综述：天然气锅炉低NOx燃烧技术研究与应用

《Energies》：Research and Application of Low-NOx Combustion Technologies for Natural-Gas-Fired Boilers: A Comprehensive Review

　　

天然气锅炉仍广泛用于建筑和工业供热，因此即使在能源系统脱碳的背景下，NO_x控制仍具有现实意义。本综述综合了关于分级燃烧、烟气再循环（FGR）、预混燃烧、富氧燃烧、加湿燃烧、催化燃烧、无焰/MILD燃烧及系统集成技术的已发表文献。证据表明，分级燃烧器和中等外部烟气再循环是最成熟的改造方案，而贫燃预混燃烧通常更适合新建或深度改造的中小型锅炉。加湿燃烧与余热回收相结合可在降低NO_x的同时提高总热量回收率，但必须考虑水处理、腐蚀、结垢及辅助动力需求。富氧燃烧/烟气再循环系统有利于CO₂捕集，但会增加制氧、气体循环和CO₂净化处理的负荷。掺氢燃烧在拓宽贫燃运行范围的同时会增加回火敏感性，并改变热力型NO_x（thermal-NO）和NNH路径中的化学机制。因此，清洁技术选择需在NO_x、CO、效率、稳定性、辅助资源、改造约束及长期可靠性之间进行综合权衡。

1. Introduction

1.1. Regulatory and Application Context

天然气在全球建筑和工业供热中仍占据重要地位。在能源脱碳进程中，天然气的需求随季节性变化而波动。例如，2025年美国建筑领域天然气消耗较暖冬年份上涨约9%。不同国家和地区的NO_x排放限值有所不同，且需与设备规格和报告基准相结合。欧盟空间供热锅炉法规将NO₂折算后以燃气输入总热值基准限定为56 mg/kWh；大型气体燃烧装置则根据干基和标准状态（3% O₂）限定。中国国家标准GB 13271-2014与北京地方标准DB11/139-2015等对新建和现有锅炉分别提出更严格限值。美国加州南海岸空气质量管理区法规采用基于3%O₂干基的volum浓度。因此，跨区域数据比较必须明确单位、氧含量、干湿基和标准状态。

1.2. NOx Formation and Control

针对燃气锅炉NO_x控制技术，分类上可按照供应链分为：燃烧前燃料/氧化剂处理、燃烧过程组织抑制燃烧，以及燃烧后烟气处理。理论上SCR、SNCR和在工业氧化吸收等在大型装置中成熟，但在小型锅炉中的可行性有限。天然气燃料氮含量低，NO_x主要来源于空气中的N₂。主要生成途径包括热力型NO_x、快速型NO_x、NNH路径和N₂O中间体路径。热力型NO_x的形成由高峰温度、氧原子有效性和高温停留时间决定；快速型NO_x与烃基CH与N₂反应有关。氢气掺混会改变火焰传播速度与活性基元，影响thermal，进而影响对NO_x生成路径。因此，降低NO₂的燃烧学设计必须聚焦于限制峰值温度和高τ均衡寿命时间，同时兼顾火焰稳定性与燃烧完整性。

1.3. Literature Search and Review Methodology

作者更新至2026年7月20日，检索了Web of Science、Scopus、ScienceDirect、Google Scholar等数据库中2000—2026年间出版的文献，并按阶段进行标题/摘要筛选和全文审阅。针对直接比较性证据要求具有明确的燃烧系统/燃料工况、标根，以及可靠的NO_x机制或性能数据。最终审阅了undefined份文献，按叙述性价比综合方式整理，并未对数据进行统计，而依据证据类型进行技术分类。

2. Low-NOx Combustion Technologies

2.1. Air-Staged Combustion

空气分级燃烧（ASC）是成熟的低NO_x技术，典型相对不燃的分级或常规基准可降低NO_x15–30%。其原理是将燃烧空气分配，主燃区域形成富燃、低温和欠氧区区，过火空气在下游完成燃尽。研究发现一次亏燃比在约0.70～0.85范围内降低时，NO_x下降，但总过量空气增加反而使NO值上升。提高燃料分级比会降低火焰率峰温度，但过量分级会引起不稳定和熄火，因此应结合负荷对热量释放、NO_x、CO和火焰稳定性进行联合优化，而非单纯最低NO_x。若需将浓度换算，则须考虑NO₂当量、标准状态和基准氧条件，否则保留原始数据，不作排序。

