（工程热物理专业论文）高温空气低燃气浓度燃烧氮氧化物排放特性研究.pdf

摘要 摘要 高温空气燃烧技术中，为防止n o x 的大量排放，国内外学者多采用提高助 燃空气射流速度来降低助燃空气中的氧气浓度以抑制氮氧化物的生成。但空气 射流速度的提高势必导致烧嘴排放烟气的阻力急剧上升，炉内压力波动大，且 消耗大量的引风机电功率，并对尾部烟道的密封性能提出很高的要求。本文提 出高温空气低燃气浓度燃烧技术思路，通过提高燃气射流速度及改变空气喷口 类型及布置方式，使燃气射流与空气射流混合前，卷吸大量的炉内烟气，降低 燃气射流中可燃物的浓度，将传统燃烧过程中的火焰锋面燃烧变为空间燃烧， 防止局部高温区的出现，从而达到降低n o x 排放的目的。 本文在自行设计、搭建的燃烧试验台上，通过改变预热空气温度、过量空气 系数、燃气量、空气喷口结构、燃气喷口与空气喷口间距、燃气喷口直径，研 究了高温空气低燃气浓度燃烧过程中，烧嘴运行参数和结构参数对炉内流场以 及n o x 排放量的影响。研究结果表明： 1 过量空气系数a 为1 1 7 时，空气预热温度从6 7 3 k 上升到8 7 3 k ，燃气量 1 0 4 n m 3 h 工况n o x 排放量从9 4 5 m g m 3 呈指数增加到1 7 4 6 m g m 3 , 呈指 数增长趋势； 2 空气预热温度9 2 3 k 时，过量空气系数a 从1 1 增加到1 7 2 ，n o x 排放量 从8 0 9 m g m 3 增加到2 8 4 8 m g m 3 ； 3 空气预热温度9 2 3 k ，过量空气系数a = 1 4 时，燃气量从5 n m 3 l l 增加到 9 n m 3 h ，圆形空气喷口工况n o x 的排放量从1 4 2 9 m g m 3 增加到 2 8 4 9 m g m 3 ： 4 燃气量6 n m 3 h ，空气预热温度9 2 3 k ，过量空气系数a = 1 1 7 时，采用长 方形空气喷口且长轴指向燃气喷口的4 0 m m x1 8 m m 烧嘴，n o x 排放量 为2 2 7 2 m g m 3 ，低于圆形空气喷口烧嘴的2 4 8 4 m g m 3 ，而采用长方形空 气喷口且短轴指向燃气喷口的1 8 m mx4 0 m m 烧嘴，n o x 排放量为 2 6 6 m g m 3 ： 5 燃气量7 n m 3 h ，空气预热温度9 2 3 k ，过量空气系数a = 1 3 1 时，燃气喷 口直径1 4 m m 时，空气喷口边与燃气喷口距离中心距离从5 0 m m 增加到 摘要 7 0 m m ，圆形空气喷口工况n o x 排放量从1 8 9 4 m g m j 减少到1 4 6 9 m g m j ； 6 燃气流量6 n m 3 h ，空气预热温度9 2 3 k ，过量空气系数a = 1 1 7 时，燃气 流速从1 0 8 3 m s 增加到3 3 1 6 m s ，圆形空气喷口工况n o x 排放量从 2 7 1 7 m g m 3 减少到1 6 3 3 m g m j 。 7 数值模拟结果解释了实验研究中相同燃气量、相同烧嘴结构情况下，随 着过量空气系数a 从1 1 7 逐步增大到2 1 ，n o x 排放量显著增加的原因； 而相同燃气量条件下，n o x 排放量随着燃气流速的增高逐渐降低。 关键词：高温空气燃烧技术，n o x 排放量，烧嘴，射流 l i a b s t r a c t a b s t r a c t i nl l i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y , d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r s u s e dt oa d o p tt h em e t h o dt h a te n h a n c i n ga i ri n j e c t i o nv e l o c i t yt or e d u c et h ed e n s i t y o fo x y g e ni no r d e rt or e d u c en o xe m i s s i o n i n e v i t a b l y , i tw o u l dc a u s et h ef l o w r e s i s t a n c eo ff l u eg a st or i s es u d d e n l ya tt h en o z z l e ，a n dt h ep r e s s u r ei ns t o v et o u n d u l a t ei nab i gw a y t h e r e f o r e ，t h ee l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o no fd r a w i n gf a n s i n c r e a s e d ，a n dt h es e a l i n gp r o p e r t yo ft h er e a rp a r to fe x h a u s tg a