閆自豪 王光華 王晴東 李文兵 王國成 李享成

(1.武漢科技大學化學與化工學院綠色與智能煤化工工程技術研究中心 武漢 430081；2.武漢科技大學材料與冶金學院省部共建耐火材料與冶金國家重點實驗室 武漢 430081)

0 引言

焦化行業(yè)作為高能耗、高污染行業(yè)，其工藝流程復雜，產生的污染物種類多、含量高[1-2]。2019年1—10月，我國焦炭產量累計達3.93億噸，同比增長5.6%，為世界第一焦炭生產國和出口國[2]，由此帶來的空氣污染問題不容小覷。NOx是焦化行業(yè)產生的主要污染物之一，也是大氣污染物的主要來源[3]，研究一種從源頭上有效降低NOx排放且能直接應用于已建焦爐的焦爐煤氣低氮燃燒技術具有十分重要的意義。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗平臺

以JN-60型焦爐為研究對象，設計出模擬焦爐狹長受限空間爐膛結構的燃燒爐，搭建帶有煙氣外循環(huán)系統(tǒng)的焦爐煤氣燃燒實驗平臺，研究空氣過剩系數α、燃燒負荷和煙氣外循環(huán)率λ對焦爐煤氣燃燒NOx生成特性的影響。燃燒實驗平臺由燃氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、空氣預熱系統(tǒng)、煙氣回配系統(tǒng)、煙氣冷卻系統(tǒng)、燃燒爐等組成。煙氣成分由KM950便攜式煙氣分析儀和Gasboard3100型煤氣分析儀測定。焦爐煤氣燃燒實驗系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 燃燒爐

燃燒爐爐膛具有狹長受限空間結構，在爐膛內部不同高度設置7個S型鉑銠熱電偶，爐膛外部設置3個不同高度的觀火孔，燃燒形式采用下進上出非預混燃燒形式。燃燒爐設計參數如表1所示，狹長空間結構的爐膛示意如圖2所示。

1—煙氣再循環(huán)管路；2—回流煙氣預混室；3—空氣預熱器；4—燃燒爐膛；5—T1熱電偶；6—T7熱電偶；7—觀火孔；8—煙氣換熱器；9—煙氣分析儀和煤氣分析儀；10—焦爐煤氣進口；11—助燃空氣進口；12—變頻風機；13—回流煙氣閥圖1 焦爐煤氣燃燒實驗系統(tǒng)

表1 燃燒爐設計參數

圖2 狹長空間結構的爐膛示意

1.3 實驗計算

實驗采用的燃氣為配制焦爐煤氣，其組分如表2所示。

表2 配制焦爐煤氣成分 %

α采用實際空氣量與理論空氣量的比值進行計算，實際空氣量由熱式流量計測定，理論空氣量通過理論計算得出。

(1)

式中，Qair,實際為燃燒實際空氣量，m3/h；Qair,理論為理論所需空氣量，m3/h。

λ采用外循環(huán)煙氣量與理論煙氣量的比值進行計算。煙氣外循環(huán)量由熱式流量計測定，煙氣流量換算成標態(tài)下的體積流量值，理論煙氣量通過理論計算得出。

(2)

式中，Qr為回配煙氣流量，m3/h；Qflue為燃燒產生總煙氣流量，m3/h。

2 結果與分析

實驗燃燒爐首先采用液化石油氣進行加熱，當爐內最高溫度超過1 600 K時，將燃料更換為配制焦爐煤氣，待火焰輪廓、爐膛溫度穩(wěn)定且煙氣分析儀等各儀表工作正常時，開始進行實驗操作和數據采集。

