低NOx燃燒器對(duì)重油低氮燃燒特性的影響

丁 濤，周俊虎，曹欣玉，孫振龍，劉廣義，李云皓

(1.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310027；2.浙江百能科技有限公司，杭州 310012)

近年來(lái)隨著我國(guó)稠油熱采技術(shù)的逐漸成熟，熱采規(guī)模不斷擴(kuò)大，油田注汽鍋爐的數(shù)量迅猛增加，僅勝利油田在用注汽鍋爐達(dá) 136臺(tái)，可形成年產(chǎn)約 1030萬(wàn)噸的注汽能力.而超過(guò)半數(shù)的注汽鍋爐以重油為燃料，其燃燒產(chǎn)生 NOx對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害.注汽鍋爐采用后處理設(shè)備復(fù)雜，相對(duì)成本很高，因此，控制重油燃燒過(guò)程中 NOx的產(chǎn)生具有重要意義.國(guó)內(nèi)外就降低煤粉燃燒的 NOx排放進(jìn)行了大量的研究工作[1-4]，形成了一系列的煤粉低 NOx燃燒技術(shù)，主要包括：低氧燃燒技術(shù)、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)、空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、低 NOx燃燒器、煙氣再循環(huán)等技術(shù)[5].目前研究的重油低 NOx燃燒技術(shù)主要是空氣分級(jí)燃燒技術(shù)[6-8]，而對(duì)重油燃燒的煙氣再循環(huán)技術(shù)以及其他的低NOx燃燒技術(shù)研究的卻不是很多.

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的重油低 NOx燃燒器，結(jié)合中間射流空氣、燃燒區(qū)噴水以及煙氣再循環(huán)的低 NOx燃燒技術(shù)，以 0.8MW 燃燒試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，研究燃燒器燃燒及形成的NOx排放特性.

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)與裝置

本文所使用的試驗(yàn)系統(tǒng)以一臺(tái) 0.8MW 燃燒試驗(yàn)爐為基礎(chǔ)搭建，主要包括試驗(yàn)爐本體、供油系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)以及控制系統(tǒng).其中試驗(yàn)爐為圓筒型臥式爐，爐體內(nèi)部直徑為 600mm，由多層耐火磚堆砌而成，燃燒器布置在爐前，油燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)臥式爐爐膛轉(zhuǎn)入垂直煙道，經(jīng)過(guò)除塵器，最后由引風(fēng)機(jī)送入煙囪，爐膛一側(cè)沿軸線方向上依次有 12個(gè)測(cè)孔，用于測(cè)量爐膛溫度以及燃燒氣體成分.

供油系統(tǒng)由燃油攪拌加熱罐、油泵、溢流閥、油流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、壓力表等組成.在攪拌加熱罐的 3個(gè)不同液位處布置有3根加熱管，并且攪拌罐一直處于攪拌狀態(tài)，使燃油受熱均勻且油溫維持在 90℃.在油管路上布置有電加熱帶，加熱帶溫度控制為100℃，溢流閥維持系統(tǒng)油壓為 1MPa.試驗(yàn)所用重油由勝利油田濱南采油廠提供，其油樣分析見(jiàn)表1.

表1 重油取樣分析結(jié)果Tab.1 Analysis results of heavy oil sample

空氣系統(tǒng)主要包括助燃空氣系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)，助燃空氣系統(tǒng)分為一次風(fēng)、二次風(fēng)和燃盡風(fēng)，風(fēng)量計(jì)量采用文丘里流量計(jì)，一次風(fēng)與燃盡風(fēng)溫度為常溫，采用煙氣再循環(huán)后，再循環(huán)煙氣經(jīng)冷卻器冷卻至100℃后與二次風(fēng)混合后送入燃燒器.壓縮空氣系統(tǒng)主要為油的霧化和中間直流射流風(fēng)提供氣源，其中油槍霧化空氣壓力為0.7MPa，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 低NOx燃燒器燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 System of combustion experiment with low NOx burner

設(shè)計(jì)的燃燒器如圖2所示，重油經(jīng)由放置在中心管內(nèi)的油槍霧化進(jìn)入燃燒室，霧化方式為內(nèi)混式空氣霧化.助燃空氣按適當(dāng)?shù)谋壤譃橐淮物L(fēng)、中間射流風(fēng)、二次風(fēng)、燃盡風(fēng)，其中一次風(fēng)和二次風(fēng)采用旋流的形式，在一次風(fēng)和二次風(fēng)之間布置一圈直流射流風(fēng)，進(jìn)入爐膛后在富燃料燃燒區(qū)域與二次風(fēng)之間形成過(guò)渡區(qū)，推遲二次風(fēng)與著火后的油氣流混合，從而控制富燃料燃燒區(qū)域的氧量以達(dá)到降低 NOx的作用.此外還進(jìn)行了射流中添加霧化水的降低 NOx排放的試驗(yàn)，即在中間射流風(fēng)進(jìn)口前加裝了一段文丘里管，利用文丘里管內(nèi)高速氣流的抽吸作用將水吸入氣流中，水滴在氣流中破碎并與氣流混合，隨射流風(fēng)送入爐膛，達(dá)到霧化噴水的效果.

