（工程热物理专业论文）u型管内天然气高温空气燃烧的实验研究.pdf

中文摘要 摘要：蓄热式高温空气燃烧技术是一种新型的燃烧技术，具有燃烧效率高，低氧 化烧损、低n q 排放和低热值燃料能源利用的特点，它为低热值燃料的利用提供了 一种新途径，该技术已经受到科学界和工业界的广泛关注。将该技术应用于天然 气热水锅炉是研究新型燃气炉的一种尝试。它将高温空气燃烧高效低污染的优点 同天然气高热值清洁的优点相结合。深入研究它的物理化学特征、炉内低氧高温 空气燃烧特性和机理，可提高我国燃烧n q 和c o 排放控制和节能水平，能促进我 国社会和经济的可持续发展。 本文系统分析了高温空气燃烧( h t a c ) 系统的技术优势和发展方向，分析了实 现高温空气燃烧所需低氧环境的技术手段。指出烟气再循环是目前使用较多的低 氮燃烧技术。本文采用烟气再循环的方式实现燃烧所需要的低氧环境。采用实验 研究的方法研究了烟气再循环对高温空气燃烧温度的分布以及燃烧产生n o x 的排 放的影响，同时对在有热负荷的条件下，实验研究了烟气再循环对高温空气燃烧 n o x 排放和炉内温度场分布的影响，并进行了深入的分析。 自行设计并搭建了燃烧实验台，建立了一套小型高温空气燃烧实验系统，本 装置可将空气预热至7 0 0 ( 2 以上，系统排烟温度低于1 5 0 ，燃烧室温度分布均匀。 进行热态燃烧实验，测量了燃烧过程中各测点温度以及n o x 排放情况，并进了分析 为工程实践提供理论指导。 关键词：高温空气燃烧、烟气再循环、低n o x 排放 分类号：t k l 2 1 j 塞銮遵态堂亟堂位途塞旦墨至g ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：h i 【g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o nh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o w e r f l a m ep e a kt e m p e r a t u r e ，u n i f o r mt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，l o w e ro x i d a t i o nl o s s ，l o w e r c oe m i s s i o na n dn o xe m i s s i o n i ti san e ww a yt ou s eh t a ci nn a t u r a l g a s f i ：1 - n a c e t h en e wt y p ef u r n a c ec o n t a i n st h ea d v a n t a g e so fh t a ca n dn a t u r a lg a s n e r e s e a r c h e s0 ni t sp h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，d i s p e r s i o nc o m b u s t i o ni n s i d et h e f u r n a c ec a ni m p r o v et h ec o n t r o ll e v e lo nn o xa n dc oe m i s s i o na n de n e r g ys a v i n gi nt h e c o m b u s t i o np r o c e s sa n dp r o m o t et h es u s t a i n e dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n de c o n o m yi n o u rc o u n t r y i nt h i sp a p e r , t h et e c h n o l o g yo fh i g l lt e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ( h t a c ) a n di t s a d v a n t a g e si nt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p i n gt r e n da l es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h ew a y s t oo b t a i nl o wo x y g e nc o n d i t i o nf o rh t a ca lea l s os y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d t h ef l u e g a sr c c i r c u l a t i o n ( f g r ) i sw i d e l yu s e dt or e d u c en o xe