焚燒爐高效清潔燃燒工藝研究及應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：高夢(mèng)路（1992-），工程師，從事工業(yè)爐電氣自動(dòng)化的設(shè)計(jì)工作，949718900@qq.com。

引用本文：高夢(mèng)路.焚燒爐高效清潔燃燒工藝研究及應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2024，51（2）：357-364.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402028

摘 要 國(guó)內(nèi)某化工廠配置的兩座焚燒爐，主要用于處理發(fā)酵尾氣中未完全反應(yīng)的CO，同時(shí)副產(chǎn)蒸汽供蛋白車(chē)間、蒸餾車(chē)間使用。為實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，分析產(chǎn)生NO的影響因子，確定工業(yè)上可采用煙氣跟空氣混合的外部煙氣回流方式來(lái)實(shí)現(xiàn)焚燒爐的清潔燃燒。提出了一種高效清潔燃燒裝置，實(shí)現(xiàn)了煙氣與空氣混合的功能，進(jìn)一步建立了焚燒爐不同熱負(fù)荷輸出下煙氣殘氧量、煙氣與空氣混合后的氧氣濃度、助燃?xì)怏w及助燃?xì)怏w中的煙氣流量設(shè)定策略。與傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)相比，所提出的高效清潔燃燒系統(tǒng)在全速升溫、控速升溫和保溫階段的煤氣消耗分別增加了38.2 m3/h，降低了382.85 m3/h，降低了160.44 m3/h；NO濃度分別降低了32.90、96.36、151.67 mg/m3。

關(guān)鍵詞 焚燒爐 殘氧量 外部煙氣再循環(huán) 空燃比 NO排放濃度

中圖分類號(hào) TQ534.9? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B? ?文章編號(hào) 1000-3932（2024）02-0357-08

廢氣焚燒爐是利用輔助燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量，把可燃的有害氣體的溫度提高到反應(yīng)溫度，從而發(fā)生氧化分解的設(shè)備，主要由燃燒室、廢氣加熱區(qū)、余熱回收系統(tǒng)和排風(fēng)系統(tǒng)組成［1，2］。為了節(jié)省燃料、確保燃燒安全［3，4］并提高運(yùn)行穩(wěn)定

性［5，6］，通常在爐內(nèi)生成長(zhǎng)明火，可以以燃?xì)饣蚋邿嶂祻U氣作為長(zhǎng)明火燃料。然而為了保證煙氣中無(wú)CO殘留，通?？諝膺^(guò)剩系數(shù)需要大于1，這無(wú)疑增加了NO的排放濃度［7］。

在“雙碳”目標(biāo)下，化工行業(yè)面臨著嚴(yán)峻大考，如何使焚燒爐實(shí)現(xiàn)高效清潔燃燒將關(guān)系到化工企業(yè)能否打破“貿(mào)易壁壘”，并在未來(lái)發(fā)展中占據(jù)先機(jī)［8，9］。為此，亟需開(kāi)展減少焚燒爐燃?xì)庀牟⒔档蚇O排放濃度的相關(guān)研究。

1 問(wèn)題調(diào)研

國(guó)內(nèi)某化工企業(yè)共配置兩座焚燒爐，主要用于處理發(fā)酵尾氣中未完全反應(yīng)的CO，同時(shí)副產(chǎn)蒸汽供蛋白車(chē)間、蒸餾車(chē)間使用，其燃燒系統(tǒng)如圖1所示。發(fā)酵尾氣通過(guò)進(jìn)氣閥門(mén)進(jìn)入尾氣處理裝置，隨后經(jīng)過(guò)尾氣預(yù)熱器預(yù)熱后，再與焦?fàn)t煤氣、沼氣混合。混合后的氣體作為焚燒爐燒嘴燃燒用燃?xì)?，并與經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)增壓后的熱空氣在焚燒爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)出約850～950 ℃高溫?zé)煔?，CO經(jīng)高溫焚燒和充分熱力氧化后，達(dá)到排放要求。

燃燒理論將NO的生成分為熱力型NO（Thermal NO）、快速型NO（Prompt NO）、燃料型NO（Fuel NO）、N2O中間型NO和NNH型NO

5種［10～12］。焦?fàn)t煤氣含氮量較低（2%～3%），燃燒溫度高，NO來(lái)源主要為熱力型NO。

熱力型NO主要由約95%的NO組成，其生成機(jī)理一般采用澤爾多維奇機(jī)理［12］，主要影響因素有反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)、氧氣濃度和氮?dú)鉂舛?。澤爾多維奇機(jī)理如下：

