天然气工业炉低氮燃烧技术研究与应用

2022-03-03曹文宣徐杰王子兵秦培禾

化工管理 2022年4期

曹文宣，徐杰，王子兵，秦培禾

(华北理工大学冶金与能源学院，河北唐山 063200)

0 引言

随着我国工业炉对天然气资源开发利用的力度不断加大，其燃烧后排放的主要污染物(氮氧化物)被愈发重视。由于其带来的种种危害，近年来，我国对燃气工业炉氮氧化物排放制定越来越严格的标准，各大城市已经相应出台30 mg/m3的氮氧化物排放标准[1]，未来还将更加严格，现有的低氮燃烧技术难以满足实际需要。因此如何降低气体燃烧过程中的氮氧化物排放是当前低氮燃烧技术及新型低氮燃烧器设计面临的重要课题。

本文通过对各种天然气低氮燃烧技术的综述与分析，提出实现超低氮排放的关键技术路线，为新型低氮燃烧器的设计与开发提供理论参考。

1 NOx分类及影响因素

根据NOx的产生机理，将其分为3种类型：燃料型氮氧化物、热力型氮氧化物和快速型氮氧化物。因天然气中含氮量非常少，故天然气燃烧氮氧化物以热力型和快速型为主。其中热力型NOx占比一般为—90%以上，快速型占比一般为—不到10%[2]。

在实际生产中，影响NOx排放的因素有很多，主要有燃烧温度，过量空气系数，停留时间及火焰加热速度等。其具体影响如表1所示[3-5]。

表1 热力型NOx与快速型NOx影响因素对比

实践表明，对于快速性氮氧化物，其生成基本都和碳氢化合物有关，它在贫氧富燃料区和低温区比较常见。并且，与一般情况不同[2]，在采用在低NOx燃烧技术的燃烧条件下快速型NOx的生成量与热力型NOx的生成量近似相同[6]，所以为实现超低氮排放，快速型 NOx同样应当受到重视。

2 NOx的控制技术

根据低NOx燃烧技术的发展历程将其划分为3代[7]。第一代低NOx燃烧技术主要是指，分级扩散燃烧技术；第二代主要是指，在分级扩散燃烧技术的基础上引入烟气外循环；第三代低NO燃烧技术的主要特征是贫燃预混，是由分级燃烧、弥散燃烧、烟气循环等多种技术相耦合的燃烧技术。

2.1 燃烧分级技术

燃烧分级技术分为空气分级技术和燃料分级技术，原理是通过对火焰进行合理的分区，在前端形成当量比小于1的富氧低温区，用过量的空气来抑制高温区的产生，从而减少氮氧化物生成；在后端形成当量比大于1的富燃还原区，以还原性氛围抑制氮氧化物的生成。空气分级燃烧技术操作简便易行，但是其燃烧温度一般较低，故而燃料分级燃烧技术的在燃气炉窑中的应用更为广泛。Pourhoseini S H等[8]采用了一种简单有效的方法，通过改变燃烧器的结构，实现了燃料分级技术，如图1所示，在二次喷射率为40%的情况下使NOx排放量降为了原来的35%。

图1 燃烧器简易结构

2.2 弥散式燃烧技术

弥散式燃烧是一种扩散燃烧，其气体燃料和空气之间不进行预混，直接送入燃烧室进行燃烧。由于弥散燃烧在一个较大空间、较长时间内完成反应，湍流掺混过程与燃烧反应的发生比较平缓，若燃烧过程中产生的温升小于燃料自燃温度[9]，则称之为柔和燃烧，又因其火焰轮廓几乎不可见称为无焰燃烧，如图2所示，或无焰氧化[10]。它实现低NOx排放的手段有两个：一是控制助燃气体中的氧浓度，通过高速射流卷吸烟气在弥散过程中实现低氧环境；二是没有局部高温，整个炉膛内热流密度均匀，温度波动很小，实现了整体的低温燃烧[11]。

图2 传统燃烧与无焰燃烧对比图

其优势：首先，延长了炉膛内衬的使用寿命，且有助于材料加工领域中控制表面温度均匀。其次，不同于传统燃烧技术，无须设置点火装置，燃气在高温下可以自燃。最后，热效率增加了30%以上，弥散燃烧回收烟气余热远远多于常规燃烧[12]。此外，弥散燃烧的不足有：(1)对空气预热温度要求很高，要利用烟气余热对其加温到1 000 ℃左右，才能达到技术要求。(2)要达到超低NOx排放，必须控制达到一个合理的低氧氛围，杜旭东等研究发现[13]，空气流速要达到燃气流速的4倍才能实现28 mg/m3。

2.3 烟气循环技术

烟气再循环是指通过外部管道抽吸或内部卷吸的方法实现部分烟气的回流，使烟气重新参与反应燃烧的技术手段。其原理是：促使含氧量较低的烟气与助燃空气混合，降低原空气中的氧浓度，同时抑制了燃烧反应的进行，降低了火焰燃烧温度，可以有效控制热力型NOx的生成。通过理论计算，如图3所示，给出了不同空气预热温度下理论燃烧温度随烟气循环率的变化规律。结果表明通过增加烟气循环量，可以有效降低天然气的理论燃烧温度和氧浓度，进而抑制热力型NOx和部分快速型NOx的生成。

