燃油燃气锅炉低氮燃烧的原理

燃气锅炉燃烧时排放的废气中含有大量的氮氧化合物，此废气给人们生活中带来了很大的危害，同时导致PM2.5大大提高，从而致使生态坏境受到严重破坏，为了使锅炉燃烧时大大降低氮氧 化合物的生成，从以下几个方面来阐述燃气锅炉在低氮燃烧时的原理：

一、天然气成分及种类（LNG、CNG）

    1、LNG简介：液化天然气密度是标准状态下甲烷的625倍。也就是说，1m3液化天然气可气化成625 m3天然气，由此可见贮存和运输的方便性。LNG是一种清洁能源，排放可以达到欧IIII标准。

    LNG密度：0．42～0．46 g／cm3 根据单位换算1立方米等于0.45吨

    液化天然气气化比是1吨1495标方。

    LNG重量仅为同体积水重量的45%

    据一些资料可得这些燃料的典型热值及产生的CO2：

    天然气 8300千卡／m3，产生的CO2为1.885kg；

    标准煤 7000千卡／kg，产生的CO2为3.6kg；

    原油 9200千卡／kg

    原油的碳含量按85％，产生的CO2为3.1kg，

    各发10000千卡热量，需天然气 1.20 m3，产生CO2，2.26 kg；

    原油 1.09kg，产生CO2，3.37 kg； （天然气比石油CO2排放减少33%）

    标准煤 1.73kg，产生CO2，5.14 kg。（天然气比石油CO2排放减少56%）

    天然气与煤炭和石油相比，确实减少了C排放。而且幅度很明显。政府推动使用LNG和天然气的动力就会很足，因为减少温室气体排放，现在减少C排放是一种政治。

    2、天然气分类

    按照所使用天然气燃料状态的不同，天然气可以分为：

    （1）压缩天然气（CNG）

压缩天然气是指压缩到20.7—24.8 MPa的天然气，储存在车载高压气瓶中。压缩天然气（CNG）是一种无色透明、无味、高热量、比空气轻的气体，主要成分是甲烷，由于组分简单，易于完全燃烧，加上燃料含碳少，抗爆性好，不稀释润滑油，能够延长发动机使用寿命。

    （2）液化天然气（LNG）

    液化天然气是指常压下、温度为-162度的液体天然气，储存于车载绝热气瓶中。LNG燃点高、安全性能强，适于长途运输和储存。

    压缩天然气（CNG）体积能量密度约为汽油的26%，而液化天然气（LNG）体积能量密度约为汽油的72%，是压缩天然气（CNG）的2.77倍，因而使用LNG的汽车行程远，相对可大大减少汽车加气站的建设数量。 与同功率的燃油车相比，天然气汽车尾气中HC（碳氢化合物）可下降90%，CO降低80%，NOX下降40%；天然气在温室气体减排方面具有显著的优势。国外研究结果表明，天然气汽车的CO2排放量与传统车相比可降低20%以上；

    3、天然气的其他属性介绍

    （1）天然气的热值：

天燃气每立方燃烧热值为8000大卡至8500大卡。每公斤液化气燃烧热值为11000大卡。气态液化气的比重为2.5公斤/立方米。每立方液化气燃烧热值为25200大卡。这样可看出一立方液化气燃烧热值是天然气的三倍，但还有报道说液化气热值是天然气的7倍。

每瓶液化气重14.5公斤,总计燃烧热值159500大卡,相当于20立方天然气的燃烧热值。

    （2）天然气的应用领域

    1. 民用燃料：天然气价格低廉、热值高、安全性能、环境性能好，是民用燃气的首选燃料。

    2. 工业燃料：以天然气代替煤，用于工厂采暖，生产用锅炉以及热电厂燃气轮机锅炉。

    3. 工艺生产：如烤漆生产线，烟叶烘干、沥青加热保温等。

    4 .化工原料：如以天然气中甲烷为原料生产氰化钠，黄血盐钾，赤血盐钾等。

    5. 压缩天然气汽车：用以解决汽车尾气污染问题。

    （3）主要优点

天然气是较为安全的燃气之一，它不含一氧化碳，也比空气轻，一旦泄漏，立即会向上扩散，不易积聚形成爆炸性气体，安全性较高。采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，因而大大改善环境污染问题；天然气作为一种清洁能源，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%，减少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，从根本上改善环境质量。其优点有：

    ① 绿色环保

    天然气是一种洁净环保的优质能源，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质，燃烧时产生二氧化碳少于其他化石燃料，造成温室效应较低，因而能从根本上改善环境质量。

    ② 经济实惠

    天然气与人工煤气相比，同比热值价格相当，并且天然气清洁干净，能延长灶具的使用寿命，也有利于用户减少维修费用的支出。天然气是洁净燃气，供应稳定，能够改善空气质量，因而能为该地区经济发展提供新的动力，带动经济繁荣及改善环境。

