探讨降低蓄热式燃烧系统NOX的排放量

李领 石玉珍

摘要：本文介绍工业炉燃烧过程生成NOX生成的机理和控制方法，提出能大幅度抑制NOX产生的互补型高温空气燃烧技术。

关键词：高温空气燃烧 蓄热燃烧 NOX排放

高效蓄热燃烧技术极大程度上回收燃烧产物的余热，预热助燃空气，提高火焰的理论燃烧温度，使燃烧消耗大幅度降低。但与此同时使NOX的排放量显著增加，严重污染环境。因此，减少高效蓄热燃烧系统NOX的排放量是该技术能否进一步迅速推广的关键。

1 工业炉燃烧过程中NOX的生成机理和控制

通常认为，燃料燃烧生成NOX的机理有三种：

（1）温度型NOX（也称热NOX）

（2）快速温度型NOX

（3）燃料型NOX

1.1温度型NOX的生成机理

在空气过剩系统大于1的火焰（燃料稀薄的火焰）中，NO的生成过程是在火焰带的下游进行的，其生成机理是由原苏联科学家策尔多维奇提出的，因而称为策尔多维奇机理。

1.1.1NO的生成速度受O2的影响

NO的生成量在空气系数等于1附近，生成量最大，在空气系数大于1或小于1时，生成量下降。燃烧温度在空气系数等于1附近出现最大，相应NO生成速度也达到最大。在空气系数小于1时，下降的速率更大；

1.1.2 NO的生成速度受温度的影响

NO的生成反应，在燃烧温度低于1200℃时，几乎观测不到，在温度高于1200℃时，这一反应才变得更明显，并且随温度升高，反应速度按指数规律迅速增加。实验证明，温度在1200℃附近变化时，温度每增加100℃反应速度增加6—7倍，当温度在2000℃时，NO的生成速度就极为迅速。可见，温度的影响是具有决定性的作用。

1.2快速温度型 NOX的生成机理

碳氢系燃料在空气系数为0.7—0.8预混合（燃料过浓）时燃烧排放的NO全部由快速机理生成，生成地点不在火焰面的下游，而是在火焰内部。根据Fenimore假说，因为氧气不足，CH等成分未完全烧尽，空气中的氮和氧原子通过CH等的触媒作用生成快速温度型NOX。其主要特点是：完全依赖氮氢化合物的存在，与温度、燃料类型或混合程度相对无关，与停留时间有关。

1.3 燃料型NO生成

燃料中若有氮的化合物，则在燃烧过程中氮化合物将会变成 NO。它的生成过程及生成特性均来源于空气中氮气的NO不同。到目前为止，燃料型NO的生成机理还不十分清楚。已知的有两点：

（1燃料N向燃料型NO的转变率一般为20%--25%，最高不超过32%。

（2）燃料型NO与空气系数与温度型的不同。随着空气系数降低，燃料型NO的生成一直降低 ，尤其当空气系数a<1.0时，生成量急剧降低。这是因为氮与碳、氢竞争氧气时，氮缺乏竞争力，因而减少NO形成。

减少燃料型 NO生成的方法有：

（1）采用N含量低的燃料。

（2）采用燃料过浓燃烧。

（3）扩散燃烧时，抑制燃烧与空气混合

2 高温低氧空气燃烧对减少NOx排放量的影响

九十年代日本科研人员提出了降低高温空气含氧量进行燃烧的新概念，并获得成功。燃料在含氧量低（可降到4—8%）的高温（≥800℃）预热空气中进行燃烧时，NOX的生成受到抑制，排放量显著减少。

高温低氧燃烧当前主要采取的措施有：燃气/空气多级燃烧，烟气回流等，另一种方法是采用燃气与空气成一角度喷入炉内，使燃气 在炉内流动中逐步与空气混合，达到 延缓燃烧，降低NOX的目的。

上述方法都有缺点，如果要求预混量大（导致热回收率低），或需要辅助设备，系统复杂，投资较大，而且大多很难将氧浓度真正稳定降低到足够小的程度。在综合总结以上方法的基础上，我们提出了独特的互补型蓄热燃烧的概念。互补型蓄热燃烧打破了一个燃烧器为单位独立完成空气和燃气的供给并燃烧的传统观念，把两个或多个燃烧器综合成一体，其中每一个燃烧器都与其它燃烧器协调工作，按一定的次序和要求完成燃气、空气的供给，燃烧和排出烟气，使火焰在每一个时刻和区域的燃气浓度和空气浓度远离化学计量比，以降低火焰温度、抑制NOX的生成。

互补型蓄热燃烧将燃烧空间扩展为整个炉膛，减少了燃烧器散热，提高了热利用率。并使炉内温度分布更均匀。更重要的是，互补型蓄热燃烧不需要额外的设备和能量 ，在不加任何成本的基础上，简单易行地实现 了低氧燃烧，这一点正是互补型蓄热燃烧有意义所在。

3 NOx排放量的测定结果及研讨

分别在900℃，1000℃，1200℃左右进行的，燃气/空气同向（常规型 ）和逆向（互补型）给进方式下的NOX和NO排放结果列于下表中 （以下烟气成分测量都在换向周期60秒进行）。

在不同炉温下，同向燃烧的NOX排放时在百万分之几十到三百多之间，与相同预热空气温度下的常规燃烧相比，NOX的排放量已有很大程度的降低。这是由于燃气中预混的一次空气促使燃气裂解，活化成分容易扩散，促进民与二次空气混合，使火焰锋面变厚，消除了火焰局部炽热点的缘故。

根据策尔多维奇机理，在同向（常规型）燃烧反应的下区，虽然助燃空气中氧与燃气反应消耗了一部分，但由于空气过剩系数较大，氧浓度保持较高的浓度，由于扩散燃烧的火焰很长，此处火焰温度很高，因此生成较多的NO。另外在靠近燃气喷口的火焰上游处，燃气与氧气的浓度都很高，也形成较高的温度区，在火焰锋面外，氧气过剩，而燃气与其裂解物浓度极低，虽然O与N2反应的活化能较大，也能反应生成NO。

對于逆向（互补型）燃烧方式，在燃气喷口处的上游区域，燃气浓度较大，但助燃空气中已混入了燃烧产物，氧气浓度降低，而在离喷口远的下游区域，空气中氧气浓度虽然大，但因为燃气已在上游区域反应消耗一部分并被燃烧产物稀释，因此在火焰中难以形成高温区域，从而降低了热力NOX的生成。在逆向燃烧方式中，虽然可能存在有利于快速型NOX的区域，但是这样和区域与整个反应区相比很小，而且 快速型NOX的生成量相对较小，因此总的来说，互补（逆向）燃烧方式NOX的生成量要比同向（常规）方式低很多。

4结论

实测结果表明，燃气/空气的给进方式对NOX的排放量有极明显的影响，逆向（互补型）给进方式有极明显减少排放量的效果，值得深入研究与推广。

（作者单位：镇江领强能源工程技术有限公司）