sp i p e l i n ew o u l db e i m p r o v e d an e wc o n c e p to f “h i g ht e m p e r a t u r ea i rl o wf u e lg a sc o n c e n t r a t i o n c o m b u s t i o n ”w a sp r o p o s e di n t h i s t h e s i s t h r o u g he n h a n c e m e n to fg a si n j e c t i o n v e l o c i t y , c h a n g eo ft h ea i rj e t ss t r u c t u r ea n da r r a n g e m e n t ，m o r ef l u eg a sc o u l db e e n t r a i n e db ya i ri n j e c t i o na n df u e l g a si n j e c t i o n t h u st h ec o n c e n t r a t i o no f c o m b u s t i b l es u b s t a n c ei nf u e l g a si n j e c t i o nd e c r e a s e d ， a n dt h ef l a m ef r o n t c o m b u s t i o nr e g i m ei nt r a d i t i o n a lc o m b u s t i o nt u r n e dt ov o l u m e t r i cc o m b u s t i o n r e g i m e i tw o u l da v o i dt h ea p p e a r a n c eo fl o c a lh i g ht e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dd e p r e s s t h en o xe m i s s i o n ac o m b u s t i o ne x p e r i m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e d s o m et e s t so f h i g ht e m p e r a t u r e a i rc o m b u s t i o nw e r ec a r r i e do u t t h ee f f e c t so f p r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o n a i r , e x c e s sa i rc o e f f i c i e n t ，f l o w r a t eo ff u e lg a s ，n o z z l es t r u c t u r e ，d i s t a n c eb e t w e e n f u e lg a sj e ta n da i rj e t s ，d i a m e t e ro ff u e lg a s0 1 1n o xe m i s s i o ni nh i g ht e m p e r a t u r e a i rc o m b u s t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ： 1 w h e nt h ef l o w r a t eo ff u e lg a sw a s1 0 4 n m 3 ha n de x c e s sa i rc o e f f i c i e n ta = 1 1 7 ，n o xe m i s s i o ni n c r e a s e df r o m9 4 5 m g m 3t o 1 7 4 6 m g m 3w i t ht h e p r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o na i ri n c r e a s i n gf r o m6 7 3 kt o8 7 3 k ； 2 w h e np r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o na i rw a s9 2 3 k , n o xe m i s s i o n i n c r e a s e df r o m8 0 9 m g m jt o2 8 4 8 m g m 3w i t hai n c r e a s i n gf r o m1 1t o1 7 2 ； 3 w h e np r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o na i rw a s9 2 3 ka n d 口= 1 4 ，n o x e m i s s i o ni n c r e