低氮燃气燃烧技术及燃烧器设计进展

低氮燃气燃烧技术及燃烧器设计进展

陈仕超

广东万家乐燃气具有限公司528300

摘要：在高温燃烧过程中，氮氧化物的排放污染一直是业界关注的焦点。这部分气体不仅稳定性较差，而且大多能够在湿热环境中转变为NO与NO₂，从而给人们的生命财产带来威胁。随着技术的成熟，低氮燃烧技术开始以其环保效益高、清洁无污染受到了一致好评。在本文中，笔者分析了高温燃烧中氮氧化物的生成原理以及影响因素，并在此基础上探讨了如何控制氮氧化物的排放，以供参考。

关键词：低氮燃烧；燃烧器设计；技术进展

引言

近些年我国的化工行业得到了长足的发展，高温燃烧在各生产领域均有着突出的贡献。尤其是天然气等能源的普及推广，虽然很大程度上改善以往的三废排放问题，但氮污染的问题仍未有效缓解。究其原因，主要是以往的燃烧技术存在一刀切的问题，没有针对不同介质来调整燃烧方案。由此可见，在低氮燃烧技术中分层燃烧的个性化方案是重要突破口，同时兼顾燃尽的火焰长度，才能真正实现减小高温燃烧的氮污染。

一、氮氧化物的控制原理

（一）气体燃料的特点

气体的高温燃烧基本不会发生相态变化，因此其主要包括混合、升温以及燃烧3个阶段。从燃烧温度来看，气体燃烧的过程温度普遍较高。业界常见的氢气与液化气燃烧的问题均不低于2000℃，而目前对环境最友好的天然气在燃烧的过程中温度也高达1700℃。除此之外，气体燃烧的反映速率也较其他模式快，往往就存在回火的现象。一旦气体的排放速度小于反应速率，那么火焰就会影响到火孔内的环境，严重的可能会造成气源爆炸。

（二）氮氧化物的影响因素

关于气体燃烧的氮氧化物研究已有十数年的努力，根据学术成果表明氮氧化物可按照生产方式的不同归类为热力型、快速型两个大类。其中热力型所产生的氮氧化物含量更多，但快速型氮氧化物的生产也不容忽视。而在以往的燃烧器设计中，技术人员往往顾此失彼导致技术应用达不到预期的效果。热力型顾名思义就是在火焰区域生产的氮氧化物，因此很容易受到温度的影响。从业界实践的经验来看，当火焰温度超过1800℃时氮氧化物的生成量会出现井喷式的增长。可见，在气体燃烧中氮氧化物的排放量并非是单调递增的趋势，而会受到燃烧工况的左右。而快速型是指在部分预混情况下所表现出较快的反应速率，抑或是在扩散燃烧中与侧面空气燃烧所生产。在这种燃烧条件下，空气与燃气的比例对氮氧化物的生成量有着显著的影响，因此也将是燃烧器设计的关注要点。

二、燃烧器对氮氧化物的影响

（一）预热温度

考虑到工业生产的实际需求，燃烧器的设计必须提高燃烧反应的速率。因此大部分产品在运行前都需要对空气预热，从而给升温着火做好准备工作。但是这种设计方案使问题进一步升高，从而导致氮氧化物的生成量直线上升。不仅如此，传统燃烧器扩散现象严重，使得空气剩余系数超出额定值。在这种反应条件下，会令大量的热能被浪费，经济性能差强人意。因此，要想在满足使用需求的前提下改善氮氧化物排放，就应该积极应用完全预混技术。预先将空气与燃料按照合理的比例混合，其燃烧过程更加充分产生的化合物相对也会较少。而且热力型与快速型氮氧化物的排放均与温度呈正相关的趋势，降低预热问题也是设计中需要主要的问题。

