安文旗，朱 彤，潘 登，管 堅，于吉明，高乃平

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

我國 2016年工業(yè)燃料用氣量 577億立方米，預計到2020年天然氣占工業(yè)燃料消耗量比例由現(xiàn)在的10%提高到 15%.由于天然氣燃燒產(chǎn)生的 NOx對環(huán)境的危害極大，北京市 2015年頒布的鍋爐大氣污染物排放標準規(guī)定[1]：2017年4月1日后新建燃氣鍋爐NOx排放限值為 30mg/m3.目前北京市的燃氣工業(yè)鍋爐 NOx排放平均值為 156.3mg/m3，距離標準要求限值存在較大差距[2].控制NOx排放的技術主要分為燃燒優(yōu)化控制技術和末端治理技術，末端治理技術成本較高，通過燃燒優(yōu)化控制技術從源頭遏制 NOx生成的經(jīng)濟性更好，其中煙氣再循環(huán)燃燒技術通過降低助燃氣體氧含量，進而減少爐膛內(nèi)局部高溫，能有效降低 NOx生成[3-7].

煙氣再循環(huán)分為內(nèi)部煙氣再循環(huán)和外部煙氣再循環(huán)，本文研究的外部煙氣再循環(huán)是指部分煙氣通過一個外部管道，與空氣或燃氣混合后重新送入爐膛內(nèi)參與燃燒.Choi等[8]采用 Chemkin進行了天然氣擴散式燃燒的化學動力學研究，研究發(fā)現(xiàn)煙氣再循環(huán)率增大，NO的生成速率降低，并且煙氣中的 NO有助于快速型 NOx生成反應的逆向進行，可以有效減少快速型 NOx生成.Baltasar等[9]針對采用煙氣再循環(huán)的小型實驗爐進行了實驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)隨著煙氣再循環(huán)率的增大，煙氣中 NOx排放量顯著降低，減排率可達 75%以上.湯根土等[10]采用 CO2分別稀釋燃料和空氣，發(fā)現(xiàn)稀釋空氣對 NOx減排效果更好.Gamrat等[11]通過數(shù)值模擬對煉焦爐的 NOx排放進行了研究，發(fā)現(xiàn) NOx排放量和外部煙氣再循環(huán)率呈線性關系，外部煙氣再循環(huán)率 20%時，NOx減排達50%，當煙氣再循環(huán)率 30%時，NOx減排達 80%.雖然煙氣再循環(huán)燃燒技術降低 NOx效果顯著，但其對燃燒穩(wěn)定性有較大影響，煙氣再循環(huán)率較高時，火焰會出現(xiàn)大幅度抖動甚至熄火.Baltasar等[9]通過實驗研究丙烷的擴散燃燒，發(fā)現(xiàn)煙氣再循環(huán)率為 20%左右時火焰由黃色轉(zhuǎn)化為藍色，煙氣再循環(huán)率為 35%時火焰吹熄.Yu等[12]對甲烷-空氣非預混擴散火焰進行了實驗和數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在燃料側引入 20%的再循環(huán)煙氣時出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定，在空氣側引入25%的再循環(huán)煙氣時也出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定.宋少鵬等[13]發(fā)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性受到煙氣再循環(huán)率、過量空氣系數(shù)、二次燃料比例的交互影響，提高過量空氣系數(shù)能提高穩(wěn)定性.總結發(fā)現(xiàn)，針對擴散式燃燒器，煙氣再循環(huán)率直接影響 NOx排放，而且煙氣再循環(huán)率在30%左右時會嚴重影響燃燒穩(wěn)定性.

目前，國內(nèi)關于燃氣鍋爐外部煙氣再循環(huán)和全預混表面燃燒相結合來實現(xiàn)超低 NOx排放的研究較少，本文實驗所用的金屬纖維燃燒器是實現(xiàn)低 NOx排放的一種全預混表面燃燒器，不易回火，安全性高[14-17].為了在過量空氣系數(shù)較低時也能夠降低NOx排放至 30mg/m3以下，實現(xiàn)天然氣高效清潔應用，本文結合金屬纖維表面燃燒器和煙氣再循環(huán)燃燒技術，實驗研究了煙氣再循環(huán)率、負荷和過量空氣系數(shù)對NOx排放和燃燒穩(wěn)定性的影響.