a s e df r o m1 4 2 9 m g m 3t o 2 8 4 9 m g m 3w i t ht h ef l o w r a t eo f f u e li n c r e a s i n gf r o m5 n m j ht o9 n m j h ； i i i a b s t r a c t w h e nt h ef l o w r a t eo ff u e lw a s6 n m h ，p r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o n a i rw a s9 2 3 ka n da = 1 1 7 ，i ft h el o n ga x e so fr e c t a n g u l a ra i rj e t sp o i n t e dt o t h ec e n t e rf u e lg a sj e t ( 4 0 m m x l 8 m m ) ，n o xe m i s s i o nw a s2 2 7 2 m g m j ， l o w e rt h a nt h a tt h ea i rn o z z l e sw e r ec i r c l e s ，w h i c hw a s2 4 8 4 m g m j h o w e v e r , i ft h es h o r ta x e so fr e c t a n g u l a ra i rj e t sp o i n t e dt ot h ec e n t e rf u e lg a s j e t ( 4 0 m m x l8 m m ) ，n o xe m i s s i o nw a s2 6 6 m g m j ，h i g h e rt h a nt h a tt h ea i r n o z z l e sw e r ec i r c l e s ； w h e nt h ef l o w r a t eo ff u e lw a s 7 n m 3 h ，p r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o n a i rw a s9 2 3 k , a = 1 3 1 ，a n dt h ed i a m e t e ro fa i rj e tw a s1 4 m m ，n o xe m i s s i o n r e d u c e df r o m1 8 9 4 m g m jt o1 4 6 9 m g m jw h i l et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea i r j e ta n dt h ec e n t e ro ft h ef u e lj e ti n c r e a s i n gf r o m5 0 m m t o7 0 r a m ； w h e nt h ef l o w r a t eo ff u e lw a s6 n m ) h ，p r e h e a t e dt e m p e r a t u r eo fc o m b u s t i o n a i rw a s9 2 3 k , a = 1 1 7 ，w i t ht h ei n c r e a s i n go ff u e lg a si n j e c t i o nv e l o c i t yf r o m 1 0 8 3 m st o3 3 1 6 m s ，n o xe m i s s i o nr e d u c e df r o m 2 7 1 7 m g m j t o 1 6 3 3 m g m j ； t h er e s u l to fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne x p l a i n e dt h er e a s o nw h yn o xe m i s s i o n i n c r e a s e dw h e ne x c e s sa i rc o e f f i c i e n tr o s ef r o m1 1 7t o2 1g r a d u a l l ya n d w h yn o x e m i s s i o nw a sa b a t e dw i t ht h ef u e lg a si n j e c t i o nv e l o c i t yi n c r e a s i n g k e yw o r d s ：h i 2 9 ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y , n o xe m i s s i o n ，b u r n e r , j e t i v 屯 曼 & z 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：捌 厕年弓月f ( 吉 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在 年解密后适用 本授权书。 