萬文雷 劉恩海 郭強(qiáng) 魏玉平 張文蕓 劉圣勇

(1.江蘇河海新能源股份有限公司 江蘇常州 213000； 2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213164； 3.中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 鄭州 450007； 4 常州布拉迪智能科技有限公司 江蘇常州 213011； 5.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 鄭州 450002)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口增加，當(dāng)今社會(huì)正面臨著巨大的能源與環(huán)境的壓力，嚴(yán)峻的環(huán)保問題及我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的新體系，促進(jìn)了我國天然氣、煤制氣等在水泥行業(yè)的使用與發(fā)展。中國是當(dāng)今社會(huì)能源消費(fèi)大國之一，在能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及調(diào)整方面具有“富煤、貧油、少氣”的能源消費(fèi)特點(diǎn)，其中煤炭消耗量約占全部能源消耗量的70%左右，且能源消費(fèi)量的增幅也在逐年上升[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消費(fèi)量逐年上升，我國的能源結(jié)構(gòu)體系也隨之調(diào)整、改變。根據(jù)煤炭燃燒、水泥生產(chǎn)線的熟料煅燒降溫后產(chǎn)生的熱污染以及大量污染物的相關(guān)文獻(xiàn)[2-8]，我國大氣污染物年排放量中約85%的SO2和粉塵顆粒、約60%的NOx以及約80%的CO2等排放量來自于煤炭的直接燃燒。為了整治、減緩大氣污染，國家及地方政府相繼出臺(tái)了系列相關(guān)的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)政策及指標(biāo)，旨在防治、減緩大氣污染，進(jìn)一步深化能源結(jié)構(gòu)改革、促進(jìn)大氣質(zhì)量改善，有效控制能源的消費(fèi)量。2013年發(fā)布的《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，針對燃煤電站提出了加快天然氣改造、增加天然氣供應(yīng)、配套管網(wǎng)設(shè)施等方案。根據(jù)《2014—2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動(dòng)方案的通知》，明確提出發(fā)展低能耗低排放產(chǎn)業(yè)、調(diào)整優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，增加、優(yōu)化天然氣供應(yīng)及使用等措施，加快推進(jìn)“煤改氣”任務(wù)進(jìn)程，燃?xì)忮仩t已逐步在取代燃煤鍋爐。2016 年，國家發(fā)改委、能源局印發(fā)的《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確提出，截至2020 年，天然氣消費(fèi)量達(dá)到10%，煤炭消費(fèi)量低于58%。2017 年，國家發(fā)改委印發(fā)《加快推進(jìn)天然氣利用的意見》中提出了要加快推進(jìn)天然氣利用，并逐步將其培育成中國現(xiàn)代清潔能源體系的主體能源之一。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對煤制氣工藝及煤制氣的燃燒系統(tǒng)等方面展開了進(jìn)一步研究。TSURIKOV M等[9]在燃燒室中進(jìn)行煤制氣的燃燒試驗(yàn)，研究煤制氣擴(kuò)散火焰的燃燒特性，并對其燃燒火焰進(jìn)行了試驗(yàn)測試。PATER S[10]針對燃?xì)廨啓C(jī)污染物排放特性進(jìn)行研究，旨在探究燃?xì)廨啓C(jī)適應(yīng)煤氣化煤氣組分的多樣性及適應(yīng)范圍。GE公司的IYER V等[11]探究了H2、N2、H2O及CO2作為稀釋劑時(shí)，對煤制氣在燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室燃燒過程的污染物排放影響規(guī)律以及排放特性的影響。徐靜穎等[3]針對燃煤過程有機(jī)污染物的生成排放特性與采樣方法進(jìn)行了細(xì)致研究，并提出了相關(guān)的研究方向與發(fā)展趨勢。王華山等[12]利用綜合熱分析儀，探究了在不同條件下煤與生物質(zhì)摻混燃燒的特性。高佳佳等[13]對新型低煤份生物質(zhì)混合燃料的燃燒特性以及燃燒污染物的生成排放特性均進(jìn)行了深層的研究。ENGIN T等[14]對干法水泥生產(chǎn)線的能耗進(jìn)行了數(shù)值分析，研究發(fā)現(xiàn)約34.6%的能源消耗在回轉(zhuǎn)窯的煙氣余熱及筒體表面的散熱。毛志偉等[8]結(jié)合新型干法水泥生產(chǎn)線的脫硝系統(tǒng)，提出了SNCR脫硝工藝設(shè)計(jì)方案，并分析了實(shí)際工程的運(yùn)行效果。

