李領(lǐng) 石玉珍

摘要：本文介紹工業(yè)爐燃燒過程生成NOX生成的機(jī)理和控制方法，提出能大幅度抑制NOX產(chǎn)生的互補(bǔ)型高溫空氣燃燒技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高溫空氣燃燒 蓄熱燃燒 NOX排放

高效蓄熱燃燒技術(shù)極大程度上回收燃燒產(chǎn)物的余熱，預(yù)熱助燃空氣，提高火焰的理論燃燒溫度，使燃燒消耗大幅度降低。但與此同時(shí)使NOX的排放量顯著增加，嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，減少高效蓄熱燃燒系統(tǒng)NOX的排放量是該技術(shù)能否進(jìn)一步迅速推廣的關(guān)鍵。

1 工業(yè)爐燃燒過程中NOX的生成機(jī)理和控制

通常認(rèn)為，燃料燃燒生成NOX的機(jī)理有三種：

（1）溫度型NOX（也稱熱NOX）

（2）快速溫度型NOX

（3）燃料型NOX

1.1溫度型NOX的生成機(jī)理

在空氣過剩系統(tǒng)大于1的火焰（燃料稀薄的火焰）中，NO的生成過程是在火焰帶的下游進(jìn)行的，其生成機(jī)理是由原蘇聯(lián)科學(xué)家策爾多維奇提出的，因而稱為策爾多維奇機(jī)理。

1.1.1NO的生成速度受O2的影響

NO的生成量在空氣系數(shù)等于1附近，生成量最大，在空氣系數(shù)大于1或小于1時(shí)，生成量下降。燃燒溫度在空氣系數(shù)等于1附近出現(xiàn)最大，相應(yīng)NO生成速度也達(dá)到最大。在空氣系數(shù)小于1時(shí)，下降的速率更大；

1.1.2 NO的生成速度受溫度的影響

NO的生成反應(yīng)，在燃燒溫度低于1200℃時(shí)，幾乎觀測(cè)不到，在溫度高于1200℃時(shí)，這一反應(yīng)才變得更明顯，并且隨溫度升高，反應(yīng)速度按指數(shù)規(guī)律迅速增加。實(shí)驗(yàn)證明，溫度在1200℃附近變化時(shí)，溫度每增加100℃反應(yīng)速度增加6—7倍，當(dāng)溫度在2000℃時(shí)，NO的生成速度就極為迅速?？梢?，溫度的影響是具有決定性的作用。

1.2快速溫度型 NOX的生成機(jī)理

碳?xì)湎等剂显诳諝庀禂?shù)為0.7—0.8預(yù)混合（燃料過濃）時(shí)燃燒排放的NO全部由快速機(jī)理生成，生成地點(diǎn)不在火焰面的下游，而是在火焰內(nèi)部。根據(jù)Fenimore假說(shuō)，因?yàn)檠鯕獠蛔?，CH等成分未完全燒盡，空氣中的氮和氧原子通過CH等的觸媒作用生成快速溫度型NOX。其主要特點(diǎn)是：完全依賴氮?dú)浠衔锏拇嬖冢c溫度、燃料類型或混合程度相對(duì)無(wú)關(guān)，與停留時(shí)間有關(guān)。

1.3 燃料型NO生成

燃料中若有氮的化合物，則在燃燒過程中氮化合物將會(huì)變成 NO。它的生成過程及生成特性均來(lái)源于空氣中氮?dú)獾腘O不同。到目前為止，燃料型NO的生成機(jī)理還不十分清楚。已知的有兩點(diǎn)：

（1燃料N向燃料型NO的轉(zhuǎn)變率一般為20%--25%，最高不超過32%。

（2）燃料型NO與空氣系數(shù)與溫度型的不同。隨著空氣系數(shù)降低，燃料型NO的生成一直降低 ，尤其當(dāng)空氣系數(shù)a<1.0時(shí)，生成量急劇降低。這是因?yàn)榈c碳、氫競(jìng)爭(zhēng)氧氣時(shí)，氮缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，因而減少NO形成。

減少燃料型 NO生成的方法有：

（1）采用N含量低的燃料。

（2）采用燃料過濃燃燒。

（3）擴(kuò)散燃燒時(shí)，抑制燃燒與空氣混合

2 高溫低氧空氣燃燒對(duì)減少NOx排放量的影響

九十年代日本科研人員提出了降低高溫空氣含氧量進(jìn)行燃燒的新概念，并獲得成功。燃料在含氧量低（可降到4—8%）的高溫（≥800℃）預(yù)熱空氣中進(jìn)行燃燒時(shí)，NOX的生成受到抑制，排放量顯著減少。

高溫低氧燃燒當(dāng)前主要采取的措施有：燃?xì)?空氣多級(jí)燃燒，煙氣回流等，另一種方法是采用燃?xì)馀c空氣成一角度噴入爐內(nèi)，使燃?xì)?在爐內(nèi)流動(dòng)中逐步與空氣混合，達(dá)到 延緩燃燒，降低NOX的目的。