圖2 低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of low NOx burner

1.2 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)采用德圖 testo350煙氣分析儀(精度：O2為±0.80%，CO為±10mL/m3，NO 為±5mL/m3)測(cè)量爐膛以及尾部煙氣成分.根據(jù)《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，燃油燃?xì)忮仩t基準(zhǔn)氧含量取3.5%，所得的NOx含量以 NO2計(jì)，NOx和 CO 轉(zhuǎn)換的計(jì)算公式如下：

采用 Raytek雷泰 3I2MSCL3紅外測(cè)溫儀(精度為±0.5%讀數(shù)+1℃)測(cè)量爐膛內(nèi)燃燒溫度.

1.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)主要研究了中間射流風(fēng)速、燃燒區(qū)噴水量以及煙氣再循環(huán)率對(duì)重油燃燒穩(wěn)定性以及 NOx排放的影響，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中維持負(fù)荷(即油流量為68kg/h)及助燃空氣/混合煙氣的總氧量保持不變.中間射流風(fēng)速的改變通過(guò)調(diào)整射流風(fēng)量來(lái)調(diào)節(jié)，為維持過(guò)量空氣系數(shù)保持不變，故增加射流風(fēng)速時(shí)二次風(fēng)比例相應(yīng)減少.

由于試驗(yàn)系統(tǒng)采用再循環(huán)煙氣冷卻后與二次風(fēng)混合形式，為維持燃燒的總氧量不變，按照煙氣中含氧量為 4%進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)二次風(fēng)率將發(fā)生變化，試驗(yàn)開(kāi)展的工況情況見(jiàn)表2.

表2 試驗(yàn)工況Tab.2 Operating conditions

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 中間高速射流對(duì)流場(chǎng)以及NOx排放的影響

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，目前已研究的采用中間直流二次風(fēng)的燃煤燃燒器，其直流二次風(fēng)風(fēng)速較低，為 10～25m/s.而與煤粉燃燒不同的是，重油燃燒劇烈、速度快，燃燒溫度高，煙氣的膨脹率相對(duì)較大，形成較大的煙氣運(yùn)動(dòng)速度，從而獲得較大的回流區(qū)與回流量.因此根據(jù)重油燃燒的特點(diǎn)，為進(jìn)一步延緩一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合并保證油的完全燃燒，本文采用中間直流二次風(fēng)速分別是 0m/s、50m/s、60m/s、80m/s，研究中間直流高速射流對(duì)流場(chǎng)以及煙氣中 NOx排放的影響.

2.1.1 中間射流風(fēng)速對(duì)流場(chǎng)的影響

點(diǎn)火前對(duì)燃燒器進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)，研究不同中間射流風(fēng)速對(duì)燃燒器出口流場(chǎng)的影響，主要通過(guò)測(cè)量燃燒器空氣動(dòng)力場(chǎng)中沿氣流軸向的分速度(即軸向速度)來(lái)描述燃燒器流場(chǎng)情況.測(cè)量采用 testo 425精密型風(fēng)速儀結(jié)合飄帶法測(cè)量燃燒器出口的軸向速度.如圖3所示.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)中間射流風(fēng)速為 0m/s時(shí)，速度曲線呈現(xiàn)出馬鞍形的形狀，這是因?yàn)榭諝饨?jīng)燃燒器噴口射出后，由于一次風(fēng)以及二次風(fēng)的旋流作用使流體繞過(guò)葉輪后產(chǎn)生了一個(gè)較大的回流區(qū)，而隨著中間射流直流風(fēng)的加入，回流區(qū)大小被壓縮，但最大的回流速度增加，中間射流風(fēng)速為 50m/s時(shí)，回流區(qū)的直徑由 390mm 縮小至 250mm，且最大回流速度由5.6m/s增加至 11m/s.因?yàn)橹虚g射流風(fēng)較大的動(dòng)量與剛性，一方面隔絕了一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合，限制了回流區(qū)的大小，另一方面，由于中間射流風(fēng)的卷吸作用，能夠促進(jìn)煙氣回流，使得回流速度變大.而當(dāng)射流風(fēng)速進(jìn)一步增大至 60m/s時(shí)，發(fā)現(xiàn)回流區(qū)消失，由于中間射流風(fēng)的卷吸作用太強(qiáng)，致使回流區(qū)被破壞.