m i s s i o n , a n di ti st h em o s t u s e f u lt e c h n o l o g yt or e a c hl o wo x y g e nc o n d i t i o n s ot h et e c h n o l o g yo ff g rw a su s e d i nt h i sp a p e r t h i sp a p e rd o e ss t u d yo ne f f e c to ff g rt ot e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h e f u r n a c ea n dg e t sr u l e so fn o xa n dc o se m i s s i o n , a sw e l l 瑟m a k e ss u r et h eo x y g e n s r e m a i n sc o n c e n t r a t i o n ，a n dd o e ss o m ee x p e r i m e n t a ls t u d i e so nr e l a t i o n so f e m i s s i o nt o h e a t i n gl o a da n dg e t sr u l e so fi t i nt h i st h e s i s ，e x p e r i m e n t a lm e t h o dw a su s e dt os t u d yt h ee f f e c to ff g r p a r a m e t e r s a n do p e r a t i o np a r a m e t e r so nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dn o xe m i s s i o n t h ep r e h e a t a i rt e m p e r a t u r eo ft h i ss y s t e mi sa b o v e7 0 0 a n dt h ee x h a u s tg a sr e l e a s e di n t ot h e a t m o s p h e r ei sl o w e rt h a n15 0 c t h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r d e do u tt og e t t h ed a t ao ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dn o xe m i s s i o ni n h i 曲t e m p e r a t u r ea i r c o m b u s t i o np r o c e s s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r eu s e dt ov a l i d a t et h eg u i d a n c eu s e di nt h e e n g i n e e r i n g 。 k e y w o r d s ：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 ；f l u eg a sr e c i r c u l a t i o n ；l o w n o xe m i s s i o n c l a s s n o ：t k 】2 1 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：a 吨厂年庆月知日 1 0 0 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：。如钐啤从月未p 日 签字日期：砂d 矽年应月矽日 致谢 本论文的研究工作是在我的导师贾力教授的悉心指导下完成的。导师渊博的 学识、严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。贾力教授悉 心指导我们完成了项目的科研，对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在学习上和生活上都给予了很多关心和帮助，在此向贾力老师表示衷心的谢 意。 在实验室工作及撰写论文期间，杨立新老师给论文的实验系统以及论文结构 等方面提供了许多宝贵意见，师姐杨辉和张竹茜在课题方面也给予了很多建议， 孙进博士在实验操作以及论文写作中给予我很多宝贵经验，以及在做实验过程中 权利、赵楠、管鹏等同学给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外，更要感谢我的父母，他们的理解和全力支持使我能够在学校专心完成 我的学k 。 绪论 1 1 研究背景 1 绪论 随着能源消费结构的改变，天然气这种清洁能源将越来越多地在锅炉上应用。 