氧气浓度调节对NOx生成影响的试验研究

韩子玉，田 亮，段润泽

（1．冀中能源集团有限责任公司，河北 邢台054000；2.河北工业大学 能源与环境工程学院，天津300132）

随着我国能源结构的调整，天然气在能源结构中 的比重越来越大。其主要成分甲烷在燃烧过程中生成的NOx是主要大气污染污染源之一[1-2]。降低NOx排放的途径有两种：一是烟气后处理[3]；二是改进燃烧组织形式[4]。前者技术成熟，但存在设备庞大、能耗大、二次污染等问题；后者在一定程度上能够有效降低NOx生成，但对于超低排放仍存在很大的技术难度。本文针对燃烧组织方式开展研究，探讨氧气浓度调节对NOx生成的影响。

一般工业和民用燃气炉中的NOx生成以热力型为主，因此在这些设备中主要通过控制主燃区温度和燃料驻留时间降低NOx生成[5-8]。

基于扩散燃烧过程中温度型NOx的生成机理，针对不同的燃烧设备，各国学者相继研究了空气分级燃烧（Air Staged Combustion，ASC）[9]、烟气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）[10]以及温和燃烧（Moderate and Intensive Low-Oxygen Diluted，MILD）[11]等低NOx燃烧技术，通过降低火焰温度或主燃区内的氧浓度、缩短氧气在高温区的逗留时间、或将NOx还原等措施，来达到降低温度型NOx的目的。但是，上述技术在实施过程中，均存在因局部C/O 浓度比控制不当所诱发的CO 或SOOT 排放量提高的问题。

对于预混燃烧而言，燃气轮机多采用贫燃预混燃烧技术（Lean Premixed Combustion，LPC）[12-13]来控制预混燃烧过程中NOx的生成，即通过降低整体当量比来控制火焰温度，抑制温度型NOx的生成。但是，LPC 的工作条件处于贫燃熄火极限附近，且旋流燃烧过程中不稳定的漩涡进动过程极有可能造成局部C/O 浓度比失调，从而诱发局部熄火，导致火焰热释放发生剧烈脉动，并最终诱导产生火焰热声振荡现象[14]。

本课题组提出了一种稀氧部分预混/富氧补燃（ODPP/OESC）工艺[15-16]，其工作原理是：将碳氢燃料与稀氧空气（氧气摩尔分数低于普通空气的氮气和氧气混合物，以下称稀氧）在某一当量比（1.10～1.40）下进行部分预混，经旋流稳焰器喷入燃烧室，形成还原性气氛的动力火焰；在动力燃烧区外侧和下游，利用富氧空气（氧气摩尔分数高于普通空气的氮气和氧气混合物，以下称富氧）组织未燃尽燃料及还原性产物的扩散燃烧过程；整个燃烧过程，总体当量比控制在0.65～0.95 之间，为整体贫燃状态。该技术通过对氧浓度的调节实现均匀化学反应速率、 降低火焰温度、拉长反应区，从而平衡NOx与CO 的排放。ODPP/OESC 燃烧方式中无需高氧浓度富氧与低氧浓度稀氧，仅需空气分离装置对空气进行粗分离即可，分离后得到的富氧与稀氧都可以得到有效利用。

本文首先介绍试验装置和燃烧组织方式。在该燃烧装置的基础上分别研究了稀氧中氧气摩尔分数（以下称稀氧浓度）、富氧中氧气摩尔分数（以下称富氧浓度）和预混当量比三个控制参数对NOx和CO排放的影响。通过对试验结果的分析，得到了ODPP/OESC 运行的最佳控制参数范围。