。 淞 指导教师签名： ，p 学位论文作者签名： 久盼 爱 砂剜 年弓月归 彩年；月if e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：束南心 删年弓。月t je t 第1 章前言 第1 章前言 1 1高温空气燃烧技术的研究背景 能源是人类经济社会发展的重要物质基础，它为人类从事各种活动提供动力 和热量，是国家经济社会安全的重要物质保障。目前全球9 0 的工业燃料来自 予化石燃料( 石油、天然气、煤炭) ，这种形势将在今后2 0 年内不会改变。而一 些工业发达国家清楚地认识到，其经济的发展在很大程度上依赖于能源，而这 些能源又大量地由他国控制。为了减少在能源上对别国的过分依赖，节能作为 一项切实可行的技术措施，受到各国政府的普遍重视。另外，化石燃料必须通 过燃烧使其化学能转变为热能后方可进一步加以利用。而燃烧生成物( 如氮氧 化物、硫化物、c o 、c 0 2 、烟炱等) 不仅影响人类的身体健康，还会引起大气 污染。受能源危机和环境污染等问题的影响，越来越多国家政府和科研机构开 始关注节能技术的创新与研究以及新能源的开发和利用。对我国来讲，能源的 节约和清洁利用，不仅具有长远意义，更具有现实意义，并在我国“十一五 规划中重点提出。 工业炉是工业加热的关键设备。在我国，钢铁、铁道、重型机械、汽车、有 色金属熔炼加工等行业中现拥有各类工业炉窑近1 2 万台，有相当部分的工业炉 窑热效率在4 0 以下，能耗占现在全国总能耗的1 4 ，占工业总能耗的6 0 i l j 。 同时，工业炉排放的烟尘对环境造成极大的污染。我国工业窑炉能源结构的不 合理、效率低、污染严重和缺少有力的治理措施及节能效果，急迫要求具有节 能与环保双重优势的新技术问世。 从上世纪六七十年代开始，国内外较普遍地采用了一种在烟道上回收烟气装 置空气预热器( 或称空气换热器) 来回收炉尾烟气带走的热量。这种办法可以 降低排烟温度，提高进入炉膛的助燃空气温度，达到了一定的节能效果，但仍 存在以下问题：( 1 ) 其回收热量的数量有限，炉子热效率一般在5 0 以下；( 2 ) 空气预热器一般采用金属材料和陶瓷材料，前者寿命短，后者设备庞大、维修 困难；( 3 ) 从燃烧器的角度来看，助燃空气的温度提高以后，火焰区的体积越来 越小，火焰中心的温度也越来越高，炉膛内存在局部的高温区，这样对于工业 第1 章前言 炉来说，容易使加热制品局部过热，也影响了工业炉的局部炉膛耐火材料和炉 内金属构件的寿命，对于锅炉来说影响其换热效率和水冷壁的寿命，甚至引起 爆管等事故；h ) 助燃空气温度的增高导致火焰温度增高，n o x 的排放量大大增 加( 甚至可以达到1 0 0 0 p p m 以上) ，对大气环境造成了严重的污染。 上世纪八十年代初，英国的b r i t i s hg a s 公司与h o t w o r k 公司开发出一种在工 业炉和锅炉上节能潜力巨大的蓄热式燃烧器，产生了高温空气条件下的“第一代 再生燃烧技术”，用于小型玻璃熔窑上，后来被广泛应用于美国和英国的钢铁和 熔铝行业中。尽管这种燃烧器具有n o x 排放量大和系统可靠性差等问题，但由 于它能使烟气余热利用达到接近极限的水平，节能效益巨大，因此在美国、英 国等国家得以推广应用。 九十年代以后，国内外学术界将蓄热式燃烧器的节能与环保相抵触的难题提 到科技攻关的地位，对其进行了深入的基础性研究，旨在同时达到节能和降低 c 0 2 、n o x 排放。日本工业炉株式会社田中良一先生领导的研究小组采用热惰性 小的蜂窝式陶瓷蓄热器，取得了很好的效果【2 l 。由于能高效回收烟气余热的蓄热 材料和高频换向设备问题的解决，产生了高温低氧条件下的“第二代再生燃烧 技术 即现在所谓的“高温空气燃烧技术”( h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n - h i t a c ) 。日本工业炉株式会社于1 9 9 2 1 9 9 8 年的六年间，在1 5 0 台工业窑 炉上应用其开发的高温空气燃烧器近9 0 0 台套，取得1 0 3 0 甚至更高的节能效 益。日本钢管株式会社采用此技术后节能2 5 4 5 ，有毒气体排放物减少4 7 ， 成效引人注刚3 1 。日本政府将高温空气燃烧技术列为国家“高效能工业炉开发 项目，由日本通产省新能源开发机构州e d o ) 主持进行，并投巨资用于科研开发 和工业性推广应用。其它发达国家和地区如美国、德国、瑞典以及台湾等都在 加紧对这项技术进行研究与开发。 高温空气燃烧技术利用温度效率高达9 5 、热回收率达8 0 以上的蓄热式换 热装置，极大限度回收炉膛排烟中的显热，将助燃空气温度提高到1 0 7 3 - - 1 2 7 3 k 甚至更高；燃料在低氧浓度下燃烧，而将排烟温度降低到接近烟气露点温度， 从而极大提高了燃料的热利用率。 该技术本身的特点决定了它主要用于燃用气体和液体等清洁燃料的工业窑 炉上，目前还不能直接用于燃煤系统。