同时随着我国改革开放的不断深化，经济建设迅速发展，国家对环保要求更加严 格。为了进一步改善城市的大气环境，国家对能源结构进行了调整，鼓励并推广 使用燃气锅炉，同时加快燃煤锅炉的燃气改造。另一方面，近年来我国大储量天 然气气田的勘探和开发工作取得很大进展，天然气供应紧张的局面得到很大缓解， 陕北长庆干气田已经为北京送气，西气东输的工作也在紧张进行之中，计划2 0 1 0 年可为上海市每年供应2 0 0 亿m 3 天然气。可以预见天然气这种清洁能源将越来越多 地在锅炉上应用。 天然气与煤炭、石油等黑色能源相比，具有转换效率高、，环境代价低、投资 省和建设周期短等优势，积极开发利用天然气资源已成为全世界能源工业的发展 潮流。我国能源结构中天然气和石油占一次能源消费比例较低，早期针对燃( 油) 气热水锅炉进行专门开发和研究较少。随着国民经济的高速发展和国家环保政策 的不断深入，尤其是像北京等国内大城市对环保要求的不断提高，燃( 油) 气集中供 热项目必将呈现出迅速发展的趋势。 北京地区拥有两万余台锅炉，长期燃用固态燃料，导致北京大气环境迅速恶 化，为改善北京地区空气质量，党中央、国务院十分重视，市政府采取了多项政 策与措施，取得了决定性成果。以天然气、轻柴油代替煤炭作为锅炉的燃料即是 主要措施之一【。同时我国“十一五”计划中对能源行业节能和环保治理重点是要求 以天然气替代燃料油( 重油1 ) ，采用天然气这一优质，清洁的高热值燃料，可以减 少环境污染。 高效节能、低污染这两点正好符合高温空气燃烧技( h i 幽t e m p e r a t u r ea i r c o m b u s t i o n ，简称h t a c ) 的技术特征。高温空气燃烧技术是2 0 世纪9 0 年代初燃 料燃烧领域中诞生的一项新技术，具有高效烟气余热回收以及低n o x 排放的多重 优越性，和当前世界的“节能，环保”的趋势相一致。高温空气燃烧技术被誉为 2 l 世纪的关键技术之一2 _ j 进一步开发和推广将天然气用于高温空气燃烧这高效、节能、低污染的先 进燃烧技术的新型锅炉势在必行，对提高我国能源利用效率、改善环境污染、降 低企业的生产成本以及提高企业的竞争力，将做出重大贡献【4 1 。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 蓄热式高温空气燃烧技术概述 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 t a c ) ，是九十年代初 在日本、美国和欧洲发展起来的一项新型燃烧新技术，它具有高效烟气余热回收、 高温预热空气和低n o x 排放的多重优越性【5 ，6 1 。 该燃烧技术适用于新建的燃用清洁或较清洁的气体或液体燃料的工业炉【丌。 其核心是热循环再生燃烧系统，主要由高效热交换器( 热再生媒体) 、燃烧器、快速 切换阀组成利用高效蓄热体，最大限度地回收高温烟气中的热量把燃烧所需的空 气预热n 8 0 0 以上，使之进入燃烧室与燃料掺混后形成高温燃烧。一般而言，预 热空气温度每提高1 0 0 c ，可使理论燃烧温度提高5 0 c 左右，节能3 5 蜊引。该 技术主要包括两项基本技术手段：一是燃烧最大限度回收( 或称极限回收) 废气的显 热；二是采用燃料在低氧气氛下燃烧来降低n o x 的生成量。 1 2 1 高温空气燃烧技术同传统燃烧的比较 1 燃烧机理不同 传统的燃烧是利用普通空气( 含氧2 l ) 、或富氧空气( 含氧2 1 以上) 直至 纯氧气体与可燃物质反应，进行燃烧以获得热能。传统扩散式燃烧是用氧含量为 2 1 预热温度低于6 0 0 空气，与燃料一起进入炉内，边混合边燃烧在炉内的高 温条件下，燃料与空气在混合的交界处发生剧烈的燃烧反应，这时，炉内的浓度 场、温度场和燃烧反应场都非常不均匀即小空间放热，反应区温度瞬间升高。 高温空气燃烧技术是通过特殊装置，使入炉空气温度提高n 8 0 0 ( 有的可高 达1 0 0 0 ) 以上，其氧气浓度低于2 1 ( 有的可低达3 5 ) ，与燃料一起进入炉 内，燃烧在整个炉膛空间进行这时燃烧非常稳定和充分，没有局部的高温区形 成燃烧温度和燃烧噪音有所降低一j 在传统燃烧火焰的温度场内存在较大的温度梯度，火焰温度的峰值很高，而其 平均温度相对较低，造成燃烧装置内的温度分布不均匀，而高温空气燃烧其火焰温 度无明显峰值，火焰的最高温度与其平均温度相差较小，而且火焰的平均温度相对 较高图1 1 给出了传统燃烧和高温低氧燃烧时燃烧装置内的温度分布情况。 2 绪论 1 2 5 1 7 5 5 0 2 5 工，伽一 8 01 2 0 弋甑 = l 蔽 露再1 1 _ 嗍t 圈 c o m b 删帆i i rf 虹p g ) 0 5 矽 可得： t = 【q d w + q 助】v y 。c 舢 其中： v v ：l + 一2 a = b 热 理论温度 丁= 黼 仫7 ， 根据式( 2 7 ) 可以初步估计天然气燃烧的理论温度同混合气体的预热温度以及同 混合气体氧浓度的关系： 1 ) 混合气体预热温度不变时，燃烧温度随着含氧浓度的增加而增加；混合气体含 氧浓度不变时，燃烧温度随预热温度的增加也是增加。 