2.1 焦爐煤氣燃燒特性

液化石油氣和焦爐煤氣燃燒火焰結構如圖3所示。液化石油氣燃燒時，火焰呈刺眼的亮黃色，焰心處亮度最強，火焰輪廓清晰可見。在爐膛逐漸升溫的過程中，觀火孔上有炭黑和水珠形成，隨著觀火孔處溫度的升高，水珠逐漸消失。在空氣預熱溫度為923 K，燃燒負荷為74%時，焦爐煤氣燃燒，爐膛最高溫度可達1 689 K。燃燒過程中無炭黑形成，火焰呈刺眼亮黃色，火焰輪廓脈動幅度小，輪廓清晰可見，可清楚地觀察到爐膛內部結構。相較于液化石油氣，焦爐煤氣燃燒的火焰長度較短，爐膛溫度較低。在焦爐煤氣整個燃燒過程中，煙氣分析儀幾乎檢測不到CH4、H2、CO的生成，說明焦爐煤氣燃燒完全。

2.2 α對焦爐煤氣NOx生成特性的影響

在空氣預熱溫度為923 K，燃燒負荷為74%時，進行α對焦爐煤氣燃燒NOx排放特性影響的實驗。

2.2.1α對爐內溫度分布的影響

在該工況下，α=1.25時，焦爐煤氣燃燒時的爐膛溫度分布如圖4所示。由圖可知，爐膛溫度沿燃燒爐高度方向從下至上，先升高后降低，燃燒高溫區(qū)主要集中在燃燒爐的前半部分，即高度在100～600 mm位置，最高溫度主要集中在高度200 mm位置處。達到200 mm位置的溫度以后，爐膛溫度持續(xù)降低，最低降至1 450 K。

圖4 α=1.25時爐內溫度分布

α在1.05～1.25時，燃燒爐膛內不同高度位置溫度分布如圖5所示。由圖可知，爐膛底端(0～200 mm位置)溫度隨著α的增大而逐漸升高，這是因為焦爐煤氣著火點較低，與高溫空氣相遇后立即開始反應，隨著α的增大，進入爐膛內的預熱助燃空氣流量增大，使焦爐煤氣在進口處與預熱空氣反應強度增大，因此進口處溫度逐漸升高。從圖中還可以看出，燃燒高溫區(qū)主要集中在200～600 mm位置，爐膛300～600 m位置溫度隨著α的增大先升高后降低。在α=1.10時，200～600 mm位置溫度最高，燃燒強度最大，平均溫度約在1 625 K以上，該位置是NOx形成的關鍵區(qū)域。爐膛頂端(800～1 000 mm位置)溫度隨著α的增大先升高，隨后持續(xù)降低，這是因為隨著α的增大，更多的燃料在底端位置參與反應，主燃燒區(qū)域反應強度相對減弱，而爐膛頂部熱量主要來源于主燃燒區(qū)域產生的高溫煙氣，因此溫度持續(xù)降低。

圖5 α對爐內溫度分布的影響

2.2.2α對NOx排放濃度的影響

α對爐內最高溫度、平均溫度以及NOx排放體積分數的影響如圖6所示?？梢钥闯觯S著α的增大，爐內最高溫度先升高后緩慢降低，在α=1.10時，爐內最高溫度達到最大值。隨著α的增大，平均溫度也先升高后緩慢減低，最后趨于平穩(wěn)，在α=1.10時，平均溫度最高。平均溫度和最高溫度的分布表明，在此狹長受限結構的燃燒爐內，當α=1.10時，焦爐煤氣燃燒強度最強，整體溫度達到最高水平，隨著α的繼續(xù)增大，引入過量的空氣帶走更多熱量，使爐膛平均溫度和最高溫度均降低。