对于煤等固体燃料，主要是通过采用高 温气化，产生热值优于常规技术的清洁煤气，再在燃烧装置中实现高温空气燃 烧，从而避免了燃煤引起各种污染以及治理这些污染而引起的经济和技术方面 2 第1 章前言 的困难。因此，在以煤为主要能源的中国，高温空气燃烧技术无论对于改造燃 气和燃油的各种工业窑炉( 占全行业窑炉总量的2 0 ) ，还是其它燃煤设备来说， 都具有重要的意义。 高温空气燃烧技术的一部分新型蓄热式高温余热回收和空气预热技术 ( 可统称为”高温回热”技术，h e a t - r e g e n e r a t i o n ) 在我国已开始应用，因还没有与低 氧浓度燃烧相结合，未成为大幅度节能和低n o x 排放的全新型h i t a c 燃烧技术。 原机械部第五设计研究院、北京科技大学等单位开发出的燃烧装置，在包括铁 路系统的几座锻造加热炉上应用后，取得了余热回收率7 0 8 0 、节能( 燃 料) 4 7 8 7 5 、装置热效率由原来的1 0 1 5 提高到4 0 4 、产量提高1 2 4 3 0 的巨大成绩。该技术还只是国际八十年代末的水平。由于我国工业窑炉污染控 制尚未提到议事日程上来，也没有相应完备的法规和标准，因此，高温回热技 术在我国并没有发展成为国际上推广的“高温空气燃烧技术”，而依然属于常规 燃烧技术的范畴，理论上也没有突破传统燃烧的框架。 高温空气燃烧技术可以实现燃料化学能的高效利用并有效控制氮氧化物的 排放，是非常适合在我国工业界应用推广的技术，它将为缓解我国的能源紧缺、 改善自然环境等提供切实可行的方法【4 1 。为了能够尽快掌握这项技术的关键和加 速推进它在我国的应用，赶上国际研究水平，使我们能够与国际同行展开同步 研究，形成我们的自主知识产权和专利技术，必须尽快启动我们的研究工作， 不仅要在基础理论方面探明高温燃烧的机理，发展相关的理论，而且要从应用 的角度，研究解决消化吸收和国产化进程中的各种问题。 1 2高温空气燃烧技术的工作原理 以采用高效蓄热式燃烧系统为特征的高温空气燃烧技术是当今最先进的燃 烧技术之一。它具有两大关键性的技术特点：一是采用新型蓄热装置。小球状、 蜂窝状、片状、短圆柱状等陶瓷质材料做成的新型蓄热体，比表面积比传统蓄 热格子砖增大几十倍甚至几百倍，换热效率高，并减小了蓄热室体积；同时采 用新型换向设备，使换向时间大大缩短，降低了工业炉窑烟气的排放温度。采 用这种温度效率高达9 5 ，热回收率达8 0 以上的新型蓄热式换热装置，可以 最大限度回收燃烧产物中的显热，用于预热助燃空气，获得温度为1 0 7 3 - 1 2 7 3 k 甚至更高的高温助燃空气。二是采取措施稀释反应区的含氧体积浓度，获得浓 3 第1 章前言 度为3 - - 1 5 的低氧气氛。所以高温空气燃烧技术说得更准确些应为高温空气低 氧燃烧技术。这种燃烧技术与传统的燃烧技术相比，不论在热力学、动力学、 温度场分布及传热情况等方面都有着显著的不同。它的燃烧机理还有待我们进 行深入地探讨和研究。随着蓄热材料的不断发展，前一项技术已经能够得到较 好的实现；而后一项技术通过组织高温低氧燃烧，扩大了火焰燃烧区域，几乎 使火焰边界扩展到炉膛边界，且由于烧嘴交替工作，从而使得炉内温度分布比 较均匀，并且降低了火焰的最高温度1 5 j 。在工业应用中，低氧浓度气氛的形成需 要通过优化炉膛结构、烧嘴结构、射流形式等来实现，是现在高温空气燃烧技 术研究的重点之一【6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 1 。 高温空气燃烧系统主要由燃烧室、成对布置的烧嘴和蓄热器、换向阀等主要 部件组成。图1 1 为使用高温空气燃烧技术的加热炉示意图。 图1 - 1高温空气燃烧炉的基本结构 当烧嘴a 工作时，a 侧燃料阀打开，b 侧关闭，常温空气由换向阀切换进入 蓄热室a ，在经过蓄热室( 陶瓷球或蜂窝体等) 时被加热到接近炉膛温度( 一般 比炉膛温度低5 0 1 0 0 k ) ，进入炉膛后，卷吸周围炉内的气体形成一股含氧量大 大低于2 1 的稀薄低氧高温气流，此时往稀薄高温空气附近注入的燃料( 燃油 或燃气) 将在低氧( 2 - 2 0 ) 状态下实现燃烧，加热工件后的高温烟气经烧嘴 b 进入蓄热室b ，将其显热传递给蓄热体后，经换向阀排出。经过一定时间( 2 0 - - 一 2 0 0 s ) 后，换向阀动作，此时b 侧燃料阀打开，a 侧关闭，空气经换向阀进入 4 第1 章前言 蓄热室b 吸收蓄热体的热量，然后通过烧嘴b 进入燃烧室与燃料反应，产生的 高温烟气经由烧嘴a 进入蓄热室a ，在那里释放热量后，经换向阀排出，完成 一个换向周期。这样，蓄热体周期性地储存烟气放出的热量、向助燃空气放出 热量，实现了“极限余热回收”。 1 3 高温空气低燃气浓度燃烧降低n 0 。生成的原理 燃料燃烧过程中生成的n o x ，按其形成可分为三种：热力型n o x 、快速型 n o x 和燃料型n o x 。 1 3 1 热力型n 0 】【 热力型n o x ( t h e r m a ln o x ) ，它是空气中的氮气在高温下氧化而生成的n o x 。 