2 ) 为达到相同的燃烧温度，在含氧浓度较低时，应提高混合气体温度。 北京交通大学硕士学位论文 忽略c 0 2 和h 2 0 的高温离解热、忽略不完全燃烧损失，如果燃烧时候热负荷较大时。 t 刍= 【q “+ q 燃+ q 助一q 散】v p c 产 卜斧 协7 ， 由上式可见，外加有效热负荷时，理论燃烧温度会有所下降。 2 1 4 燃烧火焰的结构和特征 燃烧火焰受燃烧热力学和动力学因素影响。就动力学影响因素而言，在以化学当量 比混合的燃气和氧气分子总量不变时，由反应物浓度和燃烧温度决定的反应速率大小和 火焰体积直接相关。反应速率越小，反应物消耗速率越慢，氧气和可燃气体分子才有可 能扩散到越宽的区域，从而导致火焰体积越大。表2 2 列出各种不同形式燃烧的稳定条 件和燃烧特性，并作出比较。与传统燃烧方法相比，高温空气燃烧技术具有不同的温度 和火焰特性【4 1 。在传统的燃烧方式中，燃料在喷嘴出口处就与助燃空气相遇并燃烧， 因此在喷嘴附近火焰温度高。而h t a c 技术中，燃气从喷嘴高速喷出，与高温的烟气 充分混合燃烧，燃烧区域加大，火焰的峰值温度降低并滞后，形成了均匀的温度场【4 l 】 可见，高温空气燃烧是一种同传统燃烧截然不同的一种燃烧形式。 表2 2 不同形式的燃烧条件以及火焰特性 t a b l e2 2t h ec o n d i t i o na n dc h a r a c t e ro fd i f f e r e n tc o m b u s t i o n 1 2 天然气高温空气燃烧 2 2 燃烧过程中的氮氧化物的生成机理 在燃料燃烧过程中，氮氧化物的生成是燃烧反应的一部分。根据n 成分的来源( 空 气中的n 元素，燃料中的n 元素) 及其生成途径的不同有不同类型n o x 。烟气中的 n o x 主要是在燃料燃烧过程中生成的，其中氮来源于空气和燃料，氧主要来源于空气。 主要是n o 和n 0 2 。通常的燃烧温度下，锅炉排出的烟气中的n o 占n o x 总量的9 0 以上，而n 0 2 只占5 一1 0 。因此，研究n o x 的生成机理主要是针对n o 而言的。 氮氧化物的生成主要有两条：一是助燃空气中的氮气在高温条件下与氧进行化合反 应生成n o x 。二是燃料中的氮的化合物在高温条件下热分解，接着被氧化。n o 生成的 化学反应机理是极其复杂的【4 2 ，4 3 1 ，其主要形式有热力型n o x 、燃料型n o x 和快速型 n o x 。 ( 1 ) 热力型n o x 热力型n o x 是空气中的氮气在燃烧火焰的峰值温度下氧化而成，对温度的依赖程度 很大，n o 的生成过程是一个不分支的连锁反应，根据a r r e n i u o s 定律，随着温度的升高， 其反应速度按指数规律迅速增加。因此可用降低燃烧温度和防止局部高温区的产生、降 低氧气浓度和缩短烟气在高温区的停留时间来抑制t _ n o x 的生成量。 ( 2 ) 燃料型n o x 在燃烧过程中，有机化和物的氮原子容易分解出来，使氮原子浓度有较大增加，从 而生成大量的n o 。这种n o 往往在火焰前锋内就形成，而不是在火焰末端形成。这种 由于氮的有机化合物放出大量的氮原子而生成的n o ，成为燃料型n o x 。 ( 3 ) 快速型n o x 快速型n o x 是燃料燃烧时空气中的n 2 生成n o 的另一种类型，快速型n o x 的生 成量和温度的关系不大。快速型n o x 的生成机理与热力n o x 不同，根据弗尼摩尔 ( f e n i m o r e ) 的观点【4 4 】，碳氢化合物燃烧时，分解生成c h 、c h 2 和c 2 等基团，它们 会破坏空气中n 2 分子键。主要为碳氢化合物燃料裂解出来的c h 和c h 2 所参与的化学 反应，从这方面来考虑，快速型n o 生成速率的控制方程可以由下式来描述： _ d n o ：k c h 、】 h x 】 1 3 北京交通大学硕士学位论文 式中，k = 3 0 1 0 e x p ( - 1 3 6 0 0 r t ) 。 燃烧室内的温度高低对n o x 的生成量之间有着密切的关系【4 5 】，n o x 的生成量随 着燃烧室平均温度的升高呈指数上升，图2 1 是n o x 排放量与燃烧室平均温度之间的 一个关系图。从图中可以着出n o x 排放量随温度变化极快，温度是影响n o x 生成量的 一个重要因素。 銎 誉 呈 图2 一ln o x 排放量与燃烧室平均温度之间的关系 f i g 2 - lt h ec o n n e c t i o n o f n o xe m i s s i o na n da v e r a g et e m p e m t u r e 2 2 1 天然气燃烧的n o x 研究 天然气燃烧生成n o x 的机理研究中，通常只考虑n o 的生成机理。由于天然气中氮 的含量很低，燃烧过程所生成的燃料型n o x ( f u e l n o x ) 很少，可忽略不计。因此对于 天然气燃烧，目前主要研究热力型n o x ( t h c r m a l n o x ) 和快速型n o x ( p r o m p t _ n o x ) 两 种n o x 的生成机理。