天然氣工業(yè)爐低氮燃燒技術(shù)研究與應(yīng)用

曹文宣，徐杰，王子兵，秦培禾

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063200)

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)爐對(duì)天然氣資源開(kāi)發(fā)利用的力度不斷加大，其燃燒后排放的主要污染物(氮氧化物)被愈發(fā)重視。由于其帶來(lái)的種種危害，近年來(lái)，我國(guó)對(duì)燃?xì)夤I(yè)爐氮氧化物排放制定越來(lái)越嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，各大城市已經(jīng)相應(yīng)出臺(tái)30 mg/m3的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，未來(lái)還將更加嚴(yán)格，現(xiàn)有的低氮燃燒技術(shù)難以滿(mǎn)足實(shí)際需要。因此如何降低氣體燃燒過(guò)程中的氮氧化物排放是當(dāng)前低氮燃燒技術(shù)及新型低氮燃燒器設(shè)計(jì)面臨的重要課題。

本文通過(guò)對(duì)各種天然氣低氮燃燒技術(shù)的綜述與分析，提出實(shí)現(xiàn)超低氮排放的關(guān)鍵技術(shù)路線，為新型低氮燃燒器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供理論參考。

1 NOx分類(lèi)及影響因素

根據(jù)NOx的產(chǎn)生機(jī)理，將其分為3種類(lèi)型：燃料型氮氧化物、熱力型氮氧化物和快速型氮氧化物。因天然氣中含氮量非常少，故天然氣燃燒氮氧化物以熱力型和快速型為主。其中熱力型NOx占比一般為—90%以上，快速型占比一般為—不到10%[2]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，影響NOx排放的因素有很多，主要有燃燒溫度，過(guò)量空氣系數(shù)，停留時(shí)間及火焰加熱速度等。其具體影響如表1所示[3-5]。

表1 熱力型NOx與快速型NOx影響因素對(duì)比

實(shí)踐表明，對(duì)于快速性氮氧化物，其生成基本都和碳?xì)浠衔镉嘘P(guān)，它在貧氧富燃料區(qū)和低溫區(qū)比較常見(jiàn)。并且，與一般情況不同[2]，在采用在低NOx燃燒技術(shù)的燃燒條件下快速型NOx的生成量與熱力型NOx的生成量近似相同[6]，所以為實(shí)現(xiàn)超低氮排放，快速型 NOx同樣應(yīng)當(dāng)受到重視。

2 NOx的控制技術(shù)

根據(jù)低NOx燃燒技術(shù)的發(fā)展歷程將其劃分為3代[7]。第一代低NOx燃燒技術(shù)主要是指，分級(jí)擴(kuò)散燃燒技術(shù)；第二代主要是指，在分級(jí)擴(kuò)散燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上引入煙氣外循環(huán)；第三代低NO燃燒技術(shù)的主要特征是貧燃預(yù)混，是由分級(jí)燃燒、彌散燃燒、煙氣循環(huán)等多種技術(shù)相耦合的燃燒技術(shù)。

2.1 燃燒分級(jí)技術(shù)

燃燒分級(jí)技術(shù)分為空氣分級(jí)技術(shù)和燃料分級(jí)技術(shù)，原理是通過(guò)對(duì)火焰進(jìn)行合理的分區(qū)，在前端形成當(dāng)量比小于1的富氧低溫區(qū)，用過(guò)量的空氣來(lái)抑制高溫區(qū)的產(chǎn)生，從而減少氮氧化物生成；在后端形成當(dāng)量比大于1的富燃還原區(qū)，以還原性氛圍抑制氮氧化物的生成?？諝夥旨?jí)燃燒技術(shù)操作簡(jiǎn)便易行，但是其燃燒溫度一般較低，故而燃料分級(jí)燃燒技術(shù)的在燃?xì)鉅t窯中的應(yīng)用更為廣泛。Pourhoseini S H等[8]采用了一種簡(jiǎn)單有效的方法，通過(guò)改變?nèi)紵鞯慕Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了燃料分級(jí)技術(shù)，如圖1所示，在二次噴射率為40%的情況下使NOx排放量降為了原來(lái)的35%。

圖1 燃燒器簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)

2.2 彌散式燃燒技術(shù)

彌散式燃燒是一種擴(kuò)散燃燒，其氣體燃料和空氣之間不進(jìn)行預(yù)混，直接送入燃燒室進(jìn)行燃燒。由于彌散燃燒在一個(gè)較大空間、較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)，湍流摻混過(guò)程與燃燒反應(yīng)的發(fā)生比較平緩，若燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的溫升小于燃料自燃溫度[9]，則稱(chēng)之為柔和燃燒，又因其火焰輪廓幾乎不可見(jiàn)稱(chēng)為無(wú)焰燃燒，如圖2所示，或無(wú)焰氧化[10]。它實(shí)現(xiàn)低NOx排放的手段有兩個(gè)：一是控制助燃?xì)怏w中的氧濃度，通過(guò)高速射流卷吸煙氣在彌散過(guò)程中實(shí)現(xiàn)低氧環(huán)境；二是沒(méi)有局部高溫，整個(gè)爐膛內(nèi)熱流密度均勻，溫度波動(dòng)很小，實(shí)現(xiàn)了整體的低溫燃燒[11]。

