天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術(shù)研究

車光蘭

(青海省工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，青海 西寧 810000)

隨著國家對天然氣資源利用的愈來愈加重視，天然氣被廣泛的應(yīng)用于化工、熱力、發(fā)電等行業(yè)。天然氣在燃燒過程中會生成氮氧化物(NOx，主要成分為NO與NO2)，而NOx作為一種大氣污染物會給自然生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞[1]。并且已有研究證明，NOx在光照條件下還會發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，所生成的化學(xué)煙霧會對人的眼睛、鼻、喉等器官造成刺激，使人產(chǎn)生慢性支氣管炎、鼻粘膜刺激、哮喘等疾病，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)肺癌。因此，國家環(huán)保已明確要求需切實(shí)減少NOx的排放量，以工業(yè)天燃?xì)忮仩t為例，在我國多個城市已經(jīng)開始執(zhí)行< 30 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))(換算到 3.5 %的氧氣)的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)[2-3]。在此背景下，圍繞天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)出一種高效實(shí)用的低 NOx燃燒器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 天然氣燃燒NOx的生成機(jī)理及影響因素

按照機(jī)理的不同，可以將燃?xì)忮仩t燃燒生成NOx劃分為熱力型、快速型等幾種，從工業(yè)實(shí)踐角度老看，熱力型燃燒所生成的NOx約占總量的95%[4]。

1.1 熱力型NOx生成機(jī)理及影響因素

熱力型NOx是空氣中的N2在燃燒過程中于高溫條件之下發(fā)生氧化反應(yīng)而生成的，其反應(yīng)機(jī)理如下：

(1)

(2)

NO生成速度的表達(dá)公式為

(3)

式中：c(NO)為NO的摩爾濃度，c(N2)為N2的摩爾濃度，c(O2)為O2的摩爾濃度，mol/cm3；R為氣體常數(shù)，一般取值為8.314 J/(mol·K)；T為燃燒溫度，K。

從以上公式可知，熱力型NOx的生成速度受到燃燒溫度的顯著影響，并且Stephen等人[5]通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在燃燒溫度上升到1 800 K的時候，熱力型NOx的生成速度開始顯著提升，即溫度每升高100 K，生成速度增加6～7倍(見圖1)。此外，熱力型NOx的生成速度也受到過量空氣系數(shù)的顯著影響，由式(3)可以發(fā)現(xiàn)，NOx的生成量與O2濃度平方根成正比例關(guān)系。吳曉磊等人研究發(fā)現(xiàn)，在過量空氣系數(shù)>1時，NOx的生成量隨過量空氣系數(shù)的提升而減少；在過量空氣系數(shù)<1時，NOx的生成量隨過量空氣系數(shù)的提升而增加。

圖1 熱力型NOx生成量與溫度的關(guān)系曲線

1.2 快速型NOx生成機(jī)理及影響因素

快速型NOx的生成機(jī)理為：空氣中的N2在低溫的火焰初始區(qū)與CH2、CH等發(fā)生反應(yīng)而生成NH、CN、HCN等化合物，這些化合物通過進(jìn)一步發(fā)生氧化反應(yīng)而生成NOx。快速型NOx的生成時間非常短，并且其只在碳?xì)漕惾剂系娜紵^程中生成。其反應(yīng)公式為

N2+CH=N+HCN

(4)

N2+CH2=HCN+NH

(5)

(6)

式中：R為活性基(OH，O，H)，RO為含氧基(OH，O)，RN為含氨基(N，NH，HCN)。

傅維標(biāo)等人[6]通過研究發(fā)現(xiàn)，快速型NOx的生成量主要與三方面因素有關(guān)：①過量空氣系數(shù)α，當(dāng)α≥1時，沒有快速型NOx產(chǎn)生；當(dāng)α比1略小時，快速型NOx具有較高的生成速率；當(dāng)α<0.7時，只有少量的快速型NOx生成。②燃燒溫度T，快速型NOx的生成量隨T的升高呈指數(shù)型增長，當(dāng)T<1 500 K時，幾乎沒有快速型NOx生成，而當(dāng)T>1 500 K時，快速型NOx會隨溫度的升高而快速生成。③初始區(qū)火焰加熱速度h，在單一過量空氣系數(shù)條件下，快速型NOx生成量隨h的增大呈線性增長。