对天然气燃烧过程n o x 的研究一般采用实验研究和数值模拟两种研 究方法，实验研究是必要的m 】。 一般把天然气燃烧的低n o x 排放研究分为三个阶段：对天然气和空气的预处理； 空气和天然气的优化配置及新型低n o x 燃烧器的设计；对烟气的处理。 由表2 - - 3 的数据可见，天然气替代煤和石油可使燃烧后废物排放大幅降低，其中 s o x 和粉尘的下降最为显著。但是，n o x 却不太明显。可以说，燃烧天然气最严重的 污染物为n o x 。 世界消费的天然气中，有9 0 - - 9 5 用作燃料【4 。7 1 。近年来，天然气作为清洁燃料 代替煤和石油的领域日益扩大，因此，对天然气燃烧低n o x - - - i - 放的研究追在眉睫【4 引。 1 4 天然气高温空气燃烧 表2 3 油，煤和天然气的燃烧排放量比较 t a b 2 - 3t h ef l u e g a so fo i l c o a la n dn a t u r a lg a s 排放物1 吨油1 吨油当量煤1 吨油当量天然气 c 0 231 0 048 0 023 0 0 s 0 2 ( 折合s o x )2 0 ( 硫朱脱) 6 ( 8 0 硫己脱) | n 0 2 ( 折合n o x )6 ( 工业用)1 l ( 工业用)4 ( 工业用) c o6 一3 04 5 2 0 o 5 3 0 、 未燃烃( c h x ) 0 5 0 3咖4 5 灰渣 l2 2 0| 飞灰 |1 4| 对热力型n o x 反应机理的研究指出，n o x 生成速率远远小于碳氢化合物燃烧时的 反应速率。b o w m a n 和s e e r y 通过在激波管内对c h 4 o 广_ n 2 系统反应的研究工作发现 4 9 1 ，碳氢化合物的反应在l x l 0 。4 s 内就完成了，而n o 的生成在l x l 0 七s 时，还远低于 其平衡浓度，需要更长的时间才能达到平衡。可以利用这一特性，用减少停留时间的方 法来减少n o x 的生成。 热力型n o x 的生成速度主要与燃烧过程中的火焰最高温度、氮气和氧气的体积分 数及高温烟气在炉内的停留时间有关。其中，温度是影响n o x 的主要因素。采用高温 空气燃烧技术，n o x 的生成量减少的主要原因是 1 炉膛内部的峰值温度降低，没有出现传统燃烧火焰的局部高温区； 2 采用低氧燃烧后降低了炉内的氮气和氧气的浓度； 3 气流速度大，烟气在高温区停留时间短，减少反应时间； 2 3 目前控制n o x 的几种方法及其比较 为了降低n o x 的排放量，目前已有的方法可分为两类：一是控制在燃烧过程中n o x 生成量的低n o x 燃烧技术，另一类是降低在烟气中已经生成的n o x 的烟气处理法。后 一类方法由于价格昂贵，因此重点应发展低n o x 燃烧技术。 2 3 1 低n o x 燃烧器 控制热力型n o x 的主要手段是控制燃烧温度，传统的抑制热力型n o x 的燃烧技术 是利用燃料在燃烧区内化学当量比不在燃烧反应化学当量范围，以此来抑制n o x 生成。 低n o x 燃烧器的实现机理有以下几种： ( 1 ) 低过量空气燃烧 反应区内的过量空气系数对n o x 的形成有重要的影响。在低过量空气下燃烧，随着 1 5 北京交通大学硕士学位论文 烟气中过量氧的减少，在一定程度上控制t n o x 的生成。 ( 2 ) 浓淡燃烧 使一部分燃气在空气不足的条件下燃烧，即燃料过浓燃烧；而另一部分燃气在空气 过剩的条件下燃烧，燃料过淡部分因空气量过大，燃烧温度低，快速型n o x 生成量也减 少，总的结果是n o x 生成量低于常规燃烧【5 0 j 。 ( 3 ) 空气分级燃烧 把空气分为两级或者多级进行燃烧。由于降低了火焰温度和氧浓度，热力型n o x 的生成在这一区域受到限制，采用综合分级燃烧技术，天然气燃烧的n o x 排放量可降低 6 0 - 7 0 【副1 。 ( 4 ) 燃料分级燃烧 燃料分级燃烧是用燃料作为还原剂来还原燃烧产物中的n o x 。天然气是最有效的二 次燃料。通常，应用燃料分级燃烧技术可使n o x 的排放浓度降低5 0 以上【5 2 l 。 文献 5 3 】说明了要实现高温空气燃烧，关键技术是空气的预热和空气稀释。 2 3 2 催化燃烧 天然气催化燃烧是在铂、钯、钴、锰等活性金属的作用下，使天然气着火温度比热 力着火温度低1 5 0 c 2 5 0 ，让其在低温下完全燃烧，有利于节能和减少n o x 生成。研 究表明，钙钛矿、氧化铈、氧化锆等负载的银催化剂对甲烷燃烧具有较高的活性m 5 孔。 2 3 3 烟气催化脱硝 ( 1 ) 选择性非催化还原法( s n c r 法) s n c r 法不使用催化剂，目前常采用的还原剂为氨和尿素，脱除n o x 率在5 0 左 右。反应机理例为： 以氨为还原剂4 n o + 4 n h ，+ o ，一4 n ，+ 6 h ：o 最佳反应温度为8 5 0 一11 0 0 。 