靳蘇毅，王登輝，惠世恩，劉長春

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710000)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，在節(jié)能減排方面具有極大的發(fā)展?jié)摿?，是我國能源轉(zhuǎn)型期間大力發(fā)展的一次能源。截止到2019年，我國天然氣消費(fèi)量已由2008年的82億m3增長到307.3億m3[1]。相比于其他化石燃料，天然氣燃燒所生成的污染物較少，但NOx排放量仍然較多。隨著天然氣資源的大范圍使用，其燃燒生成的NOx逐漸引起人們的關(guān)注。NOx是空氣或燃料中的氮元素在燃燒過程中氧化生成的有害氣體，主要成分是NO和NO2。NOx對(duì)人體眼睛和呼吸道具有刺激作用，同時(shí)也會(huì)形成光化學(xué)煙霧或酸雨，對(duì)大氣造成危害。發(fā)達(dá)國家在上世紀(jì)60年代已開始制定相關(guān)指標(biāo)限制NOx的排放，而我國對(duì)NOx排放的重視則相對(duì)較晚[2]，導(dǎo)致目前的低氮燃?xì)馊紵到y(tǒng)過分依賴國外進(jìn)口[3]。

在天然氣燃燒過程中影響NOx生成的主要因素是火焰溫度、氧氣濃度以及反應(yīng)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間[4]。學(xué)者們根據(jù)NOx的生成機(jī)理，從燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)等不同角度出發(fā)研發(fā)出了多種低氮燃燒技術(shù)，目前得到廣泛應(yīng)用的有分級(jí)燃燒、旋流燃燒、煙氣再循環(huán)等，能實(shí)現(xiàn)較好的低氮排放效果。此外，無焰燃燒、催化燃燒等新興燃燒技術(shù)近些年來也得到廣泛研究。但是，隨著各地區(qū)NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸嚴(yán)苛，低氮燃燒技術(shù)也需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。本文分析了天然氣燃燒過程中NOx的生成和還原機(jī)理，對(duì)比了不同低氮燃燒技術(shù)的動(dòng)力學(xué)原理及減排效果，展望了天然氣低氮燃燒技術(shù)的發(fā)展前景。

1 NOx生成及還原機(jī)理

1.1 NO生成機(jī)理

按照NOx中氮的來源及生成機(jī)理不同，鍋爐煙氣中的NOx主要分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx。圖1簡要概括了燃燒過程中NO的生成路徑[5]。

圖1 熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx生成路徑圖[5]

熱力型NOx是指空氣中的氮分子在高溫下與氧氣反應(yīng)生成的NOx。依據(jù)Zeldovich[6]提出的反應(yīng)機(jī)理，生成熱力型NOx的反應(yīng)路徑如下

(1)

(2)

(3)

反應(yīng)中熱力型NO的生成速率可表示為[7]

(4)

式中CNO、CN2、CO2——NO、N2、O2的摩爾濃度/mol·cm-3；

R——?dú)怏w摩爾常數(shù)/J·(mol·K)-1，8.314 J/(mol·K)；

T——溫度/K。

從式(4)可看出，溫度對(duì)熱力型NOx生成量的影響十分顯著。由于分解氮分子中的N-N鍵需要較大的活化能(約941 kJ/mol)[8]，因此熱力型NOx在溫度較高時(shí)才會(huì)大量生成。當(dāng)溫度低于1 773 K時(shí)熱力型NOx的生成量很少；溫度高于1 773 K時(shí)，每升高100 K，生成NOx的反應(yīng)速度將增大6～7倍。

快速型NOx通常在燃料濃度較高時(shí)在火焰區(qū)域快速生成。Fenimore等人[9-10]提出，生成快速型NO的起始反應(yīng)為碳?xì)淙剂先紵纸馍傻腃H，CH2等自由基與N2反應(yīng)生成NCN，HCN，NH等中間產(chǎn)物，隨后這些中間產(chǎn)物進(jìn)一步與O，OH等離子團(tuán)反應(yīng)生成NO。在富燃?xì)夥?燃空當(dāng)量比約1.2)下，快速型NO的主要生成路徑如式(5)～(10)[5]。快速型NOx的生成受溫度的影響較小，一般在當(dāng)量比大于1，燃?xì)鉂舛容^高時(shí)才會(huì)生成

