引言我国生物质能资源十分丰富，年均生物质能总量折合约5亿吨标准煤，生物质能是全生命周期意义上的“零碳排放”能源[1-3]。发展生物质能是践行我国清洁低碳、安全高效现代能源理念，实现我国“双碳”目标的重要途径。可再生的生物质能在能源结构中的比重逐步提高，约占世界能源消费总量的10%[4]。预计到2050年，生物质能开发总量可达288×l08吨标准煤[5]。锅炉是重要的热能转换工业设备，能够为工艺生产提供热水或蒸汽。在提供相同热量的情况下，燃生物质锅炉的燃料费用仅高于燃煤锅炉，低于其他类型燃料[6]。在燃煤锅炉使用逐渐受到限制的背景下，生物质燃料锅炉发展前景广阔。空气质量对居民生产和生活具有很大影响，氮氧化物(NOx)作为常见的大气污染物，成为关注的焦点。生物质燃料含氮量一般为0.5%~1.5%[7]，但是在燃料燃烧中约80%(质量分数)的氮会转化为NOx[8]，传统锅炉氮氧化物排放浓度通常在400~800 mg/m3。我国NOx排放标准日趋严格，虽然采用SNCR、SCR、SNCR+SCR等传统脱硝技术，能够将氮氧化物排放浓度控制在50 mg/m3以内，但带来的锅炉受热面积灰、腐蚀、氨逃逸、运行成本增大等负面问题难以解决。因此，采用低氮燃烧技术从源头上控制氮氧化物初始排放浓度显得尤为重要。介绍生物质燃料锅炉低氮燃烧技术的原理及特点，论述国内外低氮燃烧技术研究现状，并对我国生物质燃料锅炉低氮燃烧技术的研究进行总结和展望。1低氮燃烧技术原理低氮燃烧技术主要通过控制炉内燃烧的方法降低NOx生成量。低氮燃烧技术主要包括低氮燃烧器、空气分级燃烧、低过量空气燃烧、烟气再循环技术、燃料分级技术等[9]，对生物质燃料锅炉低氮燃烧技术的研究主要集中在燃料再燃技术、空气分级燃烧、烟气再循环技术共3个方面[10]。1.1燃料再燃技术原理燃料再燃技术又被称为燃料分级燃烧技术，研发时间较早[11-12]。该技术将锅炉炉膛分为主燃区、再燃区、燃尽区共3个区域，燃料被分区域送入。燃料再燃技术的主要原理是在主燃区和燃尽区之间喷入二次燃料，在富燃料条件下形成还原性氛围的再燃区域。主燃区投入锅炉的主要燃料，一般占燃料总量的80%~90%，过量空气系数大于1，会产生以燃料型为主的大量NOx。高温烟气进入再燃区后，再燃区由于富燃料燃烧，会形成大量CH等还原性物质，在高温还原性氛围条件下将主燃区生成的NOx还原成N2，从而降低氮氧化物的排放。高温烟气进入再燃区后，在高温还原性氛围条件下，部分NOx被还原生成N2，有效降低了烟气中氮氧化物含量。烟气通过再燃区域后夹带少量未完全燃烧颗粒进入燃尽区，在燃尽区送入燃尽风，将未燃尽的燃料燃尽，燃尽区内过量空气系数大于1，由于燃尽区呈氧化性氛围，部分活性氮会在该区域被再次氧化，生成NOx，造成燃尽区出口NOx含量略高于再燃区出口。采用燃料分级燃烧技术的脱硝效率可达50%~70%[13-14]。燃料再燃技术为了取得良好的脱硝效果，要求再燃燃料应具有高挥发分性，生物质燃料挥发分高达70%[15]，再燃燃料具有很好的燃料特性优势；另外，要求燃料在再燃区的停留时间足够长，生物质锅炉设计时应采用大炉膛体积结构。1.2空气分级燃烧技术原理空气分级燃烧技术又被称为分级配风技术，指合理分配燃料燃烧所需氧量，并分阶段送入炉内主燃区和燃尽区，使燃料经过“富氧燃烧”和“缺氧燃烧”两个过程，在主燃烧区域，燃料在缺氧的情况下燃烧。因为主燃区内空气含量低，燃料在主燃区燃烧不完全，炉膛温度降低，抑制热力型NOx的生成，同时燃料燃烧不充分产生的还原性产物（如NH3和HCN），使炉膛内形成还原性气氛，已生成的NOx被还原，NOx总生成量得到减少。在燃尽区，燃料在富氧的情况下燃烧，燃尽区的火焰温度较低，新生成的NOx量很小。一般情况下，主燃区所需空气量占燃料空气总量的70%~85%。采用空气分级燃烧技术的脱硝效率可达30%~40%[16-17]。空气分级技术降低了主燃区的氧量，导致主燃区燃料燃烧不充分，增大了气体不完全燃烧损失，降低了锅炉热效率。