天然氣鍋爐低氮氧化物燃燒技術(shù)研究

河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司南陽(yáng)卷煙廠 葉帛 楊如惠 王維尚

氮氧化物是天然氣在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的，不僅會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成破壞，還會(huì)在光照條件下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的化學(xué)氣體直接損害了人們身體各部位器官，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)癌變。由于國(guó)家對(duì)天然氣的廣泛應(yīng)用，加大了污染氣體的排放量，環(huán)保部門以天然氣鍋爐為例發(fā)出聲明，要控制環(huán)境污染，減少污染排放量。文章針對(duì)天然氣鍋爐降低NOx燃燒技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)低氮氧化物燃燒器的設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 燃?xì)忮仩tNOx 的類型及其生成機(jī)理

氮氧化物的生成方式在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中有很多種方法。單純的針對(duì)鍋爐燃燒來(lái)說(shuō)，氮氧化物的產(chǎn)生主要可分為五種方式，熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx、N2O 中間型NOx、NNH 型Nox。因燃?xì)忮仩t的燃料成分比較單一，所以氮氧化物的生產(chǎn)主要是熱力型和快速型。

1.1 熱力型NOx 生成機(jī)理

熱力型氮氧化物的生成機(jī)理是燃料在燃燒時(shí)并供給空氣中的氮?dú)猓诟邷厍闆r下氧化生成的氮氧化物，這種NOx 生成機(jī)理是由蘇聯(lián)著名科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)的。利用道維奇方式對(duì)熱力型氮氧化物的生成速度可用公式表示為：

在公式（1）中，D（O2）、D（N2）、D（NO）分別表示O2、N2、NO 濃度，mon/m3為單位；氣體用R 表示，溫度則用T(K)。如果天然氣鍋爐內(nèi)燃燒添加的燃料濃度過(guò)濃時(shí)，對(duì)這種情況發(fā)生的反應(yīng)，由公式表示：

熱力型氮氧化物是依據(jù)燃?xì)忮仩t中燃料燃燒后，并且煙氣中要有多余的氧氣含量，煙氣溫度要大于1800K 的條件下生成的。氮氧化物的生成量與煙氣溫度有著直接的關(guān)系，煙氣溫度的升高和煙氣中氧含量的增加都會(huì)促使氮氧化物量的生成，而且煙氣高溫持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于氮氧化物的生成。因熱力型氮氧化物的生成需要具備一定的高溫和富氧，所以天氣鍋爐燃燒運(yùn)行是該化學(xué)物質(zhì)生成的主要因素。

1.2 快速型NOx 生成機(jī)理

1971 年Fenimore（弗尼莫爾）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了快速性氮氧化物，是利用碳?xì)淙剂显谘鯕馇啡钡沫h(huán)境下快速生成的，碳氧燃料是一種液體燃料，該燃料可代替石油柴油。燃?xì)忮仩t中燃料的成分直接影響了氮氧化物的生成，如果要控制氮氧化物的生成量，可直接對(duì)燃?xì)忮仩t中的空氣系數(shù)a 進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)a 小于1 時(shí)，會(huì)加快快速型氮氧化物的生成率，當(dāng)a 大于等于1 時(shí)，不利于快速型氮氧化物的生成，而且還會(huì)降低氮氧化物的排放。

2 NOx 燃燒技術(shù)

根據(jù)氮氧化無(wú)的生成機(jī)理得知NOx兩種不同的生成路徑分別為快速型、熱理型[1]。由于氮氧化物在生成過(guò)程中受溫度影響，所以對(duì)降低燃燒溫度氮氧化物燃燒技術(shù)展開(kāi)研究。

2.1 分級(jí)燃燒技術(shù)

分級(jí)燃燒技術(shù)分為燃料分級(jí)與空氣分級(jí)兩種，為了使燃料充分氧化，在分級(jí)燃燒時(shí)應(yīng)對(duì)空氣和燃料合理控制，還原性環(huán)境下，抑制熱力型氮氧化物。

2.2 煙氣再循環(huán)技術(shù)

再循環(huán)技術(shù)包括內(nèi)部煙氣再循環(huán)與外部煙氣再循環(huán)，該技術(shù)將煙氣通入火焰中降低燃燒溫度，同時(shí)降低氧氣壓力使氮氧化物反應(yīng)減弱，最終降低生成量。

2.3 貧燃預(yù)混燃燒技術(shù)

此技術(shù)是將燃料與空氣充分混合并通入鍋爐點(diǎn)燃，通過(guò)將燃料充分燃燒注入空氣使溫度降低，減少氮氧化物生成。該燃燒技術(shù)運(yùn)行條件極為苛刻，操作稍有不當(dāng)會(huì)造成爆炸，所以在工業(yè)鍋爐容量＞20 噸時(shí)，不使用該技術(shù)。

