天然氣工業爐低氮燃燒技術研究與應用

曹文宣，徐杰，王子兵，秦培禾

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063200)

0 引言

隨著我國工業爐對天然氣資源開發利用的力度不斷加大，其燃燒后排放的主要污染物(氮氧化物)被愈發重視。由于其帶來的種種危害，近年來，我國對燃氣工業爐氮氧化物排放制定越來越嚴格的標準，各大城市已經相應出臺30 mg/m3的氮氧化物排放標準[1]，未來還將更加嚴格，現有的低氮燃燒技術難以滿足實際需要。因此如何降低氣體燃燒過程中的氮氧化物排放是當前低氮燃燒技術及新型低氮燃燒器設計面臨的重要課題。

本文通過對各種天然氣低氮燃燒技術的綜述與分析，提出實現超低氮排放的關鍵技術路線，為新型低氮燃燒器的設計與開發提供理論參考。

1 NOx分類及影響因素

根據NOx的產生機理，將其分為3種類型：燃料型氮氧化物、熱力型氮氧化物和快速型氮氧化物。因天然氣中含氮量非常少，故天然氣燃燒氮氧化物以熱力型和快速型為主。其中熱力型NOx占比一般為—90%以上，快速型占比一般為—不到10%[2]。

在實際生產中，影響NOx排放的因素有很多，主要有燃燒溫度，過量空氣系數，停留時間及火焰加熱速度等。其具體影響如表1所示[3-5]。

表1 熱力型NOx與快速型NOx影響因素對比

實踐表明，對于快速性氮氧化物，其生成基本都和碳氫化合物有關，它在貧氧富燃料區和低溫區比較常見。并且，與一般情況不同[2]，在采用在低NOx燃燒技術的燃燒條件下快速型NOx的生成量與熱力型NOx的生成量近似相同[6]，所以為實現超低氮排放，快速型 NOx同樣應當受到重視。

2 NOx的控制技術

根據低NOx燃燒技術的發展歷程將其劃分為3代[7]。第一代低NOx燃燒技術主要是指，分級擴散燃燒技術；第二代主要是指，在分級擴散燃燒技術的基礎上引入煙氣外循環；第三代低NO燃燒技術的主要特征是貧燃預混，是由分級燃燒、彌散燃燒、煙氣循環等多種技術相耦合的燃燒技術。

2.1 燃燒分級技術

燃燒分級技術分為空氣分級技術和燃料分級技術，原理是通過對火焰進行合理的分區，在前端形成當量比小于1的富氧低溫區，用過量的空氣來抑制高溫區的產生，從而減少氮氧化物生成；在后端形成當量比大于1的富燃還原區，以還原性氛圍抑制氮氧化物的生成。空氣分級燃燒技術操作簡便易行，但是其燃燒溫度一般較低，故而燃料分級燃燒技術的在燃氣爐窯中的應用更為廣泛。Pourhoseini S H等[8]采用了一種簡單有效的方法，通過改變燃燒器的結構，實現了燃料分級技術，如圖1所示，在二次噴射率為40%的情況下使NOx排放量降為了原來的35%。

圖1 燃燒器簡易結構

2.2 彌散式燃燒技術

彌散式燃燒是一種擴散燃燒，其氣體燃料和空氣之間不進行預混，直接送入燃燒室進行燃燒。由于彌散燃燒在一個較大空間、較長時間內完成反應，湍流摻混過程與燃燒反應的發生比較平緩，若燃燒過程中產生的溫升小于燃料自燃溫度[9]，則稱之為柔和燃燒，又因其火焰輪廓幾乎不可見稱為無焰燃燒，如圖2所示，或無焰氧化[10]。它實現低NOx排放的手段有兩個：一是控制助燃氣體中的氧濃度，通過高速射流卷吸煙氣在彌散過程中實現低氧環境；二是沒有局部高溫，整個爐膛內熱流密度均勻，溫度波動很小，實現了整體的低溫燃燒[11]。

圖2 傳統燃燒與無焰燃燒對比圖

其優勢：首先，延長了爐膛內襯的使用壽命，且有助于材料加工領域中控制表面溫度均勻。其次，不同于傳統燃燒技術，無須設置點火裝置，燃氣在高溫下可以自燃。最后，熱效率增加了30%以上，彌散燃燒回收煙氣余熱遠遠多于常規燃燒[12]。此外，彌散燃燒的不足有：(1)對空氣預熱溫度要求很高，要利用煙氣余熱對其加溫到1 000 ℃左右，才能達到技術要求。(2)要達到超低NOx排放，必須控制達到一個合理的低氧氛圍，杜旭東等研究發現[13]，空氣流速要達到燃氣流速的4倍才能實現28 mg/m3。

2.3 煙氣循環技術

煙氣再循環是指通過外部管道抽吸或內部卷吸的方法實現部分煙氣的回流，使煙氣重新參與反應燃燒的技術手段。其原理是：促使含氧量較低的煙氣與助燃空氣混合，降低原空氣中的氧濃度，同時抑制了燃燒反應的進行，降低了火焰燃燒溫度，可以有效控制熱力型NOx的生成。通過理論計算，如圖3所示，給出了不同空氣預熱溫度下理論燃燒溫度隨煙氣循環率的變化規律。結果表明通過增加煙氣循環量，可以有效降低天然氣的理論燃燒溫度和氧濃度，進而抑制熱力型NOx和部分快速型NOx的生成。