    ③ 安全可靠

    天然气无毒、易散发，比重轻于空气，不宜积聚成爆炸性气体，是较为安全的燃气。

    ④ 改善生活

    随着家庭使用安全、可靠的天然气，将会极大改善家居环境，提高生活质量。

    （4）天然气耗氧情况计算：

    1立方米天然气（纯度按100%计算）完全燃烧约需2.0立方米氧气，大约需要10立方米的空气。

二、低氮燃烧的原理

     锅炉低氮燃烧主要是靠燃烧机及锅炉产品共同开发来完成，一是增加炉膛的燃烧面积，二是对燃烧机进行回流燃烧。现在从以下几个方面来阐述低氮燃烧的原理：

    1、 低氮燃烧机技术性能

    ● 单段火、两段火、两段火渐进式/比例调节

    ● 能适应任何类型的燃烧室。

    ● 空气和燃气在燃烧头混合。

    ● 通过调节燃烧空气和燃烧头，可以获得最佳的燃烧参数。

    ● 无须把燃烧器从锅炉上拆下，就可直接取下混合装置，从而可以方便的进行维修保养。

    ● 采用伺服电动机来进行第一、二段空气流量调节，并且当燃烧器停止运行时，风门关闭以减少炉内热量损失。

    ● 可以给阀组加一个阀的密封控制装置。

    ● 采用一个法兰和一个绝缘密封圈与锅炉连接固定；配有一个4孔和7孔联接器。

    ● 根据要求可提供大于标准长度的鼓风管。

    2、主要分类

    （1）重油燃烧器，燃气燃烧器以及双燃料燃烧器（轻油/燃气或重油/燃气）。

    （2）按运行和操作方式分为：欧瑞特燃烧器有一级、两级、渐进两级式和带比例调节器的渐进两级式等（后者实行比例调节运行）

    （3）工业燃烧器系列：均为大功率燃烧器，专为特殊工业应用而设计。

    （4）依据降低NOx的燃烧技术的分类

    燃烧器是工业燃油锅炉、燃气锅炉上面的的重要设备，它保证燃料稳定着火燃烧和燃料的完全燃烧等过程，因此，要抑制NOx的生成量就必须从燃烧器入手。根据降低NOx的燃烧技术，低氮氧化物燃烧器大致分为以下几类：

    a、阶段燃烧器

    根据分级燃烧原理设计的阶段燃烧器，使燃料与空气分段混合燃烧，由于燃烧偏离理论当量比，故可降低NOx的生成。

    b、自身再循环燃烧器

    一种是利用助燃空气的压头，把部分燃烧烟气吸回，进入燃烧器，与空气混合燃烧。由于烟气再循环，燃烧烟气的热容量大，燃烧温度降低，NOx减少。

另一种自身再循环燃烧器是把部分烟气直接在燃烧器内进入再循环，并加入燃烧过程，此种燃烧器有抑制氧化氮和节能双重效果。

    c、浓淡型燃烧器

    其原理是使一部分燃料作过浓燃烧，另一部分燃料作过淡燃烧，但整体上空气量保持不变。由于两部分都在偏离化学当量比下燃烧，因而NOx都很低，这种燃烧又称为偏离燃烧或非化学当量燃烧。

    d、分割火焰型燃烧器

    其原理是把一个火焰分成数个小火焰，由于小火焰散热面积大，火焰温度较低，使“热反应NO”有所下降。此外，火焰小缩短了氧、氮等气体在火焰中的停留时间，对“热反应NO”和“燃料NO”都有明显的抑制作用。

    e、混合促进型燃烧器

    烟气在高温区停留时间是影响NOx生成量的主要因素之一，改善燃烧与空气的混合，能够使火焰面的厚度减薄，在燃烧负荷不变的情况下，烟气在火焰面即高温区内停留时间缩短，因而使NOx的生成量降低。混合促进型燃烧器就是按照这种原理设计的。

    f、低NOx预燃室燃烧器

    预燃室是近10年来我国开发研究的一种高效率、低NOx分级燃烧技术，预燃室一般由一次风（或二次风）和燃料喷射系统等组成，燃料和一次风快速混合，在预燃室内一次燃烧区形成富燃料混合物，由于缺氧，只是部分燃料进行燃烧，燃料在贫氧和火焰温度较低的一次火焰区内析出挥发分，因此减少了NOx的生成。

    g、氮氧化合物的生成

    N₂+ O₂ → NO₂+ O₂→N₂O₃+ H₂O→H₂NO₃

    注：以上氮氧化合物是在炉膛温度为1200-1500℃下生成的，而燃气锅炉的炉膛实际温度为1500-1700℃，所以在这种情况下大量的生成氮氧化合物，为了避免氮氧化合物的生成，必须采取以下措施：

    ①将锅炉炉膛直径加大、长度加长，增大燃烧面积，

    ②增加天然气与空气的流速，从而减少氧气与氮气在高温区域的存留时间，

    ③降低炉膛温度（锅炉的低氮排放与高效燃烧之间本身就存在矛盾）。

    综上所述，锅炉低氮燃烧目前是我国将来势在必行的改革发展方向