新型低氮燃燒器的研究進展

萬文雷 錢英芝 魏玉平 劉恩海,4

1.江蘇河海新能源股份有限公司2.常州大學石油工程學院

3.常州布拉迪智能科技有限公司4.中原工學院能源與環(huán)境學院

工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)成為我國快速發(fā)展的一把雙刃劍，它給我國帶來了明顯的經(jīng)濟效益，但同時給生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展施加了一定的壓力。其中，工業(yè)發(fā)展所造成的大氣污染成為目前我國嚴重的環(huán)境污染之一。相關調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，導致大氣污染的關鍵性物質(zhì)——NOx 在我國的排放現(xiàn)象較為嚴重[1]，中國NOx 的排放來源主要有能源、工業(yè)和交通等。Vander A[2]等分析比較了中國NOx排放量差異與季節(jié)變化之間的聯(lián)系，指出夏秋季的污染物極值出現(xiàn)在東部和南部，春冬季出現(xiàn)在西部和北部。

隨著我國NOx 生成、排放量的增長，城市環(huán)境以及空氣污染問題愈發(fā)明顯，導致出現(xiàn)不少健康問題。基于以上原因，我國政府從2006 年開始每年都精確統(tǒng)計全國范圍內(nèi)NOx的排放量并及時公布，并且為了控制NOx 的排放量，嚴格制定其排放標準。國家環(huán)保部門更是對NOx 排放提出了具體標準，燃氣鍋爐NOx排放限值如表1所示。

表1 燃氣鍋爐NOX排放限值[3-5]

1 NOx生成及控制機理

1.1 NOx生成機理

NOx 分為熱力型NOx 快速型NOx 和燃料型NOx。燃料型NOx 是燃料中的氮化物由于高溫被氧化而形成的，是主要的NOx 類型，將近占全部NOx 的80%[6-8]。熱力型NOx 和快速型NOx 這兩種NOx普遍產(chǎn)生于燃氣燃燒的過程中。其中，熱力型NOx 是助燃空氣中的氮氣在高溫情況下所形成的，也就是說，溫度的高低會直接影響熱力型NOx的生成量，運用Zeldovich的反應式，可將其生成機理表示為：反應速率隨溫度升高按指數(shù)規(guī)律增加,在火焰溫度分布不均勻的情況下，也會產(chǎn)生大量的NOx；快速型NOx 則是在當量比大于1 時，分子氮在火焰面急劇生成，這種類型的NOx 在總體NOx中所占的比重比較低[9-12]。

1.2 NOx控制機理[13-14]

氣體燃料主要產(chǎn)生快速型NOx 和熱力型NOx，想要對NOx 的生成和排放進行控制，則要重點關注快速型NOx和熱力型NOx的生成及排放情況。快速型NOx和熱力型NOx的產(chǎn)生均與溫度高低有著密切的聯(lián)系，因此，如果要降低燃氣鍋爐NOx 的排放量，即控制熱力型NOx 和快速型NOx 的生成量，就要合理優(yōu)化燃料和助燃空氣的混合配比。也就是說，合理控制爐膛局部高溫情況，是達到燃氣鍋爐低氮燃燒效果的關鍵。

燃燒前處理或燃燒后處理也可以減少NOx 的排放量。燃燒前處理即在燃料送入爐膛燃燒之前，首先去除氮化物，但這一技術方法操作復雜且成本過高。燃燒后處理是對燃燒后的煙氣進行脫硝處理，包括選擇性催化還原法SCR、選擇性非催化還原法SNCR 等，這一處理技術設備投資過大，同樣存在成本過高的問題。綜上所述，只有在燃燒過程中對NOx進行減排處理，才是一種經(jīng)濟可行的技術處理方法。

2 常見低氮燃燒器

2.1 燃料分級燃燒器

經(jīng)過長期研究發(fā)現(xiàn)，燃料與空氣當量比為1:1時，燃燒溫度最高。而如果燃氣鍋爐內(nèi)的溫度過高，就會增大快速型NOx 和熱力型NOx 的生成量。燃料分級燃燒技術這一概念首先于1972年被Wendt所提出，他主張將爐膛分為主燃區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)[15-16]。燃料分級意味著將燃料依據(jù)一定比例送至爐膛內(nèi)進行混合燃燒，這一措施在一定程度上可以避免燃料在某處聚集而導致的溫度分布不均勻情況。此種燃燒器可以降低NOx 的生成量，同時可以提高燃氣鍋爐內(nèi)燃料的燃燒效率。正是利用這一原理，使燃料分級燃燒器的開發(fā)具有可行性。燃料分級燃燒器可分為圓周方向分級燃燒器、中心向外圍層式分級燃燒器和軸向分級燃燒器。

