氧氣燃燒控制對煙氣中NOx排放的影響

余小華，李明周，張 磊，宮志昊，訾圣群

（1.銅陵有色，安徽 銅陵 244000；2.江西理工大學，江西 贛州 341000；3.盈德氣體（上海）有限公司，上海 200134）

NOx的化合物有多種形式，在高溫燃燒條件下，NOx主要以NO的形式存在，最初排放的NOx中NO約占95%左右，然而NO在常態下極易與空氣中的氧發生反應生成NO2，故大氣中NOx基本以NO2的形式存在。氮氧化物的危害在于：第一它本身可刺激肺部，使人降低呼吸系統疾病的免疫，對兒童來說，長期吸入氮氧化物可能會導致肺結構的改變；第二在條件滿足的情況下，與水分子作用產生酸雨；第三NOx與大氣中的臭氧發生反應生成另一種氮氧化物與氧氣，從而打破臭氧平衡，破壞臭氧層[1，2]，其原理為：

O3+NO=NO2+O2，O+NO2=NO+O2。

這種反應是反復循環的，最終使得O3變成O2，而氮氧化物只作為催化劑的作用。

氧氣燃燒技術以其節能減排、高效環保的優點，已廣泛應用于有色冶金、玻璃建材等行業，尤其以銅精煉回轉爐的應用，因其50%以上的節能率而得到全行業的大力推廣。氧氣燃燒技術相較于空氣助燃，以高濃度氧氣替代常規空氣助燃，摒除了無效氮氣的影響，大幅減少了煙氣排放總量，因助燃輸入的氮氣大幅減少，NOx排放總量顯著降低，在環保排放上優勢顯著。但生產作業環保要求，爐膛需保持負壓作業，將吸入一定比例的環境氮氣，氧氣燃燒的超高溫的火焰，在未進行合理控制氧氣燃燒條件的情況下，將大量生產NOx，本文研究討論如何合理應用并控制氧氣燃燒，以實現最低NOx排放。

1 燃燒過程NOx產生機理

1.1 NOx產生類型

對于燃燒過程中，生成NOx的途徑主要包括：熱力型NOx、燃料型NOx，快速型NOx，對于銅精煉生產過程中，以天然氣為燃料，主要以熱力型NOx為主。

1.2 溫度對NOx的影響

氮氣高溫下將會發生氧化反應，如圖1所示，用氧氣濃度為95%，當溫度升高至2800F(1537℃)以上時，每升高100℃，NOx生產的反應速率提高6倍～7倍，即隨著爐內燃燒溫度的提高，NOx的排放量將升高，因此可以通過控制合理爐溫、火焰溫度來控制NOx的排放量[3]。銅精煉溫度為1200∽1300℃，該溫度區域NOx生成速率不高，故控制的重點在于燃燒器火焰溫度。

圖1 燃燒煙氣溫度與NOx含量的關系[2]

2 銅冶煉氧氣燃燒技術

2.1 技術原理

當前我廠應用的是引進的氧氣燃燒技術，其技術原理是氧氣燃燒技術作為常規空氣助燃技術的替代，減少了空氣中79%的無效氮氣的介入，大幅降低了煙氣量及其所帶走熱量，達到節能的目的。

燃料在高氧濃度的氣氛下，反應速率極大加快，燃燒火焰溫度極高(最高火焰溫度可到2700℃以上[4])，在負壓作業的窯爐工況下，將大量生產NOx，且極高溫不利于窯爐耐材壽命。其氧氣燃燒技術的核心是燃氣的低動量控制及氧氣的分級助燃原理，見圖2。

圖2 氧氣燃燒技術原理示意圖

燃氣和一次氧通過燃燒器的燃燒噴嘴，以較低的速度進入爐膛；二次氧通過燃燒器氧槍噴嘴高速進入爐膛內，在與燃氣反應前分別與煙氣發生卷吸、彌散混合后燃燒，燃氣噴嘴二次氧氣在爐內與煙氣和燃氣二次混合燃燒。