以尿素为还原剂4 n o + 2 c o ( n h 2 ) 2 + 0 2 叫4 n 2 + 2 c 0 2 + 4 h 2 0 最佳反应温 度为9 5 0 11 0 0 ( 2 ) 选择性催化还原法( s c r 法) s c r 法使用催化剂，目前常采用的还原剂为氮，脱除n o x 率能够达到8 0 一9 0 ， 因此得到广泛应用。反应机理为： 4 n o + 4 n h 3 + o z 4 n z + 6 h 2 0 1 6 ( 2 8 ) 天然气高温空气燃烧 2 3 4 烟气稀释法 炉外烟气稀释和炉内滞留烟气稀释，是烟气稀释法的两个典型表现。直接采用低温 差、低氧浓度的助燃气体参与燃烧，实现真正的低氧燃烧。助燃空气在入炉前掺混稀释 剂，如氮气或烟气。在烟气和空气通道间设置旁通管，即烟气再循环管，且在旁通管道 上设置烟气循环用风机，以加大排烟口处负压。增加烟气循环装置是常用的降低n o x 的 措施。可以从排烟口抽取烟气，同空气混合完后再于天然气在燃烧器中进行反应。利用 惰性气体的吸热和氧浓度的减少，这样既可以降低燃烧温度，又可以降低氧气浓度，因 而可以降低n o x 的排放浓度。它充分利用了两种降低n o x 的措施，因而是很有效的。此 法可使n o x 排放降低2 0 一5 0 t 硇j 钟水库、马宪国在提出采用n 2 和c 0 2 来稀释助燃空气后提出采用燃烧生成的烟气 来稀释助燃空气。采用烟气再循环法来稀释助燃空气，能以较经济的成本来抑制高温燃 烧过程中热力型n o x 的生成，如图2 - - 2 所示，当b 侧烧嘴工作时候，从a 侧出来部 分烟气经换向阀后同空气混合稀释，低氧混合气体通过蓄热体同天然气在燃烧室内进行 燃烧。同理，当a 侧烧嘴工作时，从b 侧出来的烟气与空气混合后同天然气进行高温 空气燃烧。烟气同空气的稀释比例由调节阀进行控制。这种方法的优点是工艺上对现有 工业锅炉的改造十分方便，改造成本也相对低廉。 2 4 烟气再循环率 图2 - 2 烟气再循环系统图 f i g 2 - 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff l u eg a sr e c i r c u l a t i o n 烟气再循环技术是将锅炉产生的烟气部分回流，在炉前将其同空气混合。混合好的 1 7 北京交通大学硕士学位论文 助燃气体经过蓄热装置预热后，进入炉膛内和燃料混合燃烧。 烟气再循环率是被循环的烟气量与锅炉排烟量之比。定义烟气再循环率为d ： 、， = 导嵝 ( 2 9 ) v 锅炉捧烟总量 在采用烟气再循环法时，由于烟气量的增加，将引起燃烧状态不稳定，从而增加未 完全燃烧热损失。因此，电站锅炉的烟气再循环率一般不超过2 0 。经验表明，n o x 的降低率随着烟气循环率的增加而增加，但当烟气循环量超过空气总量的1 5 时，降低 n o x 的作用开始减弱；而且最大的烟气循环量受限于火焰稳定性【5 7 1 。 在烟气的出口位置设置的测点处利用烟气分析仪测量烟气中0 2 、c 0 2 和c o 的含 量。认为天然气完全燃烧。当助燃混合气体成分发生改变时，氧气的体积浓度发生改变， 以原来的空气成分进行计算，不能反映真实的过量系数。需另行计算。 基于以上分析作出以下假设 助燃混合气体成分只有氧气，二氧化碳，氮气和水蒸气四种气体。 混合气体的温度高于该状态下水蒸气的露点温度，混合气体中的水蒸气以气态存 在，不出现水蒸汽凝结现象。 o 混合气体中各容积成分含量 【o u = a c 0 2 = b n 2 】= c【h 2 0 = d 基于以上假设结合天然气反应方程式2 6 ，对烟气中的氧成分进行分析，采用以上 公式中的各参数来表示烟气中的氧浓度。 a b 螋： 堑二! ! v j l + 2 + 2 口( 旦+ 一c + 皇) + 2 ( 口一1 ) 。aaa 1 即 j口：丝盟 ( 2 一l o ) 2 ( a - a i ) 式中，a 和a 为混合气体和烟气内氧气的浓度，可通过测试直接测得 烟气量的确定 首先采用色谱分析的方法测得实验所用的天然气成分，如表2 1 。从表2 1 可知， 天然气的主要成分是c h 。，其中c ，日，等元素含量最多，所以与空气燃烧后混合气体 中的主要成分为吗，h 2 0 ，2 ，0 2 等，其它微量组份如n o x 可忽略不计。如表2 4 所示， 天然气中不含有s 元素，所以可以认为在产物中没有鼢和日：s 等成份。 可近似认为天然气燃烧反应为c h 4 的燃烧反应，其他成分忽略。结合天然气和助 燃气体燃烧的化学反应的方程式2 - 6 ，同时忽略空气中的水蒸气，可计算出标准状态下 1 n m 3 的天然气燃烧生成的烟气量为： 1 8 天然气高温空气燃烧 v v ：l + 丝( 2 - - 1 1 ) 式中：a 混合气体氧气体积浓度： 口一过量混合气体系数 利用烟气分析仪测量出混合气体氧气体积浓度。由式( 2 1 1 ) 计算得到烟气量。烟 气分析仪氧传感器的最大相对不确定度为o 1 ，则烟气流量的最大相对不确定度为 0 1 。 烟气再循环率公式的确定 忽略空气中的二氧化碳，可以认为烟气中的碳元素主要来自两方面。一部分来自天 然气，一部分来自被循环回流的烟气，利用烟气，天然气中的c 元素守恒列平衡式： v y 。c + k c n 。】- v y 。