2.4 無(wú)焰燃燒技術(shù)

無(wú)焰燃燒技術(shù)分為預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒，通過(guò)氧化劑與燃料比例控制可燃范圍建立火焰，但較高的火焰溫度會(huì)產(chǎn)生大量的氮氧化物。鑒于這種化學(xué)反應(yīng)科研人員發(fā)現(xiàn)了一種低氧燃燒模式，可將其稱之為無(wú)焰燃燒，目前我國(guó)對(duì)于無(wú)焰燃燒技術(shù)的研究不成熟，尚未在工業(yè)上應(yīng)用。

3 低NOx 燃燒器的設(shè)計(jì)

文章基于NOx 生成機(jī)理和因素，利用氮氧化物燃燒技術(shù)煙氣內(nèi)循環(huán)和分級(jí)燃燒技術(shù)相結(jié)合，減少NOx排放量，抑制鈷生成專門設(shè)計(jì)了一種低NOx燃燒器。

3.1 燃燒頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低NOx燃燒器主要有5 部分組成，分別為內(nèi)筒、外筒、空氣分配板以及一級(jí)和二級(jí)燃?xì)鈬婎^，其中該燃燒器的核心部件就是燃燒頭。按照一定的比例使燃?xì)鈴囊患?jí)和二級(jí)燃?xì)馀鲱^上設(shè)置氣流火孔噴出，然后利用內(nèi)筒與空氣分配板將空氣分為一級(jí)和二級(jí)，最后形成旋轉(zhuǎn)氣流[2]。

3.2 分級(jí)供給燃?xì)夂涂諝?/h3>

在低NOx燃燒器中，通過(guò)空氣和燃?xì)獾姆珠_(kāi)供給，有效的控制燃?xì)馀c空氣的混合過(guò)程。因旋轉(zhuǎn)火焰的形成，很大程度地縮減了煙氣內(nèi)火焰高溫的停滯時(shí)間，避免了高溫的出現(xiàn)，同時(shí)也變相降低了火焰中心的溫度。在火焰區(qū)域外圍，由于軸向氣流方向是相互平行的，使空氣與燃?xì)獾幕旌线^(guò)程減弱，使燃燒溫度降低且火焰和爐膛之間輻射換熱面積增大，充分利用爐膛冷卻作用，降低火焰溫度。

3.3 煙氣內(nèi)循環(huán)

為實(shí)現(xiàn)火焰溫度降低的目的，在燃燒器研發(fā)中采用了煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)，使燃燒區(qū)有足夠的煙氣量回流，利用回路煙氣減少氧氣濃度，再降低燃燒時(shí)，促使燃燒溫度降低。在燃燒器外筒上煙氣引射孔將一級(jí)，二級(jí)空氣混合后噴射會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域，從而爐膛內(nèi)部煙氣被吸進(jìn)二級(jí)燃燒火焰處，形成二級(jí)煙氣內(nèi)循環(huán)[3]。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)煙氣內(nèi)循環(huán)，需將煙氣通過(guò)二級(jí)煙氣內(nèi)循環(huán)回流至燃燒區(qū)，并均勻分布即可。

3.4 避免不完全燃燒

在二級(jí)燃?xì)鈪^(qū)域中，由于空氣和燃?xì)獾钠叫猩淞?，所以混合過(guò)程弱，且混合程度低，再利用降低氧氣量使燃燒速度降低的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燃燒物不會(huì)完全燃燒，為避免此情況發(fā)生可采取旋轉(zhuǎn)氣流，加強(qiáng)混合程度，在控制燃燒速度的同時(shí)抑制氮氧化物產(chǎn)生，防止CO 有毒氣體的出現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

文章根據(jù)NOx燃燒技術(shù)的分類和生成機(jī)理，對(duì)如何降低氮氧化物，減少自然環(huán)境污染展開(kāi)研究，并設(shè)計(jì)了低NOx燃燒器。該燃燒器通過(guò)對(duì)各類燃燒技術(shù)的分析得知燃燒溫度、空氣、散熱面積以及煙氣等對(duì)NOx的排放量產(chǎn)生影響。伴隨著我國(guó)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，有助于天然氣低NOx燃燒器的研究設(shè)計(jì)方法和驗(yàn)證手段的提升，該仿真技術(shù)也成了主要研究工具，不僅縮短了低NOx燃燒器研究周期，還大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，為發(fā)展我國(guó)環(huán)保事業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。