2 天然氣鍋爐低NOx燃燒技術(shù)概述

由天然氣燃燒NOx的生成機(jī)理可知，天然氣在燃燒過程中生成NOx的路徑主要為熱力型與快速型，而在這兩種生成路徑中，NOx的生成均受燃燒溫度的顯著影響，所以目前的天然氣鍋爐低NOx燃燒技術(shù)主要是圍繞降低燃燒溫度所展開的，其包括分級燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)、貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)、無焰燃燒技術(shù)等[7]。

2.1 分級燃燒技術(shù)

在分級燃燒技術(shù)當(dāng)中，通過對燃料與空氣的比例進(jìn)行合理的控制，來實(shí)現(xiàn)先進(jìn)行富燃料燃燒以形成還原性環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對熱力型NOx的抑制，再利用貧燃料燃燒過程中的富足的氧氣來實(shí)現(xiàn)對燃料的充分氧化。分級燃燒技術(shù)包括空氣分級燃燒與燃料分級燃燒兩種，其中，空氣分級燃燒過程如圖2(a)所示，在第一級進(jìn)行富燃燃燒，然后將過量空氣加入第二級，以此來完成燃盡過程，通過在第一級與第二級間添加空氣來實(shí)現(xiàn)對溫度場分布的控制；燃料分級燃燒過程如圖2(b)所示，在第一級中進(jìn)行燃料稀相燃燒，然后于第二級中添加燃料來將當(dāng)量比控制在所要求的數(shù)值?？諝夥旨壢紵夹g(shù)操作簡便易行，但是其燃燒溫度一般比較低，故其很少被應(yīng)用于燃?xì)忮仩t，而燃料分級燃燒技術(shù)則可應(yīng)用于各類燃?xì)忮仩t，其可將鍋爐煙氣中NOx質(zhì)量濃度控制在60 mg/m3左右。

圖2 分級燃燒技術(shù)原理圖

2.2 煙氣再循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)技術(shù)是將煙氣通入到火焰區(qū)域當(dāng)中，以此來促使燃燒溫度降低，并且通過加入煙氣來促使O2分壓得以降低，以此來使得熱力型NOx的反應(yīng)減弱，NOx的生成量降低，煙氣再循環(huán)技術(shù)包括外部煙氣再循環(huán)與內(nèi)部煙氣再循環(huán)兩種[8]。其中，外部煙氣再循環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，其反應(yīng)過程為煙氣由燃?xì)忮仩t出口經(jīng)過一外部管道而接入到燃燒器空氣入口，由燃燒器重新進(jìn)到鍋爐膛內(nèi)而進(jìn)行燃燒過程，Baltasar等人[9]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，利用外部煙氣再循環(huán)能夠?qū)⑷細(xì)忮仩tNOx生成量降低70%左右；內(nèi)部煙氣再循環(huán)指的是通過合理設(shè)計(jì)燃燒器與爐膛的結(jié)構(gòu)，來促使?fàn)t膛內(nèi)的煙氣回流至燃燒區(qū)域而參與燃燒反應(yīng)，在工業(yè)應(yīng)用中可以借助高速噴射火焰的卷吸作用等來實(shí)現(xiàn)內(nèi)部煙氣再循環(huán)。燃?xì)庠傺h(huán)技術(shù)應(yīng)用起來比較簡便，但是其燃燒穩(wěn)定性較差，并且會在一定程度上降低鍋爐效率。

圖3 外部煙氣循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)

貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)指的是先將燃料與過量空氣進(jìn)行充分混合，再將混合氣體通入鍋爐里面，然后點(diǎn)火進(jìn)行燃燒。利用貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)可以確保燃料得以充分燃燒，通過注入過量的空氣可以促使燃燒溫度降低，以此來降低NOx的生成量，已有實(shí)踐證明，此工藝技術(shù)通過對燃燒溫度進(jìn)行調(diào)控，最高能夠使NOx的生成量降低85%左右。因該工藝是在偏離理論空氣量情況下燃燒，所以燃燒過程極不穩(wěn)定，易出現(xiàn)振蕩燃燒與火焰吹熄等現(xiàn)象，同時，該工藝的實(shí)際運(yùn)行條件極為嚴(yán)苛，一旦操作不當(dāng)，則有可能引發(fā)爆炸事故，故一般對于容量在20 t/h以上的工業(yè)鍋爐，該技術(shù)不再適用。

2.4 無焰燃燒技術(shù)

