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)較大超標比例和區(qū)域性長時間嚴重超標情況，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)驗表明，控制區(qū)域性PM2.5污染是一項難度非常大的系統(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，特別是重污染時段PM2.5中二次粒子比例較常規(guī)時段明顯增加。有觀測數(shù)據(jù)表明，重污染發(fā)生時PM2.5與NOx的環(huán)境質(zhì)量濃度變化呈現(xiàn)強相關(guān)、同步變化的特征。

NOx是PM2.5的重要前體物，在形成過程中有兩個作用：一是反應(yīng)生成的NO3-是二次粒子的重要化學組分；二是通過光解鏈式反應(yīng)生成O3-，增加大氣氧化性，提供將SOx、NOx氧化生成SO42-和NO3-的氧化劑。美國加州利用CAMQ模型模擬削減一次排放的NOx對PM2.5的影響，結(jié)果是每減少1噸NOx排放可減少約0.13噸PM2.5。北京最新研究結(jié)果表明，二次粒子是目前PM2.5的主要貢獻者，且比2000年有明顯上升，主要成分為水溶性離子（占53%）、地殼元素（占22%）、有機質(zhì)（占20%）和元素碳（占3%），其他未知元素約占2%，且NO3-/SO42-比例關(guān)系呈現(xiàn)增加趨勢。水溶性離子中以SO42-、NO3-和NH4+為主，三者之和（SNA）占PM2.5的比例平均近50%，SNA的濃度貢獻是造成PM2.5污染的主要原因。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、低氮燃燒機理及技術(shù)研究
1、甲烷-空氣燃燒過程氮化學基本原理
燃燒理論將NOx的生成分為熱力型NOx（ThermalNOx）、快速型NOx（PromptNOx）和燃料型NOx（FuelNOx）。天然氣中含氮量較低，因此，燃料型NOx不是其主要的控制類型。熱力型NOx是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化生成NOx。關(guān)于熱力型NOx的生成機理一般采用捷里道維奇機理：當溫度低于1500℃時，熱力NOx的生成量很少；高于1500℃時，溫度每升高100℃，反應(yīng)速度將增大6~7倍。在實際燃燒過程中，由于燃燒室內(nèi)的溫度分布是不均勻的，如果有局部高溫區(qū)，則在這些區(qū)域會生成較多的NOx，它可能會對整個燃燒室內(nèi)的NOx生成起關(guān)鍵性的作用。快速型NOx在碳氫燃料燃燒且富燃料的情況下，反應(yīng)區(qū)會快速生成NOx。在實際的燃燒過程中各種因素是單獨變化的，許多參數(shù)均處于不斷的變化中，即使是最簡單的氣體燃料的燃燒，也要經(jīng)歷燃料和空氣相混合，燃燒產(chǎn)生煙氣，直到最后離開爐膛。爐膛的溫度、燃料和空氣的混合程度、煙氣在爐內(nèi)停留時間等這些對NOx排放有較大影響的參數(shù)均處于不斷的變化之中。 
燃料和空氣混合物進入爐膛后，由于受到周圍高溫煙氣的對流和輻射加熱，混合物氣流溫度很快上升。當達到著火溫度時，燃料開始燃燒，這時溫度急劇上升到近于絕熱溫度水平。同時，由于煙氣與周圍介質(zhì)間的對流和輻射換熱，溫度逐漸降低，直到與周圍介質(zhì)溫度相同，也即煙氣邊冷卻邊流過整個爐膛。由此可見，爐內(nèi)的火焰溫度分布實際上是不均勻的。通常，離燃燒器出口一定距離處的溫度最高，在其前后的溫度都較低，即存在局部高溫區(qū)。由于該區(qū)的溫度要比爐內(nèi)平均溫度水平高得多，因此它對NOx生成量有很大的影響：溫度越高，NOx生成量越多。因此，在爐膛中，為了抑制NOx的生成，除了降低爐內(nèi)平均溫度外，還必須設(shè)法使爐內(nèi)溫度分布均勻，避免局部高溫。

2、國內(nèi)外燃氣工業(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。燃燒溫度在當量比為1的情況下達到最高，在貧燃或者富燃的情況下進行燃燒，燃燒溫度會下降很多。運用該原理開發(fā)出了分級燃燒技術(shù)。 
空氣分級燃燒第一級是富燃料燃燒，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，第一級為燃料稀相燃燒，而在第二級加入燃料使得當量比達到要求的數(shù)值。這兩種方法最終將會使整個系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)保持一個定值，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燃之前燃料與氧化劑在分子層面上完全混合。對于控制NOx的生成，這項技術(shù)的優(yōu)點是可以通過當量比的完全控制實現(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，完全預(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：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；同時加入的煙氣降低了氧氣的分壓，這將減弱氧氣與氮氣生成熱力型NOx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)風機電耗也將增加。
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。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)達到循環(huán)效果。
通過運用一個旋流器或者切向氣流進口來生成一個有切向速度的氣流，旋轉(zhuǎn)過程即產(chǎn)生了渦流。渦流的強度可以用一個無量綱數(shù)旋流度S表示。當旋流度超過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火，同時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辦法就是盡可能快和多的加強火焰對外的傳熱。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了。實驗表明，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比較低的活化能在催化劑表面進行反應(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。催化燃燒的缺點就是必須保證活性表面在一個比較低的溫度下不被氧化或蒸發(fā)，且催化劑造價相對較高，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)混燃燒和擴散燃燒，其主要特點包括：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色，有碳煙產(chǎn)生時為黃色）；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。 
為了建立一個火焰，燃料與氧化劑之比必須在可燃極限之內(nèi)，同時需要點火裝置。一般情況下，火焰在點燃以后一般自己充當點火器，對來流進行點火。這就需要足夠高的火焰溫度來達到最小點火能量，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接近于零排放。
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（比如強渦）。
 
三、全預(yù)混表面燃燒技術(shù)降低NOx排放的可行性及實現(xiàn)方式
“全預(yù)混金屬纖維表面燃燒技術(shù)”將空氣和天然氣在進入燃燒室之前按比例完全混合，使天然氣充分燃燒的同時，降低火焰溫度以減少NOx的產(chǎn)生，使NOx在運行工況下最高排放可控制到30ppm以下；同時還降低空氣的需求量，提高煙氣的露點，使煙氣盡早進入冷凝階段，以進一步提高燃燒效率。
國外的金屬纖維燃燒器產(chǎn)品已經(jīng)有多年的應(yīng)用經(jīng)驗，并且配套了鑄鋁等高效率的換熱結(jié)構(gòu)，排放效果毋庸置疑；但也存在必須在其配套換熱器中才能達到排放效果的弊端；在低氮排放要求下，傳統(tǒng)的燃燒機面臨必須更換的尷尬局面，而昂貴的新裝備無疑也帶來了不菲的使用成本。