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

燃料型NOx是指燃料中的含氮化合物在燃燒過程中分解氧化生成的NOx。燃料型NOx的生成路徑通常為復(fù)雜的多步反應(yīng)，在圖2中以虛線簡化表示。由于天然氣是氣體燃料，主要成分是甲烷(約85%)，燃料氮的含量很少[3]，并且在燃燒過程中易與空氣均勻混合，燃燒溫度較高，因此天然氣燃燒生成的NOx主要以熱力型NOx為主[11]。有研究顯示在旋流擴(kuò)散燃燒火焰中，快速型NOx的生成量也占有較大比重[12]。

1.2 NO還原機(jī)理

Myerson等人[13]發(fā)現(xiàn)，燃料燃燒分解生成的碳?xì)渥杂苫鶗?huì)與NO快速發(fā)生還原反應(yīng)生成N2。事實(shí)上，在天然氣燃燒過程中，NO的生成反應(yīng)與還原反應(yīng)是同時(shí)發(fā)生的，只是在不同反應(yīng)條件下，各反應(yīng)發(fā)生的難易程度不同。圖2簡要概括了甲烷燃燒過程中NO的主要還原路徑[5]。

圖2 甲烷燃燒過程中NO的主要還原路徑[5]

甲烷燃燒過程中NO的還原反應(yīng)可簡單概括為3步：首先，燃?xì)馊紵纸馍蒀H3，CH2，HCCO等碳?xì)渥杂苫?；隨后碳?xì)渥杂苫杆倥cNO發(fā)生反應(yīng)生成HCN，HCNO等氰化物；最后氰化物與異氰酸或胺類反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為N2或NO。總反應(yīng)式如下

(11)

(12)

此外，燃燒生成的CO也會(huì)與NO發(fā)生還原反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下

(13)

2 低氮燃燒技術(shù)

影響NOx生成的因素主要有火焰溫度、反應(yīng)區(qū)氧濃度、氣體在高溫區(qū)停留時(shí)間以及燃?xì)馀c空氣的混合均勻度等。因此，為降低天然氣燃燒過程中NOx的生成量，可采取降低燃燒溫度，減少氧氣濃度，縮短反應(yīng)時(shí)間，改善燃?xì)馀c空氣的混合條件等措施。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，如今常見的天然氣低氮燃燒技術(shù)有分級(jí)燃燒、貧燃預(yù)混燃燒、煙氣再循環(huán)、MILD燃燒、催化燃燒等。

2.1 分級(jí)燃燒

分級(jí)燃燒是指將空氣或燃料按照一定比例分層級(jí)、分次序送入燃燒室參與燃燒，分為空氣分級(jí)和燃料分級(jí)。

空氣分級(jí)首先在第一級(jí)送入部分空氣營造貧氧還原性氣氛，降低氧氣濃度和燃燒溫度以減少熱力型NOx的生成；在第二級(jí)送入剩余空氣營造富氧氣氛，使第一級(jí)未燃盡的天然氣和中間產(chǎn)物完全燃燒，提高燃盡率。空氣分級(jí)燃燒技術(shù)已廣泛用于鍋爐的低NOx改造當(dāng)中，通?？蓪⒌趸锏呐欧帕繙p少約20%～30%[14]。王超偉等人[15]利用CHEMKIN軟件研究了空氣分級(jí)對(duì)NOx排放特性的影響，結(jié)果顯示當(dāng)主燃區(qū)處于高溫強(qiáng)還原氣氛時(shí)(主燃區(qū)溫度大于1 873 K，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)小于0.8)，NOx生成反應(yīng)能夠被有效抑制，增大燃盡風(fēng)率可以減少NOx生成量。

燃料分級(jí)燃燒技術(shù)也稱作燃料再燃技術(shù)。其基本原理是抽取10%～20%的燃?xì)庾鳛槎?jí)燃料送入燃燒室，利用碳?xì)渥杂苫cNO的還原反應(yīng)將一級(jí)燃燒區(qū)生成的NO還原為N2。研究表明，采用燃料分級(jí)燃燒技術(shù)一般可使NOx排放濃度降低50%～70%[16]。這是由于燃料分級(jí)使二級(jí)燃燒區(qū)的碳?xì)渥杂苫癈O等還原性物質(zhì)的質(zhì)量濃度更高，NO更容易被還原成N2。燃料分級(jí)技術(shù)常用于低氮燃?xì)馊紵髦?，設(shè)計(jì)燃?xì)夥旨?jí)燃燒器的關(guān)鍵是控制好各級(jí)燃?xì)獾姆峙浔壤捌渑c空氣的快速混合。按照分級(jí)方向不同，燃?xì)夥旨?jí)可分為軸向分級(jí)、徑向分級(jí)和周向分級(jí)。高質(zhì)量的燃?xì)夥旨?jí)可在空間中形成中心燃燒區(qū)、外側(cè)還原區(qū)和末尾燃盡區(qū)，各級(jí)燃?xì)庠谙鄳?yīng)區(qū)域內(nèi)與空氣快速混合，火焰沿軸向、徑向?qū)訉觽鬟f實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒。消除燃?xì)饩奂瘏^(qū)域，避免局部高溫，達(dá)到穩(wěn)定燃燒降低NOx排放的目的。