宋少鵬[17]等設計開發(fā)了一種燃料分級燃燒器，通過改變化學當量比等參數(shù)進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)在最優(yōu)當量比條件下，NOx 的排放濃度大大下降，為35 mg/m3。Liu[18]等采用數(shù)值模擬方法進行研究，優(yōu)化設計相關參數(shù)之后，NO的排放濃度為56 mg/m3。

2.2 空氣分級燃燒器

20 世紀中葉，美國率先研究空氣分級燃燒器[19]，這一燃燒器是目前使用廣泛的燃燒器類型之一。我國對這一類型燃燒器的研究案例較少，國外學者對空氣分級燃燒器的研究較為廣泛。Adouane等[20]設計了“Winnox-TUD”燃燒器并進行相關實驗。其原理是將空氣分段送入燃燒器中，在燃燒初期進行缺氧燃燒，使燃燒區(qū)的燃燒溫度得到降低以及降低燃燒區(qū)燃燒的速度，從而減少NOx的生成量，燃燒后期則進行富氧燃燒，將其與未燃盡的燃料進行混合燃燒，此時燃燒區(qū)的燃燒溫度較低，可以減少熱力型NOx的生成[21]。

2.3 煙氣再循環(huán)燃燒器

通過某些裝置引入對燃燒區(qū)域進行燃燒過煙氣的循環(huán)使用，燃燒區(qū)域中氧氣濃度在一定程度上降低，即形成缺氧燃燒。缺氧燃燒可以使燃燒區(qū)域的燃燒速度和燃燒溫度低于快速型NOx 和熱力型NOx生成所需要達到的溫度和速度條件，從而在一定程度上降低和控制NOx 的生成。煙氣再循環(huán)燃燒器根據(jù)運行性質(zhì)，可分為煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒器和煙氣外循環(huán)燃燒器，這兩種類型的燃燒器在使用過程中存在各自的優(yōu)勢與劣勢，有些燃燒器還可以控制煙氣回流量。

楊偉杰[22]測試了NTFBJD-22D 型國產(chǎn)煙氣再循環(huán)燃燒器的工作特性和煙氣排放特性，發(fā)現(xiàn)采用煙氣再循環(huán)燃燒裝置后，NOx 的生成量明顯降低，煙氣中NOx 濃度低至65.74 mg/m3。Baltasar等[23]采用試驗與數(shù)值計算方法，發(fā)現(xiàn)煙氣再循環(huán)技術能夠降低NOx 的排放，至于CO 排放則沒有明顯的影響。

2.4 復合型燃燒器

復合型燃燒器是結(jié)合多種低氮燃燒技術后通過優(yōu)化設計而形成的一種新型低NOX燃燒器，能夠達到降低NOx 生成量，提高環(huán)境保護力度的目的。

中國環(huán)科環(huán)保技術公司開發(fā)的HBUNB系列燃燒器[24]，就是將部分預混技術、燃料分級技術、空氣分級技術、煙氣再循環(huán)技術等技術綜合考量，對燃燒器結(jié)構(gòu)和使用流程進行優(yōu)化提升設計。該設計通過利用CFD 軟件進行多次模擬運行和實驗得出結(jié)論為：這種復合型燃燒器所排放出的NOx含量低于30 mg/m3，成功達到減少NOx排放量的目標，并已經(jīng)達到國際領先水平。

2.5 旋流撞擊式氣體燃燒器

鑒于我國是一個富煤、貧油、少氣的國家，將煤制成煤氣進行燃燒，一方面可以大大提高燃燒效率，另一方面，也可以提高我國的能源利用率。旋流撞擊式氣體燃燒器正是運用于煤氣進行燃燒。