2.2. Fuel-Staged Combustion

燃料分级燃烧将燃料分两阶段引入：第一阶段形成稳定自然火焰；第二阶段注入燃料形成局部富还原区，使之前生成的NO_x还原。对燃气锅炉的压力级相关研究表明，燃料分级能有效降低NO_x，但效果取决于燃料预分配和还原区停留时间。部分研究中回燃区停留时间越长，不完全燃烧产物增多，并导致出口NO_x上升；注入枪几何和角度直接影响NO_x转化与CO燃尽，注入点延后可能降NO但急剧增加CO。由于天然气管网气几乎不含燃料氮，因此燃料分级主要通过温度、活性基、停留时间和减排相互作用起效。燃气轮机等内容仅用于机理类比，不直接代表常压锅炉行为。

2.3. Flue Gas Recirculation

烟气再循环（FGR）可以有外部FGR和内部FGR两种结构化形式。外部FGR是引出一部分烟道气到火焰区与空气或调和燃料混合，内部FGR则通过旋流、钝体等结构内部诱发烟反正回。不同文献所用“FGR比例”的定义差异很大，例如按回收流量除以新鲜空气、总氧化剂或排气流量，甚至采用多维再循环系数R。许多矛盾结果实际上源于这些定义，不可互换。一般而言，传统改造中相对稳健的FGR范围为10%-20%外部循环；进一步稀释会造成CO增加、氧亏损、风机功耗上升及失稳。而低NOx高循环非热室和MILD工况均属于另一类。应用FGR数据时必须明确指出比例定义、路径、燃烧器结构、工况、回火/熄火边界，才能正确对比。

2.4. Premixed Combustion

预混燃烧在气体与燃料气体进入主反应区前预先混合，从而形成匀相、紧凑和稳定的人类火焰。在返回至稳定贫燃窗口内，较之常规非预混基准颗粒，NO_x可降低约85%–90%。但其工作窗口相对更窄，主要原因对失火和回火更加敏感；喷入过早或过晚都会导致CO和/或高温不均，并影响火焰锚定。对于小型天然气锅炉，采用完全预混可实现超低NO_x，但目前需要依靠燃烧器结构和控制系统来兼顾低NO_x与运行安全。掺氢会改变燃烧可接受比例，燃烧速度变化加大回火风险，因此工程中应注意气种适配和燃烧室温度控制。

2.5. Oxy-Fuel Combustion

氧/燃油燃烧采用高纯度O₂替代空气，得到以CO₂为主的气体混合物，同时用CO₂或H₂O循环控制温度。烟气中的残余N₂气成为NO_x来源，因此系统密封要求极高。文献显示NO_x降幅度常报道为50%–80%，但这些值与空气作为基准及残余氮水平强相关。O₂含量影响燃烧长度和辐射特性影响明显；CO₂替换N₂会改变火焰熄灭和化学特征。水蒸气对氮化学反应亦有明显作用，但含氨燃料的实验结果可能只能作为机理证据。氧燃料系统的实际约束包括空分、循环风机、密封和CO₂压缩体积，因此更适合与碳捕集一同评估。

3. Emerging Technologies for Efficient NOx Reduction

3.1. Humidification Combustion

加湿燃烧向反应区引入水蒸气，增加气体热容量并稀释O₂，从而降低峰值温度并抑制热NO_x，同时回收排放烟气中的潜在热量。不同研究标识湿度增加后NO_x降低率大约在53%–82%之间，但湿度定义和基准宽差异。水蒸气增多会使锅炉排烟露点升高，提高凝换热热温度，进而可提升余热回收效率。但增湿同时引入水滴、结垢、腐蚀等问题，并需要水处理设施。其他稀释剂如CO₂、NN₂也具有降温作用，但不能完全等价，因为CO₂汽被容积和化学辐射作用更强，过度稀释会导致火焰不稳。