1 试验系统与调节方法介绍

1.1 试验系统

本文试验中采用空气、 氧气和氮气配制稀氧与富氧，试验装置如图1 所示。三种气体和甲烷分别由气源供应，经减压器、流量控制器进入混合室。混合室内布置有均流装置。其中，氧气和空气通入混合室I 形成富氧，氮气、空气和甲烷通入混合室II 形成稀氧与甲烷的预混气。由两混合室出来的气体经喷嘴喷入燃烧室进行燃烧，产生的烟气经烟道排出，烟道内布置有烟气采样管采集烟气。系统中流量控制器由电脑控制，烟气采样管连接烟气分析仪。

图1 试验系统示意图

燃烧室与喷嘴的尺寸如图2 所示。喷嘴为同轴式，内喷嘴为旋流，内径21 mm、外径25 mm，有8 个旋流通道围绕在内喷嘴内壁面上，喷射甲烷和稀氧空气的预混气；外喷嘴为直流喷嘴，内径27 mm、外径32 mm，喷射富氧。旋流片结构如图3 所示，旋流角度45°、厚度1 mm，旋流数为0.92。文中所有试验保证甲烷流量1.5 L/min、总当量0.85 不变，根据控制参数调节各个气体的流量。预混气速度为预混气流量除以内喷嘴8 个旋流通道截面积的和； 富氧流速为富氧流量除以外喷嘴截面积。为了稳焰和有效掺混，喷嘴壁面高度由内向外逐级增加。燃烧室尺寸为300 mm×100 mm×100 mm，出口处为直径60 mm的烟囱。

试验中所用的是ECOM-EN2-F 型烟气分析仪。可测组分为NO、NO2、CO 和O2，各个组分的测量范围分别为：（0～5 000）×10-6，（0～1 000）×10-6，（0～10 000）×10-6和0～21%。测量精度分别为：5%，5%，5%和1%。试验结果按照基准氧浓度3.5%进行折算。试验中利用Cannon ESO 60D 数码相机拍摄火焰图像。

图2 燃烧室及喷嘴结构示意图

图3 旋流片结构尺寸图

1.2 调节方式

根据前文的描述，ODPP/OESC 中所需的富氧空气与稀氧空气是将空气进行粗分离得到的。因此，这两股气体混合后氧摩尔分数为0.21。利用这一条件，可以建立与燃烧有关的控制参数的关系式：

式中：Φt—总当量比，即全局当量比

Φp—部分预混当量比，即预混气体当量比

xe—富氧浓度（富氧中的氧气摩尔分数）

xd—稀氧浓度（稀氧中的氧气摩尔分数）

在试验过程中，以上四个控制参数的调节依照式（1）进行。通过图4 可以看出参数之间的变化趋势，还可以发现图中每个曲线都与xe=1 有一个交点，该交点对应的xd即为稀氧浓度在该当量比条件下所能够达到的最小值，xd，min。这个值与总当量比与部分预混当量比的比值有关，如式（2）所示。

图4 不同当量比条件下稀氧浓度（xd）与富氧浓度（xe）的关系图

2 结果与分析

2.1 稀氧浓度对污染物排放的影响

表1 中给出了总当量比0.85，部分预混当量比1.3条件下，不同氧气浓度工况下的各气体组分含量和喷嘴出口速度。稀氧浓度降低的过程中，富氧浓度升高，进入混合室II 中氮气的流量增大，进入混合室I 中空气的流量降低，进入混合室I 中氧气的流量升高。这相当于将富氧空气中的氮气“转移”至预混气中。

图5 给出了表1 工况的试验结果，由于受到调节方式的限制，稀氧浓度与富氧浓度存在关联，为方便描述，图中横坐标为稀氧浓度，原因在下文的火焰分析中介绍。从图中可以看出，烟气中NOx的浓度随着稀氧浓度的降低而降低，但是CO 排放的浓度却随着稀氧浓度的降低而升高。稀氧浓度为0.21 的工况实际上是普通的空气部分预混燃烧方式（PPC），所以采用ODPP/OESC 的燃烧方式可以显著降低NOx排放，但CO 的排放却会相对增加。在试验条件范围内，NOx和CO 两条趋势线交于0.18＜xd＜0.19 范围内。这表明在这一范围内会得到较低的NOx与CO排放，此时对应的富氧浓度范围为0.262＜xe＜0.306。在xd=0.19 时，NOx排放已经低于北京市标准限值30 mg/m3。

