焚烧炉设计中低氮燃烧的探讨.doc

焚烧炉设计中低氮燃烧的探讨江苏全能环境工程有限公司 陈敏东内容提要 本文通过介绍炉体设计中,低氮燃烧技术和SNCR技术的应用。着重分析了一些关键问题如:燃烧组织、高温低氧燃烧、氮氧化物的生成等，还结合炉体设计的实际情况，从炉体结构上和燃烧器设计选用上,应用低氮燃烧技术的思路与分析。关键词：低氮燃烧技术、燃烧组织、高温低氧燃烧、过量空气系数、二段燃烧、SNCR系统、污染排放 引言：当前随着国家环保力度的加大，我国焚烧炉市场正红红火火。焚烧炉厂家也如雨后春笋一样，一下子冒出来了很多。所做的产品也是良莠不齐。焚烧炉设计理念大多停留和局限于原来小型焚烧炉的概念：过氧、高温一次燃尽。追求目视烟囱直排的无烟效果。体现了我国现阶段某些焚烧炉厂家的焚烧炉设计理念还是比较落后的。国家对于污染源和污染物的控制在进一步地加强。对于焚烧来说从强调有毒有机物的一次燃烧的分解率，到十分关注焚烧过后烟气排放指标；从主要关注烟气中硫化物含量，到逐渐同时关注氮化物含量的问题。由于各方面的原因，我国现阶段对SO2的重视较多，而对氮氧化物的控制与脱除还不太注重，相信随着对SO2的治理工作的不断进行，氮氧化物污染问题会突现出来；NOX可能和SOX一样成为酸雨产生的主要原因（西欧和美国NOX和SOX的排放量持平）。所以我们作为焚烧炉行业的一线技术人员，义不容辞地需做一些前瞻性的工作。概论： QN-QY等系列焚烧炉用于高温焚烧废气和废液，通过调节助燃燃料量和燃烧空气的供给，来确保废气的完全燃烧和维持炉内的燃烧温度，并按焚烧烟气在炉膛内的滞留时间来确定炉膛容积以保证废气中的有机物在炉内达到完全燃烧分解。其主要优点为：1、 炉体燃烧根据3T（温度、时间、涡流）原则设计，确保废气在炉本体燃烧室内充分氧化、热解、燃烧，使有机物破坏去除率达到98 %以上。2、 燃烧室温度850以上，烟气停留时间2s，确保有机物完全分解。焚烧炉出口处设有热电偶，及时反应炉内温度，通过温度测量及反馈自动调节助燃燃料量。3、 废气、燃料气和助燃空气在焚烧炉内切向混合，其混合程度好、湍流度高、燃烧速度及效率极高，过剩空气系数低，可节约大量燃料。4、 焚烧炉体上部设有防爆口，以防止炉膛内烟气爆燃对炉体的损坏。安全性高-设有启动前不排除易爆气体就不能点火的功能，以防气爆，炉内设有火焰检知器，一旦炉内发生熄火或点火失败，立即自动切断废气供给，报警系统完善，安全可靠。5、 焚烧炉的主体是卧式或立式炉体，内衬高温耐火砖，中间是隔热材料，外层以钢板为保护。设备简化，易于维修，并且运行成本低。我们处理的化工废气、废液经常含有或富含HCN、CN-、NH3、NH+4，本着达标治理的原则，应该是在尾气处理中设置专门的脱氮装置SCR选择性催化还原脱氮装置。但由于国内企业往往受资金、观念、技术等种种因素影响，仍选用普通焚烧炉；焚烧后烟气的检测结果往往是氮氧化物超标。甚至某些焚烧炉生产厂家生产的焚烧炉即使在处理的废弃物不富含氮化物时，也同样地存在烟气中氮氧化物超标的问题。所以我们针对现实情况，对于燃烧与燃烧中的脱氮技术作了一些研究和分析，并作为专题讨论。尽力促使热力型焚烧炉设计时，充分考虑到低氮燃烧；使热力型焚烧炉也能针对含氮废弃物的焚烧也能达标排放。高温低氧燃烧与脱氮原理：当含氮废气、废液进入焚烧炉焚烧时，其中含氮物质HCN与NH3在高温下，它们遇到氧或氧化物时就能产生NOx，废气中约20%转化为N2，80%的氮转化为NOx的形式，其中NO又占到90-95%。在燃烧后区及贫燃料区NO的生成量较高，而NO还原减少却十分缓慢；同时在8501100 温度范围内，氨水中的氨气进行分解，分解率达到99%。氨气分解的化学方程式如下在富燃料区则恰恰相反，这是因为富燃料区含有较多的C2与CO等可以起还原剂作用的物质，可发生还原反应。