水泥窯用低氮燃燒器燃燒特性的試驗研究*

萬文雷 劉恩海 郭強 魏玉平 張文蕓 劉圣勇

(1.江蘇河海新能源股份有限公司 江蘇常州 213000； 2.常州大學石油工程學院 江蘇常州 213164； 3.中原工學院能源與環(huán)境學院 鄭州 450007； 4 常州布拉迪智能科技有限公司 江蘇常州 213011； 5.河南農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 鄭州 450002)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口增加，當今社會正面臨著巨大的能源與環(huán)境的壓力，嚴峻的環(huán)保問題及我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的新體系，促進了我國天然氣、煤制氣等在水泥行業(yè)的使用與發(fā)展。中國是當今社會能源消費大國之一，在能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及調(diào)整方面具有“富煤、貧油、少氣”的能源消費特點，其中煤炭消耗量約占全部能源消耗量的70%左右，且能源消費量的增幅也在逐年上升[1]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消費量逐年上升，我國的能源結(jié)構(gòu)體系也隨之調(diào)整、改變。根據(jù)煤炭燃燒、水泥生產(chǎn)線的熟料煅燒降溫后產(chǎn)生的熱污染以及大量污染物的相關(guān)文獻[2-8]，我國大氣污染物年排放量中約85%的SO2和粉塵顆粒、約60%的NOx以及約80%的CO2等排放量來自于煤炭的直接燃燒。為了整治、減緩大氣污染，國家及地方政府相繼出臺了系列相關(guān)的節(jié)能減排、環(huán)境保護政策及指標，旨在防治、減緩大氣污染，進一步深化能源結(jié)構(gòu)改革、促進大氣質(zhì)量改善，有效控制能源的消費量。2013年發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》，針對燃煤電站提出了加快天然氣改造、增加天然氣供應、配套管網(wǎng)設(shè)施等方案。根據(jù)《2014—2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動方案的通知》，明確提出發(fā)展低能耗低排放產(chǎn)業(yè)、調(diào)整優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)，增加、優(yōu)化天然氣供應及使用等措施，加快推進“煤改氣”任務進程，燃氣鍋爐已逐步在取代燃煤鍋爐。2016 年，國家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出，截至2020 年，天然氣消費量達到10%，煤炭消費量低于58%。2017 年，國家發(fā)改委印發(fā)《加快推進天然氣利用的意見》中提出了要加快推進天然氣利用，并逐步將其培育成中國現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一。目前，國內(nèi)外專家學者對煤制氣工藝及煤制氣的燃燒系統(tǒng)等方面展開了進一步研究。TSURIKOV M等[9]在燃燒室中進行煤制氣的燃燒試驗，研究煤制氣擴散火焰的燃燒特性，并對其燃燒火焰進行了試驗測試。PATER S[10]針對燃氣輪機污染物排放特性進行研究，旨在探究燃氣輪機適應煤氣化煤氣組分的多樣性及適應范圍。GE公司的IYER V等[11]探究了H2、N2、H2O及CO2作為稀釋劑時，對煤制氣在燃氣輪機燃燒室燃燒過程的污染物排放影響規(guī)律以及排放特性的影響。徐靜穎等[3]針對燃煤過程有機污染物的生成排放特性與采樣方法進行了細致研究，并提出了相關(guān)的研究方向與發(fā)展趨勢。王華山等[12]利用綜合熱分析儀，探究了在不同條件下煤與生物質(zhì)摻混燃燒的特性。高佳佳等[13]對新型低煤份生物質(zhì)混合燃料的燃燒特性以及燃燒污染物的生成排放特性均進行了深層的研究。ENGIN T等[14]對干法水泥生產(chǎn)線的能耗進行了數(shù)值分析，研究發(fā)現(xiàn)約34.6%的能源消耗在回轉(zhuǎn)窯的煙氣余熱及筒體表面的散熱。毛志偉等[8]結(jié)合新型干法水泥生產(chǎn)線的脫硝系統(tǒng)，提出了SNCR脫硝工藝設(shè)計方案，并分析了實際工程的運行效果。

