张广荣
深圳市盛锐祺实业发展有限公司
摘要：目前世界各国对氮氧化物的排放提出了越来越高的要求，为有效控制污染物排放，国家环保部出台了一系列大气污染物排放新标准，其中对新建锅炉氮氧化物排放限值降低到一般地区200mg/m3，严格地区150mg/m3。快速型氮氧化物是当CH类燃料过浓时，CH化合物高温分解生成的CH自由基和空气中N2反应生成HCN和N后进一步氧化成氮氧化物。燃料型氮氧化物的生成和燃料中含有N有关。因此，有必要在已有的技术基础上，研发设计一种结构设计合理，燃烧效率高、氮氧化物排放低的低氮燃气燃烧器。
关键词：低氮燃气；燃烧器；性能改进
引言
近年来，我国各地对工业锅炉及石化工业污染物排放提出了越来越严苛的要求。大量以燃煤及燃油为燃料的设备迫于环保的压力改烧气体燃料。未来我国对天然气等气体燃料的需求将会继续增长，这也促进了天然气利用技术的迅速发展。燃气燃烧过程虽然大幅降低了固体颗粒物、硫氧化物及二氧化碳的排放，但是仍然未能有效解决氮氧化物排放的问题。因此，如何降低气体燃烧过程中的氮氧化物排放是当前燃气燃烧器面临的重要难题。
1传统技术方案
现普遍燃烧器都是由燃气管组件、助燃风管组件、燃气喷头、稳燃罩、长明灯、高能点火装置、火焰检测器和观火孔等部件组成，将燃料和空气按所要求的比例、速度和混合方式送入炉膛，并使燃料能够在炉膛内稳定着火并完全燃烧。点火枪安装在长明灯的内部，通过外接的高能防爆点火器可进行高压放电。在点火枪放电的同时，打开点火管路速断阀，点火枪可直接点燃点火燃气，通过火焰检测器反馈的信号可断定小火是否点火成功。小火点火成功后，点火枪通过气动防爆推进器往后退出300/400mm的距离，以保证点火枪远离火焰区，防止热辐射损坏。小火稳定燃烧后，即打开主燃气管路的速断阀，由小火引燃大火。大火引燃成功后升负荷，即增加燃料气量，同时按燃料配风比调节好助燃风量，保证主燃料稳定燃烧。燃气管组件、助燃风管组件、燃气喷头、稳燃罩是保证主燃料气稳定燃烧的核心件，若这4件设计时尺寸有问题，易出现回火、灭火或燃烧不完全的情况。
2气体燃料燃烧与NOx生成和控制机理
2.1气体燃料的燃烧特点
气体燃料燃烧是均相燃烧，一般包括三个过程，即燃料和空气的混合、混合气体的升温和着火、混合气体的燃烧。液体和固体燃烧则是非均相燃烧，其中液体为液体蒸发、吸热、燃烧过程，而固体燃烧则存在一个异相扩散过程，包括水分蒸发、挥发分析出气相燃烧、焦炭燃烧等三个过程，其燃烧更加复杂。气体燃料的燃烧温度与气体成分有关。在常见的气体燃料中，氢气和液化石油气的燃烧温度较高，可以超过2000℃，而一氧化碳和甲烷的燃烧温度相对较低，为1600～1800℃。气体燃烧速率很快，并且随物质的成分不同而异。单质气体的燃烧速率要比化合物气体的快。在气体燃烧中，其燃烧性能常以火焰传播速率来表征，该值与燃气喷管管径大小有关。当管径大小增加至某一个值以上时，火焰传播速率会达到最大并保持恒定。常见的气体燃料中，乙炔的燃烧速率较快，丙炔次之，乙烯第三。在燃烧过程中，燃烧速度快的气体更容易发生回火。因此，在气体燃料的燃烧器设计时，应加强防回火措施，尤其是在预混燃烧时更应加强重视。
2.2气体火焰的NOx生成机理及影响因素
2.2.1热力型NOx的生成机理及影响因素
热力型NOx指起源于空气中N2的NOx，主要是在1800K以上的高温区按扩大的捷里多维奇机理生成的。热力型NOx的生成特点是生成反应比燃烧反应慢，主要在火焰带下游的高温区生成，和氧浓度、火焰温度以及在高温区的停留时间成正比。式(1)所示是捷里多维奇机理的生成速度表达式，对于氧气浓度大、燃料浓度小的贫燃预混火焰，用这一表达式计算NO生成量，其计算结果与试验结果相吻合。