1 實驗系統(tǒng)

本文所使用的實驗系統(tǒng)如圖1所示，分為4個部分，即空氣供給系統(tǒng)、煙氣再循環(huán)系統(tǒng)、天然氣供給系統(tǒng)和鍋爐冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，一定量的煙氣從排煙管道引出，與空氣混合后進入金屬纖維燃燒器的混合腔，然后與天然氣混合進入一臥式燃氣鍋爐內(nèi)燃燒.通過連續(xù)補水和排水，使鍋爐內(nèi)的水溫保持在90℃.鍋爐煙囪排出的高溫煙氣經(jīng)氣-氣換熱器冷卻后進入排煙管道排出，被加熱后的空氣排放到室外.

實驗時室溫為 10℃，在實驗過程中室溫波動小于 5℃.排煙管道出口設置在室外，對室內(nèi)空氣中CO2影響可以忽略.實驗過程中主要測定負荷(當前工況下燃氣流量與標定燃氣流量(37m3/h)之比，用百分數(shù)表示)50%～100%(由于實驗系統(tǒng)缺陷，在100%負荷時，送風機風量不足，故多在 75%負荷時分析)、過量空氣系數(shù)1.1～1.9和煙氣再循環(huán)率(再循環(huán)煙氣質(zhì)量流量與理論煙氣質(zhì)量流量之比)0～30%時煙氣中 NOx排放量、CO排放量和爐膛溫度，從觀火孔觀察不同工況下的火焰顏色形態(tài).

圖1 實驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic of experimental system

金屬纖維表面燃燒器的結構示意圖如圖2所示，燃氣和空氣通過混合腔混合后，從金屬纖維氈噴出，在其表面以及表面上部區(qū)域燃燒.整體呈長圓柱體，直徑 160mm，總長 580mm.多孔均流板使頭部火孔的混氣壓力和流量均勻，防止回火.金屬纖維區(qū)域采用直徑 20～40μm 的金屬合金絲通過燒結或編織成立體網(wǎng)狀結構，該區(qū)域厚度約 5mm，網(wǎng)狀結構致密的小孔在一定程度上可防止回火發(fā)生.根據(jù)不同工況下負荷的大小，金屬纖維表面燃燒器存在兩種燃燒方式：紅外輻射方式和藍焰方式[14].紅外輻射方式是混合氣主要在金屬纖維內(nèi)部孔隙間燃燒，燃燒后的熱量傳遞給金屬絲，高溫金屬絲向外輻射傳遞熱量.藍焰方式是火焰處在金屬纖維表面緊挨上部區(qū)域，燃燒產(chǎn)生的熱量一方面?zhèn)鬟f給金屬絲，另一方面以對流傳熱的方式傳遞給爐壁.

燃燒器空燃比由西門子 SKP55差壓控制閥控制，根據(jù)送風機后風壓的變化來調(diào)節(jié)燃氣的流量從而匹配過量空氣系數(shù)，手動調(diào)節(jié)風機頻率來調(diào)節(jié)空氣量，進而調(diào)節(jié)燃氣量，改變?nèi)紵髫摵?通過西門子SKP15手動旋鈕可調(diào)節(jié)過量空氣系數(shù)，其值可由煙氣中的含氧量計算.實驗測量儀器見表 1(采用 Testo 350煙氣分析儀測量氣體體積分數(shù)，采用 TBX30/L3渦輪流量計測量燃氣流量，采用 WRN-130K型熱電偶測量爐膛溫度).

圖2 金屬纖維表面燃燒器結構示意Fig.2 Structure of metal fiber surface burner

表1 實驗用測量儀器Tab.1 Parameters of measuring instruments

系統(tǒng)的熱效率為有效利用的熱量Q1與供應鍋爐的熱量 Qr之比，本實驗系統(tǒng)在鍋爐排煙口設置有氣-氣換熱器，再循環(huán)煙氣的取煙口和排煙溫度檢測點均設置在氣-氣換熱器后部，因此，在計算鍋爐熱效率時，將氣-氣換熱器的冷卻空氣側得到的熱量也計算在有效利用的熱量Q1內(nèi)，即：

式中：Lg為燃氣流量，m3/h；Hl為燃氣低熱值，kJ/m3；Qa為空氣的物理熱，kJ/h；Qg為燃氣的物理熱，kJ/h；Qe為爐膛和氣-氣換熱器熱損失，kJ/h；Qf為排煙熱損失，kJ/h；Qc為化學不完全燃燒熱損失，kJ/h.