基于水泥生產(chǎn)線NOx的排放機理及控制規(guī)范，設(shè)計、研發(fā)一種新型水泥窯用的低氮燃燒器，著重對比分析天然氣、煤制氣及混合氣的燃燒特性及其污染物的排放特性，可供有關(guān)燃料燃燒過程的污染物排放及水泥行業(yè)生產(chǎn)線低氮燃燒工藝設(shè)備的設(shè)計人員參考。

1 實驗系統(tǒng)與工況

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)NOx排放機理及控制方法，設(shè)計、研發(fā)適合天然氣、煤制氣及混合氣等燃料燃燒特性分析的實驗臺，由進料系統(tǒng)、燃燒器本體、供風控制及排煙系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)流程圖、三維結(jié)構(gòu)圖及實物裝置圖分別如圖1—圖3所示。

圖1 系統(tǒng)流程

1—一次風進口；2—煤氣進口；3—觀火孔；

(a)正面圖

(b)側(cè)面圖

1.2 實驗方案與NOx排放機理

與燃煤相比，天然氣、煤制氣及混合氣等燃料在燃燒過程中的SO2、粉塵顆粒等污染物排放量相對較少。但是在試驗測試過程中由于燃料燃燒時溫度高、燃燒速度快，會有較多的NOx排放出來。

(1)實驗方案。實驗臺燃燒本體主要由煤氣母管、空氣母管、冷卻水管段以及多級噴嘴組成，采用分級燃燒和旋流燃燒相結(jié)合的燃燒方式，以降低燃燒過程中NOx的排放。燃燒過程，一次風鼓入部分空氣，促使燃料在貧氧狀態(tài)下燃燒，以減少燃燒初期NOx的生成；二次風提供充足的氧氣促使燃料充分燃燒。燃料與一次風混合燃燒后，由多級噴嘴噴出，形成強旋流以增加燃燒強度，從而提高二級燃燒的穩(wěn)定性以及減少可燃氣體的排放。

(2)NOx排放機理。NOx生成機理主要分為燃料型NOx(即燃料本身含有氮元素，在燃燒過程中氧化生成[15])、快速型NOx(燃料燃燒不完全時，燃料中所含有的碳氫基團與空氣中的氮氣反應而生成)及熱力型NOx(在燃燒產(chǎn)生的高溫下，空氣中的N2與O2反應生成)3種形式。其中，熱力型NOx的生成主要發(fā)生在燃燒溫度高于1 800 K的溫度區(qū)，如果燃燒不合理，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)了分布不均勻的溫度場，在局部高溫區(qū)域則會生成較多的熱力型NOx[16-17]。

根據(jù)NOx生成機理的相關(guān)研究，結(jié)合燃燒過程的污染物排放特性，目前燃料在燃燒過程中的NOx排放大致可分為3個階段：①燃料燃燒前預處理階段；②燃料與燃燒所需空氣量的最優(yōu)匹配階段；③合理配風下的控溫燃燒、有效減少NOx的生成階段。其中，燃料燃燒前預處理階段，其處理過程為燃料進行脫氮前的準備工作，以抑制燃料在熱分解及揮發(fā)份燃燒過程中NOx的生成；燃料與燃燒所需空氣量的最優(yōu)匹配階段，旨在保證燃料與燃燒所需空氣量的最優(yōu)匹配、均勻摻混燃燒，可有效提高燃燒效率、抑制燃燒過程NOx的生成量；通過改善燃料摻混，實現(xiàn)合理配風、控溫，燃料燃燒波動較小，燃燒相對穩(wěn)定，且揮發(fā)份的析出速度均勻適中,可有效減少NOx的生成，降低污染物的排放量。

1.3 實驗工況

燃燒試驗采用天然氣、煤制氣及混合氣3種燃料，其燃料組分如表1所示。試驗臺燃燒試驗過程，利用電爐加熱燃料、引風機供風，通過觀火孔觀察燃料燃燒的情況，燃燒生成的煙氣由試驗臺上部設(shè)置的排煙管排出。試驗采用電子天平稱量，熱電偶(間隔30 s)采集、存儲溫度參數(shù)，并使用Excel進行編輯、處理。