3.2. Catalytic Combustion

催化燃烧通过降低甲烷转化活化能，可在明显低于传统火焰温度条件下完成氧化，从而避免热力型NO_x产生。此外些催化燃烧器测试中NO_x低至2–5 ppm，但该值由具体催化体系实测、燃烧温度及最终指标版本定义决定。催化材料需平衡起燃温度、高值活性、热稳定性、抗毒性、压降和使用寿命：贵金属活性高但易烧结并昂贵；钙钛矿和六铝酸盐耐高温但起燃温度较高，需通过载体或活性组分调整。催化剂形状也影响流动与传热性能，密度和停留时间等因素相互作用。工程上需控制反应温度和时间；若温度过高，则又会触发气相热力NO_x，使氧化性催化失去前期降低NO_x的效果。

3.3. Flameless/MILD Combustion

无焰/MID燃烧通过高速射流卷吸并稀释产物，使反应区高度均匀分布。在这种温和燃烧过程中，局部氧含量可降至约5%–10%，避免了局部高温区，进而抑制热无害性NO_x。MILD燃烧倾向于将燃料预热到自燃温度以上，且通过大比例稀释使温升有限，形成无火焰锋面的分布反应区域。实验显示压力会改变MILD可燃范围，且含氨的甲烷实验证明对NO_x子排放低于传统燃烧，但这些仅作为机理证据，不能作为天然气锅炉直接性能数据。MILD燃烧可在变化负荷下保持高转化率和高容积率，但需要较严格的回流量控制。

3.4. Integrated System for Multiple Low-NOx Combustion Technologies

单一低温技术难以同时保证全负荷范围的超低NO_x和CO。因此，研究组合空气分级、燃料分级、预混燃烧与烟气再循环的集成方法。组合可以更均匀释放热释放并削减局部高温；实验结果显示，加装FGR可在空气分级基础上再降NO_x 5–10%；将ASC–预混–FGR结合燃烧器试验，报出16 ppm值，要根据原始单位。掺有OXFGR的循环不仅反入“纯CO₂”的效应，因为烟中还含H₂O、O₂和微量物种。几种组合可能进一步改善燃料在贫氧条件下的氮气稀释和CO₂排放，但必须限制、喷入位置及氧浓度/稳定性保持匹配。

4. System-Level Performance Improvement

4.1. Synergy with Efficiency-Enhancing Technologies

低NOx控制措施可能与效率产生冲突，因为高余热用之过度空气或降低火焰温度会提高排烟热损。但天然气排烟含有部分显热和水蒸气，潜热较高的露点在约55°C，可通过接触式换热器回收。对烟气进行加湿提高排烟露点，使冷凝热回收可在较高温度下进行；而这一过程同時也造成排气量增加、潜热回收、风机功率失衡是影响。设计中可使用喷雾塔、湿度回收器和水循环泵等，将回收的冷凝水用于加湿。结合烟气再循环、冷凝水和余热回收能够将烟气露点提升到64.3°C，热效率可提升7.04%（相对冷凝锅）。该类回热集成系统是否可行，尤其取决于低品位热焓、设备与现场条件。

4.2. Synergy with Carbon-Capture Technologies

碳捕集效果需要提高烟气中CO₂浓度，例如采用选择性再循环膜，富CO₂再循环后排烟浓度可相对提高约二成，但这种便携式浓缩对热量有负面效果。富氧/FGR系统可在适当时显著提高CO₂体积浓度，随后经冷凝除水得到较高纯度CO₂供储存利用。但需付出空分、循环风机、密封气及CO₂压缩降温高能耗和工程成本。大型电厂中的仿真表明可达到90%以上CO₂的可行性，但当前对中小燃气锅炉而言仍非经济成熟方案，排放造经和改造限制仍是主要障碍。