其还原反应表示为：从以上反应式可以看出，废气燃烧中产生NOX不仅取决于氮的氧化过程，还和废气的还原性物质对已产生的NOX进行还原的过程有关，总的NOX是与这两个过程的综合结果。这就是所谓的燃料型氮氧化物。空气中的氮气是很稳定的，但当温度达到530时，生成的NO与NO2很少，当温度增至1000时，生成的NO与NO2在NOX中的比重仍然很小，但当温度超过1200时，生成的NO与NO2已相当可观，其中绝大部份是NO。这就是所谓的热力型氧化氮。所以我们设计的焚烧炉燃烧温度应小于1200，将焚烧炉焚烧温度控制在980左右，既可以确保废气中有机成分和氨气的完全热解焚烧，又可以防止NOx的生成。因此减少烟气中NOx的排放。从以上氮氧化物形成的机理可知：氮氧化物量与燃料燃烧时的温度、燃烧区的氧含量及其它组分的浓度、烟气在高温 区的停留时间、烟气中还原剂性有机物混合物程度等因素有关。在我们在详细设计中可以通过改变焚烧炉的结构和工况来达到目的，如改变烧嘴的分布结构图及其在燃烧室中的配置、燃烧室的尺寸、燃烧室的热强度、炉膛热容和空间设置、空气过剩系数、补风的热风温度、炉膛内空气与烟气的动力性能等。有效的组织燃烧过程。在保证燃烧效率的前提下，达到超低氮氧化物（NOx）排放的目的。但是目前我们在这方面的研究还很欠缺，并缺乏正确的认识。较少涉及如何深入认识燃烧过程和燃烧组织问题。事实上，在炉膛中发生的高温低氧燃烧过程是相当复杂的。降低局部氧气浓度不能以损失整体设备的燃烧效率为代价。这就是说，从量上而言，对于燃烧一定量的有机物而言，所需供应的空气量总体上必须等于或超过化学当量比，即总过量空气系数 1，否则必然有一部分有机物不能完全燃烧，而造成化学不完全燃烧损失。这时，无论空气温度和余热回收率多高，都不可能避免这部分损失。一次高温低氧燃烧是通过降低局部氧浓度实现的，实质上是使局部的过量空气系数远低于化学当量比（1），而呈富燃料状态。氧浓度仅是指单位空间体积中或单位体积的气体中的含氧量，并不表示氧气量与有机物的比例关系。因此，即使在某处氧浓度很低，但那里实际的氧气量与那里的有机物量相比，仍然富足，即局部的过量空气系数仍然可能大于1。这时的燃烧状况依然是常规的高温燃烧。但是否导致大量的NOx 生成取决于局部的燃烧强度。由此可见，分析和组织高温低氧燃烧过程，要从当地的过量空气系数入手，而不能仅仅测量和分析研究烟气中的氧气浓度。实际上，氧浓度的说法不过是一个表征过量空气系数变化的指标而已。如果要把燃烧过程与燃烧效率相联系，就应该仔细关注过量空气系数。NOx随氧气浓度降低而降低的原因，是能够被燃烧掉的有机物量越来越少所造成的，这样燃烧放热量就低，所导致的温升也小，燃烧火焰的辉度（局部高温区）就逐渐消失。因为往往是保持燃料供应量不变，通过增加主燃烧器掺入空气中的惰性烟气的量来降低氧气浓度(低氮燃烧器设计原理)。显然，当地过量空气系数越小，就必然有越来越多的有机物剩余。在焚烧炉内部，为了保证整体的燃烧效率，在一个地方剩余的有机物就要在其它地方燃尽。高温低氧燃烧技术的燃烧过程的实质就是，把原来集中在燃烧器附近区域里的常规燃烧进行的扩散燃烧，扩展到更广大的燃烧空间中去进行。一方面，使局部形成低氧富燃料状态；另一方面，降低了局部容积燃烧热强度（热容强度）。这样，就使全场温度均匀，NOx的生成得到抑制。下面谈的空气分段燃烧技术的原理，也与此相类似，目的都是通过控制过量空气系数，使燃料分阶段完成燃烧。二段燃烧与低氮燃烧控制：采用两次补风与分段燃烧技术中的两段燃烧技术，在第一阶段燃烧中，使有机物先在缺氧的富燃料燃烧条件下燃烧。