2 實驗結果分析

2.1 過量空氣系數(shù)的影響(無煙氣再循環(huán)工況)

如圖3所示，隨著過量空氣系數(shù)(α)的增大，NOx排放量(均折算至 3.5%O2)顯著降低，呈現(xiàn)先急后緩的趨勢，最終趨于穩(wěn)定.在α為1.2時，NOx排放量最大，平均值為 225mg/m3.α從 1.2 增大至 1.4，NOx排放量降低了150mg/m3，降低率67%；α從1.6增大至1.8，NOx排放量降低了 20mg/m3，降低率 50%.在α為 1.8時，NOx排放量最小，平均值為 20mg/m3.與此同時系統(tǒng)熱效率隨過量空氣系數(shù)的增大線性降低，α為 1.8時比 1.1時熱效率降低了 2%.過量空氣系數(shù)主要影響預混氣體的O2濃度和主燃燒區(qū)的燃燒溫度.根據(jù) Zeldovitch機理，熱力型 NOx主要是 N2在高溫條件下被 O2氧化而生成，而 N2分解成 N原子需要在較高的溫度下完成，當α小于 1時，氧濃度過低，燃氣不完全燃燒，放熱減少，火焰溫度降低；當α大于 1時，繼續(xù)增大空氣供給，混合氣體中氧濃度基本保持不變，此時α對溫度的影響占主導，不參與反應的剩余空氣吸熱，降低了火焰溫度，限制了熱力型NOx的生成.本文實驗采用的全預混火焰，α從 1.2增大至1.8時，火焰溫度的降低是減少NOx生成的主要因素.實驗結果顯示，α為 1.3、負荷為 75%時，測點A的溫度為 905℃，調(diào)節(jié)控制閥組，增大α至1.54時，測點A溫度降至780℃，NOx排放量相應降低了70%.雖然增大α能有效降低 NOx排放，但是直接導致煙氣量增大，保持系統(tǒng)的排煙溫度不變時，排煙熱損失增大，導致整個系統(tǒng)的熱效率降低.

圖3 負荷 75%時過量空氣系數(shù)對 NOx排放和系統(tǒng)熱效率的影響Fig.3 Influence of excess air ratio on NOx emissions and thermal efficiency at 75% load

當α處于 1.1和 1.2之間時，煙氣中 CO排放量在 5mg/m3左右；當α大于 1.2，CO 排放量降低至0mg/m3.隨著α繼續(xù)增大，煙氣中均未檢測到CO.但α大于 1.8時，CO 排放量迅速增加，α為1.95、負荷為 40%時，煙氣中 CO 質(zhì)量濃度高達185mg/m3.保持α為 1.95，調(diào)大燃氣流量，負荷 50%時，煙氣中 CO 質(zhì)量濃度降低至 0mg/m3.繼續(xù)增大負荷，煙氣中均未檢測到CO.實驗現(xiàn)象表明，在過量空氣系數(shù)較高或較低時，均存在不完全燃燒.過量空氣系數(shù)對 CO排放的影響主要由燃氣與空氣混合均勻度以及火焰溫度決定.α接近 1時，燃氣和空氣的混合氣中僅存在少量的多余氧氣，混合氣未達到最佳的均勻度時，就存在局部不完全燃燒.隨著過量空氣增多，混合氣中多余氧氣量增大，彌補了混合均勻度造成的不完全燃燒，CO濃度隨之降至0mg/m3.但在高過量空氣系數(shù)時，火焰溫度較低，反應速率降低，甚至存在局部熄火，CO質(zhì)量濃度迅速增大.如此時增大負荷，火焰溫度升高，提高了燃氣的燃盡率，CO質(zhì)量濃度再次降低至0mg/m3.

2.2 鍋爐負荷的影響(無煙氣再循環(huán)工況)