圖6 α對爐內最高溫度、平均溫度和NOx排放體積分數的影響

最高溫度對熱力型NOx的生成起著決定性作用。由圖6可知，在α<1.15時，NOx的生成量較大，NOx排放體積分數在0.042 5%以上，隨著α的增大，NOx排放體積分數逐漸降低，在α為1.20、1.25時，NOx排放體積分數分別降至0.025%、0.018%。在α≤1.10時，NOx排放體積分數較高，而最高溫度和平均溫度卻較低。這可能是由于有限的溫度測點沒有準確測出爐膛內的最高溫度，爐膛的其他高度位置同樣存在高溫區(qū)，因此NOx體積分數較高。值得注意的是，α在1.10～1.25時，最高溫度與NOx排放體積分數呈現出高度的一致性，隨著最高溫度的快速降低和緩慢回升，NOx的排放體積分數迅速下降，隨后變成緩慢下降。在α=1.20時，可使爐膛平均溫度維持在1 580 K以上，NOx排放體積分數較α=1.05時降低了44.4%，降低至約0.025%。繼續(xù)增大α，雖然NOx排放體積分數依然下降，但爐內平均溫度降低明顯。因此，將α控制在1.20可降低燃燒爐內的最高溫度，有效控制NOx的產生。對于實際焦化生產，過高的α會使平均溫度降低，影響焦爐的正常生產運行，嚴重時會影響到焦炭的質量；此外，產生的大量煙氣會帶走更多熱量，既降低了熱效率，又增大了風機及排煙系統(tǒng)的壓力。

2.3 燃燒負荷對焦爐煤氣NOx生成特性的影響

在空氣預熱溫度為723 K，α為1.10和1.20，燃燒負荷為44%、58%、74%的工況下進行燃燒實驗，研究燃燒負荷對焦爐煤氣NOx生成特性的影響，結果如圖7所示。

(a)α=1.10

從圖7(a)中可以看出，在各個燃燒負荷下，NOx生成量總體偏低，負荷的增大對NOx的生成有直接促進作用。α=1.10時，隨著負荷的增大，NOx排放體積分數呈非線性增大；λ=0時，負荷從44%增大至74%，NOx排放體積分數從0.004 3%增大至0.008 7%。在該工況下，因為T0較低，爐膛整體溫度較低，NOx排放體積分數降低至0.01%以下，隨著燃燒負荷的增大，通過消耗更多焦爐煤氣使燃燒溫度更高，因此NOx排放體積分數增大，而增大不明顯是因為焦爐煤氣溫度較低，空氣預熱溫度不變，增大燃燒負荷意味著更多低溫燃料的引入，因此提高燃燒溫度的能力有限。在無煙氣外循環(huán)條件下，α=1.10且燃燒負荷為74%時，NOx生成量最高，約為0.008 7%，爐內燃燒強度最大，局部高溫區(qū)域最多。從圖中還可以看出，在α=1.10時，在負荷74%下，λ對NOx排放體積分數的影響效果更為顯著；而在負荷44%和負荷58%下，λ對NOx排放體積分數的影響效果并不明顯。

(a) 液化石油氣

從圖7(b)中可以看出，隨著燃燒負荷增大，NOx排放體積分數依然整體增大。λ=0時，負荷從44%增大至74%，NOx排放體積分數從0.004%增大至0.005 6%。在燃燒負荷74%下，λ對NOx排放體積分數的影響很明顯。在改變α為1.20后，隨著負荷的增大，NOx排放體積分數增大趨勢變緩。提高α意味著提高助燃空氣射流速度，增大λ意味著降低助燃空氣中的氧分壓，延緩了燃料與氧化劑的接觸反應速率，因此NOx排放體積分數不再持續(xù)增大。

綜上，在該狹長受限空間爐膛結構的燃燒爐中，在負荷74%的工況下，將α控制為1.20，增大λ至20%以上時，可以顯著降低NOx的排放。在燃燒負荷為44%、58%時，NOx排放體積分數很低，α和λ對NOx影響效果不明顯。

2.4 λ對焦爐煤氣NOx生成特性的影響

在空氣預熱溫度為723、823 K，燃燒負荷為58%、74%時，在α=1.20的工況下，進行λ對焦爐煤氣燃燒NOx排放特性影響的實驗。

2.4.1λ對爐內溫度分布的影響

煙氣外循環(huán)對爐內溫度分布有著重要影響?？諝忸A熱溫度為723 K時，λ對爐內最高溫度和平均溫度的影響如圖8所示?？梢钥闯觯摵蔀?8%和74%時，爐內最高溫度和平均溫度均隨著λ的增大呈非線性減小。煙氣外循環(huán)對最高溫度的降低效果明顯，而對平均溫度的影響較小，說明煙氣外循環(huán)可有效抑制爐內高溫區(qū)的形成。燃燒負荷74%時的平均溫度和最高溫度均略高于負荷58%時，溫度相差10～50 K，兩種燃燒負荷下的最高溫度均高于平均溫度約100 K。爐內最高溫度可代表爐內局部高溫區(qū)的溫度，λ=20%時，可有效降低爐內的最高溫度，削弱了熱力型NOx的形成條件。

