探討降低蓄熱式燃燒系統NOX的排放量

李領 石玉珍

摘要：本文介紹工業爐燃燒過程生成NOX生成的機理和控制方法，提出能大幅度抑制NOX產生的互補型高溫空氣燃燒技術。

關鍵詞：高溫空氣燃燒 蓄熱燃燒 NOX排放

高效蓄熱燃燒技術極大程度上回收燃燒產物的余熱，預熱助燃空氣，提高火焰的理論燃燒溫度，使燃燒消耗大幅度降低。但與此同時使NOX的排放量顯著增加，嚴重污染環境。因此，減少高效蓄熱燃燒系統NOX的排放量是該技術能否進一步迅速推廣的關鍵。

1 工業爐燃燒過程中NOX的生成機理和控制

通常認為，燃料燃燒生成NOX的機理有三種：

（1）溫度型NOX（也稱熱NOX）

（2）快速溫度型NOX

（3）燃料型NOX

1.1溫度型NOX的生成機理

在空氣過剩系統大于1的火焰（燃料稀薄的火焰）中，NO的生成過程是在火焰帶的下游進行的，其生成機理是由原蘇聯科學家策爾多維奇提出的，因而稱為策爾多維奇機理。

1.1.1NO的生成速度受O2的影響

NO的生成量在空氣系數等于1附近，生成量最大，在空氣系數大于1或小于1時，生成量下降。燃燒溫度在空氣系數等于1附近出現最大，相應NO生成速度也達到最大。在空氣系數小于1時，下降的速率更大；

1.1.2 NO的生成速度受溫度的影響

NO的生成反應，在燃燒溫度低于1200℃時，幾乎觀測不到，在溫度高于1200℃時，這一反應才變得更明顯，并且隨溫度升高，反應速度按指數規律迅速增加。實驗證明，溫度在1200℃附近變化時，溫度每增加100℃反應速度增加6—7倍，當溫度在2000℃時，NO的生成速度就極為迅速。可見，溫度的影響是具有決定性的作用。

1.2快速溫度型 NOX的生成機理

碳氫系燃料在空氣系數為0.7—0.8預混合（燃料過濃）時燃燒排放的NO全部由快速機理生成，生成地點不在火焰面的下游，而是在火焰內部。根據Fenimore假說，因為氧氣不足，CH等成分未完全燒盡，空氣中的氮和氧原子通過CH等的觸媒作用生成快速溫度型NOX。其主要特點是：完全依賴氮氫化合物的存在，與溫度、燃料類型或混合程度相對無關，與停留時間有關。

1.3 燃料型NO生成

燃料中若有氮的化合物，則在燃燒過程中氮化合物將會變成 NO。它的生成過程及生成特性均來源于空氣中氮氣的NO不同。到目前為止，燃料型NO的生成機理還不十分清楚。已知的有兩點：

（1燃料N向燃料型NO的轉變率一般為20%--25%，最高不超過32%。

（2）燃料型NO與空氣系數與溫度型的不同。隨著空氣系數降低，燃料型NO的生成一直降低 ，尤其當空氣系數a<1.0時，生成量急劇降低。這是因為氮與碳、氫競爭氧氣時，氮缺乏競爭力，因而減少NO形成。

減少燃料型 NO生成的方法有：

（1）采用N含量低的燃料。

（2）采用燃料過濃燃燒。

（3）擴散燃燒時，抑制燃燒與空氣混合

2 高溫低氧空氣燃燒對減少NOx排放量的影響

九十年代日本科研人員提出了降低高溫空氣含氧量進行燃燒的新概念，并獲得成功。燃料在含氧量低（可降到4—8%）的高溫（≥800℃）預熱空氣中進行燃燒時，NOX的生成受到抑制，排放量顯著減少。

高溫低氧燃燒當前主要采取的措施有：燃氣/空氣多級燃燒，煙氣回流等，另一種方法是采用燃氣與空氣成一角度噴入爐內，使燃氣 在爐內流動中逐步與空氣混合，達到 延緩燃燒，降低NOX的目的。

上述方法都有缺點，如果要求預混量大（導致熱回收率低），或需要輔助設備，系統復雜，投資較大，而且大多很難將氧濃度真正穩定降低到足夠小的程度。在綜合總結以上方法的基礎上，我們提出了獨特的互補型蓄熱燃燒的概念?；パa型蓄熱燃燒打破了一個燃燒器為單位獨立完成空氣和燃氣的供給并燃燒的傳統觀念，把兩個或多個燃燒器綜合成一體，其中每一個燃燒器都與其它燃燒器協調工作，按一定的次序和要求完成燃氣、空氣的供給，燃燒和排出煙氣，使火焰在每一個時刻和區域的燃氣濃度和空氣濃度遠離化學計量比，以降低火焰溫度、抑制NOX的生成。

互補型蓄熱燃燒將燃燒空間擴展為整個爐膛，減少了燃燒器散熱，提高了熱利用率。并使爐內溫度分布更均勻。更重要的是，互補型蓄熱燃燒不需要額外的設備和能量 ，在不加任何成本的基礎上，簡單易行地實現 了低氧燃燒，這一點正是互補型蓄熱燃燒有意義所在。

3 NOx排放量的測定結果及研討

分別在900℃，1000℃，1200℃左右進行的，燃氣/空氣同向（常規型 ）和逆向（互補型）給進方式下的NOX和NO排放結果列于下表中 （以下煙氣成分測量都在換向周期60秒進行）。

在不同爐溫下，同向燃燒的NOX排放時在百萬分之幾十到三百多之間，與相同預熱空氣溫度下的常規燃燒相比，NOX的排放量已有很大程度的降低。這是由于燃氣中預混的一次空氣促使燃氣裂解，活化成分容易擴散，促進民與二次空氣混合，使火焰鋒面變厚，消除了火焰局部熾熱點的緣故。

根據策爾多維奇機理，在同向（常規型）燃燒反應的下區，雖然助燃空氣中氧與燃氣反應消耗了一部分，但由于空氣過剩系數較大，氧濃度保持較高的濃度，由于擴散燃燒的火焰很長，此處火焰溫度很高，因此生成較多的NO。另外在靠近燃氣噴口的火焰上游處，燃氣與氧氣的濃度都很高，也形成較高的溫度區，在火焰鋒面外，氧氣過剩，而燃氣與其裂解物濃度極低，雖然O與N2反應的活化能較大，也能反應生成NO。

對于逆向（互補型）燃燒方式，在燃氣噴口處的上游區域，燃氣濃度較大，但助燃空氣中已混入了燃燒產物，氧氣濃度降低，而在離噴口遠的下游區域，空氣中氧氣濃度雖然大，但因為燃氣已在上游區域反應消耗一部分并被燃燒產物稀釋，因此在火焰中難以形成高溫區域，從而降低了熱力NOX的生成。在逆向燃燒方式中，雖然可能存在有利于快速型NOX的區域，但是這樣和區域與整個反應區相比很小，而且 快速型NOX的生成量相對較小，因此總的來說，互補（逆向）燃燒方式NOX的生成量要比同向（常規）方式低很多。

4結論

實測結果表明，燃氣/空氣的給進方式對NOX的排放量有極明顯的影響，逆向（互補型）給進方式有極明顯減少排放量的效果，值得深入研究與推廣。

（作者單位：鎮江領強能源工程技術有限公司）