為盡可能保證燃料充分燃燒，減少不完全燃燒的熱損失，試驗采用流量計、熱電偶、煙氣分析儀、煤氣分析儀進行數(shù)據(jù)測定、分析。其中，燃氣流量采用LUGB型渦街流量計(精度為1.0級)、空氣流量采用LZB-50F型轉(zhuǎn)子流量計(精度為1.0級)、煙氣溫度采用WRNK-187型鎧裝熱電偶(精度為0.5級)進行測量。煙氣分析采用KANE945型煙氣分析儀(O2分析儀：分辨率為0.1%，精度為±0.2%，響應時間<3 s；CO、NO分析儀：分辨率為1×10-6，精度為±5%，響應時間<3 s)。煤氣成分測量選用GASBOARD-3100型紅外煤氣分析儀(CH4、H2、CO分析儀：分辨率為0.01%，精度為±1%，響應時間<15 s)。

表1 燃料(3種)組分及熱值

試驗時，在其他參數(shù)不變的情況下，改變?nèi)紵r，分別進行5組燃燒對比試驗。

(1)適宜調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)α(即試驗測試過程，實際供給燃料燃燒的空氣量與理論層面上所需的空氣量的比值)：α1=1.0、α2=1.05、α3=1.1、α4=1.15、α5=1.2。

(2)適宜調(diào)節(jié)二次風供風量，試驗設(shè)定二次風占比系數(shù)β(即試驗測試過程，實際供給二次風風量與理論層面上所需的空氣量的比值)：β1=0.2、β2=0.4、β3=0.5、β4=0.6、β5=0.8。

2 結(jié)果及分析

2.1 過量空氣系數(shù)對燃燒特性的影響

以天然氣為燃料，通過試驗測試數(shù)據(jù)及曲線分析不同過量空氣系數(shù)α對燃燒溫度的影響。不同過量空氣系數(shù)下煙氣溫度的變化如圖4所示。不同過量空氣系數(shù)下，NOx、CO排放量的變化如圖5所示。

圖4 不同過量空氣系數(shù)下各測點煙氣溫度

由圖4可以看出，當過量空氣系數(shù)α從1.0增加到1.2時，試驗各測點的溫度都有不同程度的下降，燃燒器前端溫度下降趨勢較為明顯。由圖5可以看出，燃料燃燒程度受燃燒溫度及氧氣濃度的影響較大，隨著α的增加，NOx排放量呈先增加后減少的趨勢。當α=1.15時，NOx的最大排放量為96 mg/m3；當α增加后，煙氣中所含O2濃度也隨之增加，使得NOx生成量增加；之后α逐漸增大，NOx的濃度被過量空氣稀釋，致使其排放量降低。燃料燃燒試驗過程的CO主要來自燃料的不完全燃燒，隨著α的增加，燃氣能夠充分地燃燒，CO的排放量逐步減少。通過對試驗測試數(shù)據(jù)分析，過量空氣系數(shù)α為1.2時，NOx排放量為53 mg/m3，CO排放量為22 mg/m3。

圖5 不同過量空氣系數(shù)下NOx、CO排放量

2.2 不同二次風占比系數(shù)對燃料燃燒特性的影響

天然氣作為燃燒試驗燃料時，試驗測試工況參數(shù)α設(shè)定值為1.2，β取值為0～0.8。不同二次風占比系數(shù)β對污染物排放量的影響如圖6所示。

圖6 不同二次風占比系數(shù)下的NOx、CO排放量

根據(jù)圖6，隨著二次風占比系數(shù)β增加，NOx排放量逐漸降低，究其原因是一次供風燃燒時，燃氣濃度、溫度較低，導致NOx的生成量減少。當β=0.8時，試驗測試NOx排放量為45 mg/m3。隨著β增加，CO排放量呈先減少后增加的趨勢。當β=0.6時，排放量為最小值22 mg/m3。隨著二次風供風量的增加，燃料燃燒由燃燒動力區(qū)域逐漸進入過渡區(qū)域、擴散區(qū)域，且試驗采用燃燒強度較強的旋流燃燒方式。然而，二次風占比系數(shù)β值(β為0.8)過大時，燃料燃燒多集中在二次燃燒區(qū)域，致使燃料發(fā)生不完全燃燒,導致CO排放量增加。試驗結(jié)果表明，二次風占比系數(shù)β取值為0.6時，CO最小排放量為22 mg/m3。