傳統(tǒng)火焰延燒包括擴(kuò)散燃燒與預(yù)混燃燒兩種，只有將燃料與氧化劑比例控制在可燃極限范圍以內(nèi)，并配備必要的點(diǎn)火裝置，方能建立一個火焰。通常在點(diǎn)燃火焰后，使火焰自身作為點(diǎn)火器來點(diǎn)火來流，這便要求火焰溫度需達(dá)到一定值，然而，較高的火焰溫度也會導(dǎo)致較高的NOx生成量[10]。而后來有研究人員在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一種無焰燃燒，其為一種在低氧稀釋下的燃燒模式，其熱流均勻分布且反應(yīng)速度緩慢，在鍋爐爐內(nèi)溫度為1 000 ℃，空氣預(yù)熱至650 ℃時，天然氣燃料進(jìn)行無焰燃燒所生成的NOx接近于0。目前，對于無焰燃燒技術(shù)的機(jī)制、特性等的研究尚不夠深入，其在工業(yè)上的應(yīng)用還相當(dāng)不成熟。

3 低NOx燃燒器的設(shè)計(jì)方案

實(shí)踐證明，對于天然氣工業(yè)鍋爐僅僅采用一種低NOx燃燒技術(shù)，難以達(dá)到低于30 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn))的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)[11]。鑒于此，筆者立足于天然氣燃燒NOx的生成機(jī)理及影響因素，將煙氣內(nèi)循環(huán)、分級燃燒等技術(shù)措施有機(jī)融合在一起，設(shè)計(jì)了一種低 NOx燃燒器，以期實(shí)現(xiàn)降低NOx排放量，同時抑制CO生成的目標(biāo)。

3.1 燃燒頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燃?xì)忮仩t低NOx燃燒器中最為核心的部分為燃燒頭，本文所設(shè)計(jì)的燃燒頭結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其主要由5部分構(gòu)成，分別為一級燃?xì)鈬婎^、空氣分配板、二級燃?xì)鈬婎^、外筒、內(nèi)筒。其中，在一級燃?xì)鈬婎^上面設(shè)置了氣流火孔，這些氣流火孔呈徑向分布，在二級燃?xì)鈬婎^上面也設(shè)置了氣流火孔，這些氣流火孔呈軸向分布，并且均勻的分布在同一個圓周上面，在外筒的前置部分均勻設(shè)置了多個煙氣引射孔。按照一定比例使燃?xì)夥謩e從一級、二級燃?xì)鈬婎^火孔噴出，其中，天然氣由一級燃?xì)鈬婎^火孔噴射而出形成一級燃?xì)?，天然氣由二級燃?xì)鈬婎^火孔噴射而出形成二級燃?xì)??？諝獗粌?nèi)筒與空氣分配板分為一級、二級空氣，與此同時，一級空氣在空氣分配板的作用之下形成旋轉(zhuǎn)氣流。

圖4 燃燒頭結(jié)構(gòu)

3.2 燃?xì)夂涂諝夥旨壒┙o

如圖4所示，通過把燃?xì)馀c空氣分為兩級供給，使燃燒器內(nèi)部出現(xiàn)一級、二級兩個燃燒區(qū)域，以此來實(shí)現(xiàn)對燃?xì)?、空氣混合過程的有效控制。其中，一級燃燒區(qū)域是燃燒器的火焰中心區(qū)域，在此區(qū)域當(dāng)中，空氣的旋轉(zhuǎn)氣流和燃?xì)獾膹较驓饬飨嗷ソ粎R，從而形成一種旋轉(zhuǎn)火焰，這種火焰能夠使高溫區(qū)域內(nèi)煙氣的停滯時間大大縮減，進(jìn)而有效降低火焰中心的溫度，避免出現(xiàn)高溫；二級燃燒區(qū)域?yàn)槿紵鞯幕鹧嫱鈬鷧^(qū)域，在此區(qū)域當(dāng)中，空氣與燃?xì)舛际禽S向氣流，由于兩者的方向是相互平行的，從而使得兩者之間的混合過程大大減弱，進(jìn)而促使燃燒溫度在一定程度上有所下降，并且因此使得火焰的長度有所增加，從而使?fàn)t膛和火焰之間的輻射換熱面積增大，通過對爐膛壁冷卻作用的充分利用，在很大程度上降低了火焰的溫度，除此之外，還在爐膛的內(nèi)部形成一種均勻分布的溫度場，以此來防止出現(xiàn)局部高溫的情況。

3.3 煙氣內(nèi)循環(huán)

