一、超低氮锅炉燃烧技术

(一) 超低氮燃烧器技术简介

减少NOx排放是改善环境空气质量的需要近年来的监测数据表明，典型特征污染物PM2.5出现较大超标比例和区域性长时间严重超标情况，改善环境空气质量面临巨大挑战。

国内外研究和治理经验表明，控制区域性PM2.5污染是一项难度非常大的系统工程，必须在综合分析基础上，提出有针对性的控制对策，才能有效缓解区域PM2.5污染。

PM2.5包括一次排放和二次生成粒子两部分，以北京为例，二次粒子比例较高，特别是重污染时段PM2.5中二次粒子比例较常规时段明显增加。有观测数据表明，重污染发生时PM2.5与NOx的环境质量浓度变化呈现强相关、同步变化的特征。

NOx是PM2.5的重要前体物，在形成过程中有两个作用：一是反应生成的NO3-是二次粒子的重要化学组分;二是通过光解链式反应生成O3-，增加大气氧化性，提供将SOx、NOx氧化生成SO42-和NO3-的氧化剂。美国加州利用CAMQ模型模拟削减一次排放的NOx对PM2.5的影响，结果是每减少1吨NOx排放可减少约0.13吨PM2.5。北京最新研究结果表明，二次粒子是目前PM2.5的主要贡献者，且比2000年有明显上升，主要成分为水溶性离子(占53%)、地壳元素(占22%)、有机质(占20%)和元素碳(占3%)，其他未知元素约占2% ，且NO3-/SO42-比例关系呈现增加趋势。水溶性离子中以SO42-、 NO3-和NH4+为主，三者之和(SNA)占PM2.5的比例平均近50%，SNA的浓度贡献是造成PM2.5污染的主要原因。因此，减少NOx排放是改善空气环境质量的重要任务之一。

现有低NOx燃烧技术主要围绕如何降低燃烧温度，减少热力型NOx生成开展的，主要技术包括分级燃烧、预混燃烧、烟气再循环、多孔介质催化燃烧和无焰燃烧。

目前已建设的低氮燃气锅炉普遍采用了低氮燃烧头结构设计结合烟气再循环的燃烧优化技术，不仅降低了NOx的排放，而且不会降低锅炉热效率。

二) FGR超低氮燃烧技术（烟气内循环+烟气再循环）

1. NOX形成的原理

反应公式 N2+O2=====2NO (反应温度约1000℃，实际炉膛温度约1400-1600℃)

2NO+O2=====2NO2

CH4+2O2=====CO2+2H2O(放热)

反应条件：当甲烷燃烧释放热量足以将周围氮气、氧气以及反应生成的二氧化碳、水蒸气加热至1000℃以上便会形成氮氧化物，那么火焰环境温度（锅炉介质温度）、炉膛内温度场的均匀度、火焰尖峰温度、炉膛综合换热系数、甲烷空气比例、实际高温区温度即是氮氧化物高低的条件。

根据上述反应条件，锅炉介质温度根据使用条件为额定状态、火焰尖峰温度和甲烷空气比例由过氧系数决定，炉膛换热系数由炉膛几何尺寸和火焰贴合度决定；燃烧器降低氮氧化物排放的手段只能是加强火焰贴合度、加强炉膛温度均匀度、降低实际高温区温度三种手段。

2. 超低氮燃烧原理

氮氧化物有三个形成渠道-都是把空气内的氮或燃料内的氮和空气中的氧经过化学变化形成氮氧化物。

热力形氮氧化物：在高温燃烧过程中形成，如果燃烧过程温度超过1000℃，氮氧化物会形成。在30mg/m3氮氧化物浓度的排放条件下，大部分的氮氧化物是热力形，所以减低燃烧温度是非常有效的低氮燃烧方式。

燃料形氮氧化物：燃料内的氮在高温燃烧反应中形成，天然气几乎没有携带燃料形氮，所以不须考虑。

时间形氮氧化物：在燃烧开始，低温和富燃料燃烧情况下形成。烃可与氮反应形成固定氮种类。例如：CN、NH3、HCN等，可以在稀薄燃烧过程中形成一氧化氮。

综上：热力型NOx占的比例最大。

3. FGR超低氮燃烧器低氮技术

⑴、分级燃烧和烟气内循环

⑵、烟气再循环

分级燃烧和烟气内循环

分级燃烧把燃烧室分为富燃料燃烧和贫燃料燃烧区域。这分区延长燃料和空气需要完全混合的时间。燃料分布的目的是要降低火焰中心的最高温度，再进一步稳定火焰和降低火焰温度，燃烧头设计会采用烟气内循环来增加燃料和空气在燃烧室的过程时间。采用分级燃烧及烟气内循环技术能降低20-30%的氮氧化物排放。

烟气再循环

烟气再循环采用风机来把部分烟气引导回燃烧器，和空气进行二次燃烧。烟气低氧量是非常合适来冷却火焰的，还有不参与燃烧的气体，包括氮、水汽和二氧化氮。这行气体都具有非常高的吸热参数。能够降低整体的火焰温度和降低氮氧化物的排放，烟气再循环能降低80%的氮排放。

烟气再循环系统包括安装在空气进风口的烟气再循环和空气混合箱，能使燃烧空气和烟气再循环废气由充足的混合。烟气再循环的流量由进风空气挡板和烟气再循环挡板，形成的压差来实现。

FGR超低氮燃烧技术和热效率的关系

华世尔超低氮锅炉设计理念是低氮和效率共同实现，保证环保最低排放和最高的热效率。

分级燃烧对热效率没有影响，这项技术是降低火焰顶尖燃烧温度，而对平均火焰温度没有影响。烟气再循环对锅炉的热效率几乎没有影响。烟气再循环技术把火焰温度降低，会影响辐射热效率，但把气体量增加了，对流换热效率会被提高，华世尔通过低氮炉体设计把炉体对流换热面积加大，锅炉整体热效率不会受影响。（FGR技术风机功率会增加）