基于水泥生產(chǎn)線NOx的排放機(jī)理及控制規(guī)范，設(shè)計(jì)、研發(fā)一種新型水泥窯用的低氮燃燒器，著重對比分析天然氣、煤制氣及混合氣的燃燒特性及其污染物的排放特性，可供有關(guān)燃料燃燒過程的污染物排放及水泥行業(yè)生產(chǎn)線低氮燃燒工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)人員參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與工況

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)NOx排放機(jī)理及控制方法，設(shè)計(jì)、研發(fā)適合天然氣、煤制氣及混合氣等燃料燃燒特性分析的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由進(jìn)料系統(tǒng)、燃燒器本體、供風(fēng)控制及排煙系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)流程圖、三維結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物裝置圖分別如圖1—圖3所示。

圖1 系統(tǒng)流程

1—一次風(fēng)進(jìn)口；2—煤氣進(jìn)口；3—觀火孔；

(a)正面圖

(b)側(cè)面圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與NOx排放機(jī)理

與燃煤相比，天然氣、煤制氣及混合氣等燃料在燃燒過程中的SO2、粉塵顆粒等污染物排放量相對較少。但是在試驗(yàn)測試過程中由于燃料燃燒時(shí)溫度高、燃燒速度快，會(huì)有較多的NOx排放出來。

(1)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)臺(tái)燃燒本體主要由煤氣母管、空氣母管、冷卻水管段以及多級(jí)噴嘴組成，采用分級(jí)燃燒和旋流燃燒相結(jié)合的燃燒方式，以降低燃燒過程中NOx的排放。燃燒過程，一次風(fēng)鼓入部分空氣，促使燃料在貧氧狀態(tài)下燃燒，以減少燃燒初期NOx的生成；二次風(fēng)提供充足的氧氣促使燃料充分燃燒。燃料與一次風(fēng)混合燃燒后，由多級(jí)噴嘴噴出，形成強(qiáng)旋流以增加燃燒強(qiáng)度，從而提高二級(jí)燃燒的穩(wěn)定性以及減少可燃?xì)怏w的排放。

(2)NOx排放機(jī)理。NOx生成機(jī)理主要分為燃料型NOx(即燃料本身含有氮元素，在燃燒過程中氧化生成[15])、快速型NOx(燃料燃燒不完全時(shí)，燃料中所含有的碳?xì)浠鶊F(tuán)與空氣中的氮?dú)夥磻?yīng)而生成)及熱力型NOx(在燃燒產(chǎn)生的高溫下，空氣中的N2與O2反應(yīng)生成)3種形式。其中，熱力型NOx的生成主要發(fā)生在燃燒溫度高于1 800 K的溫度區(qū)，如果燃燒不合理，燃燒室內(nèi)出現(xiàn)了分布不均勻的溫度場，在局部高溫區(qū)域則會(huì)生成較多的熱力型NOx[16-17]。

根據(jù)NOx生成機(jī)理的相關(guān)研究，結(jié)合燃燒過程的污染物排放特性，目前燃料在燃燒過程中的NOx排放大致可分為3個(gè)階段：①燃料燃燒前預(yù)處理階段；②燃料與燃燒所需空氣量的最優(yōu)匹配階段；③合理配風(fēng)下的控溫燃燒、有效減少NOx的生成階段。其中，燃料燃燒前預(yù)處理階段，其處理過程為燃料進(jìn)行脫氮前的準(zhǔn)備工作，以抑制燃料在熱分解及揮發(fā)份燃燒過程中NOx的生成；燃料與燃燒所需空氣量的最優(yōu)匹配階段，旨在保證燃料與燃燒所需空氣量的最優(yōu)匹配、均勻摻混燃燒，可有效提高燃燒效率、抑制燃燒過程N(yùn)Ox的生成量；通過改善燃料摻混，實(shí)現(xiàn)合理配風(fēng)、控溫，燃料燃燒波動(dòng)較小，燃燒相對穩(wěn)定，且揮發(fā)份的析出速度均勻適中,可有效減少NOx的生成，降低污染物的排放量。

1.3 實(shí)驗(yàn)工況

燃燒試驗(yàn)采用天然氣、煤制氣及混合氣3種燃料，其燃料組分如表1所示。試驗(yàn)臺(tái)燃燒試驗(yàn)過程，利用電爐加熱燃料、引風(fēng)機(jī)供風(fēng)，通過觀火孔觀察燃料燃燒的情況，燃燒生成的煙氣由試驗(yàn)臺(tái)上部設(shè)置的排煙管排出。試驗(yàn)采用電子天平稱量，熱電偶(間隔30 s)采集、存儲(chǔ)溫度參數(shù)，并使用Excel進(jìn)行編輯、處理。