燃氣與一次氧形成欠氧燃燒氣氛，有效降低NOx生成，且低動量火焰降低了卷吸含氮爐氣的能力，高動量二次氧卷吸爐氣稀釋了其反應階段的氧濃度，燃燒邊界更廣，火焰相對彌散，覆蓋分布更廣，溫度梯度相對小，溫度均勻性好，峰值溫度更低，從而抑制NOx生成。

2.2 燃氣氧氣燃燒系統特點

如技術原理所述，其系統中氧氣設計為一次氧和二次氧，均可獨立控制且二者比例關系精確控制，針對不同階段的冶煉工況，設置了不同的比例，以滿足不同階段爐內氧化氣氛或還原氣氛的控制。具體特點如下：①天然氣、氧氣的安全控制，以及流量精確控制，保證燃燒效率最佳和能耗控制最佳。②氧氣分級控制，一次氧和二次氧可獨立控制，但預設可調范圍，以確保燃燒器最佳工作特性。③燃燒器設計簡潔，包括：燃燒噴嘴、氧槍和燒嘴保護磚。噴嘴和氧槍本體輕巧易拆卸調節，為燃燒器特性調整提供便利，且維護方便、成本低。

3 生產實踐控制

氧氣燃燒系統在設計之初即為獲得低氮特性，但在實際應用中，由于未能充分重視和理解其低氮燃燒的特性，在生產過程中未能夠對細節控制進行有效管理。

故根據控制NOx生成的角度（控制爐溫和火焰溫度），從四個方面進行調整以驗證其在低氮控制上的設計原理，分別是氧過剩系數、分級氧氣比例、燃燒噴嘴位置、燃氣噴嘴出口速度。

3.1 氧過剩系數控制[5]

氧過剩系數的定義同空氣過剩系數，對燃燒效率影響的一個重要參數，理論上能夠確保燃料完全燃燒的情況下，過剩系數越小越好。

圖3 氧過剩系數與NOx含量的關系

因氧氣助燃的高燃燒效率，現有系統設計的初始過剩系數為1.0，即理論完全燃燒，由微負壓所帶來的空氣作為過剩部分，以確保燃氣充分燃盡，從而確保最佳能源消耗，見圖3。

在相同工況下（空爐待料保溫1250℃），通過改變總氧燃比參數，分別檢測NOx排放數值。氧過剩系數調整試驗過程中，天然氣流量、分級氧氣比例、燃燒噴嘴位置以及燃燒噴嘴均為作出改變，相關參數如下：天然氣流量260Nm3/h，分級氧氣比例80%、燃燒噴嘴尺寸30mm（對應出口速度110m/s）。

結果分析：①氧過剩系數對燃燒的影響與空氣過剩系數一致，越低的過剩系數獲得最佳的NOx生成，一是因為反應區無過剩的氧分子與氮反應，二是較高的氧過剩系數使得燒嘴出口氧濃度有所提高，從而使得火焰溫度提高，使得NOx生成速率提高，從而提升了NOx排放濃度。②當過剩系數達到1.10時，NOx排放數值略有下降，實測的數值組中存在更高的數值，也存在更低的數值，導致其原因在于一是過剩的常溫氧氣對火焰有一定的冷卻作用，二是更多的二次氧卷吸煙氣的動量提高，卷吸稀釋能力提高，使得燃燒反應區域氧濃度進一步降低，從而總體上降低了火焰溫度。實際數據的反復變化大部分是因為爐壓的變化，可能抵消了二次氧的動量的卷吸稀釋作用。③調整氧過剩系數，通過結果可知，過剩系數的大幅變化并未對排放濃度帶來特別大的變化，是因為過剩的氧氣量相比較于爐膛尺寸和燃燒總量來說，都是比例較小的，這一點從排放的煙氣中無明顯變化的氧含量，也可以驗證這一點。