由z e l d o v i c h 链锁反应来描述，主要反应如下： 0 2 + m 静2 0 + m ( 1 1 ) n 2 + o 营n o + n ( 1 2 ) n + 0 2 等n o + o ( 1 3 ) 因此，在高温下生成n o 和n 0 2 的总反应式为： n 2 + 0 2 尊2 n o ( 1 4 ) 1 n o + = 0 2 营n 0 2( 1 5 )、， 上述热力型n o x 生成的反应机理称为z e l d o v i c h 机理。由上述反应式可推导出 z c l d o v i c h 关于n o 生成速度的表达式1 1 1 1 ， 1 1 d n 厂o = 3 x 1 0 1 4 n 2 1 1 0 2 】2e x p ( - 5 4 2 0 0 0 尺丁) ( 1 - 6 ) d f 用式( 1 6 ) 计算n o 的生成量时，对贫氧燃料的预混火焰，其计算结果与实验 结果相当一致，但是在富燃料的条件下，还必须考虑下面的反应： n + o h 营n o + h ( 1 - 7 ) 将式( 1 2 ) ，( 1 - 3 ) 7 f 1 1 ( 1 7 ) 一起作为热力型n o x 的生成机理，称之为扩大的 z e l d o v i c h 机理。 5 第1 章前言 热力型n o x 的生成速度随温度的变化遵循阿累尼乌斯定律。随着温度的升 高，n o x 的生成速度按指数规律迅速增加。试验表明，当温度达到1 8 0 0 k 时， 温度每提高1 0 0 k ，反应速度将增加6 - 、7 倍。由此可见，温度对热力型n o x 的 生成浓度具有决定性影响，这就是为什么将这种高温下空气中的氮氧化后生成 的氮氧化物称为热力型n o x 的原因。 除了反应温度对热力型n o x 的生成浓度具有决定性的影响外，n o x 的生成 浓度还和n 2 的浓度和0 2 浓度的平方根以及停留时间有关。也就是说，燃烧设备 的过量空气系数和烟气的停留时间对n o x 的生成浓度也有很大的影响【1 2 】。 t i s h i i ，c z h a n g ，s s u g i y a m a 等运用数值模拟方法对预热空气温度1 5 7 9 k 的蓄 热式燃烧炉进行了研究，结果表明n o x 排放量随过量空气系数增长呈指数增长 趋势i l 引。因此，要控制热力型n o x 的生成就需要：降低燃烧温度；避免产生局 部高温区：缩短烟气在炉内高温区的停留时间；降低烟气中氧的浓度和使燃烧 在偏离理论空气量m = 1 ) 的条件下进行。 1 3 2 燃料型n 0 。 煤炭中的氮以氮原子的状态与各种碳氢化合物结合成氮的环状化合物或链 状化合物。如喹啉( c s h 5 n ) 和芳香胺( c 6 h 5 n h 2 ) 等。这些燃料中的氮化合物经热分 解和氧化反应而生成n o ，称为燃料型n o x 。燃料型n o x 是煤燃烧时产生的n o x 的主要来源，约占煤燃烧时产生的n o x 的7 5 9 0 。 燃料型n o x 的生成机理非常复杂，虽然多年来世界各国许多学者为此做了 大量的理论和实验研究工作，但对这一问题至今仍不是完全清楚。这是因为燃 料型n o x 的生成和破坏过程不仅和煤种特性、煤的结构、燃料中的氮受热分解 后再挥发分和焦炭中的比例、成分和分布有关，而且大量的反应过程还和燃烧 条件如温度和氧及各种成分的浓度等密切相关。燃料型n o x 的生成机理大致如 下：在一般的燃烧条件下，燃料中的杂环氮化物受热分解，并在脱挥发分过程 中大量的气相燃料氮随挥发分释放出来，而被氧化成n o 。研究表明，气相燃料 氮的系列反应是从燃料中的氮化物迅速而大量的转化为h c n 和n h 3 丌始的，当 燃料氮与芳香环结合时，h c n 是主要的初始产物。当燃料氮是胺的形式，则n h 3 是主要的初始产物。h c n 和n h 3 被氧化的主要反应途径如下： 6 第1 章前言 + o + h+ h+ n o h c n - i 卜n c o - | - n h 岭n ，n 2 l q t t 3 1 + n o 由此可知，燃料型n o x 的生成过程比起热力型n o x 要复杂的多，而与快速 型n o x 的生成过程比较接近。一些研究己经发现，燃料氮转换成n o 的量主要 取决于空气燃料混合比( 简称空燃比) ，较少依赖于反应温度。在缺氧状态 下，燃料中挥发出来的氮与碳、氢竞争不足的氧气。由于氮缺乏竞争能力，因 而减少了n o x 的形成。然而，氮却可以互相作用而形成无害的氮分子n 2 。 当燃料中氮的含量超过1 0 0 0 p p m 时，结合在燃料中的氮转化成n o x 的量就 越来越占主导地位。煤、重油和其它高氮燃料，如煤基燃料和页岩油，燃料型 n o x 的形成是主要的。煤燃烧时约7 5 9 0 的n o x 来自燃料型n o x 。这只是 粗略的对比。而比较确切的对比则要取决于燃料的组成，锅炉类型和运行条件 等因素。 1 3 3快速型n 0 x 1 9 7 1 年f e n i m o r e 根据碳氢燃料预混火焰的轴向n o 分布的实验结果，认为 7 o 个ln 第1 章前言 在反应区附近会快速生成n o x 。于是，起名叫快速型n o x 。