2.1.2 中間射流風(fēng)速對(duì)NOx排放的影響

圖3 不同中間射流風(fēng)速時(shí)燃燒器出口軸向速度分布Fig.3 Axial velocity distribution at burner outlet with different intermediate jet velocities

圖4 射流風(fēng)速對(duì)NOx排放的影響Fig.4 Impact of jet velocity on NOx emissions

分析爐膛內(nèi)的溫度情況，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)量爐膛軸向每個(gè)測(cè)孔的最高溫度，如圖5所示，爐膛溫度沿軸方向呈現(xiàn)出兩個(gè)峰值，前期隨著油逐漸燃燒，溫度升高并達(dá)到最高溫度，最高溫度約為 1 500℃，在距離爐膛前墻810mm處.之后階段是在缺氧的環(huán)境下發(fā)生還原反應(yīng)，溫度降低，隨后由于燃盡風(fēng)的混合將未完全燃盡的可燃成分燃盡，導(dǎo)致溫度繼續(xù)升高.并且隨著射流速度的增加，爐膛前部燃燒溫度明顯降低，最高溫度從1580℃下降到1420℃.而爐膛后部溫度逐漸上升.這是因?yàn)椴捎弥虚g射流風(fēng)后，隔絕以及延緩了一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合，使油霧燃燒前期溫度降低，燃燒速度減慢，火焰被拉長(zhǎng)，而爐膛后部在燃盡風(fēng)混入后由于前期不完全燃燒產(chǎn)物增加，從而會(huì)使?fàn)t膛后部燃燒溫度增加.

圖5 射流風(fēng)速對(duì)爐膛軸向溫度的影響Fig.5 Impact of jet velocity on furnace axial temperature

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)中間射流風(fēng)速為 50m/s時(shí)，能滿足燃油完全燃燒的要求，并實(shí)現(xiàn)了 10%左右的NOx降低效果.但中間射流的風(fēng)速并非越大越好，當(dāng)射流速度過(guò)大時(shí)，直流風(fēng)較大的動(dòng)能與剛性不僅使二次風(fēng)混入時(shí)間過(guò)晚，而且破壞了回流區(qū)的結(jié)構(gòu)，使回流區(qū)變小，甚至消失，引起燃燒不完全現(xiàn)象，使煙氣中 CO含量升高，與冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致.并且直流風(fēng)受熱向兩邊膨脹會(huì)將二次風(fēng)甚至燃盡風(fēng)往爐壁處壓縮，造成火焰“飛邊”現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)射流速度為80m/s時(shí)，在2號(hào)測(cè)孔(距離前墻560mm)處出現(xiàn)火焰外噴的現(xiàn)象.

2.2 噴水對(duì)燃燒以及NOx排放的影響

根據(jù)燃燒試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，重油燃燒前期溫度較高，即使采用中間高速射流的燃燒方式，其燃燒的最高溫度也有 1530℃，而根據(jù) NOx的形成機(jī)理[11]可知，當(dāng)溫度超過(guò) 1500℃，熱力型 NOx將會(huì)大量產(chǎn)生.眾多研究表明[12-14]，燃燒區(qū)噴水能夠達(dá)到低 NOx燃燒的效果.一方面水在高溫區(qū)急劇蒸發(fā)從而降低火焰溫度，另一方面水蒸汽能夠與中間產(chǎn)物 HCN發(fā)生還原反應(yīng)：

本文采用文丘里的方式，利用中間的射流風(fēng)流過(guò)文丘里管產(chǎn)生的負(fù)壓將水吸入，隨著中間射流風(fēng)進(jìn)入爐膛，起到降溫的作用，其結(jié)構(gòu)如圖6所示.試驗(yàn)比較了 15%、25%以及 35%的水量(與油的質(zhì)量流量的比值)對(duì)燃燒溫度以及煙氣中NOx排放的影響.

