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(xué)石油工程學(xué)院

3.常州布拉迪智能科技有限公司4.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)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(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，導(dǎo)致大氣污染的關(guān)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(dǎo)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(yīng)式，可將其生成機理表示為：反應(yīng)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(guān)注快速型NOx和熱力型NOx的生成及排放情況?？焖傩蚇Ox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(guān)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(shù)方法操作復(fù)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(shù)設(shè)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(shù)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(shù)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(dǎo)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(shè)計開發(fā)了一種燃料分級燃燒器，通過改變化學(xué)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(shè)計相關(guān)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(xué)者對空氣分級燃燒器的研究較為廣泛。Adouane等[20]設(shè)計了“Winnox-TUD”燃燒器并進行相關(guān)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(shù)能夠降低NOx 的排放，至于CO 排放則沒有明顯的影響。

2.4 復(fù)合型燃燒器

復(fù)合型燃燒器是結(jié)合多種低氮燃燒技術(shù)后通過優(yōu)化設(shè)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(shù)公司開發(fā)的HBUNB系列燃燒器[24]，就是將部分預(yù)混技術(shù)、燃料分級技術(shù)、空氣分級技術(shù)、煙氣再循環(huán)技術(shù)等技術(shù)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(shè)計。該設(shè)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(fù)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(lǐng)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(fēng)進行混合后再次通過旋流裝置繼續(xù)前進，并與二次風(fēng)進行混合燃燒，此時煤氣側(cè)、一次風(fēng)和二次風(fēng)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(dǎo)出，參考相關(guān)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(fēng)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?zé)崴懦鲆怨┧?。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(guān)數(shù)據(jù)，若其中NOx超標，則可調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)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(fēng)配比范圍和旋流裝置角度范圍。

2.6 其他低氮燃燒技術(shù)

Pourhoseini[25]提出一種新型的擴散燃燒技術(shù)——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(shù)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(fēng)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(shè)計原則及相關(guān)標準

3.1 燃燒器設(shè)計原則

燃燒器的設(shè)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(shè)計相關(guān)標準

本文通過相關(guān)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(shù)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(guān)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(shù)的研究起步相對較晚，這就要求在積極引進國外先進技術(shù)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。