他指出快速型n o x 是先通过燃料产生的c h 原子团撞击n 2 分子，生成c n 类化合物，再进一步被 氧化而生成n o 。 m i l l e 等在1 9 8 9 年指出，快速型n o x 的形成与以下三个因素 有关： 1 c h 原子团的浓度及其形成过程； 2 n 2 分子反应生成氮化物的速率； 3 氮化物间相互转化率。 他们发现 c h + n 2 营h c n + n( 1 8 ) 式( 1 8 ) 是控制n o 、氰( h c n ) 和其它氮氧化物生成速率的重要反应。快速型 n o x 形成的主要反应途径如下： + c h帕+ h+ h + h o m 叶h c n - n c 0 _ n h 叶n _ n 2 i 州) h f + c 1 i r + 0 c h 一1 n o 对于碳氢燃料燃烧综合机理的计算表明，在温度低于2 0 0 0 k 时：n o 的形成 主要通过c h n 2 反应，即快速型n o x 途径。当温度升高，热力型n o x 比重增加， 温度在2 5 0 0 k 以上时，n o x 的生成主要由在【0 】与【o h 】超平衡加速下的z e l d o v i c h 机理控制【1 1 l 。 通常情况下，在不含氮的碳氢燃料低温燃烧时，才重点考虑快速型n o x 。 快速型n o x 的生成对温度依赖性很弱。与热力型n o x 和燃料型n o x 相比，它 的生成要少得多。 高温空气燃烧技术主要采用气体燃料，其中含氮化合物少，因此其燃烧后 主要生成热力型n o x 。传统的抑制热力型n o x 的燃烧技术有：低氧燃烧法、分 段燃烧法、烟气再循环法等。这三种方法均可理解为偏离化学当量燃烧法，即 在局部的燃烧区域中化学当量比不在燃烧反应化学当量比范围，从而抑制n o x 的生成。 在高温空气燃烧技术中，由于燃烧用空气被预热到很高的温度( 1 1 0 7 3 k ) ， 8 第1 章前言 大大超过了燃气的着火温度，因而燃气只要遇到氧就可发生剧烈化学反应，着 火、燃烧的稳定性极好。日本长谷川敏明对丙烷燃烧过程的研究表明：当空气 温度高于1 1 7 3 k 、含氧量5 时，仍可获得稳定的燃烧火焰1 1 4 j 。假如助燃空气中 氧浓度比较高，则燃料中的c 、c m h n 、c o 、h 2 等可燃成分与氧混合加快， 反 应生成c 0 2 和h 2 0 ，同时也将大量生成n o x 。假如助燃空气中氧浓度比较低， 则燃烧过程将受到燃气与氧的混合过程控制。由于燃气与氧气的燃烧反应活化 能低于氧原子与氮气的反应活化能，所以，燃气首先与氧气发生燃烧反应；只 有当氧气有剩余时，才进行氧原子和氮原子的反应，生成n o x 。只要合理控制 炉内氧浓度的分布，使氧浓度在整个炉膛空间分布均匀且较低，则燃烧过程将 充满整个炉膛空间，不会出现局部炽热点，抑制了燃烧过程的最高温度，使整 个炉膛内温度分布均匀。与传统火焰温度分布相比，高温低氧燃烧过程中火焰 的最高温度相对较低，但整个炉膛内的平均温度较高，强化了炉内换热1 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 】。 实际研究表明，当燃烧温度低于1 6 0 0 k 时，热力型n o x 生成量比较少。这样， 尽管空气被预热到很高温度，但由于火焰的最高温度相对较低，则抑制了n o x 的生成。如空气预热到1 4 2 3 k ，空气含氧由2 1 降到2 时，n o x 的生成量由 3 7 5 0 m g m j 减少到5 4 m g m 1 ，1 。 1 4 高温空气燃烧低燃气浓度燃烧的实现途径 传统低氮氧化物燃烧技术中，多采用分级送燃料、分级配风、浓淡燃烧、 烟气再循环等方式，通过控制燃料与助燃空气的混合，控制燃烧反应速度和降 低理论燃烧温度，达到了减少氮氧化物排放的目的，因为气体燃料燃烧主要是 生成热力型n o x ，而影响热力型n o x 生成的主要因素是温度、氧气浓度和停留 时剐2 0 】：但是高温空气燃烧技术中助燃空气温度远高于普通燃烧方式中的助燃 空气温度，是将助燃空气预热到1 0 7 3 - 1 2 7 3 k 甚至更高温度送入，燃烧空间的 温度也将远高于普通燃烧过程【2 1 j ；按照已有的热力型氮氧化物生成模型来分析， 则势必得到氮氧化物的生成量大幅度增加的结论1 2 2 , 2 3 】，这与高温空气燃烧过程的 氮氧化物排放量很少产生了矛盾。 由于助燃空气温度的极大提高，在高温空气燃烧技术中，为防止氮氧化物 的大量排放，目前普遍采用的方法是降低助燃空气中的氧气浓度。主要的技术 手段有传统分级燃烧技术、烟气再循环技术、扩散燃烧技术等或上述技术综合 9 第1 章前言 在一起。如日本的f d i ( f u e ld i r e c ti n j e c t i o n ) 烧嘴、德国的f l o x ( f l a m e l e s s o x i d a t i o n ) 烧嘴、意大利的d i l u t ef l a m e 燃烧技术等，都强调使用高速射流，使 助燃空气与燃料射流混合前，卷吸大量烟气，降低空气射流中的氧气浓度，使 传统燃烧过程中的火焰锋面燃烧( f l a m ef r o n tc o m b u s t i o nr e g i m e ) 变为空间燃烧 ( v o l u m e t r i cc o m b u s t i o nr e g i m e ) 2 4 l ，即将燃烧范围扩展到较大的炉膛空间，使 燃烧强度均匀化，避免局部高温区的出现，从而达到降低氮氧化物排放的目的。 