圖6 文丘里吸水結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of Venturi pipe for water pumping

圖7 噴水量對(duì)燃燒區(qū)最高溫度與NOx排放的影響Fig.7 Impact of water spray volume on maximum temperature in burning zone and NOx emissions

圖8 25%噴水量爐膛沿軸向NOx質(zhì)量濃度與O2體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Axial concentrations of NOx and O2 in furnace with 25% water spray volume

2.3 煙氣再循環(huán)對(duì)燃燒以及NOx排放的影響

煙氣再循環(huán)是降低煙氣中 NOx排放的有效技術(shù)之一，其主要是將部分低溫?zé)煔庵苯铀腿霠t內(nèi)，或與空氣(一次風(fēng)或二次風(fēng))混合后送入爐內(nèi).因煙氣的稀釋降低了氧濃度，使燃燒速度和爐內(nèi)的溫度降低，從而減少了熱力型 NOx生成.根據(jù)文獻(xiàn)[15]，煙氣再循環(huán)率為15%～20%時(shí)，NOx的形成可以降低25%以上.與此同時(shí)，煙氣再循環(huán)對(duì)燃燒的穩(wěn)定性也會(huì)產(chǎn)生影響，由于煙氣的混入會(huì)使混合助燃空氣的流速增加，同時(shí)也會(huì)降低助燃空氣中的氧分壓，當(dāng)燃燒速度與當(dāng)?shù)貧饬魉俣瘸霈F(xiàn)不匹配的情況，便會(huì)出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的現(xiàn)象[16].

本文采用煙氣再循環(huán)與二次風(fēng)混合的形式，通過(guò)試驗(yàn)研究了煙氣再循環(huán)率(分別為 0、10%、20%、30%時(shí))對(duì)燃燒以及NOx排放的影響.

2.3.1 煙氣再循環(huán)對(duì)NOx產(chǎn)生的影響

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著煙氣再循環(huán)率的提高，煙氣中排放的 NOx含量逐漸降低，當(dāng)再循環(huán)比率提高至30%時(shí)，燃燒出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，燃燒火焰忽明忽暗，隨時(shí)有滅火的趨勢(shì).針對(duì)煙氣再循環(huán)率分別為 0、10%和20% 3個(gè)工況，測(cè)量爐膛軸向的NOx平均濃度，如圖9所示，采用煙氣再循環(huán)后，爐膛內(nèi)的NOx含量明顯降低，并且與不采用煙氣再循環(huán)的工況相比，由于燃燒溫度降低，整個(gè)爐膛內(nèi)的 NOx含量波動(dòng)性變小.煙氣再循環(huán)率為10%時(shí)，NOx排放(592mg/m3)較沒(méi)有煙氣再循環(huán)降低 20.1%，而煙氣再循環(huán)率為 20%時(shí)，NOx排放(508mg/m3)降低 31.4%.

圖9 煙氣再循環(huán)率對(duì)爐膛軸向NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.9 Effect of flue gas recirculation rate on axial concentration of NOx in furnace

2.3.2 煙氣再循環(huán)對(duì)溫度場(chǎng)的影響

如圖10所示，比較了工況 2(僅采用 50m/s中間射流風(fēng))、工況 6(50m/s中間射流風(fēng)+25%噴水)以及工況9(50m/s中間射流風(fēng)+25%噴水+20%煙氣再循環(huán))軸向的溫度場(chǎng)分布情況，燃燒區(qū)溫度從原先的1530℃降低為1300℃左右，表明油在較低的溫度下燃燒，可減少熱力型 NOx的生成.而在爐膛中部隨著燃盡風(fēng)的混入，燃燒溫度逐漸上升.試驗(yàn)說(shuō)明煙氣再循環(huán)對(duì)油燃燒區(qū)溫度的影響顯著.

圖10 煙氣再循環(huán)對(duì)爐膛軸向溫度的影響Fig.10 Impact of flue gas recirculation on furnace axial temperature

3 結(jié) 論

(1) 中間直流射流風(fēng)能夠延緩一、二次風(fēng)混合，從而降低了燃燒初期的氧量和溫度，達(dá)到降低尾部煙氣中的 NOx含量效果，但射流風(fēng)速過(guò)大會(huì)破壞爐膛內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，引起燃燒不完全以及燃燒“飛邊”現(xiàn)象.試驗(yàn)中，采用 50m/s的中間射流風(fēng)，能夠在完全燃燒的條件下使尾部煙氣中的NOx含量降低了10%.

(2) 在油燃燒區(qū)噴水能夠有效地降低燃燒初期的溫度，但噴水量過(guò)大會(huì)引起燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象.通過(guò)分析爐膛內(nèi)的 NOx與 O2濃度分布情況，發(fā)現(xiàn) O2濃度對(duì) NOx起決定作用，合理控制 O2濃度是降低NOx的關(guān)鍵.

(3) 煙氣再循環(huán)能夠?qū)⒂腿紵齾^(qū)的溫度控制在1300℃左右，減少了熱力型 NOx的生成，NOx排放降低達(dá)31.4%.