二次燃料比例以及二次燃料與主燃區(qū)高溫?zé)煔獾幕旌锨闆r對(duì)燃料分級(jí)燃燒的NOx生成量有很大影響。宋少鵬等人[17]在一臺(tái)1.4 MW的燃?xì)庹羝仩t上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在50%負(fù)荷下，當(dāng)二次燃料比例提高到80%時(shí)，NOx生成量可減少67%。周昊航等人[18]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二次燃料比例達(dá)到20.83%時(shí)，天然氣燃燒煙氣中NOx含量可減少21.91%，但過高的二次燃料比例會(huì)造成燃料燃燒不完全，導(dǎo)致煙氣中CO含量升高，如圖3所示。Hasan Karim等人[19]指出NOx排放量并不一直隨著二次燃料比例的增加而降低，當(dāng)二次燃料比例過高時(shí)，NOx排放量會(huì)有所增加，存在一個(gè)最佳二次燃料比例使NOx排放量達(dá)到最低。Vera Hoferichter等人[20]通過模擬燃料分級(jí)燃燒發(fā)現(xiàn)，二次燃料與主流高溫?zé)煔獾母咝Щ旌夏軌蛴行б种苹鹧嫦掠蜰Ox的生成。如果二次燃料與主燃區(qū)高溫?zé)煔膺^早混合，則會(huì)減弱燃料分級(jí)的效果，使主燃區(qū)溫度升高，導(dǎo)致熱力型NOx大量生成；如果二次燃料與主燃區(qū)高溫?zé)煔饣旌喜患皶r(shí)，則會(huì)使二次燃料燃燒不完全，造成CO排放量升高?？梢?，確定最佳的燃料分配比例以及燃料在空間中的組織方式對(duì)降低燃料分級(jí)燃燒NOx排放量尤為重要。

圖3 二次燃料比例對(duì)NOx及CO生成量的影響[18]

2.2 貧燃預(yù)混燃燒

貧燃預(yù)混燃燒是指預(yù)先將燃?xì)馀c過量空氣充分混合，再將混合氣送入燃燒室進(jìn)行燃燒。通過摻混大量空氣，降低燃燒溫度，減少NOx的生成[21]。與擴(kuò)散燃燒相比，預(yù)混燃燒的反應(yīng)氣混合充分，燃燒強(qiáng)度大，爐膛內(nèi)溫度分布更加均勻，可使NOx的生成量最高降低85%～90%[11]。預(yù)混燃燒能夠?qū)崿F(xiàn)燃料的完全燃燒，兼顧了NOx和CO的低排放要求。

貧燃預(yù)混燃燒的優(yōu)勢(shì)在于可以通過調(diào)節(jié)當(dāng)量比實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒溫度的有效控制，進(jìn)而控制NOx的生成[22]。柳偉杰等人[23]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)燃空當(dāng)量比由1.0減小至0.8時(shí)，燃燒室出口煙氣溫度由1 280 K下降至1 110 K。許洪雪[24]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)氣充分混合的情況下，煙氣中NOx含量隨燃空當(dāng)量比的增大顯著增加，如圖4所示，當(dāng)燃空當(dāng)量比由0.66增大到0.84時(shí)，煙氣NOx含量迅速由16 ppm增加到147 ppm，這是由于增大燃空當(dāng)量比導(dǎo)致燃燒溫度升高，加快了熱力型NOx的生成。除了當(dāng)量比，燃?xì)馀c空氣的混合均勻度也影響著預(yù)混燃燒的NOx生成量。趙巖[25]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著預(yù)混均勻度的提升，OH/OH*的分布變得更加均勻，說明溫度場(chǎng)中的主要釋熱區(qū)分布均勻，消除了局部高溫區(qū)，從而減少了NOx的生成量。Boehman等人[26]研究了預(yù)混氣體在催化條件下的燃燒性能，指出在預(yù)混燃燒中引入催化反應(yīng)可降低NOx排放對(duì)混合均勻度的敏感性。