图3 烟气循环率对理论燃烧温度和氧气浓度的影响

烟气循环技术可分为烟气外循环(flue gas recirculation, FGR)和内循环(flue in-ternal recirculation, FIR)。目前，烟气外循环(FGR)主要依赖外部加设管道抽吸锅炉尾部烟气实现再循环，这种方法不仅会降低锅炉效率增加设备运行的费用，而且要求相对洁净的运行环境和频率较高的周期性检修[15]。而烟气内循环技术是通过对燃烧器结构的改造，对燃烧进行合理的分区，在炉膛内部对产生的烟气进行二次燃烧，通过对氧浓度和燃烧温度的双重控制，实现低 NOx排放的目标。FIR 技术可以完全克服上述 FGR 技术带来的问题，它的应用具有重大意义。

2.4 富氧燃烧技术

富氧燃烧不同于常规燃烧，是指在所用助燃气体中氧浓度大于21%的前提下进行的燃烧过程[16]。富氧程度对理论燃烧温度的影响如图4所示，其中相对富氧浓度是指富氧相对于空气氧含量的增量。可发现：氧含量每提高1%，理论燃烧温度就会上升几十摄氏度，这种影响会逐渐被H2O和CO2的高温分解热削弱直至达到平衡，并且由于氮浓度在反应后期占主导作用，所以随氧含量的升高，氮氧化物生成量呈先上升后下降的趋势。

图4 理论燃烧温度与富氧程度的关系曲线

富氧燃烧的优势：首先，它能够提高燃尽率，减少排烟热损失，使反应更充分，达到节能的效果。研究发现[17]，氧气浓度对锅炉热效率的影响尤为显著，锅炉热效率和锅炉火用效率随着氧浓度的增大而增大，33%的富氧可使热效率提高2.7%、火用损失降低1.6%。其次，富氧贫氮技术是很有发展前景的，当纯氧作为助燃气体时是没有氮氧化物生成的。

缺点：(1)制备纯氧的难度和成本较高；(2)会富集CO2这种温室气体，大大增加尾气排放中的二氧化碳浓度。如表5所示，现有的三种富氧制备技术，如何才能更经济高效的制备富氧仍待于未来去解决。

表5 富氧制备技术对比

2.5 超低氮燃烧技术

2.5.1 文丘里管引射燃烧技术

文丘里管引射燃烧技术原理是利用布置在燃烧器周围的阵列文丘里管将多股燃气高速喷射炉膛中，一方面实现燃料的分级燃烧，另一面由于高速燃气射流的喷入，可以有效卷吸炉内低温烟气，降低局部高温及氧浓度，进而抑制NOx的生成。

以美国某燃烧器(NOx排放已稳定实现30 mg/m3以下)为例，如图5所示。其技术特征有以下三点：

图5 火焰流场示意图

(1)燃料一部分(约占15%)从中心管喷入，剩余部分(约85%)从文丘里管中喷入，实现燃料分级燃烧。

(2)设置旋流盘强化中心燃料与空气混合，同时中心值班火焰保证了火焰根部的稳定着火。

(3)阵列式文丘里管布置方式可以进一步强化燃料的立体分级燃烧，同时燃料的高速射流，可以有效卷吸炉内低温低氧烟气，降低火焰锋面温度，增大火焰与烟气的接触面积，削减局部高温，进而抑制NOx生成。

2.5.2 折叠式火焰燃烧技术

折叠式火焰燃烧技术是一种低氮燃烧器改造技术(low nitrogen burners, LNBs)，它是在一系列降低氮氧化物技术(如空气/燃料分级和烟气内循环)的基础上，进行组合再优化的一种技术。为实现这种折叠式火焰，如图6所示，给出了一种具体实施过程中的改造方法，其中黄色箭头代表燃气，蓝色箭头代表空气。其减小了中间喷头的高度h和增大了中间坡面的倾角α，使得内部空气在通过燃烧器喷头的不连续部分时，骤然地进入到混合区中，加剧了空燃之间的混合，并迫使火焰在其根部形成了强烈的卷曲，最终导致火焰被拉长呈扁平状，如图7所示，扩大了烟气的内循环，从而减少了局部高温使炉膛内部的温度场更加均匀。根据Sheng Chen等[18]的数值模拟研究，这种方法能够稳定减少氮氧化物的生成，在实验工况下其减少量表现为25.9%～69.5%。

图6 折叠式火焰燃烧器结构示意图

图7 火焰形成机理及火焰形状对比示意图

通过对以上主要的低氮燃烧技术的分析，可以看出单一的低氮控制技术远不能满足国家对氮氧化物排放的要求。因此，为了满足更低的排放标准，一方面应研究和开发新的超低氮燃烧技术，另一方面，应结合现有的低氮燃烧技术，通过合理优化选择最优前景的技术路线。而不断发展的计算机技术能够加快这一进程，仿真模拟已成为燃烧器设计的重要工具，它为降低实验成本、缩短开发周期创造了条件，而更深层次的普及利用是未来发展的必然趋势。