天然氣低氮氧化物燃燒研究進(jìn)展與展望

靳蘇毅，王登輝，惠世恩，劉長春

(1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(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Γ俏覈茉崔D(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對人體眼睛和呼吸道具有刺激作用，同時也會形成光化學(xué)煙霧或酸雨，對大氣造成危害。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NOx排放的重視則相對較晚[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)的停留時間[4]。學(xué)者們根據(jù)NOx的生成機理，從燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行參數(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)用的有分級燃燒、旋流燃燒、煙氣再循環(huán)等，能實現(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的生成和還原機理，對比了不同低氮燃燒技術(shù)的動力學(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生成及還原機理

1.1 NO生成機理

按照NOx中氮的來源及生成機理不同，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——氣體摩爾常數(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在溫度較高時才會大量生成。當(dāng)溫度低于1 773 K時熱力型NOx的生成量很少；溫度高于1 773 K時，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]?？焖傩蚇Ox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^高時才會生成

(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還原機理

Myerson等人[13]發(fā)現(xiàn)，燃料燃燒分解生成的碳?xì)渥杂苫鶗cNO快速發(fā)生還原反應(yīng)生成N2。事實上，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 分級燃燒

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

空氣分級首先在第一級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；在第二級送入剩余空氣營造富氧氣氛，使第一級未燃盡的天然氣和中間產(chǎn)物完全燃燒，提高燃盡率?？諝夥旨壢紵夹g(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對NOx排放特性的影響，結(jié)果顯示當(dāng)主燃區(qū)處于高溫強還原氣氛時(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壢剂纤腿肴紵?，利用碳?xì)渥杂苫cNO的還原反應(yīng)將一級燃燒區(qū)生成的NO還原為N2。研究表明，采用燃料分級燃燒技術(shù)一般可使NOx排放濃度降低50%～70%[16]。這是由于燃料分級使二級燃燒區(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。燃料分級技術(shù)常用于低氮燃?xì)馊紵髦?，設(shè)計燃?xì)夥旨壢紵鞯年P(guān)鍵是控制好各級燃?xì)獾姆峙浔壤捌渑c空氣的快速混合。按照分級方向不同，燃?xì)夥旨壙煞譃檩S向分級、徑向分級和周向分級。高質(zhì)量的燃?xì)夥旨壙稍诳臻g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實現(xiàn)擴散燃燒。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對燃料分級燃燒的NOx生成量有很大影響。宋少鵬等人[17]在一臺1.4 MW的燃?xì)庹羝仩t上試驗發(fā)現(xiàn)，在50%負(fù)荷下，當(dāng)二次燃料比例提高到80%時，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，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，NOx排放量會有所增加，存在一個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，則會減弱燃料分級的效果，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，則會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降低燃料分級燃燒NOx排放量尤為重要。

圖3 二次燃料比例對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]。與擴散燃燒相比，預(yù)混燃燒的反應(yīng)氣混合充分，燃燒強度大，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)勢在于可以通過調(diào)節(jié)當(dāng)量比實現(xiàn)對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，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，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排放對混合均勻度的敏感性。

圖4 燃空當(dāng)量比對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，熱聲振蕩會引起火焰間歇脈動，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；同時通入煙氣可以稀釋燃?xì)鉂舛?、增強湍動、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(如旋流、鈍體擾流、高速射流卷吸等)，利用氣體動力學(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NOx的抑制效果具有顯著影響。楊禹坤[31]針對某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，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)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)過量空氣系數(shù)接近1時，煙氣再循環(huán)對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)可能會導(dǎo)致爐溫下降過多，造成燃燒不穩(wěn)定，同時由于空氣流速增大，造成燃燒不完全。曾強[29]在一臺臥式內(nèi)燃天然氣蒸汽鍋爐上試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時，NOx排放減少59%。但同時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，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，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，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)射流動量足夠大時，天然氣在常溫空氣條件下也能實現(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，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)混燃燒試驗發(fā)現(xiàn)，NOx排放量可保持在2 ppm以下。催化劑的性質(zhì)對催化燃燒效果至關(guān)重要，由于天然氣催化燃燒是一個強放熱過程，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，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。

2.6 不同低氮燃燒技術(shù)對比

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。分級燃燒、煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)已廣泛用于工程實踐，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；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)機理與燃燒特性還需進(jìn)一步研究驗證；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)的停留時間。針對熱力型NOx的生成機理，降低反應(yīng)溫度、控制氧氣濃度，縮短反應(yīng)物在高溫區(qū)的停留時間成為了減少NOx排放的有效手段。由此發(fā)展出了分級燃燒、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)工程實踐中常用的分級燃燒、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。但同時這些措施也會引起燃燒不穩(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。