图6 展示到了不同稀氧浓度条件下的火焰结构。火焰由动力燃烧区和扩散燃烧区两部分组成：中间稀氧部分预混形成的动力火焰，CH 浓度较高，火焰呈现明亮的蓝绿色； 外围的扩散火焰中由于氧气浓度高，导致OH 浓度高，所以火焰呈现暗淡的蓝紫色。随着稀氧浓度的降低，预混气的化学反应速率降低，同时预混气流速增大，因此预混火焰被拉长，火焰根部逐渐从喷嘴中移出，火焰温度降低。这使得NOx的生成量降低，而不完全燃烧产物CO 的生成量升高。在预混当量比1.3 条件下，由于稀氧与甲烷的预混燃烧消耗掉了77%左右的燃料，所以动力燃烧区为主要燃烧区，也是污染物生成的主要区域。稀氧浓度降低的同时富氧浓度升高，这有利于扩散燃烧化学反应速率的提高。ODPP/OESC 正式利用这一点来进一步消耗掉动力燃烧区的未燃产物，尽可能使燃料完全燃烧。但是从试验结果看，富氧浓度的提高并没有使得CO 的排放降低。原因一是扩散燃烧不占主导；二是富氧喷嘴仅是一个简单的环形，缺少增强掺混的结构，这在后续的研究中会进一步改进。

表1 预混当量比1.3 条件下不同稀氧浓度试验工况

图5 烟气中NOx和CO 浓度随稀氧浓度的变化趋势图

2.2 预混当量比对污染物排放的影响

图6 不同稀氧浓度条件下的火焰图像

预混当量比是ODPP/OESC 燃烧中的另一个控制参数。表2 给出了xd=0.19 条件下不同预混当量比的试验工况。由于总当量比固定为0.85 且甲烷流量不变，提高预混当量比，进入MixerII 的氮气和空气流量减少，进入MixerI 的空气流量增大，进入MixerI 的氧气流量减少。这相当于减少预混气中的稀氧比例，并将减少的这部分稀氧“转移”到富氧中，在这一过程中预混气流速降低，富氧浓度降低、流速提高。

图7 给出了烟气中NOx和CO 浓度随预混当量比Φp的变化趋势。同样，在稀氧浓度不变的条件下，富氧浓度与预混当量比也是存在关联的。为了便于描述，图中以预混当量比作为横坐标。随着预混当量比的增大，NOx的浓度呈现出先减小后增大的趋势。在Φp＜1.5 的条件下，NOx浓度随预混当量比增大迅速降低；预混当量比在1.5＜Φp＜1.7 的范围内，NOx浓度随预混当量比的降低速率显著变缓； 在Φp＞1.7后，NOx浓度随预混当量比增大迅速升高。CO 的浓度随预混当量比的变化趋势与NOx相反，呈先升高再降低的趋势，预混当量比1.7 位置为转折点。由此判断，预混当量比在1.7 到1.8 变化过程中，燃烧方式发生了根本的变化。在预混当量比升高过程中，两条趋势线有两个交点，分别处于1.3＜Φp＜1.4 和1.7＜Φp＜1.8 范围内，分别对应富氧浓度范围0.251＜xe＜0.262 和0.232＜xe＜0.235。随着部分预混当量比越高，动力燃烧区内燃尽的燃料越少，扩散燃烧区逐渐成为主导。