圖2 傳統(tǒng)燃燒與無(wú)焰燃燒對(duì)比圖

其優(yōu)勢(shì)：首先，延長(zhǎng)了爐膛內(nèi)襯的使用壽命，且有助于材料加工領(lǐng)域中控制表面溫度均勻。其次，不同于傳統(tǒng)燃燒技術(shù)，無(wú)須設(shè)置點(diǎn)火裝置，燃?xì)庠诟邷叵驴梢宰匀?。最后，熱效率增加?0%以上，彌散燃燒回收煙氣余熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于常規(guī)燃燒[12]。此外，彌散燃燒的不足有：(1)對(duì)空氣預(yù)熱溫度要求很高，要利用煙氣余熱對(duì)其加溫到1 000 ℃左右，才能達(dá)到技術(shù)要求。(2)要達(dá)到超低NOx排放，必須控制達(dá)到一個(gè)合理的低氧氛圍，杜旭東等研究發(fā)現(xiàn)[13]，空氣流速要達(dá)到燃?xì)饬魉俚?倍才能實(shí)現(xiàn)28 mg/m3。

2.3 煙氣循環(huán)技術(shù)

煙氣再循環(huán)是指通過(guò)外部管道抽吸或內(nèi)部卷吸的方法實(shí)現(xiàn)部分煙氣的回流，使煙氣重新參與反應(yīng)燃燒的技術(shù)手段。其原理是：促使含氧量較低的煙氣與助燃空氣混合，降低原空氣中的氧濃度，同時(shí)抑制了燃燒反應(yīng)的進(jìn)行，降低了火焰燃燒溫度，可以有效控制熱力型NOx的生成。通過(guò)理論計(jì)算，如圖3所示，給出了不同空氣預(yù)熱溫度下理論燃燒溫度隨煙氣循環(huán)率的變化規(guī)律。結(jié)果表明通過(guò)增加煙氣循環(huán)量，可以有效降低天然氣的理論燃燒溫度和氧濃度，進(jìn)而抑制熱力型NOx和部分快速型NOx的生成。

圖3 煙氣循環(huán)率對(duì)理論燃燒溫度和氧氣濃度的影響

煙氣循環(huán)技術(shù)可分為煙氣外循環(huán)(flue gas recirculation, FGR)和內(nèi)循環(huán)(flue in-ternal recirculation, FIR)。目前，煙氣外循環(huán)(FGR)主要依賴(lài)外部加設(shè)管道抽吸鍋爐尾部煙氣實(shí)現(xiàn)再循環(huán)，這種方法不僅會(huì)降低鍋爐效率增加設(shè)備運(yùn)行的費(fèi)用，而且要求相對(duì)潔凈的運(yùn)行環(huán)境和頻率較高的周期性檢修[15]。而煙氣內(nèi)循環(huán)技術(shù)是通過(guò)對(duì)燃燒器結(jié)構(gòu)的改造，對(duì)燃燒進(jìn)行合理的分區(qū)，在爐膛內(nèi)部對(duì)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行二次燃燒，通過(guò)對(duì)氧濃度和燃燒溫度的雙重控制，實(shí)現(xiàn)低 NOx排放的目標(biāo)。FIR 技術(shù)可以完全克服上述 FGR 技術(shù)帶來(lái)的問(wèn)題，它的應(yīng)用具有重大意義。

2.4 富氧燃燒技術(shù)

富氧燃燒不同于常規(guī)燃燒，是指在所用助燃?xì)怏w中氧濃度大于21%的前提下進(jìn)行的燃燒過(guò)程[16]。富氧程度對(duì)理論燃燒溫度的影響如圖4所示，其中相對(duì)富氧濃度是指富氧相對(duì)于空氣氧含量的增量?？砂l(fā)現(xiàn)：氧含量每提高1%，理論燃燒溫度就會(huì)上升幾十?dāng)z氏度，這種影響會(huì)逐漸被H2O和CO2的高溫分解熱削弱直至達(dá)到平衡，并且由于氮濃度在反應(yīng)后期占主導(dǎo)作用，所以隨氧含量的升高，氮氧化物生成量呈先上升后下降的趨勢(shì)。

圖4 理論燃燒溫度與富氧程度的關(guān)系曲線

富氧燃燒的優(yōu)勢(shì)：首先，它能夠提高燃盡率，減少排煙熱損失，使反應(yīng)更充分，達(dá)到節(jié)能的效果。研究發(fā)現(xiàn)[17]，氧氣濃度對(duì)鍋爐熱效率的影響尤為顯著，鍋爐熱效率和鍋爐火用效率隨著氧濃度的增大而增大，33%的富氧可使熱效率提高2.7%、火用損失降低1.6%。其次，富氧貧氮技術(shù)是很有發(fā)展前景的，當(dāng)純氧作為助燃?xì)怏w時(shí)是沒(méi)有氮氧化物生成的。