為盡可能保證燃料充分燃燒，減少不完全燃燒的熱損失，試驗(yàn)采用流量計(jì)、熱電偶、煙氣分析儀、煤氣分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測定、分析。其中，燃?xì)饬髁坎捎肔UGB型渦街流量計(jì)(精度為1.0級(jí))、空氣流量采用LZB-50F型轉(zhuǎn)子流量計(jì)(精度為1.0級(jí))、煙氣溫度采用WRNK-187型鎧裝熱電偶(精度為0.5級(jí))進(jìn)行測量。煙氣分析采用KANE945型煙氣分析儀(O2分析儀：分辨率為0.1%，精度為±0.2%，響應(yīng)時(shí)間<3 s；CO、NO分析儀：分辨率為1×10-6，精度為±5%，響應(yīng)時(shí)間<3 s)。煤氣成分測量選用GASBOARD-3100型紅外煤氣分析儀(CH4、H2、CO分析儀：分辨率為0.01%，精度為±1%，響應(yīng)時(shí)間<15 s)。

表1 燃料(3種)組分及熱值

試驗(yàn)時(shí)，在其他參數(shù)不變的情況下，改變?nèi)紵r，分別進(jìn)行5組燃燒對比試驗(yàn)。

(1)適宜調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)α(即試驗(yàn)測試過程，實(shí)際供給燃料燃燒的空氣量與理論層面上所需的空氣量的比值)：α1=1.0、α2=1.05、α3=1.1、α4=1.15、α5=1.2。

(2)適宜調(diào)節(jié)二次風(fēng)供風(fēng)量，試驗(yàn)設(shè)定二次風(fēng)占比系數(shù)β(即試驗(yàn)測試過程，實(shí)際供給二次風(fēng)風(fēng)量與理論層面上所需的空氣量的比值)：β1=0.2、β2=0.4、β3=0.5、β4=0.6、β5=0.8。

2 結(jié)果及分析

2.1 過量空氣系數(shù)對燃燒特性的影響

以天然氣為燃料，通過試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)及曲線分析不同過量空氣系數(shù)α對燃燒溫度的影響。不同過量空氣系數(shù)下煙氣溫度的變化如圖4所示。不同過量空氣系數(shù)下，NOx、CO排放量的變化如圖5所示。

圖4 不同過量空氣系數(shù)下各測點(diǎn)煙氣溫度

由圖4可以看出，當(dāng)過量空氣系數(shù)α從1.0增加到1.2時(shí)，試驗(yàn)各測點(diǎn)的溫度都有不同程度的下降，燃燒器前端溫度下降趨勢較為明顯。由圖5可以看出，燃料燃燒程度受燃燒溫度及氧氣濃度的影響較大，隨著α的增加，NOx排放量呈先增加后減少的趨勢。當(dāng)α=1.15時(shí)，NOx的最大排放量為96 mg/m3；當(dāng)α增加后，煙氣中所含O2濃度也隨之增加，使得NOx生成量增加；之后α逐漸增大，NOx的濃度被過量空氣稀釋，致使其排放量降低。燃料燃燒試驗(yàn)過程的CO主要來自燃料的不完全燃燒，隨著α的增加，燃?xì)饽軌虺浞值厝紵?，CO的排放量逐步減少。通過對試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)分析，過量空氣系數(shù)α為1.2時(shí)，NOx排放量為53 mg/m3，CO排放量為22 mg/m3。

圖5 不同過量空氣系數(shù)下NOx、CO排放量

2.2 不同二次風(fēng)占比系數(shù)對燃料燃燒特性的影響

天然氣作為燃燒試驗(yàn)燃料時(shí)，試驗(yàn)測試工況參數(shù)α設(shè)定值為1.2，β取值為0～0.8。不同二次風(fēng)占比系數(shù)β對污染物排放量的影響如圖6所示。

圖6 不同二次風(fēng)占比系數(shù)下的NOx、CO排放量

根據(jù)圖6，隨著二次風(fēng)占比系數(shù)β增加，NOx排放量逐漸降低，究其原因是一次供風(fēng)燃燒時(shí)，燃?xì)鉂舛取囟容^低，導(dǎo)致NOx的生成量減少。當(dāng)β=0.8時(shí)，試驗(yàn)測試NOx排放量為45 mg/m3。隨著β增加，CO排放量呈先減少后增加的趨勢。當(dāng)β=0.6時(shí)，排放量為最小值22 mg/m3。隨著二次風(fēng)供風(fēng)量的增加，燃料燃燒由燃燒動(dòng)力區(qū)域逐漸進(jìn)入過渡區(qū)域、擴(kuò)散區(qū)域，且試驗(yàn)采用燃燒強(qiáng)度較強(qiáng)的旋流燃燒方式。然而，二次風(fēng)占比系數(shù)β值(β為0.8)過大時(shí)，燃料燃燒多集中在二次燃燒區(qū)域，致使燃料發(fā)生不完全燃燒,導(dǎo)致CO排放量增加。試驗(yàn)結(jié)果表明，二次風(fēng)占比系數(shù)β取值為0.6時(shí)，CO最小排放量為22 mg/m3。