c 脚一鼍笋 c ， 式中：c 烟气中c 0 2 浓度； 卜_ 佣气体积； 【c i - h 】一天然气中c h 4 浓度； v 弘8 一天然气体积，此处认为天然气中只含有甲烷，故v g a s c i - 1 4 = l 。 式中除了v v 之外，其他均由实验仪器直接测得。 2 5 本章小结 1 ) 蓄热式高温空气燃烧的热力学特征是火焰区均匀、低强度燃烧慢速释热；动力 学特征是反应区加大、反应减速。传统燃烧是“小体积内快速燃烧散热”，而高温空气 燃烧是“大火焰甚至全炉膛火焰内均匀、低热强度散热延时慢速燃烧”。 2 ) 在高温空气燃烧过程中关键是如何采用有效措施来减少预热助燃气体中的氧 的浓度，使其低于正常空气含氧量2 1 ，并且还要保证总的含氧量满足燃烧化学反应 所需的总量。炉外烟气再循环是最直接经济实现低氧环境的一种技术手段。 3 ) 为了降低n o x 的排放量，目前已有的方法可分为两类：一是控制在燃烧过程中 n o x 生成量的低n o x 燃烧技术，另一类是降低在烟气中已经生成的n o x 的烟气处理 法。后一类方法由于价格昂贵，因此应重点应发展低n o x 燃烧技术。 4 ) 高温空气燃烧技术将传统的低n o x 燃烧技术与蓄热式燃烧系统有机地结合起 来。它为燃气低氧燃烧过程中的着火、燃烧的稳定性提供了保障，大幅度降低n o x 的 排放。 1 9 北京交通大学硕士学位论文 5 ) 对烟气再循环率，过量混合气体系数，以及理论燃烧所需气体量进行理论推导， 得出相关公式。 2 0 热力计算 3 u 型管炉膛热力计算 本章是对供本课题研究用的天然气高温空气燃烧u 型炉进行的个锅炉热 力计算。 天然气高温空气燃烧锅炉作为一种特殊的加热炉，其炉型结构和传热方式与 普通的加热炉不同，系统将蓄热式燃烧方式引入锅炉燃烧室，u 型燃烧室直接布 置在锅筒内，见图3 - 1 连接两个交替工作的蓄热式天然气燃烧器。由于燃烧器 周期交替工作从而使锅筒内部的水温度场发生周期变化，这同传统单筒锅炉j i 同由于锅筒内水的温度场周期性改变，从而使内部水自然循环加速，水自然循 环的增加会加强水同炉体之间的对流换热。起到优化传热的效果。 与传统天然气锅炉系统不同，燃烧室内烟气通过蓄热式换热器后排出锅炉本 体，在锅筒内没有对流管束h 。所以，其热力计算方法也与普通加热炉型有报大 区别。 n 3 】锅炉系统 f i g3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f h t a cb o i l e r 图3 2 炉膛火管、烟管 f 追3 2t h ef i r ep i p ea n dg a sp i p eo f f i r e b o x 根据其燃烧方式和结构的特点在进行热力计算工作中将u 型燃烧室分为 火管和烟管两部分。当一侧燃烧器工作时，u 型管对应的该侧为火管，相对另 侧为炯管。见图3 2 北京交通大学硕士学位论文 图3 - 3 热力计算程序框图 f i g 3 - 3t h eo r d e ro ft h e r m o d y n a m i cc o m p u t e 图3 3 为本热力计算的顺序框图。首先进行天然气的燃烧计算，根据再循环 公式以及燃烧反应公式计算各种气体的体积量。根据烟气以及混合气体的组分编 制不同回流率下的混合气体温焓表和烟气温焓表。在编制好混合气体和烟气温焓 表后进行不同热平衡计算。在进行u 型管内的热力计算时候，分两部分进行计 算。火管传热计算和烟管传热计算。蓄热式高温空气燃烧炉的一个特点就是结构 紧凑，故在该热力计算中计算传热时，考虑辐射换热和对流换热的共同作用。分 别计算各段辐射换热系数和对流换热系数。通过辐射换热系数和对流换热系数确 定传热系数。 假定弯管中心截面温度为火管炉膛的烟气出口温度，回查烟气焓温表获得该 温度下烟气的物性参数，根据热力学第一定律推算火管管壁的吸热量。结合烟气 热力计算 物性参数计算获得火管换热系数进而确定烟气平均温度和火管炉膛出口烟气温 度的计算值。将计算温度和假设温度进行比较，当两者之间差值在2 以内时， 认为假设合理，该温度就是火管炉膛的出口烟温。否则重新假设烟气温度循环计 算，直到计算结果合理。火管传热计算完成后，以火管出口烟气物性参数为烟管 的进口参数。假定烟管的出口温度( 蓄热体进口前温度) ，继续计算烟管的辐射 传热系数和对流传热系数。采取的方式同火管传热计算相同，循环计算直到计算 结果合理。u 型管内部的热力计算完成后，进行水冷系统的传热计算，同炉内部 的热力计算进行校核。 3 1 原始数据 3 1 1 热力计算参数 进水温度：f 。= 2 3 出水温度：t 。= 7 6 循环水量：g = 2 0 0 k g h 火管排烟温度：t ：= 9 0 0 热混合气体温度：t 小= 7 2 0 冷混合气体温度：k = 3 0 3 2 燃料特性 3 2 1 燃料种类：天然气 天然气的特性 根据表2 1 分析，北京地区目前使用的天然气的主要成份是甲烷和少量其它 碳氢化合物。 同时根据分析中各成分的容积百分比计算出每标准m 3 干燥天然气的低位发 热值： 瓯= o o l i q 。