一、低氮燃燒的必要性

　　減少NOx排放是改善環(huán)境空氣質(zhì)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(biāo)比例和區(qū)域性長時(shí)間嚴(yán)重超標(biāo)情況，改善環(huán)境空氣質(zhì)量面臨巨大挑戰(zhàn)。

　　國內(nèi)外研究和治理經(jīng)驗(yàn)表明，控制區(qū)域性PM2.5污染是一項(xiàng)難度非常大的系統(tǒng)工程，必須在綜合分析基礎(chǔ)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(shí)段PM2.5中二次粒子比例較常規(guī)時(shí)段明顯增加。有觀測數(shù)據(jù)表明，重污染發(fā)生時(shí)PM2.5與NOx的環(huán)境質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)、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(zhì)量的重要任務(wù)之一。

　　二、國內(nèi)外燃?xì)夤I(yè)鍋爐NOx控制技術(shù)現(xiàn)狀

　　現(xiàn)有低NOx燃燒技術(shù)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(shù)包括分級燃燒、預(yù)混燃燒、煙氣再循環(huán)、多孔介質(zhì)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(dāng)量比為1的情況下達(dá)到高，在貧燃或者富燃的情況下進(jìn)行燃燒，燃燒溫度會下降很多。運(yùn)用該原理開發(fā)出了分級燃燒技術(shù)。

　　空氣分級燃燒級是富燃料燃燒，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，級為燃料稀相燃燒，而在第二級加入燃料使得當(dāng)量比達(dá)到要求的數(shù)值。這兩種方法終將會使整個(gè)系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)保持一個(gè)定值，為目前普遍采用的低氮燃燒控制技術(shù)。

　　(2)貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)

　　預(yù)混燃燒是指在混合物點(diǎn)燃之前燃料與氧化劑在分子層面上*混合。對于控制NOx的生成，這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以通過當(dāng)量比的*控制實(shí)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(yù)混燃燒和部分預(yù)混可比非預(yù)混燃燒減少85%—90%的NOx生成。另外，*預(yù)混還可以減少因過量空氣系數(shù)不均勻性所導(dǎo)致的對NOx生成控制的降低。但是，預(yù)混燃燒技術(shù)在安全性控制上仍存在未解決的技術(shù)難點(diǎn)：一是預(yù)混氣體由于其高度可燃性可能會導(dǎo)致回火；二是過高的過量空氣系數(shù)會導(dǎo)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(nèi)部煙氣再循環(huán)技術(shù)

　　燃燒溫度的降低可以通過在火焰區(qū)域加入煙氣來實(shí)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(nèi)，不僅降低了燃燒溫度，減少了NOx生成；同時(shí)加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與氮?dú)馍蔁崃π蚇Ox的過程，從而減少NOx的生成。根據(jù)應(yīng)用原理的不同，煙氣再循環(huán)有兩種應(yīng)用方式，分別為外部煙氣再循環(huán)與內(nèi)部煙氣再循環(huán)。

　　對于外部煙氣再循環(huán)技術(shù)來說，煙氣從鍋爐的出口通過一個(gè)外部管道，重新加入到爐膛內(nèi)。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(fēng)機(jī)電耗也將增加。

　　對于內(nèi)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(xué)。內(nèi)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(zhuǎn)達(dá)到循環(huán)效果。

　　通過運(yùn)用一個(gè)旋流器或者切向氣流進(jìn)口來生成一個(gè)有切向速度的氣流，旋轉(zhuǎn)過程即產(chǎn)生了渦流。渦流的強(qiáng)度可以用一個(gè)無量綱數(shù)旋流度S表示。當(dāng)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(dǎo)致氣流反轉(zhuǎn)，在火焰中心產(chǎn)生一個(gè)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(diǎn)火，同時(shí)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(zhì)催化燃燒

　　降低火焰溫度的另一個(gè)辦法就是盡可能快和多的加強(qiáng)火焰對外的傳熱。在燃燒器內(nèi)增加了多孔介質(zhì)(PIM)，使得燃燒反應(yīng)發(fā)生在多孔介質(zhì)內(nèi)，這樣從燃燒器到周圍環(huán)境的輻射和對流換熱就被加強(qiáng)了。實(shí)驗(yàn)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(gè)比較低的活化能在催化劑表面進(jìn)行反應(yīng)。這樣反應(yīng)溫度相比于同類的燃燒要更低。由于反應(yīng)過程只在催化劑表面進(jìn)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(diǎn)就是必須保證活性表面在一個(gè)比較低的溫度下不被氧化或蒸發(fā)，且催化劑造價(jià)相對較高，難以得到工業(yè)化應(yīng)用。