同时不完全燃烧形成的还原性气氛，会增加主燃区腐蚀介质，造成受热面高温腐蚀及结焦[18]。1.3烟气再循环技术原理烟气再循环技术从锅炉的尾部烟道抽取一部分低温烟气，直接送入炉内或与一次风/二次风混合送入炉内。烟气再循环技术的核心是利用尾部烟气低温低氧的特点，将烟气喷入炉膛合适的部位，进而起到冷却锅炉和稀释炉内氧含量的作用，锅炉局部形成还原性气氛，NOx生成得到有效抑制。烟气再循环技术的经济性好，一般可以降低NOx初始排放浓度20%~40%[19]。烟气再循环率控制是降低NOx排放的关键。再循环率高会导致炉膛温度过低，导致燃烧不稳定，增加不完全燃烧热损失，影响锅炉效率；再循环率低会导致炉膛带入氧量和温度偏高，达不到脱硝效果。烟气再循环率一般应控制在10%~20%[20-21]。2低氮燃烧技术研究2.1燃料再燃技术研究Maly[22]等针对不同煤种煤粉、木屑生物质以及天然气的再燃燃料，在300 kW一维炉上开展再燃效果试验研究。研究表明，生物质再燃效果仅次于天然气，比煤粉再燃效果好。Liu[23]等研究发现，采用再燃技术基本不影响锅炉的正常运行。李至[24]等研究发现，生物质用于燃煤锅炉再燃，能够有效降低燃煤锅炉的NOx排放，理论减排量可达40%~90%。甄天雷[25]等开展生物质再燃脱硝特性实验。研究表明，杨木屑、花生壳、玉米秆及稻壳均为较好的再燃燃料，脱硝率可达60%~70%。多种燃料均可以作为再燃燃料，并能够达到一定的脱硝效果，实际应用中应综合考虑燃料和环境成本，以选取合适的再燃燃料，实现社会经济效益最大化。2.2空气分级燃烧技术研究Houshfar[26]等、Liu[27]等研究指出，空气分级技术对于含氮量较高的燃料十分有效，含N最高的生物质燃料中，N转化为NOx的转化率最低。罗永浩[28]等针对我国传统生物质炉型进行改进，提出“之”字形炉拱与空气分级相结合的方案。结果表明，改进后炉膛内还原区各气体组分得到充分混合，延长了气体停留时间，炉膛出口NOx浓度由改进前的246.1 mg/m3降至55.9 mg/m3，NOx排放浓度控制效果显著。研究证明传统敞开式炉膛结构存在的“烟囱流”是造成NOx和CO体积分数较高的根源。因此，根据生物质燃料的特性，在生物质锅炉结构优化的同时结合空气分级燃烧技术，NOX排放浓度控制能够取得较好的效果。孙禹[29]等、王帅超[30]、郭飞强[31]等研究指出，分级配风可以有效降低燃料氮向NO的转化率，且存在最佳配风比，但分级配风对燃料燃尽具有负面影响。因此，采用分级配风时，还要考虑配风比对锅炉效率的影响。2.3烟气再循环技术研究陆燕宁[32]等采用仿真计算方法对生物质往复式水冷炉排炉炉内燃烧开展研究，研究表明，采用二次风混合再循环烟气能够降低炉内燃烧温度和氧气含量，有效抑制热力型NOx的生成。郭欣维[33]等研究再循环烟气喷入炉膛位置对NOx排放的影响，研究表明，采用侧墙辅助烟气与下部风箱同时喷入，与传统一次风预混喷入相比，脱硝的效果更好。采用上下同时烟气再循环喷入方式的脱硝效果明显优于仅采用底部喷风方式，平均脱硝效率优化量达到6%。Zhou[34]等、刘健[35]研究发现，再循环率选择20%比较合理，此时能够有效降低NOx排放浓度。因此，采用烟气再循环技术能够有效降低氮氧化物浓度，关键是合理控制再循环率和确定再循环烟气喷入的位置。3结语低氮燃烧技术主要是通过控制炉内燃烧温度、氧浓度，达到降低NOx生成量的目的。综述燃料再燃技术、空气分级技术以及再循环烟气技术的研究进展，发现采用合适的再燃生物质燃料，优化锅炉结构，合理控制分级配风比和再循环率、优化再循环烟气喷入位置，均可以达到降低NOx排放的目的。但是，为了实现每种低氮燃烧技术应用的最佳排放效果，均具有一定条件限制，如要求最佳再燃比、最佳分级配风比等。因此今后的研究重点应放在燃烧全过程精准控制方面，以便根据锅炉实际运行工况，对烟气再循环量、配风量做到及时精准调控，保证锅炉始终处于最佳的低NOx排放状态。