上述方法都有缺點(diǎn)，如果要求預(yù)混量大（導(dǎo)致熱回收率低），或需要輔助設(shè)備，系統(tǒng)復(fù)雜，投資較大，而且大多很難將氧濃度真正穩(wěn)定降低到足夠小的程度。在綜合總結(jié)以上方法的基礎(chǔ)上，我們提出了獨(dú)特的互補(bǔ)型蓄熱燃燒的概念。互補(bǔ)型蓄熱燃燒打破了一個(gè)燃燒器為單位獨(dú)立完成空氣和燃?xì)獾墓┙o并燃燒的傳統(tǒng)觀念，把兩個(gè)或多個(gè)燃燒器綜合成一體，其中每一個(gè)燃燒器都與其它燃燒器協(xié)調(diào)工作，按一定的次序和要求完成燃?xì)狻⒖諝獾墓┙o，燃燒和排出煙氣，使火焰在每一個(gè)時(shí)刻和區(qū)域的燃?xì)鉂舛群涂諝鉂舛冗h(yuǎn)離化學(xué)計(jì)量比，以降低火焰溫度、抑制NOX的生成。

互補(bǔ)型蓄熱燃燒將燃燒空間擴(kuò)展為整個(gè)爐膛，減少了燃燒器散熱，提高了熱利用率。并使?fàn)t內(nèi)溫度分布更均勻。更重要的是，互補(bǔ)型蓄熱燃燒不需要額外的設(shè)備和能量 ，在不加任何成本的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn) 了低氧燃燒，這一點(diǎn)正是互補(bǔ)型蓄熱燃燒有意義所在。

3 NOx排放量的測(cè)定結(jié)果及研討

分別在900℃，1000℃，1200℃左右進(jìn)行的，燃?xì)?空氣同向（常規(guī)型 ）和逆向（互補(bǔ)型）給進(jìn)方式下的NOX和NO排放結(jié)果列于下表中 （以下煙氣成分測(cè)量都在換向周期60秒進(jìn)行）。

在不同爐溫下，同向燃燒的NOX排放時(shí)在百萬(wàn)分之幾十到三百多之間，與相同預(yù)熱空氣溫度下的常規(guī)燃燒相比，NOX的排放量已有很大程度的降低。這是由于燃?xì)庵蓄A(yù)混的一次空氣促使燃?xì)饬呀?，活化成分容易擴(kuò)散，促進(jìn)民與二次空氣混合，使火焰鋒面變厚，消除了火焰局部熾熱點(diǎn)的緣故。

根據(jù)策爾多維奇機(jī)理，在同向（常規(guī)型）燃燒反應(yīng)的下區(qū)，雖然助燃空氣中氧與燃?xì)夥磻?yīng)消耗了一部分，但由于空氣過剩系數(shù)較大，氧濃度保持較高的濃度，由于擴(kuò)散燃燒的火焰很長(zhǎng)，此處火焰溫度很高，因此生成較多的NO。另外在靠近燃?xì)鈬娍诘幕鹧嫔嫌翁?，燃?xì)馀c氧氣的濃度都很高，也形成較高的溫度區(qū)，在火焰鋒面外，氧氣過剩，而燃?xì)馀c其裂解物濃度極低，雖然O與N2反應(yīng)的活化能較大，也能反應(yīng)生成NO。

對(duì)于逆向（互補(bǔ)型）燃燒方式，在燃?xì)鈬娍谔幍纳嫌螀^(qū)域，燃?xì)鉂舛容^大，但助燃空氣中已混入了燃燒產(chǎn)物，氧氣濃度降低，而在離噴口遠(yuǎn)的下游區(qū)域，空氣中氧氣濃度雖然大，但因?yàn)槿細(xì)庖言谏嫌螀^(qū)域反應(yīng)消耗一部分并被燃燒產(chǎn)物稀釋，因此在火焰中難以形成高溫區(qū)域，從而降低了熱力NOX的生成。在逆向燃燒方式中，雖然可能存在有利于快速型NOX的區(qū)域，但是這樣和區(qū)域與整個(gè)反應(yīng)區(qū)相比很小，而且 快速型NOX的生成量相對(duì)較小，因此總的來(lái)說(shuō)，互補(bǔ)（逆向）燃燒方式NOX的生成量要比同向（常規(guī)）方式低很多。

4結(jié)論

實(shí)測(cè)結(jié)果表明，燃?xì)?空氣的給進(jìn)方式對(duì)NOX的排放量有極明顯的影響，逆向（互補(bǔ)型）給進(jìn)方式有極明顯減少排放量的效果，值得深入研究與推廣。

（作者單位：鎮(zhèn)江領(lǐng)強(qiáng)能源工程技術(shù)有限公司）