［NO］=Kte［N］［O］（1）

其中，K為系數(shù)，5.2×1017；K也為系數(shù)，-72 300；t為反應(yīng)時(shí)間，s；T為反應(yīng)溫度，K；［NO］為生成NO的濃度，ppm（1ppm=0.001‰）；［O］為參與燃燒的氧氣濃度，%；［N］為參與燃燒的氮?dú)鉂舛龋?。

由式（1）可知，為了降低燃燒過(guò)程中的NO濃度，需要降低反應(yīng)溫度、氮?dú)鉂舛?、氧氣濃度和縮短反應(yīng)時(shí)間。然而，反應(yīng)溫度與生產(chǎn)工藝有關(guān)，控制范圍±20 ℃，可優(yōu)化窗口較窄；反應(yīng)時(shí)間影響著加熱效率，反應(yīng)時(shí)間越短，加熱效率越低，且對(duì)爐墻耐材的熱沖擊較大，容易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，影響耐材使用壽命。故關(guān)于焚燒爐高效清潔燃燒工藝就聚焦在如何降低反應(yīng)的氧氣濃度和氮?dú)鉂舛取?/p>

該焚燒爐燃?xì)獠捎玫氖墙範(fàn)t煤氣，完全燃燒后產(chǎn)生的煙氣成分主要由CO、O、N、HO、NO等構(gòu)成，與空氣相比，煙氣的特點(diǎn)為低氧、低氮、高NO。結(jié)合式（1）可知，采用煙氣跟空氣混合的方式可在一定程度上降低NO的排放濃度。

2 高效清潔燃燒工藝研究

2.1 高效清潔燃燒裝置

為了實(shí)現(xiàn)煙氣與空氣混合的功能，設(shè)計(jì)了一種外部煙氣回流裝置，如圖2所示。在煙氣排放管道增加一路支管，利用風(fēng)機(jī)的抽力將一部分煙氣抽送至助燃風(fēng)機(jī)入口；此外，為了實(shí)現(xiàn)煙氣回流比的調(diào)節(jié)功能，在該支管配置流量調(diào)節(jié)閥FCV03和流量變送器FT03。

2.2 燃燒控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

由于煙氣與空氣混合后的助燃?xì)怏w中的氧氣濃度低于空氣中的氧氣濃度，在燃?xì)饬恳欢〞r(shí)，要使其完全燃燒就需要更多的助燃?xì)怏w。為了定量計(jì)算煙氣與空氣混合后的理論空燃比，建立了焚燒爐不同熱負(fù)荷輸出下燃燒系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算策略，其架構(gòu)如圖3所示，主要包括3部分：煙氣中殘氧量設(shè)定策略；煙氣與空氣混合后的氧氣濃度設(shè)定策略；空氣及與空氣混合的煙氣流量設(shè)定策略。

煙氣中殘氧量設(shè)定策略。燃?xì)饬髁縁的計(jì)算式如下：

F=max，（2）

其中，P為焚燒爐熱負(fù)荷輸出，%；LCV為燃?xì)鉄嶂担琸J/m3，焦?fàn)t煤氣熱值范圍為16 500～18 500 kJ/m3；P為焚燒爐燒嘴總功率，kW。

煙氣中殘氧量設(shè)定值O的計(jì)算式如下：

O=k？搖？搖？搖? ? ? ，0%＜P≤6%k？搖？搖？搖? ? ? ，6%＜P≤11%k？搖？搖？搖? ? ? ，11%＜P≤15%k？搖？搖？搖? ? ? ，15%＜P≤18%k？搖？搖？搖? ? ? ，18%＜P≤20%（P-20）+k，20%＜P≤100%（3）

其中，k（i=1，2，…，6）為焚燒爐熱負(fù)荷輸出對(duì)應(yīng)的殘氧量設(shè)定值，對(duì)于焦?fàn)t煤氣，k～k的范圍為15%～18%，k～k的范圍為2.5%～6.5%。

煙氣與空氣混合后的氧氣濃度O設(shè)定策略。具體策略為：

a. 全速升溫階段，O控制范圍為19%～20%；

b. 控速升溫階段，O控制范圍為14%～19%；

c. 保溫階段，O控制范圍為8%～18%。

助燃?xì)怏w及助燃?xì)怏w中的煙氣流量設(shè)定策略。根據(jù)燃?xì)饬髁縁、煙氣中殘氧量設(shè)定值O、煙氣與空氣混合后的氧氣濃度O，得到助燃?xì)怏w（空氣+煙氣）的流量設(shè)定值F和與空氣混合燃燒的煙氣流量F。