以理论空气量的80%90%进行补风或废气、长明火和助燃燃烧气分别经燃烧器在炉头部位进入，在炉头部位形成一个富燃料条件下的不完全燃烧，此时，一段燃烧区内过量空气系数1，因而降低了燃烧区内的燃烧速度和温度水平。使得第一段燃烧烟气温度较低而且含氧量的不足，形成很强的还原性气氛；抑制NOX的产生的同时还原了部分NOX；由低氧富燃料燃烧进一步派生出这样一个结果：有机物的裂解过程得到了强化。这个过程在常规富氧燃烧中几乎与燃烧反应同时进行。但在二段高温低氧燃烧的条件下，把裂解与反应过程在一定程度上分离，裂解产生大量的C2、CH3+、OH-等原子基团，构成了作为连锁反应中链载体的“自由基”，而具有很高的化学活性，C2原子团也产生很强的辐射。这就为强化后续的二次燃烧过程创造了便利条件，特别是也对炉体内部温度均匀性作出了贡献。第二段通入相对充足量的空气，使剩余的燃料燃充分燃尽，此段中氧气过量使有机物充分燃烧，同时因为二次补风调节了高温燃烧烟气的温度，避免了高温产生热力型的氮氧化物。可使排放烟气中的氮氧化物减少25%50%。通常我们可以通过调整烧嘴的空气流量来实现两段燃烧。 两段燃烧技术的应用可使整个炉膛温度均匀，避免了局部高温富氧区的产生，使烟气的滞留时间的保证的同时保证稳定的燃烧温度，使有机物充分稳定的分解，虽然富氧，但尽量避免产生了NOX。同时保护了炉内的耐火材料，避免产生因耐材的局部高温产生的耐火材料的损坏，甚至爆炉、塌炉现象的发生。二次高温低氧燃烧过程是相当复杂的，实质上也是一种扩散燃烧的形式。因为空气是分两次、多方位供入燃烧空间，因此就存在一个边扩散边燃烧的过程。不同的是，燃烧空间中不存在可燃混合物相对集中而形成的a=1的区域，因此，不能象常规燃烧那样用这个条件来判断火焰峰面的高温位置。有机物在低氧区同样存在扩散和混合分解。 燃烧选用与燃烧器的低NOx设计：燃烧器包含助燃燃烧器和长明火燃烧器两种。一般点火我们公司采用的燃烧器为进口件，由程序控制器、点火变压器、点火电极、光明电阻、喷嘴、风机组成。当燃烧器启动后，燃烧器运行锁定灯指示运行。当在运行过程中如出现意外熄火，光明电阻检测不到火焰，程序控制器自动停机、故障输出并运行锁定，待延时解除锁定后方可重新开始启动程序。当燃烧器点火运行后，燃烧室配置火焰检知器检测到炉内明火信号，经控制系统控制废气调节阀打开，废气方可允许进炉焚烧。如在正常运行情况下炉体内意外熄火，火焰检知器检测不到炉内火焰，控制系统立即切断废气供给，确保燃烧炉的燃烧安全。我们的主燃烧器-助燃燃烧器采用低NOX燃烧器，它是根据NOX 的形成机理，充分利用烟气再循环技术，分段燃烧技术及再燃烧技术研制成的低NOx燃烧和分段燃烧相结合的脱氮燃烧装置，较普通燃烧机可使烟气中的 NOx减少48%左右，加上分段燃烧后，总的NOx可减少68%左右。在燃烧中脱氮是从NOx产生源头控制，是最积极、最经济、最方便有效的方法。但两段燃烧技术与低氮燃烧技术是在低空气过程系数及低温条件下发生有机的分解，这和燃料的完全燃烧是相矛盾的。因此烟气中未燃烧尽的有机物及未燃烧尽的炭颗粒子（C2）在二段燃烧时的二次补风量和总的相对高温燃烧的足够长的滞留时间是关键。炉内的高温氛围为有机物的裂解和化学反应创造了有利条件，只要与氧混合，就能立即燃烬。同时也大大降低热能利用率对过量空气系数的敏感度。由于燃烧器不需要去实现燃料与空气的扩散混合，其结构就变得不重要了，而被大大简化。这就是为什么日本进口的大型分体式燃烧器将燃料喷嘴与空气喷管分离的道理（我们已多次选用）。至于如何控制空气与燃料的初期混合，如何利用燃烧产物对它们的稀释，形成高温低氧环境，如何保证燃烧效率，才使真正需要深入研究的。只有确定各种几何参数和流动参数对NOx 和燃烧效率的影响关系，才能在高效节能和超低NOx 排放之间取得最优化的平衡。