缺點(diǎn)：(1)制備純氧的難度和成本較高；(2)會(huì)富集CO2這種溫室氣體，大大增加尾氣排放中的二氧化碳濃度。如表5所示，現(xiàn)有的三種富氧制備技術(shù)，如何才能更經(jīng)濟(jì)高效的制備富氧仍待于未來(lái)去解決。

表5 富氧制備技術(shù)對(duì)比

2.5 超低氮燃燒技術(shù)

2.5.1 文丘里管引射燃燒技術(shù)

文丘里管引射燃燒技術(shù)原理是利用布置在燃燒器周?chē)年嚵形那鹄锕軐⒍喙扇細(xì)飧咚賴(lài)娚錉t膛中，一方面實(shí)現(xiàn)燃料的分級(jí)燃燒，另一面由于高速燃?xì)馍淞鞯膰娙耄梢杂行Ь砦鼱t內(nèi)低溫?zé)煔?，降低局部高溫及氧濃度，進(jìn)而抑制NOx的生成。

以美國(guó)某燃燒器(NOx排放已穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)30 mg/m3以下)為例，如圖5所示。其技術(shù)特征有以下三點(diǎn)：

圖5 火焰流場(chǎng)示意圖

(1)燃料一部分(約占15%)從中心管?chē)娙?，剩余部?約85%)從文丘里管中噴入，實(shí)現(xiàn)燃料分級(jí)燃燒。

(2)設(shè)置旋流盤(pán)強(qiáng)化中心燃料與空氣混合，同時(shí)中心值班火焰保證了火焰根部的穩(wěn)定著火。

(3)陣列式文丘里管布置方式可以進(jìn)一步強(qiáng)化燃料的立體分級(jí)燃燒，同時(shí)燃料的高速射流，可以有效卷吸爐內(nèi)低溫低氧煙氣，降低火焰鋒面溫度，增大火焰與煙氣的接觸面積，削減局部高溫，進(jìn)而抑制NOx生成。

2.5.2 折疊式火焰燃燒技術(shù)

折疊式火焰燃燒技術(shù)是一種低氮燃燒器改造技術(shù)(low nitrogen burners, LNBs)，它是在一系列降低氮氧化物技術(shù)(如空氣/燃料分級(jí)和煙氣內(nèi)循環(huán))的基礎(chǔ)上，進(jìn)行組合再優(yōu)化的一種技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)這種折疊式火焰，如圖6所示，給出了一種具體實(shí)施過(guò)程中的改造方法，其中黃色箭頭代表燃?xì)猓{(lán)色箭頭代表空氣。其減小了中間噴頭的高度h和增大了中間坡面的傾角α，使得內(nèi)部空氣在通過(guò)燃燒器噴頭的不連續(xù)部分時(shí)，驟然地進(jìn)入到混合區(qū)中，加劇了空燃之間的混合，并迫使火焰在其根部形成了強(qiáng)烈的卷曲，最終導(dǎo)致火焰被拉長(zhǎng)呈扁平狀，如圖7所示，擴(kuò)大了煙氣的內(nèi)循環(huán)，從而減少了局部高溫使?fàn)t膛內(nèi)部的溫度場(chǎng)更加均勻。根據(jù)Sheng Chen等[18]的數(shù)值模擬研究，這種方法能夠穩(wěn)定減少氮氧化物的生成，在實(shí)驗(yàn)工況下其減少量表現(xiàn)為25.9%～69.5%。

圖6 折疊式火焰燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 火焰形成機(jī)理及火焰形狀對(duì)比示意圖

通過(guò)對(duì)以上主要的低氮燃燒技術(shù)的分析，可以看出單一的低氮控制技術(shù)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)氮氧化物排放的要求。因此，為了滿(mǎn)足更低的排放標(biāo)準(zhǔn)，一方面應(yīng)研究和開(kāi)發(fā)新的超低氮燃燒技術(shù)，另一方面，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的低氮燃燒技術(shù)，通過(guò)合理優(yōu)化選擇最優(yōu)前景的技術(shù)路線。而不斷發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠加快這一進(jìn)程，仿真模擬已成為燃燒器設(shè)計(jì)的重要工具，它為降低實(shí)驗(yàn)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期創(chuàng)造了條件，而更深層次的普及利用是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于我國(guó)來(lái)講，執(zhí)行比發(fā)達(dá)國(guó)家更加嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是必然趨勢(shì)。天然氣工業(yè)爐產(chǎn)生的氮氧化物已經(jīng)不能滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)天然氣氮氧化物生成機(jī)理，主要為熱力型和快速型。通過(guò)分析和比較各種低氮燃燒技術(shù)，認(rèn)為燃料分級(jí)耦合煙氣內(nèi)循環(huán)是解決超低氮排放的有效技術(shù)路線，為將來(lái)燃燒器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一種思路。