因此，国内学者提出高温空气燃烧技术应为高温低氧燃烧技术，就是因为不仅 需要通过极限回收高温烟气的余热提高热能利用率，而且需要使用低氧燃烧技 术降低氮氧化物的排放。 但是，高温空气燃烧技术是从蓄热式燃烧技术发展而来，烧嘴不仅起到喷 射助燃空气和燃料的作用，而且要起到排放烟气的功能。提高助燃空气射流速 度，必须缩小空气喷口截面积，提高助燃空气压头；由于排烟温度高于助燃空 气温度，且烟气体积流量一般大于助燃空气体积流量，势必使得烧嘴排放烟气 的速度远大于空气射流速度，从而导致烧嘴排放烟气阻力增加，需要消耗较大 的引风机电功率，并对尾部烟道的密封性提出了较高的要求。 本课题据此提出高温空气低燃气浓度燃烧技术的思想，即仍然高效回收炉 膛排烟的余热，提高助燃空气温度，但设计助燃空气射流速度中等或较低，而 采用速度较大的燃气射流，尤其是天然气燃料。这是因为相对其它燃气燃料来 说，天然气管网内的压力较高，为采用高速燃气射流提供了使用基础。而提高 燃气射流速度，可以使燃气射流与空气射流混合前，卷吸大量的炉内烟气，降 低燃气射流中可燃物的浓度，达到如图1 2 所示的燃烧过程。此外，通过改变空 气喷口类型及布置方式，增加燃气、空气射流对烟气的卷吸，也能够达到降低 可燃物浓度的目的。燃烧过程中释放出来的燃烧化学反应热被炉内的燃气、空 气、烟气所吸收，同样可使传统燃烧过程中的火焰锋面燃烧变为空间燃烧，降 低局部空间热负荷，防止局部高温区的出现，从而达到降低氮氧化物排放的目 的。 1 0 第1 章前言 心l 图1 - 2 高温空气低燃气浓度燃烧燃烧过程 15本论文的主要工作内容 通过工程应用分析得知，空气射流速度的提高势必导致空气喷口截面的减 小，将导致烧嘴排坡烟气的阻力急剧上升，炉内压力波动大，且消耗大量的引 风机电功率，并对尾部烟道的密封性能提出很高的要求。因此，本文提出高温 空气低燃气浓度燃烧概念，针对天然气、液化石油气等具有高压头的高热值燃 气采用高速燃气射流设计，使高速燃气射流在炉内与氧气混合时，尽可能多地 卷吸炉内烟气，降低燃气射流中的可燃物浓度，尽可能使火焰锋面燃烧扩展到 较大的空问，抑制火焰最高温度，从而达到t j 高温低氧燃烧相同的效果，减少 n o x 的排放。 本课题来源于酮家自然科学基金项日低热值燃气无焰燃烧过程氯氧化 物排放特性研究( 5 0 2 0 6 0 1 4 ) 和r 海市自然科学基会项目高温空气低燃气 浓度燃烧技术的机理研究( 0 4 z r l 4 1 3 6 ) 。k 要采川实验研究的方法，研究结构 第1 章前言 参数以及运行参数在燃气高温空气燃烧过程中对炉膛温度分布特性和氮氧化物 排放特性的影响规律。 课题组前期已做了大量的工作。张毅勐采用数值模拟和热态试验的方法对 高温空气燃烧技术中蓄热式烧嘴结构对炉内组分及温度分布的影响规律进行了 研究，显示七喷口烧嘴比相同喷口间距的五喷口烧嘴更易于在炉内形成局部高 温区，即五喷口烧嘴能更好地实现高温空气燃烧技术。在此基础上，选取了三 种不同喷口间距的五喷口直喷型烧嘴，以高炉煤气为燃料，对炉内的流动及燃 烧情况进行了非稳态的燃烧过程数值模拟，分析得到8 0 m m 、1 1 0 m m 、1 4 0 m m 的喷口间距中，8 0 m m 间距的五喷口烧嘴所对应的炉内温度场分布均匀性较差。 但当喷口间距增大时，喷口间距对炉内温度分布均匀性的影响程度趋于减小， 即不能通过过分增大喷口间距来提高炉内温度分布均匀性程度p j 。 苏正川在实验室条件下测量了城市燃气高温空气燃烧的炉内温度分布和 n o x 的生成量及炉内分布。应用数值模拟研究方法，比较了各工况下炉内温度 分布的均匀程度，并对最终的n o x 排放作了统计和分析。同时在非稳态燃烧过 程数值模拟中，重点分析了换向期间的炉内温度场、速度场变化以及炉内钢坯的 受热情况。证实了高温空气燃烧方式下的炉内温度分布比传统燃烧方式温度分布 更加均匀【2 6 , 2 7 。 李晓萍、陈丽通过试验对数值模拟方法进行了验证，并利用数值模拟方法 研究了炉膛结构、燃气空气速度比、燃气空气喷入绝对速度以及分别保持送入炉 膛热量和炉膛热容积不变时炉膛高度对n o x 生成的影响，同时对矩形、圆形、 环形喷口结构对n o x 生成的影响也做了一定的研究。研究结果表明：喷嘴和烟 气出口的相对位置对炉膛内的烟气循环量影响很大；保持送入炉膛内热量不变， 空气喷入速度恒定，炉膛内n o x 的生成量以及烟气出口处的n o x 排放量随燃气 空气速度比的增大而呈指数衰减的趋势；保持送入炉膛内热量不变，燃气空气喷 入速度比恒定，增加两者的绝对速度，炉膛内最高温度随两者速度的增加呈线性 减小，而炉膛内平均温度则是呈抛物线形式变化；保持送入炉膛热量不变，随着 炉膛高度的增加，火焰最高温度、平均温度以及n o x 的排放量均呈线性减小的 趋势，而在所研究的加