圖3 煙氣循環率對理論燃燒溫度和氧氣濃度的影響

煙氣循環技術可分為煙氣外循環(flue gas recirculation, FGR)和內循環(flue in-ternal recirculation, FIR)。目前，煙氣外循環(FGR)主要依賴外部加設管道抽吸鍋爐尾部煙氣實現再循環，這種方法不僅會降低鍋爐效率增加設備運行的費用，而且要求相對潔凈的運行環境和頻率較高的周期性檢修[15]。而煙氣內循環技術是通過對燃燒器結構的改造，對燃燒進行合理的分區，在爐膛內部對產生的煙氣進行二次燃燒，通過對氧濃度和燃燒溫度的雙重控制，實現低 NOx排放的目標。FIR 技術可以完全克服上述 FGR 技術帶來的問題，它的應用具有重大意義。

2.4 富氧燃燒技術

富氧燃燒不同于常規燃燒，是指在所用助燃氣體中氧濃度大于21%的前提下進行的燃燒過程[16]。富氧程度對理論燃燒溫度的影響如圖4所示，其中相對富氧濃度是指富氧相對于空氣氧含量的增量。可發現：氧含量每提高1%，理論燃燒溫度就會上升幾十攝氏度，這種影響會逐漸被H2O和CO2的高溫分解熱削弱直至達到平衡，并且由于氮濃度在反應后期占主導作用，所以隨氧含量的升高，氮氧化物生成量呈先上升后下降的趨勢。

圖4 理論燃燒溫度與富氧程度的關系曲線

富氧燃燒的優勢：首先，它能夠提高燃盡率，減少排煙熱損失，使反應更充分，達到節能的效果。研究發現[17]，氧氣濃度對鍋爐熱效率的影響尤為顯著，鍋爐熱效率和鍋爐火用效率隨著氧濃度的增大而增大，33%的富氧可使熱效率提高2.7%、火用損失降低1.6%。其次，富氧貧氮技術是很有發展前景的，當純氧作為助燃氣體時是沒有氮氧化物生成的。

缺點：(1)制備純氧的難度和成本較高；(2)會富集CO2這種溫室氣體，大大增加尾氣排放中的二氧化碳濃度。如表5所示，現有的三種富氧制備技術，如何才能更經濟高效的制備富氧仍待于未來去解決。

表5 富氧制備技術對比

2.5 超低氮燃燒技術

2.5.1 文丘里管引射燃燒技術

文丘里管引射燃燒技術原理是利用布置在燃燒器周圍的陣列文丘里管將多股燃氣高速噴射爐膛中，一方面實現燃料的分級燃燒，另一面由于高速燃氣射流的噴入，可以有效卷吸爐內低溫煙氣，降低局部高溫及氧濃度，進而抑制NOx的生成。

以美國某燃燒器(NOx排放已穩定實現30 mg/m3以下)為例，如圖5所示。其技術特征有以下三點：

圖5 火焰流場示意圖

(1)燃料一部分(約占15%)從中心管噴入，剩余部分(約85%)從文丘里管中噴入，實現燃料分級燃燒。

(2)設置旋流盤強化中心燃料與空氣混合，同時中心值班火焰保證了火焰根部的穩定著火。

(3)陣列式文丘里管布置方式可以進一步強化燃料的立體分級燃燒，同時燃料的高速射流，可以有效卷吸爐內低溫低氧煙氣，降低火焰鋒面溫度，增大火焰與煙氣的接觸面積，削減局部高溫，進而抑制NOx生成。

2.5.2 折疊式火焰燃燒技術

折疊式火焰燃燒技術是一種低氮燃燒器改造技術(low nitrogen burners, LNBs)，它是在一系列降低氮氧化物技術(如空氣/燃料分級和煙氣內循環)的基礎上，進行組合再優化的一種技術。為實現這種折疊式火焰，如圖6所示，給出了一種具體實施過程中的改造方法，其中黃色箭頭代表燃氣，藍色箭頭代表空氣。其減小了中間噴頭的高度h和增大了中間坡面的傾角α，使得內部空氣在通過燃燒器噴頭的不連續部分時，驟然地進入到混合區中，加劇了空燃之間的混合，并迫使火焰在其根部形成了強烈的卷曲，最終導致火焰被拉長呈扁平狀，如圖7所示，擴大了煙氣的內循環，從而減少了局部高溫使爐膛內部的溫度場更加均勻。根據Sheng Chen等[18]的數值模擬研究，這種方法能夠穩定減少氮氧化物的生成，在實驗工況下其減少量表現為25.9%～69.5%。

圖6 折疊式火焰燃燒器結構示意圖

圖7 火焰形成機理及火焰形狀對比示意圖

通過對以上主要的低氮燃燒技術的分析，可以看出單一的低氮控制技術遠不能滿足國家對氮氧化物排放的要求。因此，為了滿足更低的排放標準，一方面應研究和開發新的超低氮燃燒技術，另一方面，應結合現有的低氮燃燒技術，通過合理優化選擇最優前景的技術路線。而不斷發展的計算機技術能夠加快這一進程，仿真模擬已成為燃燒器設計的重要工具，它為降低實驗成本、縮短開發周期創造了條件，而更深層次的普及利用是未來發展的必然趨勢。

3 結語

對于我國來講，執行比發達國家更加嚴苛的環境保護標準是必然趨勢。天然氣工業爐產生的氮氧化物已經不能滿足排放標準。根據天然氣氮氧化物生成機理，主要為熱力型和快速型。通過分析和比較各種低氮燃燒技術，認為燃料分級耦合煙氣內循環是解決超低氮排放的有效技術路線，為將來燃燒器結構優化提供一種思路。