摘 要：氮氧化物是大气中最常见的污染源，在酸雨与酸雾形成方面发挥着重要的作用，同样也是PM2.5二次颗粒物不可或缺的前驱物之一。近年来，伴随生态环境污染程度的不断增加，国内绝大多数区域的雾霾问题明显，严重危害了人们的身体健康。而天然气的燃烧也是氮氧化物污染的主要来源之一，基于此，文章将天然气供热锅炉作为重点研究对象，阐述低氮燃烧技术的应用现状，希望有所帮助。
关键词：天然气；供热锅炉；低氮燃烧技术；现状；研究
一般情况下，氮氧化物控制技术集中表现为低氮燃烧技术和烟气处理技术。前者指的就是在燃烧的过程中对生成的氮氧化物加以控制，后者指的则是处理胃部烟气当中的氮氧化物，进而达到降低污染物的排放量。虽然烟气处理技术同样具有一定的可行性，但是在初期需要投入大量成本，在应用供热锅炉方面，并不具备经济性。由此可见，深入研究并分析天然气供热锅炉低氮燃烧技术的应用现状十分有必要。
1 生成氮氧化物的机理研究
通常，氮氧化物机理包括五种类型，即热力型、快速型、燃料型、氧化氮中间型与NNH型。其中，天然气燃烧所形成的氮氧化物，其主要的来源就是热力型的氮氧化物[1]。所谓的热力型氮氧化物，具体指的就是在实际燃烧的过程中，空气当中所含有的氮气会在高温的作用下发生氧化，进而产生氮氧化物。针对热力型的氮氧化物生成机理，集中表现为泽尔多维奇机理。
当处于高温燃烧状态的时候，热力型氮氧化物就会发挥其支配性的作用，特别是温度条件，是生成氮氧化物不可或缺的支配变量。在温度不超过1500摄氏度的情况下，所产生的热力氮氧化物量并不多。一旦温度超过1500摄氏度，每升高100摄氏度的温度，实际的反应速度都会增加6-7倍左右。需要注意的是，燃烧的整个过程中，因室内温度处于均匀分布的状态，一旦存在局部高温的区域，必然会产生大量的氮氧化物，直接关乎室内氮氧化物生成的效果。在这种情况下，要想有效抑制炉膛内部生成的氮氧化物量，不仅要使其内部温度下降，同样也要求炉内的温度分布处于均匀的状态，以免出现局部高温的情况[2]。
在此基础上，當天然气处于燃烧的状态，快速型氮氧化物的生成量也不可忽视。其中，快速型氮氧化物机理和碳氢化合物燃烧化学的联系紧密。一般情况下，描述快速型氮氧化物的机理集中表现为碳氢自由基和氮分子发生反应，进而生成氰基与胺化合物，在转变为中间体的基础上，生成氮氧化物。
2 天然气供热锅炉低氮燃烧技术的应用现状研究
2.1 贫燃预混燃烧技术的应用
根据燃烧的方式，可以将燃烧过程细化成扩散燃烧与预混燃烧两种。其中，扩散燃烧所指的就是在燃料点燃之前，没有和氧化剂混合，出现了一边扩散一边反应的现象。而预混燃烧则是在点燃混合物之前，和氧化剂实现分子层混合。较之于扩散燃烧，预混燃烧最明显的优势就是燃烧的温度高且强度理想。在控制生成氮氧化物方面，预混燃烧技术具有一定的可操作性，主要是控制当量比，以保证燃烧温度受到有效控制，在热力型氮氧化物生成量控制方面发挥着重要的作用。在实践过程中发现，控制氮氧化物生成量方面，部分预混与预混燃烧的潜在优势较大。但仍需注意的是，影响预混燃烧技术推广应用的主要原因就是安全性。因为预混气体的可燃性极高，所以很容易引起回火的危害，而且燃烧不稳定性也相对较高[3]。除此之外，该技术应用的不足之处就是过量空气系数偏高，使得排烟的损失不断提高，对锅炉运行的效率产生了不利的影响。
2.2 无焰燃烧技术的应用
对于传统火焰燃烧而言，具体表现在预混燃烧与扩散燃烧两个方面。这种技术的基本特征有三个方面：
①在高温条件之下，燃料会和氧化剂发生反应，且温度越高，越能够为火焰稳定性提供保障；②火焰面是可视的。其中，甲烷燃烧火焰是蓝色，一旦生成碳烟就会以黄色显现出来；③绝大部分燃料会在薄火焰层的内部燃烧，然而，燃烧反应通常都会在下游区域且不可见条件下燃烧。
学者wuenningJ.G通过实验室观察发现某种无焰燃烧现象。如果天然气锅炉内部的温度是1000摄氏度，而在空气预热至650摄氏度条件之下，就会在无焰状态实现燃料的燃烧，且一氧化碳不超过1ppm，而氮氧化物的排放量与零接近。