本文所設(shè)計(jì)的低NOx燃燒器應(yīng)用了兩級煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)，以此來促使燃燒區(qū)內(nèi)部能夠回流較多的煙氣量，進(jìn)而利用充足的煙氣來減少氧氣的質(zhì)量濃度，并且利用煙氣中所含有的惰性氣體來吸收火焰的部分熱量，最終達(dá)到降低火焰溫度的目的。其中，在燃燒器一級燃燒區(qū)中的火焰是旋轉(zhuǎn)火焰，在其中心部位處能夠產(chǎn)生回流區(qū)，從而將煙氣由爐膛卷吸至一級燃燒區(qū)，進(jìn)而形成一級煙氣內(nèi)循環(huán)；此外，在燃燒器的外筒處設(shè)置了煙氣引射孔，當(dāng)二級空氣與二級燃?xì)庀嗷セ旌虾蠖l(fā)生噴射的時候，會于煙氣引射孔位置出現(xiàn)一個負(fù)壓區(qū)域，從而將爐膛內(nèi)部的煙氣吸進(jìn)到二級燃燒區(qū)的火焰根部位置處，進(jìn)而形成二級煙氣內(nèi)循環(huán)(見圖4)。通過在燃燒器內(nèi)部設(shè)置二級煙氣內(nèi)循環(huán)，可以將煙氣更多的回流至燃燒區(qū)當(dāng)中去，并且使煙氣在火焰內(nèi)均勻的分布，進(jìn)而進(jìn)一步強(qiáng)化煙氣內(nèi)循環(huán)的效用。

3.4 避免不完全燃燒

本文所設(shè)計(jì)的低NOx燃燒器在二級燃?xì)鈪^(qū)域當(dāng)中，二級燃?xì)馀c二級空氣是平行射流，兩者的混合過程比較弱，混合程度不高，并且采用了煙氣內(nèi)循環(huán)設(shè)計(jì)，以此來降低氧氣的質(zhì)量濃度，這些設(shè)計(jì)能夠有效降低燃燒速度，從而降低NOx的生成量，但是這些設(shè)計(jì)也會導(dǎo)致不完全燃燒，從而導(dǎo)致煙氣中一氧化碳的含量超標(biāo)。鑒于此，在此低 NOx燃燒器的一級燃燒區(qū)采用了旋轉(zhuǎn)氣流，如此能夠在一定程度上使空氣與燃?xì)庵g的混合程度得以加強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)對燃燒速度的有效控制，進(jìn)而在抑制NOx生成的同時，防止出現(xiàn)一氧化碳有毒氣體。

4 結(jié)論與展望

(1)天然氣燃燒NOx的生成機(jī)理主要包括熱力型與快速型，其中以熱力型為主。要想降低天然氣鍋爐NOx的生成，主要是控制熱力型NOx的產(chǎn)生，其次是控制快速型NOx的產(chǎn)生。從天然氣燃燒NOx生成機(jī)理的影響因素來看，可以從控制燃燒溫度、過量空氣系數(shù)以及初始區(qū)火焰加熱速度等來降低NOx的生成量。

(2)目前人們圍繞如何降低天然氣鍋爐NOx排放已經(jīng)開展了廣泛的研究，這些研究工作主要是圍繞降低燃燒溫度所展開的，已有的天然氣鍋爐低NOx燃燒工藝包括分級燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)、貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)、無焰燃燒技術(shù)等。

(3)本文設(shè)計(jì)的低NOx燃燒器通過將平行氣流與旋轉(zhuǎn)氣流結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對空氣、燃?xì)饣旌线^程的控制，通過增加火焰散熱面積來降低火焰溫度，進(jìn)而減少NOx的排放；同時應(yīng)用兩級煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)，促使燃燒區(qū)內(nèi)部能夠回流較多的煙氣量，利用充足的煙氣來減少氧氣的質(zhì)量濃度，并且利用煙氣中所含有的惰性氣體來吸收火焰的部分熱量，以此來進(jìn)一步抑制NOx的生成；此外，利用燃燒器一級燃燒區(qū)的旋轉(zhuǎn)氣流來控制空氣與燃?xì)庵g的混合程度，從而避免發(fā)生不完全燃燒。

(4)當(dāng)前在設(shè)計(jì)天然氣低NOx燃燒器的過程中，缺乏精確的設(shè)計(jì)方法以及可靠經(jīng)濟(jì)的驗(yàn)證手段，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)(CFD)的不斷發(fā)展，其將成為燃燒器設(shè)計(jì)的重要工具，為降低實(shí)驗(yàn)成本、縮短開發(fā)周期創(chuàng)造條件。