3.2 分級氧氣比例控制

氧氣燃燒控制的核心為分級稀釋燃燒技術，類似于空氣燃燒的多級燃燒或再燃燒技術，差別在于二次氧的動量相比于空氣更高，以達到與空氣分級燃燒相同的效果，實現一次燃燒區欠氧燃燒（還原性氣氛），NOx的生成將被燃料中的碳氫還原成N2，二次氧卷吸煙氣稀釋氧濃度后，充分燃盡燃氣，生成少量NO，相較于常規氧氣燃燒，火焰溫度大幅降低，較少的氧化性高溫的氣氛，有效抑制NOx生成，見圖4。

圖4 二次氧比例與NOx含量的關系

在相同工況下（空爐待料保溫1250℃），天然氣流量260Nm3/h，氧過剩系數1.02，燃燒噴嘴尺寸30mm（對應出口速度110m/s）。

結果分析：①通過數據可知：二次氧比例越高，NOx控制越好。其原因在于：一次氧與燃氣距離較近，越多的一次氧帶來更高的一次燃燒區溫度，也影響降低了一次燃燒區的還原性氣氛，使得火焰溫度較高，從而加劇NOx生成速度。②二次氧比例為90%，一次氧流量過小，導致燃燒噴嘴火焰偏軟，火焰形態控制較差，易沖刷到爐體煙氣區拱頂部分，雖然NOx排放結果略好于二次氧比例為80%的工況，實際操作過程中采用80%分級比例更佳。

3.3 燃氣噴嘴出口速度控制

有色金屬冶煉行業應用的氧氣燃燒噴嘴速度普遍高于空氣燒嘴，燃氣/助燃劑速度比是影響燃燒火焰的重要參數之一，因氧氣速度已經非常高，故我們試驗中固定氧氣速度，僅改變天然氣噴出速度，以觀察火焰變化以及對NOx的影響。

在相同工況下（空爐待料保溫1250℃），天然氣流量260Nm3/h，氧過剩系數1.02，二次氧分級比例為80%，只改變噴嘴口徑而調整噴嘴出口速度，見圖5。

圖5 噴嘴口徑與NOx含量的關系

結果分析：①通過數據可知：燃氣出口速度越快，NOx生成量越高，即燃氣/氧氣的速度差越大，火焰高溫區越小。②燃燒噴嘴與氧槍的間距為200mm，燃氣速度越快，燃氣與二次氧的相互影響、快速混合、反應時間縮短，燃燒反應區域變小，火焰溫度升高。③此工況下，燃氣噴嘴為61m/s時，火焰形態正常，銅水升溫、爐內溫差均無明顯變化，考慮到小流量下（最小流量50Nm3/h），燃氣速度僅12m/s，噴嘴背壓極低，爐壓波動情況下，存在回火的風險，故實際使用噴嘴依舊為30mm直徑的燃氣噴嘴。

4 結語

隨著日漸趨緊的環保政策，同時借鑒其他行業應用氧氣燃燒后的環保政策，NOx控制仍是大勢所趨。故充分研究并掌握氧氣燃燒控制對NOx生成的影響非常必要。另外氧氣燃燒通過多年的技術演變，從最初的為了獲得更好的燃燒效率和更高的火焰溫度，到現在的為適應不同生產工況的需求為目的。早些年在歐美國家運用的比較廣，他們通過在火焰形態控制或者溫度分布控制上，改變燃料與氧氣的速度和射流強度或者混合形式，形成了一系列不同溫度特征控制、火焰形態控制的燃燒技術。近年在國內，隨著節能環保的要求進一步提高，為了達到綠色冶煉的高要求，氧氣燃燒技術逐步推廣到各大企業。氧氣燃燒技術在國內銅冶煉行業首次成功應用是2008年金隆銅業陽極爐氧氣燃燒改造，迄今已12年，為行業節能減排作出了巨大的貢獻[6]，隨后新建或者改造的銅冶煉項目，基本上運用了氧氣燃燒技術。