圖4 燃空當(dāng)量比對(duì)NOx生成量及燃燒溫度的影響[24]

由于貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)要求燃燒在偏離理論當(dāng)量比下進(jìn)行(燃空當(dāng)量比<1)，因此容易發(fā)生回火、吹熄、振蕩燃燒等不穩(wěn)定現(xiàn)象，影響鍋爐的正常工作，存在安全隱患。Cohen等人[27]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合氣體當(dāng)量比接近貧燃熄火極限時(shí)，熱聲振蕩會(huì)引起火焰間歇脈動(dòng)，造成燃燒不穩(wěn)定。此外，較大的過量空氣系數(shù)使得鍋爐的排煙熱損失增加，降低了鍋爐效率。以上缺點(diǎn)限制了貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用[28]。

2.3 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)是指抽取部分燃燒生成的煙氣再次送入反應(yīng)區(qū)參與燃燒。燃?xì)忮仩t煙氣的主要成分是H2O、CO2等，煙氣的加入可以降低主燃區(qū)的平均溫度，稀釋空氣降低氧氣分壓，抑制熱力型NOx的生成；同時(shí)通入煙氣可以稀釋燃?xì)鉂舛?、增?qiáng)湍動(dòng)、促進(jìn)燃?xì)馀c空氣的混合，減少快速型NOx的生成。根據(jù)循環(huán)路徑不同，煙氣再循環(huán)分為內(nèi)部再循環(huán)和外部再循環(huán)。內(nèi)部再循環(huán)是通過燃燒器及爐膛內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(如旋流、鈍體擾流、高速射流卷吸等)，利用氣體動(dòng)力學(xué)使煙氣在爐膛內(nèi)產(chǎn)生回流完成自循環(huán)，圖5(a)為旋流燃燒器煙氣內(nèi)部再循環(huán)原理示意圖。外部再循環(huán)則是利用風(fēng)機(jī)和管道從尾部煙道抽取煙氣通過燃燒器送入燃燒室，如圖5(b)所示[29]。

圖5 煙氣再循環(huán)示意圖

Baltasar等人[30]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，天然氣燃燒采用煙氣外部再循環(huán)后，NOx的生成量可以降低70%，指出煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx的抑制效果具有顯著影響。楊禹坤[31]針對(duì)某0.35 MW燃?xì)鉄崴疇t研發(fā)了一套煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，測(cè)試發(fā)現(xiàn)煙氣再循環(huán)率每增加5%，爐膛內(nèi)的燃燒溫度下降約40 K；當(dāng)煙氣再循環(huán)率達(dá)到20%時(shí)，煙氣中NOx含量下降64.5%。安文旗等人[32]在某350 kW臥式燃?xì)忮仩t上進(jìn)行外部煙氣再循環(huán)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過量空氣系數(shù)接近1時(shí)，煙氣再循環(huán)對(duì)NOx的抑制效果最為明顯。但煙氣再循環(huán)率不宜過大，過量的煙氣再循環(huán)可能會(huì)導(dǎo)致爐溫下降過多，造成燃燒不穩(wěn)定，同時(shí)由于空氣流速增大，造成燃燒不完全。曾強(qiáng)[29]在一臺(tái)臥式內(nèi)燃天然氣蒸汽鍋爐上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時(shí)，NOx排放減少59%。但同時(shí)由于大量煙氣稀釋導(dǎo)致O2體積分?jǐn)?shù)降低，天然氣燃燒不完全，煙氣中CO含量開始增加(如圖6)，當(dāng)煙氣再循環(huán)率增大到30%時(shí)，鍋爐燃燒不穩(wěn)定，火焰溫度劇烈變化。因此煙氣再循環(huán)率宜選擇在10%～20%之間。

圖6 煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx，CO及O2濃度的影響[29]

2.4 MILD燃燒

MILD燃燒(Moderate and Intense Low Oxygen Dilution)又稱無焰燃燒或無焰氧化(Flameless Oxidation，F(xiàn)LOX)，是一種低氧條件下形成的溫和燃燒方式。與傳統(tǒng)燃燒相比，MILD燃燒過程中沒有明顯的火焰前沿鋒面。得益于燃燒區(qū)域的低氧氣濃度(2%～20%)和均勻的溫度分布[22]，MILD燃燒在抑制NOx生成方面效果突出。同時(shí)，由于在燃燒過程中充分利用煙氣余熱來加熱反應(yīng)物，MILD燃燒可以大大提高鍋爐的熱效率并且降低不完全燃燒熱損失。