表2 稀氧浓度0.19 条件下不同预混当量比试验工况

图7 烟气中NOx和CO 浓度随预混当量比的变化趋势图

图8 给出了不同预混当量比条件下的火焰图像。可以看出，随着预混当量比的增大，预混火焰逐渐脱离喷嘴，并且试验中发现火焰抖动变强。在预混当量比增大的过程中，整体火焰由预混燃烧主导转变为扩散燃烧主导，转变点为Φp=1.7。当Φp＜1.7 时，动力燃烧占主导，富氧流速低，火焰依靠较高的火焰传播速度稳定在喷嘴处。燃料先进行燃烧，产生的未完全产物再与富氧空气燃烧，此时预混当量比越高，预混气燃烧温度越低，NOx生成量越低，CO 生成量越大，存在最优工作参数。当Φp＞1.7 时，扩散燃烧占主导，富氧流速高，火焰脱离喷嘴。由于扩散燃烧区采用富氧助燃，火焰温度提高导致该区域温度型NO增量大于动力燃烧区内的减量。因此，也存在最优工作参数。

2.3 富氧浓度对污染物排放的影响

在ODPP/OESC 燃烧方式中的参数之间存在公式（1）的关系。在稀氧浓度或预混当量比变化的过程中富氧浓度都会随之变化。但本节设计的三组试验中，每组试验中总当量比、预混当量比和稀氧浓度为固定值，富氧浓度独立变化。这三组试验分别在不同的稀氧浓度下进行。

图8 不同预混当量比条件下的火焰图像

图9 给出了烟气中NOx和CO 浓度随富氧浓度的变化趋势。在稀氧浓度0.21 条件下，富氧浓度从0.31 降低到0.21，烟气中NOx含量降低了32%，而在稀氧浓度0.19 和0.17 条件下，NOx的生成量几乎不随富氧浓度变化。稀氧浓度从0.21 分别降低到0.19和0.17 时，烟气中NOx含量的平均降幅分别达到了95%和97%。由此可见，富氧浓度对烟气中NOx含量的影响程度较小，而稀氧浓度对烟气中NOx含量的影响程度很大，这与前文的结论是一致的。在0.17、0.19 和0.21 三种稀氧浓度条件下，富氧浓度从0.21增加到0.31，烟气中CO 含量分别降低13%、70%和48%，而稀氧浓度从0.17 分别升高到0.19 和0.21 时，烟气中CO 含量的平均降幅分别为67%和99%。由此可见，富氧浓度对烟气中CO 含量的影响程度总体上低于稀氧浓度，但在特定的范围内的影响还是显著的。所以，富氧浓度对NOx生成的影响程度很小，而对CO 生成的影响程度较大。因此，ODPP/OESC 应用过程中，可以在公式（1）计算得到的富氧浓度基础上进行小幅度调整，进一步降低CO 的生成量。具体的调整量与稀氧浓度有关，尚需进一步研究。

图9 烟气中NOx和CO 浓度随富氧浓度的变化趋势图

3 结论

本文采用甲烷/空气开展了稀氧部分预混/富氧补燃燃烧方式的试验，研究了稀氧浓度、预混当量比和富氧浓度对烟气中NOx和CO 含量的影响规律，得到了如下结论：

（1）与一般部分预混燃烧相比，稀氧部分预混/富氧补燃方式能够显著降低NOx排放，但CO 排放较高。NOx与CO 排放呈现相反分变化趋势，在0.18＜xd＜0.19，1.3＜Φp＜1.4，0.251＜xe＜0.303 范围内，稀氧部分预混/富氧补燃能够有效平衡NOx与CO 的排放。

（2）稀氧部分预混/富氧补燃过程存在着预混燃烧与扩散燃烧两种燃烧方式，部分预混当量比低于1.7 时预混燃烧占主导，NOx排放随部分预混当量比升高而升高； 部分预混当量比高于1.7 时扩散燃烧占主导，NOx排放随部分预混当量比升高而降低。

（3）在稀氧部分预混/富氧补燃方式中，稀氧浓度主要影响NOx的生成，烟气中NOx含量随稀氧浓度降低而降低；而富氧浓度主要影响CO 的生成，CO含量随富氧浓度升高而降低。