4.3. Low-Carbon Fuels and Industrial Heat Decarbonization

4.3.1. Hydrogen-Enriched Natural Gas

氢掺混会加速层流火焰、扩大可燃界限，对氢-天然气锅内改善贫燃吹熄性有利，但明显提高闪火回火敏感性，并引发有过热和热声振荡。氢气的差异扩散可使局部焰区偏富氢，从而改变热释放峰值及壁面热流量。同时，氢稀释后会使H自由基课增多，有利于NNH途径促进NOx生成；因此需要全自动瞬态空气燃料和FGR控制，根据掺氢比调节燃烧当量，以避免材料过热和安全失效。某预混锅实验中20%氢掺氢会降低直接CO₂但对NOx和火焰热流不利。

4.3.2. Ammonia-Containing Fuels and CCS Compatibility

氨燃料具有燃料性，不含有利于脱碳，但低反应性和自含燃料氮氮氧化物会生成NH₃滑移。为稳定并控制NO_x排放，采用甲烷辅助燃烧和富—贫或空气分级，以在燃料分级优化并抑制NO_x；部分中型燃烧器经改造后在特定当量比下降低NO₂。氨与CCS结合时可考虑富氧/FGR，该方式在水段后CO₂纯度更易达标，但还原阶段需Strictly控制O₂、燃料循环和净化分离能耗。供氨系统并结构等附属装置会提高总投资，但由于其零碳化属性，可别对预留升级和碳中和路径下的可行性。

5. Discussions

现有数据显示，低NO_x最低值并不一定是理想选择。技术选择需兼顾NO/CO、燃烧效率、热量回收、稳定性、辅机动力与维护。对于现有锅炉，改造空气分级和中等外部FGR比更换设计更方便；而预混、加湿、富氧以及捕集阶段的大型更换更大，需要更多空间与调整。燃料中氮含量高低也会影响对应的最优--例如含NH₃较普遍时，氨会产生NOx二次释放，增加效率。技术代价常相互交织：加热量守恒。高FGR扑获风机额外功率、预混回火风险、增加催化老化等，应在系统层面综合考量。虽然不同地区能耗与设备成本不同，基准值成本未，也无法给予统一货币，但应综合主观干扰进行。

6. Innovations and Future Research Directions

与以往成果以单一技术综述为主，该综述归约出可迁移的天然气锅炉整体比较框架，还明确划分了直接燃气锅炉直接证据与关联机理所支持证据。未来方向包括：基于耦合的CFD模型、降阶数据中心、低序数据机和数字孪生，帮助燃烧压力和回火预测；ML技术在保证物体定律与稳定性边界下，可实现NOx、燃料和FGR的动态优化。对氢天然气，开展高比例掺氢下的氢/空预混、失稳和闪回实验和材料性能对比；对氨燃料，关注N₂O/lager和NH₃滑移，并能额定发电耗能，推进满足场长期运行验证。同时，要在子燃烧或超低NOx设计中将氧/CO2净化、热量回收和全生命周期经济并列优化，而不应单独评价“no石”意图。

7. Conclusions

结论可归纳为四方面。第一，现有锅炉改造可选择最佳商业原则是分段低氮燃烧器和适用外部FGR；贫预混通常面向新锅炉或深度改造，高温度上下限由非常热量要求决定。第二，采用不同顺序不当，形成的减排数据分散较大（空气分级15–30%，预混85–90%，加湿53–82%，富氧领域50–80%等），FGR范围必须明确定义否则无法比较。第三，同时存在的下列付出：过度阶梯会造成CO和能耗上升，高FGR引起炉内失稳，预混和掺氢形成回火风险，加湿要求控制材料；富氧催化需要制氧能力；催化剂与载体损伤会成为长期不可忽视的问题。最后，未来适合优先评估联动组合：固定茶动-FGR，因为既满足改造；预混-FGR适合新系统超低NOx；富氧-氧气-CCS等实现多目标整合。尽管如此，成本资本、烟道空间、辅助电耗及长期连续运行记录仍阻碍了各自的商业化推广。