助燃?xì)怏w（空氣+煙氣）流量設(shè)定值F的計(jì)算式如下：

F=F（4）

其中，F(xiàn)為煙氣與空氣混合后的流量，即流量變送器FT01測(cè)量值，Nm3/h；F為燃?xì)饬髁?，即流量變送器FT02測(cè)量值，Nm3/h；f為燃?xì)馔耆紵傻臒煔饬颗c燃?xì)饬矿w積比，無(wú)量綱，取4.678 0；r為理論空燃比，無(wú)量綱，取4.094 8。

與空氣混合的煙氣流量F的計(jì)算式如下：

F=F（5）

其中，F(xiàn)為與空氣混合的煙氣流量，即流量變送器FT03的測(cè)量值，Nm3/h。

某焚燒爐有12個(gè)燒嘴，每個(gè)燒嘴功率120 kW，燃?xì)獠捎媒範(fàn)t煤氣，熱值LCV為17 038.81 kJ/m3，理論空燃比r為4.094 8，燃?xì)馔耆紵傻臒煔饬颗c燃?xì)饬矿w積比f(wàn)為4.678 0。

根據(jù)式（2）～（5）可得到不同熱負(fù)荷輸出下，高效清潔燃燒系統(tǒng)的過(guò)程控制參數(shù)（表1）。

焚燒爐熱負(fù)荷輸出與煙氣中殘氧量、不同爐況下助燃?xì)怏w中的氧氣濃度關(guān)系如圖4所示。隨著熱負(fù)荷輸出的增加，煙氣中的殘氧量逐漸增加，不同加熱階段的殘氧量逐步降低。

熱負(fù)荷輸出與燃?xì)饬髁吭O(shè)定值、助燃?xì)怏w流量設(shè)定值、煙氣回流量設(shè)定值之間的關(guān)系如圖5所示。由圖5中的各趨勢(shì)可以看出，在熱負(fù)荷輸出大于20%時(shí)，隨著熱負(fù)荷輸出的增加，煙氣回流量逐漸增加；小于20%時(shí)，隨著熱負(fù)荷輸出的增加，煙氣回流量逐漸減小。

3 工業(yè)化應(yīng)用效果

筆者分別試驗(yàn)了傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)與高效清潔燃燒系統(tǒng)在全加熱周期內(nèi)的NO生成量和煤氣消耗變化趨勢(shì)。試驗(yàn)期間，每隔30～60 min，對(duì)煙氣成分進(jìn)行檢測(cè)并記錄過(guò)程數(shù)據(jù)，如圖6所示。由圖可知：傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)在升溫階段，隨著退火溫度的增加，NO生成量緩慢增加；保溫階段，NO生成量急劇增加。

全速升溫階段數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，由表2中數(shù)據(jù)可以看出，高效清潔燃燒系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的焚燒爐，煤氣總消耗增加了38.2 m3，NO濃度降低了32.90 mg/m3。

控速升溫階段數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，0高效清潔燃燒系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的焚燒爐，煤氣總消耗降低了382.85 m3，NO濃度降低了96.36 mg/m3。

保溫階段數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，由表4中的數(shù)據(jù)可以看出，高效清潔燃燒系統(tǒng)比傳統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的焚燒爐，煤氣總消耗降低了160.44 m3，NO濃度降低了151.67 mg/m3。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種高效清潔燃燒裝置，實(shí)現(xiàn)了煙氣與空氣混合的功能；建立了焚燒爐不同熱負(fù)荷輸出下煙氣殘氧量、煙氣與空氣混合后的氧氣濃度、助燃?xì)怏w及助燃?xì)怏w中的煙氣流量設(shè)定策略。測(cè)試了焚燒爐高效清潔燃燒系統(tǒng)與傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)，在全加熱周期內(nèi)的NO生成量和煤氣消耗變化趨勢(shì)。與傳統(tǒng)的燃燒系統(tǒng)相比，高效清潔燃燒系統(tǒng)在全速升溫階段中煤氣消耗增加了38.2 m3/h，NO濃度降低了32.90 mg/m3；在控速升溫階段煤氣消耗降低了382.85 m3/h，NO濃度降低了96.36 mg/m3；在保溫階段煤氣消耗降低了160.44 m3/h，NO濃度降低了151.67 mg/m3。

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（收稿日期：2023-02-17，修回日期：2024-01-21）