（二）混合比例

从目前业界的产品来看，大多数燃烧器的空气与燃料都需要从不同的入口来混合。但是不同介质之间的混合速率各不一样，给燃烧过程中氮氧化物排放带来了不小的挑战。而近几年预混技术日益成熟，逐渐成为燃烧器设计的主流，其在控制氮污染方面的成效也的确立竿见影。经过测试得出，当预混度超过五成时，燃烧所排放的氮氧化物热力型与快速型均较为活跃，而当预混度低于三成时则主要为快速型。因此，在燃烧器设计中还需要控制空气与燃料的预混度，使快速型与热力型能够相互制约。而在非预混的燃烧器中，则需要考虑空气与燃料的喷射速度。通常而言，用燃气喷射速度与空气速度比值来直观的反应，当结果较大时燃烧器内的温度更加均衡稳定，氮氧化物的排放量也将变低。

（三）烟气再循环

烟气循环系统也是燃烧器低氮技术应用的关键要素，对控制气体排放的控制作用也非常突出。比如当空气进入循环系统后，氧气的含量能够得到一定程度的降低。如此一来，燃烧器内的工况温度就会下降，氮氧化物的排放量自然就随之减少。因此，在设计中可以通过风机来引入低温度的烟气，来控制氮氧化物的生成速度。根据实践数据得出，若燃烧器保持两成左右的烟气循环，则氮氧化物的排放量将减少超过25％。而且这一数值会受到燃烧问题的影响，温度越高则循环系统产生的降温效果越显著，氮氧化物的排放变化情况也更直观。

三、低氮燃烧的实施办法

（一）分级燃烧技术

前文也曾提到过，传统燃烧器在设计中一刀切的现象较为严重，燃气通常从单一的喷嘴喷射。这种做法难以满足多种燃料和空气的混合需求，因此zaibb效率上更低污染更重。笔者建议，在低氮燃烧器设计中应该采用多喷嘴的方式，来实现燃气的分级。比如设计人员可以将喷枪按照圆形来设置，根据远近的不同来控制方向和速度。这种设计方法有效针对了空气与燃料混合不合理的问题，使燃烧更加充分反应也更加充分稳定。而且传统燃烧器在反应过程中会呈现出区域的问题差距，部分集中燃烧的区域温度极高氮氧化物的排放量也是其它区域的6-7倍。采用分级的喷嘴设计能够避免这种现象，使各部分的反应强度区域一直。同理，空气喷嘴也可以按照这种方式进行分级，以此来产生特定的燃烧区。不同的分区对燃烧条件的控制可以更方便调节，有利于氮氧化物排放的控制。

（二）烟气回流控制

目前业界在烟气循环系统的设计中主要分为两种，内烟循环与外烟循环。而从燃烧器的运行原理分析可知，燃气喷射的重点区域在外围，因此烟气循环系统的设计应该有所侧重。笔者建议，在燃烧器设计中可以增添一个外围的套筒，用以烟气的回流控制。一方面要确保烟气循环系统的运行效率，主要针对外围集中燃烧区的控制；另一方面烟气循环的量也是左右燃烧温度的重要因素，也需要设计人员严格计算。

（三）计算流体力学的应用

实践是检验真理的唯一标准，要想不断优化低氮燃烧技术就必须依赖于严谨的数据计算。由于燃烧器在设计和制造的过程中代价高昂，因此在落实之前就应该首先进行仿真模拟。近几年，计算流体力学逐渐被应用到产品的设计与制造中，也是燃烧器设计优化的有效手段之一。比如有研究者通过计算得出，煤粉炉生成的氮氧化物有超过七成属于燃料型，而在燃气锅炉中这一数据则相当低，相反热力型产出达到了九成。设计人员就可以借助计算流体力学的专业软件，对燃烧器周围的工况环境进行全面的采集，从而更好的分析出氮氧化物产出的影响因素。这样不仅能够反映出当前设计方案存在的不足之处，也能给新方案的优化提供启发和借鉴。

结语

综上所述，随着我国化工业的不断发展，燃气燃烧技术的应用也越来越广泛。但目前所使用的燃烧器氮氧化物生成量高，不符合当前社会发展的理念，也对人体有着较大的伤害。通过对反应原理的分析，笔者得出空气与燃料的预混度、燃烧温度以及循环系统对排放量影响最大。因此，在设计中也应该注意这几个要点，根据各环节有针对性的进行方案调整。

参考文献：

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