　　(5)無焰燃燒

　　傳統(tǒng)的火焰燃燒分為預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒，其主要特點(diǎn)包括：①燃料與氧化劑在高溫下反應(yīng)，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(lán)色，有碳煙產(chǎn)生時(shí)為黃色)；③大多數(shù)燃料在很薄的火焰層內(nèi)完成燃燒，但是燃燒反應(yīng)會在下游的不可見的區(qū)域內(nèi)完成。

　　為了建立一個(gè)火焰，燃料與氧化劑之比必須在可燃極限之內(nèi)，同時(shí)需要點(diǎn)火裝置。一般情況下，火焰在點(diǎn)燃以后一般自己充當(dāng)點(diǎn)火器，對來流進(jìn)行點(diǎn)火。這就需要足夠高的火焰溫度來達(dá)到小點(diǎn)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(nèi)溫度為1000℃，空氣預(yù)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*。

　　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(qiáng)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(dāng)中，這樣再循環(huán)的煙氣加熱了預(yù)混的燃料，降低了爐膛溫度，擴(kuò)大了反應(yīng)區(qū)域。

　　無焰燃燒火焰分布均勻，燃燒溫度低，同時(shí)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(nèi)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(nèi)各處均未達(dá)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(qiáng)渦)。

　　三、NOx超低排放監(jiān)測的可行性與市場前景

　　NOx生成機(jī)理比較復(fù)雜，大致可以認(rèn)為是由氮?dú)馀c氧氣在高溫下生成NO，NO與O2在高溫反應(yīng)下生成NO2?？梢奛Ox的生成與O2的濃度有關(guān)，也與火焰溫度有關(guān)。減少過?？諝饬浚瑒tO2濃度變小，火焰溫度降低，NOx生成量下降。如果過?？諝饬吭黾?，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(jié)果是NOx生成量減少。因此，過?？諝庀禂?shù)為某一值時(shí)（與燃?xì)鉄嶂?、燃燒器等因素有關(guān)），NOx的生成量高，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(shí)時(shí)監(jiān)測NOx含量，判斷NOx是否超標(biāo)，再適當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，甚至更低，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)與地方標(biāo)準(zhǔn)對比及發(fā)布現(xiàn)狀見表1；并出臺了相應(yīng)的中小型低氮燃?xì)忮仩t改造工作方案、要求及補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，為低氮燃?xì)忮仩t設(shè)計(jì)與改造市場提供了重大的發(fā)展契機(jī)，也使得NOx超低排放監(jiān)測技術(shù)成為未來中小型燃?xì)忮仩t排放監(jiān)測市場的開發(fā)熱點(diǎn)。

單位：mg/m³

表1.現(xiàn)行NOx排放國家標(biāo)準(zhǔn)與地方標(biāo)準(zhǔn)對比

　　針對中小型低氮燃?xì)忮仩t的設(shè)計(jì)、改造與應(yīng)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?xì)忮仩t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(jié)合紫外差分吸收光譜技術(shù)及電化學(xué)傳感技術(shù)，可同時(shí)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(shù)，采用*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(jié)果的影響，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高，測量范圍小于100mg/m³，可實(shí)現(xiàn)中小型低氮燃?xì)忮仩t低NOx濃度的監(jiān)測。圖1為Gasboard-3000UV內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1.Gasboard-3000UV內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

　　Gasboard-3800Plus基于非分光紅外(NDIR)技術(shù)及長壽命電化學(xué)(ECD)傳感技術(shù)，可同時(shí)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(jì)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(shù)，有效消除水分冷凝、HC干擾、測試分辨率等因素對測量結(jié)果影響的同時(shí)，結(jié)合隔半氣室氣路設(shè)計(jì)，保證被測信號與參考信號的強(qiáng)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(yù)處理裝置的Gasboard-3800Plus。

圖2.配置預(yù)處理裝置的Gasboard-3800Plus

　　Gasboard-3800UV基于紫外差分吸收光譜技術(shù)、非分光紅外(NDIR)技術(shù)及長壽命電化學(xué)(ECD)傳感技術(shù)，可同時(shí)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(jì)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(dá)0.1mg/m³，滿足超低排放監(jiān)測需求。同時(shí)，還可滿足中小型燃?xì)忮仩t改造驗(yàn)收及燃?xì)忮仩t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(jī)配備一體化采樣及伴熱裝置，*便攜式預(yù)處理裝置，可確保樣氣滿足儀表檢測要求；還可自動計(jì)算過量空氣系數(shù)和燃燒效率，應(yīng)用于中小型燃?xì)忮仩t節(jié)能監(jiān)測中。

　　四、結(jié)束語

　　隨著“煤改氣”工程建設(shè)的加快推進(jìn)與生態(tài)環(huán)境壓力的加大，中小型燃?xì)忮仩t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(jī)，在中小型燃?xì)忮仩t改造、驗(yàn)收過程中需采取必要的低氮監(jiān)測手段，才能將燃?xì)忮仩t調(diào)整到良好運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行效率的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(shù)）