o c o + h 2 + e q 以巴风 式中c o 、h 2 、c 卅乜一相应的气体成分的容积百分比，； q 【d 、鲔：、皱以一相应的气体成分的低位发热量，k c a l n m 3 ： 北京交通大学硕士学位论文 低位发热量q d w = 3 5 5 8 8 k j n m 3 3 3 混合气体、烟气及焓的计算 3 3 1 各受热面进出口过量混合气体系数 高温空气燃烧不同于传统燃烧。本课题研究的燃烧方式不能采用传统的概念 来描述。该燃烧所需要的助燃气体不是普通的空气，而是采用烟气和空气混合后 的低氧浓度的混和气体。 定义1 m 3 甲烷气体完全燃烧时所需要的混合气体量为理论混合气体量。这里 的混合气体是指烟气同空气的混合气体。其含氧浓度低于2 1 。实验中实际运行 时，为使天然气尽可能燃尽，供给的混合气体量要大于理论很和气体量，超过的 部分称为过量混合气体。实际混合气体量圪与理论混合气体量呀之比称为过量 混合气体系数，即 圪 谆：q 式中：o r 过量混合气体系数 炉膛中火管、烟管处的过量混合气体系数列于表3 2 中。 表3 2 炉膛中各处过量混合气体系数 t ，出3 2t h eao f b o i l e r 各受热面进出过量混合气体系数 受热面名 过量混合气体系数 漏风系数 称 入口 出口 火管1 1 o 烟管 1 11 1 0 3 3 2 再循环率氧浓度的关系 再循环的烟气量与锅炉排烟总量之比称为烟气再循环率。见式2 - 9 在本热力计算中，继续对第二章式2 - 9 进行推导。即：为高温空气燃烧提供 的助燃气体是由再循环的烟气同新鲜空气混合，以此来降低氧浓度。混合气体中 氧气的来源包括两部分，一部分是空气中的氧气，一部分是被循环回来的烟气中 未参加反应的参与氧气。 混合气体中的氧气来自空气中的氧气和回流的烟气中残余的氧气。采用氧元 2 4 热力计算 素平衡进行推导得下式： ( 一v v ) 2 1 + 2 ( 口一1 ) = a = 丽2 丽a ( 二2 1 丽- a ) ( 3 - 1 ) 上式为烟气再循环率同混合气体氧浓度a ，过量混合气体系数仅之间的一般关 系式，即= f ( a ，口) 。这里，烟气再循环率是由混合气体中氧浓度以及过量混 合气体系数共同作用的。当过量混合气体系数q 保持不变时候，越大，氧浓度 a 越小。从上式中也可以看出，同当混合气体中氧气容积为2 1 时候，循环率p = o ， 此时即为无烟气循环，为纯空气参加燃烧的传统燃烧。 3 3 3 混合气体体积的计算 表2 一l 可知，天然气的主要成分是c h 4 ，其中c ，h ，n 等元素含量最多，所 以燃烧后烟气主要成分为c q ，h ：0 ，n 2 ，0 2 等，其它微量组份如n o ，可忽略不计。 天然气中不含有s 元素，可以认为在产物中没有s 0 2 和h ，s 等成份。因此，烟气 与空气混合和后的气体主要成分是0 2 、n 2 、c 0 2 和h 2 0 。 支持高温空气燃烧所需要的助燃混合气体是由锅炉烟气和空气混合的，可以 认为混合气体的温度高于该状态下水蒸气的露点温度，混合气体中的水蒸气以气 态存在，不出现水蒸汽凝结现象。 假设混合气体中各成分容积百分比为； 0 2 1 = a ，【c 0 2 = b ， n 2 】= c ， h 2 0 = d ， 结合式2 - 6 ，可以推算1n m 3 天然气完全燃烧所需要的混合气体量的计算可用 下式计算： = 小5 y n , + 0 5 y c o + ( 聊+ 訇比卅 式中：a _ 混合气体中氧气浓度，； y h ：、y c o 、比以一天然气中各成分的容积含量，。 在本课题的热力计算中认为天然气的成分为纯甲烷气体。所以：y n = 0 y c o = 0 、比以= 1 。即 ：丝 利用元素守恒法对混合其体中个成分进行推导计算，可得混合气体中氧气， 氮气，二氧化碳，水蒸气浓度的表达式，如下式所示： 北京交通大学硕士学位论文 4 2 ( 1 p ) a a = = 一 2 a ( 1 一) + 1 7 9 f l 6 ： 2 a - ( 2 c t + a ) f 1 7 9 2 a ( 1 一f i ) a b 归而w g - - - i ， d = 旦 a ( 1 一p ) 式中：a 、b 、c 、d 一对应混合气体中d 2 、2 、c q 、h 2 0 的体积浓度，n m 2 n m 2 ； 口一过量混合气体系数。 以下给出三种回流率情况下、过量混合气体系数口= 1 0 5 时的混合气体体积 以及各组分的计算值。详见附表l 、2 、3 3 3 4 烟气体积的计算 天然气燃烧产生烟气的主要成分是c d ，和风d ，均为气态。根据天然气与混 合气体燃烧的反应方程式，可计算出标准状态下1 n m 3 的天然气燃烧生成的烟气 量为： v v ：l + 丝 ( 3 2 ) a 式中：a _ 混合气体氧气体积浓度； 口一为过量混合气体系数 给定混合气体氧体积浓度，由上式计算得到实际烟气量。 实际烟气总体积的计算包括理论烟气量和过量混合气体量，包括氧气、氮气、 二氧化碳和相应的水蒸汽，表达式变形为四部分，天然气中碳元素在完全燃烧情 况下生成的c a 容积、理论容积、实际水蒸汽容积和燃烧所剩余的过量气体 体积。附表4 、5 、6 为烟气体