很多學(xué)者對(duì)MILD燃燒的形成原因進(jìn)行了研究。日本和德國的學(xué)者[33]最先發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣預(yù)熱溫度達(dá)到1 600 K，射流速度增加至90 m/s時(shí)，火焰鋒面消失，但煙氣中O2濃度降低，說明燃燒過程沒有停止。Cavaliere等人[34]指出高煙氣循環(huán)率、低氧氣濃度、高溫預(yù)熱空氣是甲烷實(shí)現(xiàn)MILD燃燒的關(guān)鍵。圖7是北京大學(xué)拍攝的傳統(tǒng)燃燒狀態(tài)與MILD燃燒狀態(tài)的對(duì)比照片[35]。在MILD燃燒過程中，高溫?zé)峤鈪^(qū)域大幅縮小，而反應(yīng)區(qū)域得到延展，甚至充滿整個(gè)爐膛[36]。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，常溫或低溫預(yù)熱空氣在特定條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)MILD燃燒，而不需高溫預(yù)熱空氣。米建春等人[37]的研究顯示，當(dāng)射流動(dòng)量足夠大時(shí)，天然氣在常溫空氣條件下也能實(shí)現(xiàn)MILD燃燒。林其釗、李鵬飛等人[38-39]也在常溫空氣條件下實(shí)現(xiàn)了MILD燃燒，大大降低了MILD燃燒的形成條件。

圖7 傳統(tǒng)燃燒(a)與MILD燃燒(b)對(duì)比照片[35]

在低氮排放方面，Wuenning及C. Galletti等人[40-41]通過預(yù)熱空氣實(shí)現(xiàn)MILD燃燒，與傳統(tǒng)燃燒方式相比，NO排放量由1 000 ppm降低至30 ppm。朱彤等人[42]通過熱態(tài)燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)MILD燃燒的NOx排放量隨著反應(yīng)物射流速度的增加而減小，指出增大反應(yīng)物射流速度可以強(qiáng)化剪切卷吸作用，使反應(yīng)物得到快速稀釋并升溫，抑制熱力型NOx的生成。Gao等人[36]研究了不同空氣預(yù)熱溫度對(duì)MILD燃燒NOx排放的影響，結(jié)果顯示當(dāng)空氣預(yù)熱溫度由1 300 K增加至1 700 K時(shí)，NO生成速率顯著增加，煙氣中NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)峰值由8.39×10-6上升至4.31×10-5。Tu等人[43]對(duì)低溫預(yù)熱空氣(403 K)的天然氣MILD燃燒研究發(fā)現(xiàn)，相比于傳統(tǒng)燃燒，MILD燃燒的溫度場(chǎng)分布更加均勻，爐內(nèi)峰值溫度降低300 K以上，NO減排超過80%(如圖8)。

圖8 MILD燃燒與傳統(tǒng)燃燒NO生成量對(duì)比[43]

3.5 催化燃燒

催化燃燒概念最早由W. Pfefferl在1974年提出[44]。與傳統(tǒng)高溫火焰燃燒不同，催化燃燒是非均質(zhì)反應(yīng)，自由基在催化劑表面反應(yīng)[45]。傳統(tǒng)燃燒方式中甲烷的起燃溫度很高(>1 073 K)，直接燃燒溫度則達(dá)到1 873 K[46-47]。加入催化劑可以大大降低反應(yīng)所需的活化能(從100～200 kJ/mol降低至40～80 kJ/mol)、起燃溫度和完全轉(zhuǎn)化溫度，使甲烷在較低溫度下(773 K)實(shí)現(xiàn)完全氧化，從而減少NOx的生成[8]。甲烷完全催化氧化的反應(yīng)方程式為[48]

(14)