2.3 不同燃料的燃燒特性

(1)3種燃料(天然氣、煤制氣及混合氣)在不同過量空氣系數(shù)α下的煙氣排放溫度、NOx排放量及CO排放量分別如圖7—圖9所示；

(2)2種燃料(煤制氣、混合氣)在不同二次風占比系數(shù)β下的NOx的排放量如圖10所示。

圖7 不同燃料、不同α下煙氣溫度

圖8 不同燃料、不同α下NOx排放量

圖9 不同燃料、不同α下CO排放量

圖10 不同燃料、不同β下NOx排放量

由圖7—圖9可以看出，在β=0時，不同燃料及過量空氣系數(shù)α對燃料燃燒過程的影響。根據(jù)圖7，在相同燃燒條件下，煤制氣的燃燒溫度比天然氣高；同時，在天然氣中摻混一定量的煤制氣可提高天然氣的燃燒溫度，原因為燃料所含的氫氣的點火能量較小，且燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，燃料燃燒速度變化較快。隨著α增大，不同燃料的燃燒溫度呈下降趨勢，燃料燃燒速度逐漸趨于平穩(wěn)、放熱量劇增。圖8顯示了不同α值、不同燃料燃燒時NOx的排放量。由圖8可以看出，相比天然氣燃料燃燒特性，煤制氣的燃燒速率快，其燃燒溫度、NOx的排放量也相對較高。根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)，當α為1.05時，其NOx的最大排放量為142 mg/m3。圖9為不同α值、不同燃料燃燒時CO的排放量。由圖9可知，相比天然氣燃料燃燒特性，煤制氣因含有較多的H2，燃料燃燒處于燃盡階段，燃燒過程較為充分，熱損失小，且CO的排放量較小。同時，天然氣內(nèi)摻混一定量的煤制氣可降低CO的排放量。根據(jù)煤制氣燃燒試驗測試數(shù)據(jù)，當α=1.2時，其CO的排放量為6 mg/m3。由圖10可以看出，整個燃燒過程，隨著二次風占比系數(shù)β值的增加，燃料燃燒多集中在較強的旋流燃燒區(qū)域，燃料燃燒所需的氧與理論層面上所需的空氣量有較好的匹配，2種燃料(煤制氣、混合氣)燃燒產(chǎn)生的NOx量則呈現(xiàn)不斷下降趨勢。根據(jù)圖7—圖10，低氮燃燒器燃燒試驗臺在燃燒天然氣、煤制氣及混合氣(50%天然氣摻混50%煤制氣)摻燒運行過程中NOx排放穩(wěn)定，當α取1.2、β取0.8時，其保持層狀燃燒、燃燒波動較小，且燃燒效果較好。

3 結(jié)論

基于NOx排放機理及控制方法，研發(fā)了一種新型低氮燃燒器，分析了天然氣、煤制氣及混合氣的燃燒特性，得出如下結(jié)論：

(1)當過量空氣系數(shù)α為1.2、二次風占比系數(shù)β為0.6時，該燃燒器燃燒天然氣的效果較好，且NOx、CO排放量分別為53、22 mg/m3。

(2)相比天然氣的燃燒過程，在相同燃燒條件下，煤制氣燃燒溫度及NOx排放量均高于天然氣，CO排放量則低于天然氣。

(3)試驗測得，當過量空氣系數(shù)α為1.2、二次風占比系數(shù)β為0.8時，NOx排放量為57 mg/m3，CO排放量為6 mg/m3。

(4)天然氣和煤制氣摻混燃燒時，其燃燒特性介于二者之間，所摻混的煤制氣可提高天然氣的燃燒速率，且燃燒效果較好。