2.3 不同燃料的燃燒特性

(1)3種燃料(天然氣、煤制氣及混合氣)在不同過量空氣系數(shù)α下的煙氣排放溫度、NOx排放量及CO排放量分別如圖7—圖9所示；

(2)2種燃料(煤制氣、混合氣)在不同二次風(fēng)占比系數(shù)β下的NOx的排放量如圖10所示。

圖7 不同燃料、不同α下煙氣溫度

圖8 不同燃料、不同α下NOx排放量

圖9 不同燃料、不同α下CO排放量

圖10 不同燃料、不同β下NOx排放量

由圖7—圖9可以看出，在β=0時(shí)，不同燃料及過量空氣系數(shù)α對燃料燃燒過程的影響。根據(jù)圖7，在相同燃燒條件下，煤制氣的燃燒溫度比天然氣高；同時(shí)，在天然氣中摻混一定量的煤制氣可提高天然氣的燃燒溫度，原因?yàn)槿剂纤臍錃獾狞c(diǎn)火能量較小，且燃燒火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，燃料燃燒速度變化較快。隨著α增大，不同燃料的燃燒溫度呈下降趨勢，燃料燃燒速度逐漸趨于平穩(wěn)、放熱量劇增。圖8顯示了不同α值、不同燃料燃燒時(shí)NOx的排放量。由圖8可以看出，相比天然氣燃料燃燒特性，煤制氣的燃燒速率快，其燃燒溫度、NOx的排放量也相對較高。根據(jù)試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，當(dāng)α為1.05時(shí)，其NOx的最大排放量為142 mg/m3。圖9為不同α值、不同燃料燃燒時(shí)CO的排放量。由圖9可知，相比天然氣燃料燃燒特性，煤制氣因含有較多的H2，燃料燃燒處于燃盡階段，燃燒過程較為充分，熱損失小，且CO的排放量較小。同時(shí)，天然氣內(nèi)摻混一定量的煤制氣可降低CO的排放量。根據(jù)煤制氣燃燒試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，當(dāng)α=1.2時(shí)，其CO的排放量為6 mg/m3。由圖10可以看出，整個(gè)燃燒過程，隨著二次風(fēng)占比系數(shù)β值的增加，燃料燃燒多集中在較強(qiáng)的旋流燃燒區(qū)域，燃料燃燒所需的氧與理論層面上所需的空氣量有較好的匹配，2種燃料(煤制氣、混合氣)燃燒產(chǎn)生的NOx量則呈現(xiàn)不斷下降趨勢。根據(jù)圖7—圖10，低氮燃燒器燃燒試驗(yàn)臺(tái)在燃燒天然氣、煤制氣及混合氣(50%天然氣摻混50%煤制氣)摻燒運(yùn)行過程中NOx排放穩(wěn)定，當(dāng)α取1.2、β取0.8時(shí)，其保持層狀燃燒、燃燒波動(dòng)較小，且燃燒效果較好。

3 結(jié)論

基于NOx排放機(jī)理及控制方法，研發(fā)了一種新型低氮燃燒器，分析了天然氣、煤制氣及混合氣的燃燒特性，得出如下結(jié)論：

(1)當(dāng)過量空氣系數(shù)α為1.2、二次風(fēng)占比系數(shù)β為0.6時(shí)，該燃燒器燃燒天然氣的效果較好，且NOx、CO排放量分別為53、22 mg/m3。

(2)相比天然氣的燃燒過程，在相同燃燒條件下，煤制氣燃燒溫度及NOx排放量均高于天然氣，CO排放量則低于天然氣。

(3)試驗(yàn)測得，當(dāng)過量空氣系數(shù)α為1.2、二次風(fēng)占比系數(shù)β為0.8時(shí)，NOx排放量為57 mg/m3，CO排放量為6 mg/m3。

(4)天然氣和煤制氣摻混燃燒時(shí)，其燃燒特性介于二者之間，所摻混的煤制氣可提高天然氣的燃燒速率，且燃燒效果較好。