Feng等人[49]在多孔結(jié)構(gòu)催化劑(鈣鈦礦LaMn0.4Co0.6O3)上進(jìn)行天然氣貧燃預(yù)混燃燒試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，NOx排放量可保持在2 ppm以下。催化劑的性質(zhì)對(duì)催化燃燒效果至關(guān)重要，由于天然氣催化燃燒是一個(gè)強(qiáng)放熱過程，反應(yīng)產(chǎn)物中有大量的水，并且天然氣中還含有少量的硫等雜質(zhì)，這就要求天然氣催化燃燒催化劑在具有高催化活性的同時(shí)，還應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性和抗水抗硫性。按照活性組分的不同，天然氣催化燃燒催化劑可分為兩大類：貴金屬氧化物催化劑和非貴金屬氧化物催化劑。

貴金屬氧化物催化劑具有較低的起燃溫度(<873 K)和良好的低溫催化活性，其活性從小到大排列為：Ru

非貴金屬氧化物催化劑可分為鈣鈦礦型氧化物、六鋁酸鹽氧化物和過渡金屬氧化物等。鈣鈦礦型氧化物的低溫活性較低，研究發(fā)現(xiàn)通過摻雜金屬離子可提高鈣鈦礦型氧化物的催化活性[53]。六鋁酸鹽型催化劑的比表面積較小，低溫催化活性還有待提高[54]。鈣鈦礦型催化劑和六鋁酸鹽型催化劑都具有相對(duì)較好的高溫穩(wěn)定性，經(jīng)常被用于高溫催化燃燒(873～1 673 K)[8]。過渡金屬氧化物具有較好的甲烷催化活性，McCarthy等人[55]的研究結(jié)果顯示其催化活性從小到大排列為：Cr2O3

催化劑催化性能的不穩(wěn)定性阻礙了天然氣催化燃燒技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)具有高催化活性、低起燃溫度和良好穩(wěn)定性的催化劑仍是今后天然氣催化燃燒的研究重點(diǎn)。

2.6 不同低氮燃燒技術(shù)對(duì)比

表1總結(jié)了目前常見的天然氣低NOx燃燒技術(shù)的減排效果及其局限性。分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)已廣泛用于工程實(shí)踐，常用于現(xiàn)有鍋爐的低氮改造，貧燃預(yù)混燃燒具有出色的NOx減排效果。由于這些燃燒技術(shù)都要求燃燒反應(yīng)在偏離理論當(dāng)量比的條件下進(jìn)行，燃?xì)馀c空氣配比不均衡、燃燒反應(yīng)逼近熄燃極限、煙氣壓力脈動(dòng)等因素常引發(fā)火焰熄滅，燃?xì)馊紵煌耆纫幌盗腥紵环€(wěn)定問題，因此低氮燃燒、穩(wěn)定燃燒以及燃料完全燃燒之間的協(xié)同研究將是今后的研究重點(diǎn)；MILD燃燒作為新興的低氮燃燒方式，具有優(yōu)良的NOx減排效果，但其反應(yīng)機(jī)理與燃燒特性還需進(jìn)一步研究驗(yàn)證；催化燃燒尚未進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，目前催化劑性能依然是阻礙天然氣催化燃燒技術(shù)發(fā)展的一大難題。

表1 天然氣低NOx燃燒技術(shù)減排效果及局限性

3 結(jié)語

(1)天然氣燃燒生成的NOx主要是熱力型NOx。影響熱力型NOx生成量的關(guān)鍵因素有反應(yīng)溫度、氧氣濃度以及反應(yīng)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間。針對(duì)熱力型NOx的生成機(jī)理，降低反應(yīng)溫度、控制氧氣濃度，縮短反應(yīng)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間成為了減少NOx排放的有效手段。由此發(fā)展出了分級(jí)燃燒、貧燃預(yù)混燃燒、煙氣再循環(huán)、MILD燃燒、催化燃燒等低氮燃燒技術(shù)。

(2)工程實(shí)踐中常用的分級(jí)燃燒、貧燃預(yù)混燃燒、煙氣再循環(huán)等技術(shù)都是通過調(diào)整反應(yīng)區(qū)燃?xì)馀c空氣的當(dāng)量比，營造不利于NOx生成的反應(yīng)氣氛來控制NOx排放。但同時(shí)這些措施也會(huì)引起燃燒不穩(wěn)定、熱效率低等問題。因此，低氮燃燒、穩(wěn)定燃燒以及燃料完全燃燒之間的協(xié)同研究將是今后的研究方向。

(3)MILD燃燒、催化燃燒等新興技術(shù)具有優(yōu)良的低氮燃燒特性，但其反應(yīng)機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。降低MILD燃燒的形成條件、開發(fā)高活性和高穩(wěn)定性的催化劑仍是目前的研究重點(diǎn)。