工业烧嘴的低NOx技术

李艳

工业烧嘴的低Nox技术

一.影响NOx生成的因素
  氮的氧化物包括N2O、NO和NO2。燃料与空气一起燃烧,由于空气过剩,N2和O2在火焰中会产生NO——“热NO"。
0+Nz- +NO+N
N+Oz-→NO+O
影响NO产生的主要因素为:火焰温度,燃烧空气系数,燃烧产物在火焰中停留的时间。
1.1 火焰温度
  实验表明,当火焰温度超过1400 C时,NO的含量会增加。所以,任何使温度升高的过程(如预热、空气、过氧燃烧等)都会使NOx的排放增加。反之就会减少NOx的排放。
1.2空气系数
  在缺氧条件下燃烧会减少NOx的生成。实验表明，随着空气系数的加大,NOx的含量会迅速增加，当出现15 %的过量空气时达到最大值(相应O2含量为3 % ,因此这个值做为NO,测量的标准)。当空气量超过15 %,由于NOx被烟气稀释,因此NOx的含量开始减少。
1.3反应时间
  NOx的含量随着燃烧区中燃烧产物与化学物质接触时间的增加而增加.这个时间由火焰大小、燃料与氧的混合方式以及再循环强度决定。
二.低NOx燃烧技术
  低NOx燃烧通常是指在不改变燃烧质量(无NO产生)和设备的热特性的前提下,通过改变燃烧条件限制NOx的排放。在了解了上述NOx生成机理的前提下,采用如下的方法可以限制和减少NOx的排放量。如:降低火焰温度、烟气再循环、加水冷却、减少预热、催化燃烧、烧嘴设计(大比例空气调节;辐射烧嘴);减少局部O2量:减少空气过量系数、分级燃烧、烟气再循环;缩短反应时间;烟气再循环、烧嘴设计。
实践中主要通过以下技术有效地降低NOx的排放。
2.1减少过量空气
  这项技术简单可靠,但要防止CO和其他未燃尽产物的生成。它可以减少50%的NOx排放,并且可以提高设备的效率。
2.2分级燃烧
  为降低火焰温度,可以分别将燃料、空气或同时将二者分级注入燃烧区。可以减少20 %~60 %的NOx排放。
燃气可以分两级、两区注入:
第一区,燃烧开始区,空气大量过剩(燃料不.足),由于有大量O,产生大量的NO;
第二区,燃料完全燃烧区,产生碳氢基,将NO变为N2。这项技术用于“GRC低NOx”的烧嘴中,如图所示。这种烧嘴的NOx排放与普通燃气烧嘴排放的130 mg/m'(n) NOx相比减少了50 %。

空气也可分两级注入:
第一级,在燃烧开始时缺O2燃烧,限制NO的产生;
第二级,加入空气以便完全燃烧,同时降低火焰温度以限制NO的产生。
图2所示的“PAX- 20N”烧嘴就是根据这个原理设计的。实验中用于热处理炉的烧嘴为230kW，预热空气为400 C。在1200 C的炉子中,排放的NOx大约为150mg/m3,比相同条件下的普通烧嘴少4~5倍。

2.3燃烧产物再循环
  将炉子中的部分烟气重新注人烧嘴,会导致相对缺氧燃烧并降低火焰温度。其原理,如图3所示。
在火焰扩散式烧嘴或蓄热式烧嘴上通常使用这种技术可以减少50%的NO,排放,但烟气的循环系数必须低于30%~40%,以防止火焰的不稳定。当预热空气1100C时,蓄热式烧嘴会产生超过3000 mg/m3的NO, ,烟气再循环可以将这个值减少到800 mg/m3。
2.4催化燃烧
  在这种烧嘴中,燃料氧化反应不是通过燃烧,而是与一种带有催化剂的多孔媒质接触。混有部分空气的燃料穿过多孔媒质,通过自然对流将空气散布到媒质表面。这样,如果考虑初级氧化(大约1000 C),NO,大约可以减少到5 mg/m'。还有一些实验室研究用其它催化燃烧设备来加热空气,将火焰燃烧变成通过装有催化剂的多孔媒质的催化燃烧。
2.5加水冷却
  可以通过加水降低火焰温度。这种技术非常有效,可以减少75%的NO,排放,但同时会降低热效率并造成腐蚀。用水冷却火焰会在燃烧反应完成前终止燃烧。在对涡流烧嘴.上的实验(水在烧嘴轴上雾化)表明:注水量应小于350g/kW(相应最终的温度为800C)。超过这个值,会产生COx使燃烧不完全。这种技术多用于天然气涡轮机和锅炉.


内容来源：《工业炉》