圖8 λ對爐內最高溫度和平均溫度的影響

2.4.2λ對NOx排放體積分數的影響

λ對NOx排放體積分數有著重要影響[4-5]。空氣預熱溫度為723 K時，λ對NOx排放體積分數的影響如圖9所示。可以看出，空氣預熱溫度降低后，NOx排放體積分數大幅度降低，但隨著λ的增大，NOx排放體積分數仍呈下降趨勢，λ對燃燒負荷為74%時的NOx排放體積分數影響更加明顯。在負荷為74%時，λ從0增大至20%，NOx排放體積分數從0.005 6%降低至0.004 1%；λ從0增大至25%，NOx排放體積分數從0.005 6%降低至0.003 4%。說明在該工況下，將λ控制在20%以上，可有效降低焦爐煤氣燃燒時NOx排放體積分數。

圖9 λ對NOx排放體積分數的影響

空氣預熱溫度為823 K時，λ對NOx排放體積分數及減排效率的影響如圖10所示?？梢园l(fā)現，無煙氣外循環(huán)時，NOx排放體積分數為0.016 1%。由圖6可知，在其他條件相同時，NOx排放體積分數為0.025%，空氣預熱溫度升高100 K，NOx排放體積分數增大0.008 9%，空氣預熱溫度的提高對NOx的生成具有直接促進作用。λ從0增加至20%時，NOx排放體積分數減少了48%，繼續(xù)增大λ，NOx排放體積分數變化緩慢。分析認為，隨著λ的增大，助燃空氣中的氧濃度逐漸降低，稀釋了的助燃空氣與高溫預熱空氣接觸后，延緩了燃燒反應速率，拉長了燃燒火焰，在一定程度上抑制爐內高溫區(qū)的形成，從而使得熱力型NOx生成量降低，實現了焦爐煤氣的低氮燃燒。同時，過量的空氣和循環(huán)煙氣帶走更多熱量，對抑制爐內高溫區(qū)的形成也有一定貢獻。

圖10 λ對NOx排放體積分數及減排效率的影響

綜上，在此狹長受限空間結構的燃燒爐內，將α控制在約1.20，λ控制在20%，可有效降低熱力型NOx的生成，實現焦爐煤氣的低氮燃燒。

3 結論

(1)焦爐煤氣燃燒時，可以觀察到擾動的火焰輪廓，爐內呈刺眼的亮黃色，其燃燒高溫區(qū)主要集中在前中部位置，即距爐膛底部200～600 mm位置，爐膛溫度從下至上，先升高后降低。

(2)在此狹長受限空間結構的燃燒爐中，空氣預熱溫度為923 K且燃燒負荷為84%時，α從1.05增大至1.20，可使爐膛平均溫度維持在1 580 K，NOx排放體積分數降低至0.025%。

(3)在此狹長受限空間結構的燃燒爐中，空氣預熱溫度為723 K時，在燃燒負荷為44%、58%條件下，α和λ對NOx影響效果不明顯；而在燃燒負荷74%下，將α和λ控制在1.20和20%，可使爐膛平均溫度維持在1 380 K，NOx排放體積分數降至0.004 1%。

(4)在此狹長受限空間結構的燃燒爐中，空氣預熱溫度為823 K，α=1.20，燃燒負荷為84%時，λ從0增大至約20%，NOx排放體積分數從0.016 1%降低至0.008 3%，相比無煙氣外循環(huán)，NOx的產生量可減少48%，繼續(xù)增大λ，NOx體積分數變化緩慢。