日本在这个领域里的70 多项专利所要保护的就是这方面的技术参数和诀窍。 氨水喷射器与二次风设计：我们在设计中（白银项目和龙沙项目），采用向炉内喷入氨水废液时，既是治理废水也同样是喷入还原剂，在950时，氨与O2和NOx反应生成N2和H2O，可以最大限度地减少前段燃烧区中烟气中产生的NOX。这就是通常据说的SNCR系统（选择性非催化还原技术）。非催化还原原理如下：氨水喷射器装置是对一段燃烧后烟气脱氮的关键，设计中一般采用美国BT公司生产的双流体雾化喷射装置，雾化粒径小，雾化效果好，能保证氨水中的水量完全及时蒸发；利用NH3的选择性还原烟气中的NOx。随着喷氨脱氮技术的应用的同时，我们很可能会从烟气中检测到NH3的存在，这部分氨的来源显然是从SNCR系统逃逸出来的，这种逃逸氨可能来自两种情况，一是由于喷入点烟气温度因氨水蒸发吸热，而烟气温度过低影响了氨与NOx的反应；另一种可能是喷入的还原剂过量或还原剂分布不均匀。还原剂喷入系统必须能将还原剂喷入到炉内最有效的部位，因为NOx的分布在炉膛对流断面上是经常变化的，如果喷入控制点太少或喷到炉内某个断面上的氨不均匀，则会出现分布较高的氨逃逸量。在较大的焚烧炉中，还原剂的均匀分布则更困难，因为较长的喷入距离需要覆盖相当大的炉内截面。为保证脱硝反应能充分地进行，以最少的喷入NH3量达到最好的还原效果，必须设法使喷入的NH3与烟气良好地混合。若喷入的NH3不充分反应，则逃逸的NH3不仅会使烟气中的飞灰容易沉积在锅炉尾部的受热面上，而且烟气中NH3遇到SO3会产生(NH4)2SO4易造成空气预热器堵塞，并有腐蚀的危险。不同还原剂有不同的反应温度范围，此温度范围称为温度窗。NH3的反应最佳温度区为8501100。当反应温度过高时，由于氨的分解会使NOx还原率降低，另一方面，反应温度过低时，氨的逃逸增加，也会使NOx还原率降低。NH3是高挥发性和有毒的物质，氨的逃逸会造成新的环境污染。二次补风通过控制补风量控制对燃烧过程的意义在于：改善整个炉体内温度均匀性；大大提高燃烧化学反应速度；超过燃料或可燃性废气、废液的自燃温度，提高有机物燃烧稳定性。如果不采取任何措施，将燃料或可燃性废气、废液直接喷入新鲜的高温、过量的空气中，就会因大量和迅速燃烧，产生超局部高温，而大量生成NOx。二次风的射入角度与补风量也是非选择性脱氮和有机物的完全燃烧的关键。二次风的射入与大直径的假想切圆相切，加剧高温烟气的扰动，使未分解的有机物在相对而言富氧和相对高温下均匀加速分解。具有更佳的火焰稳定性和燃尽性能、烟气形成更佳的旋涡扰动，同时对前段射入的氨水汽化后的NH3对NOx更加均匀混合加快还原反应，最大地还原NOx，减少烟气中的NOx。焚烧炉的结构设计与脱氮：炉体的设计相对应两段燃烧采用二段联接设计，联接部位采用缩径处理来联接，便于喷氨设计和二次补风管的设计。更主要是缩径后整体炉体成文丘里形状;可以使烟气产生更佳混合和湍流效果。达到更佳的脱氮、脱硝的效果；同时氧气和未燃尽气体达到更佳的混合程度,便于有机物的完全分解。但由于其本身高温低氧的特点，有可能会因燃烧组织不良，形成烟炱污染，结束语：以上是几点问题的浅析是本人想从热力学和化工工艺学结合起来，来进一步改进我们的设计理念。有些是对于原有技术的进一步理论研究。例如两次补风，这是我们原来焚烧设计中常用的设计，这里对其做出进一步理论阐述；由于本人理论与实际设计经验的不足，以及相关材料学知识的缺失，文章中有许多不足之处和可能尚缺少实际验证的东西。但希望能起到抛砖引玉的作用，盼业界同仁能多多指正。参考文献蒋绍坚. 高温空气燃烧新型锅炉及特性分析. 热能动力工程， 2000,(7): 348351.朱敏之. 日本高性能工业炉的开发战略与实施进展. 工业加热， 2001, (1