以上两式一起称为捷里多维奇机理。从式(1)中可以明显地看出，温度对热力型NOx的影响是非常显著。当温度高于1800K时，反应逐渐明显，而且随着温度的升高，NOx的生成量急剧升高，温度在1800K左右时，温度每升高100K，反应速度将增大6～7倍。过量空气系数对热力型NOx的影响也非常明显，从式(1)可以看出，热力型NOx生成量与氧浓度的平方根成正比，即随着氧浓度增大，热力型NOx的生成量随之增加。空气过量系数的增加对NOx的影响并不是单调的，当过量空气系数＜1时，提高过量空气系数将提高火焰温度，导致NOx增加;当过量空气系数＞1时，提高过量空气系数将降低火焰温度，使得NOx降低。烟气在高温区停留时间增长，热力型NOx生成量迅速增加，当NOx生成反应达到化学平衡时，停留时间的增加对NOx浓度不再有影响。
2.2.2快速型NOx的生成机理及影响因素
快速型NOx的生成是碳氢系燃料在过量空气系数小于1的预混燃烧情况下，在火焰内快速生成大量的NOx。但是这仅限于碳氢燃料的燃烧，而CO和H2的燃烧火焰却不会产生快速型NOx。在扩散燃烧中，由于在燃料侧生成的中间产物会扩散到空气侧，会以同样的机理生成NOx。虽然这一过程没有快速的含义，但也称之为快速型NOx。弗尼莫尔(Fenimore)等人认为不能用扩大的捷里多维奇机理说明，并认为快速型NOx的生成机理与燃料型NOx的生成机理相似，是碳氢化合物燃烧分解生成CH、CH2和C2等基团，并破坏了空气中N2分子键。同时，火焰中生成大量O、H等原子基团，它们与上述反应的中间产物HCN、NH、N等反应生成NO。HCN是快速型NOx生成的重要中间产物，而后的一些研究也证实了他的发现。根据快速型NOx的生成机理，燃料成分对快速型NOx的生成有决定性的影响，快速型NOx只产生于碳氢类燃料的燃烧。此外，过量空气系数对快速型NOx的生成也有很大的影响。当过量空气系数≥1时，基本上不生成快速型NOx;当过量空气系数略小于1时，此时的快速型NOx生成速率最快;当过量空气系数＜0．7时，碳氢化合物的浓度提高，增加了中间氮化合物的生成量，生成更多的NOx前躯体，由于此时氧浓度减少，促进了HCN向N2转变，因此NOx的生成量并不高。
结语
燃气燃烧过程中产生的NOx主要是热力型NOx，对于碳氢类的燃料气，还有少量快速型NOx。目前NOx的生成控制在机理层面研究已经相当深入，相关理论体系也较为完善。对于热力型NOx，其抑制方法主要通过控制燃烧过程中不要产生高于1500℃的高温火焰区域;对于快速型NOx，适当提高氧气过量系数，避免局部出现较低程度的欠氧燃烧环境将可以降低快速型NOx的前驱体HCN的产生，从而避免其转化成为NOx。在实际燃烧器的燃烧过程中，空气预热温度、空气与燃气的预混度、燃气和空气的喷射速度比以及循环烟气所占的比例等都对燃烧产生的NOx有重要的影响。在锅炉效率允许的情况下适当降低空气预热温度，维持50%左右的预混度，控制燃气和空气的速度比在5以上，以及在保证完全燃烧的情况下适当增加循环烟气量等都有助于降低NOx的生成量。但是具体调节手段受制于不同的燃烧器结构、燃气性能，甚至锅炉本身炉膛结构以及受热面的布置等情况。
参考文献
［1］刘永基．消防燃料燃烧［M］．沈阳:辽宁人民出版社，2016．
［2］刘丽珍，李清，邵震宇．一种新型低NOx家用燃烧器［J］．城市燃气，2017，325(3):15－18．
［4］高春梅．低NOx浓淡火焰对冲燃烧技术及装置的研究［J］．城市管理与科技，2017，2(3):41－44．
论文作者:张广荣
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：燃料论文; 气体论文; 空气论文; 机理论文; 燃气论文; 火焰论文; 快速论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;