旋流撞擊式氣體燃燒器的工作原理大致概括為煤氣經(jīng)過旋流裝置進入燃燒器內(nèi)，與一次風進行混合后再次通過旋流裝置繼續(xù)前進，并與二次風進行混合燃燒，此時煤氣側(cè)、一次風和二次風處均可檢測其流量、溫度、壓力等參數(shù)，爐膛內(nèi)溫度可由熱電偶裝置監(jiān)測并導出，參考相關文獻中NOx形成溫度可確定爐膛內(nèi)溫度是否合理，超溫則調(diào)節(jié)一、二次風配比等，合理解決超溫問題，同時冷水進入水冷壁管吸收爐膛內(nèi)因煤氣燃燒而釋放的大量熱量，變成高溫熱水排出以供它用。完全燃燒后的煙氣可每隔一段時間用高精度煙氣分析儀檢測一次，并記錄煙氣分析儀上的相關數(shù)據(jù)，若其中NOx超標，則可調(diào)節(jié)一、二次風配比，或者調(diào)節(jié)旋流裝置，觀察調(diào)節(jié)后煙氣分析儀中NOx的排放量，如果其排放濃度低于國家要求標準，就說明這一類型燃燒器對于減少NOx生成是可行的。在實驗進行中，需要多次實驗并進行多次調(diào)節(jié)，以確定一個合理的一、二次風配比范圍和旋流裝置角度范圍。

2.6 其他低氮燃燒技術

Pourhoseini[25]提出一種新型的擴散燃燒技術——直接將20%～50%的天然氣引入火焰中心。通過實驗研究表明這些天然氣在裂解為炭黑的過程中，能夠吸收大量熱量，從而降低燃燒火焰溫度，進而減少了約35%NOx排放量。

Zhu 等[26]提出多級注氫燃燒工藝，經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，這一燃燒工藝在提高燃燒效率的同時，也能夠降低NOx的生成。

Pipitone 等[27]通過實驗發(fā)現(xiàn)，雙燃料燃燒工藝即將天然氣與其它燃料混合燃燒的工藝技術方法，能大大降低NOx 排放量至其體積分數(shù)為20×10-6左右。

2.7 低氮燃燒器比較分析

表2 總結(jié)了不同低氮燃燒器的結(jié)構(gòu)特點，并與其它燃燒器相比，旋流撞擊式氣體燃燒器除了可以減少NOx 的排放量之外，還具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活；一、二次風混合，燃料基本燃盡；負荷發(fā)生變化可及時調(diào)節(jié)，始終保持低氮燃燒；CO 排放低；造價相對較低。

從成本、NOx 排放量、可操作性等各方面因素來看，旋流撞擊式氣體燃燒器具有明顯的市場競爭優(yōu)勢。

3 燃燒器設計原則及相關標準

3.1 燃燒器設計原則

燃燒器的設計需要滿足以下幾項原則條件：

1）可以提高鍋爐效率；

2）燃料基本完全燃燒（在尾部煙氣出口處檢測）；

3）連續(xù)運行時旋流撞擊式氣體燃燒器可穩(wěn)定減少NOx的排放數(shù)量；

4）結(jié)構(gòu)系統(tǒng)盡可能緊湊合理；

5）旋流撞擊式氣體燃燒器能連續(xù)可靠穩(wěn)定靈活運行，便于調(diào)節(jié)檢修和維護等。

3.2 燃燒器設計相關標準

本文通過相關文獻以及標準的資料查閱，將已經(jīng)發(fā)布執(zhí)行的燃氣燃燒器通用技術條件整理如表3 所示。

表2 不同低氮燃燒器對比

表3 國內(nèi)外工業(yè)燃氣燃燒器相關標準[28]

4 結(jié)論

在經(jīng)濟快速發(fā)展的時代背景下，人們對生活品質(zhì)的要求不斷提，隨著對空氣質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境保護意識的不斷增強，對NOx進行減排處理是必要的舉措。我國對低氮燃燒技術的研究起步相對較晚，這就要求在積極引進國外先進技術的同時，更要加快研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型低氮燃燒器步伐。此外，國家對于大氣污染物的排放標準要求越來越嚴格，積極研發(fā)新型高效超低氮燃燒器是十分必要的，且具有深遠的發(fā)展前景和極大的發(fā)展市場。