱數旋流度S表示。當旋流度（dù）超過0.6，氣流中將（jiāng）會產生足夠的徑向和（hé）軸向壓力梯度，這（zhè）會導致氣流反轉，在火焰中心產生一個環形的再循環區域。中（zhōng）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（jiàng）低火焰溫度和降低氧氣（qì）分壓減少NOx生成。

(4)多孔（kǒng）介質催（cuī）化燃燒

　　降低火（huǒ）焰溫度的另一個辦法就是盡可能快和（hé）多的加強火焰對外的傳熱。在燃燒器內增加了（le）多孔介質(PIM)，使得燃燒反應發生（shēng）在多孔（kǒng）介質內，這樣從燃燒（shāo）器到周（zhōu）圍（wéi）環境（jìng）的輻（fú）射和對流換熱就被加強了。實驗表明，使用PIM燃燒器的（de）燃燒溫度低於1600K，NOx生成量在5-20ppm左右。

PIM燃燒器（qì）還可以在燃燒器入口處添加催化（huà）劑，這樣燃料分子和氧化劑分子就會以（yǐ）一個比較低的活化能在（zài）催化劑表麵進行反應。這樣（yàng）反應溫度相比於同類的燃（rán）燒要更（gèng）低。由於反應過（guò）程隻在催化劑表麵進行，不會產生NOx，這樣催化燃燒的NOx生成可以降至（zhì）1ppm。催化燃燒的缺點就是必須（xū）保證活（huó）性表（biǎo）麵在一個比（bǐ）較低的溫度下不被氧化或蒸發（fā），且催化劑造價相對較高，難以得到工業化應用。

(5)無（wú）焰（yàn）燃燒

　　傳統的火焰燃燒分為（wéi）預混燃燒和擴散燃燒，其主要特（tè）點包括：①燃料與氧化（huà）劑在高溫下反應，溫度越高越有（yǒu）助於火焰（yàn）的（de）穩定;②火焰麵可視（shì）(甲烷燃燒的火焰一般為藍色，有碳煙產生時為黃色);③大多數燃料在很薄的火焰層內完（wán）成燃燒，但是（shì）燃燒反應會在下遊的不（bú）可見的區域內完成（chéng）。

　　為了建立一個火（huǒ）焰，燃料與氧化劑之比必須在可燃極限之內，同時需要點（diǎn）火裝置。一般情（qíng）況（kuàng）下，火（huǒ）焰在點燃以後一般自己充當點火器，對來流進行點火（huǒ）。這就（jiù）需要足夠高的火焰溫度來達到小點火能量，但是高的火焰溫度會使得NOx生成增加。

　　經研究，在爐內溫度為1000℃，空氣預熱到650℃的情況下，燃料（liào）在無焰的情況下燃燒，一氧（yǎng）化碳低於1ppm，NOx接近於零排放。

　　為了穩（wěn）定火焰，可視的燃燒過程需要在燃燒（shāo）後產生很強的煙氣回流;對於無焰燃（rán）燒，煙氣回流發生在燃燒之前，甚至可能在燃燒器當中，電動平車這樣再循環的煙氣加（jiā）熱了預混的（de）燃料，降低（dī）了爐膛溫度，擴（kuò）大了反應（yīng）區域（yù）。

無焰燃燒（shāo）火焰分布均勻，燃燒溫度低，同時羥基（jī）生成少，這使得NOx產（chǎn）生更少。無焰燃燒（shāo）需要以下條件：①分別（bié）射入高（gāo）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物（wù）循環;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（yào）傳統的穩燃裝置（zhì）或條件（jiàn）(比如強渦（wō）)。