无焰燃烧通常也被称作是MILD燃烧，具体指的就是低氧稀释条件的温和燃烧状态。最明显的特征就是反应的速率不高，且在局部存在释放少量热量的情况，燃烧的峰值温度不高，所产生的噪音也不大。要想保证火焰的稳定性，要求在可视燃烧形式下，燃烧以后形成烟气回流。而在无焰燃烧中，烟气的回流会在燃烧前出现，也存在于燃烧器当中。在实现混合的基础上，当燃料已经处于自燃的温度，锅炉的炉膛内部就会出现燃烧现象。
2.3 烟气再循环技术的应用
为减少氮氧化物的生成量，可以将烟气引入到火焰区域。其中，在烟气加入以后会吸收热量，使得燃烧的温度下降。与此同时，烟气还能够使氧气分压下降，在热力型氮氧化物量减少方面发挥着重要的作用，有效地缓解了氮氧化物的生成量。在此基础上，加入烟气以后，空气的运动速度也明显加快，使得空气和燃料相互混合，使快速型氮氧化物的生成量下降。一般情况下，烟气再循环技术的应用体现在两个方面，即外部烟气和内部烟气的再循环。
所谓的外部烟气再循环技术，具体指的就是在天然气锅炉出口位置排出烟气，并且借助外部管道，与燃烧器的空气入口相互连接。在燃烧器的作用下，会再次进入到炉膛内部并完成燃烧。
近年来，已经有大量学者深入研究了烟气再循环技术。其中，Baltasar等专家通过实验室研究，对烟气再循环在天然气燃烧火焰稳定性方面和排放特性方面产生的影响，并且了解到，外部烟气再循环能够使实际生成的氮氧化物量下降70%。除此之外，在氮氧化物排放量下降的基础上，一氧化碳的排放量也未提高。在此基础上，也有相关学者针对烟气稀释空气和燃料对于产生氮氧化物的影响作出了深入地探究，并了解到，在比热差异的作用之下，二氧化碳这一稀释剂，较之于氮气而言，能够更有效地减少氮氧化物的产生量。即便稀释燃料侧和空气侧，同样能够达到减少氮氧化物产生量的目标。我国专家杨伟杰等人在开展烟气加入燃烧器再循环实验的过程中，了解到这种方式能够减少氮氧化物的排放量，并且可以实现过量空气系数下降目标，为燃烧效率的全面提高奠定了坚实的基础。
现阶段，外部烟气再循环和高温空气燃烧技术以及富氧燃烧技术实现了有效融合，并且在实践应用中取得了理想的成果。但应正确认知的是，外部烟气再循环会影响天然气锅炉的运行。究其原因，烟气再循环会引进烟气，使得炉膛内部的温度下降。在这种情况下，烟气的流动速度就会随之加快，使得炉膛和各个受热面热量分配发生变化，直接影响了锅炉运行的效率。特别是在实践当中，烟气再循环会提高空气的流速，所以燃烧现象更加不稳定。
对于内部烟气再循环而言，具体指的就是在锅炉炉膛内部的烟气回流至燃烧区域，并参与到反应过程中。其中，在燃烧器和炉膛结构设计的基础上，烟气会在气体动力学的作用下出现回流情况。而且，内部烟气再循环会通过诸多形式发生，在工业设备当中的应用最为常见。
3 结束语
综上所述，生成氮氧化物的机理十分复杂，在还原方面也存在极大的难度，很容易受到混合与流动因素的影响。其中，快速型氮氧化物在生成机理中占据关键性地位。在工业领域发展的过程中，空气分级燃烧应用十分广泛，再燃使得氮氧化物的排放量明显下降，所以此技术未来应用前景广阔。但是，贫燃预混技术因燃烧缺乏稳定性，对锅炉运行效率产生影响，所以仍有待完善。烟气再循环技术具有理想的减排效果，且实际运行成本投入不高，与锅炉改造需求相适应。最后，无焰燃烧同样也是低氮燃烧技术未来发展的主要方向。由此可见，在天然气供热锅炉实际运行的过程中，一定要有效融合低氮氧化物燃烧器和相关性技术，进而获取可观应用效果。
参考文献：
[1]潘栋，王春昌，丹慧杰，等.W火焰锅炉低氮燃烧改造策略分析[J].热力发电，2013（12）：137-140.
[2]曹勤峰，敬小磊，员盼锋，等.对冲燃烧锅炉低氮燃烧技术的研究[J].华东电力，2014（7）：1506-1508.
[3]曹勤峰，敬小磊，员盼锋，等.“天然气锅炉低氮燃烧技术研讨会”在北京召开[J].节能与环保，2016（3）：70.