圖4是在過量空氣系數(shù)為1.3時，逐漸調(diào)大燃氣流量，對尾部排煙中 NOx含量和爐膛測點 A溫度的檢測結果.圖中曲線顯示，隨著負荷的增大 NOx排放量無明顯變化趨勢，過量空氣系數(shù)恒定時，NOx排放量的變化幅度在 5%以內(nèi).這是由火焰溫度和燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間共同決定的.負荷直接影響燃氣和空氣的流量，并在一定程度上影響二者的混合.燃氣流量越大，金屬纖維表面燃燒器的表面熱強度越大，單位時間內(nèi)通過燃氣燃燒釋放的熱量越多，火焰溫度升高.對于燃氣鍋爐，熱力型NOx是其主要生成方式，火焰溫度的升高加快了熱力型 NOx的生成速率.如圖4所示，α為 1.3時，測點 A處的火焰溫度隨負荷增大而升高：負荷從 50%增大至 100%，測點 A處的火焰溫度升高了 50℃.與此同時，負荷增大導致助燃空氣流量隨之增大，金屬纖維表面氣體流速增大，使得燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間縮短，熱力型 NOx生成量減小.未點火時，使用與燃氣等壓的空氣代替燃氣，檢測金屬纖維表面垂直距離 20mm處氣體流速.負荷從 50%增大至 100%，氣體流速平均值從 0.78m/s增大至 1.55m/s，金屬纖維表面燃燒器的燃燒方式為紅外熱輻射方式和藍焰方式，主燃燒區(qū)域為金屬纖維表面以及靠近表面的上方區(qū)域.氣體流速增大1倍，燃燒產(chǎn)物在主燃燒區(qū)域停留時間縮短為 100%負荷時的一半，減小了 NOx的生成量.負荷增大，火焰溫度升高，燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間縮短，二者對 NOx生成的影響相互抑制，導致煙氣中檢測到的NOx含量基本不變.

圖4 過量空氣系數(shù) 1.3時負荷對 NOx排放和爐膛內(nèi)溫度(測點A)的影響Fig.4 Influence of load on NOx emissions and temperature(point A)at an excess air ratio of 1.3

2.3 煙氣再循環(huán)率的影響

如圖5所示，負荷75%、過量空氣系數(shù)1.3時，再循環(huán)煙氣溫度保持在 70℃左右，逐漸增大煙氣再循環(huán)率，NOx排放量迅速降低.煙氣再循環(huán)率增大至14%后，NOx排放量降低趨勢開始減緩，此時空氣和煙氣混合氣的氧體積分數(shù) 19%.煙氣再循環(huán)率大于25%后，煙氣中 NOx排放量穩(wěn)定在 25mg/m3，與無煙氣再循環(huán)相比，NOx排放量降低了 86.7%.再循環(huán)煙氣溫度恒定時，增大煙氣再循環(huán)率，直接降低了助燃氣體氧含量和增大了助燃氣體體積流量.如圖6，煙氣再循環(huán)率從0增大至31%，助燃氣體的氧含量線性降低，氧氣體積分數(shù)從 21%降低至 17.2%，降低了反應速率，在一定程度上抑制了熱力型 NOx的生成.同時，增大煙氣再循環(huán)率，助燃氣體體積流量從346.4m3/h增大至420m3/h，氣體流速增大，減少了燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間，一定程度上減少了NOx的生成.且再循環(huán)煙氣相當于惰性氣體稀釋了空氣，尤其是再循環(huán)煙氣中的H2O和CO2等比熱容較大的三原子分子.本文再循環(huán)煙氣溫度較低，僅存在 CO2氣體，過量空氣系數(shù) 1.3、再循環(huán)率 10%時，助燃氣體CO2占 0.8%，惰性氣體的吸熱降低了火焰溫度.根據(jù)理論計算，火焰絕熱溫度降低了近 100℃，與實驗所測近似.而且隨著煙氣再循環(huán)率增大，爐膛內(nèi)溫度不斷降低，如圖5測點A的溫度變化曲線所示，煙氣再循環(huán)率 30%時，與不采用煙氣再循環(huán)相比，爐膛溫度降低了近 200℃，火焰溫度降低，抑制了熱力型 NOx的生成.

圖5 負荷 75%，過量空氣系數(shù) 1.3時煙氣再循環(huán)率對NOx排放和爐內(nèi)溫度(測點A)的影響Fig.5 Influence of flue gas recirculation rate on NOx emission and temperature(point A)at 75%load and an excess air ratio of 1.3

圖6 負荷 75%、過量空氣系數(shù) 1.3時煙氣再循環(huán)率對助燃氣體氧體積分數(shù)和體積流量的影響Fig.6 Influence of flue gas recirculation rate on combustion-supporting gas oxygen content and gas volume flow at 75% load and an excess air ratio of 1.3

如圖7所示，系統(tǒng)的熱效率不隨煙氣再循環(huán)率的增大而改變，平均 93.4%.這是由于過量空氣系數(shù)為1.3時，尾部煙氣氧含量保持在4.8%，負荷75%時，進入系統(tǒng)的空氣量恒定為 354.8m3/h，尾部排煙總量恒定，通過調(diào)整氣-氣換熱器，使得排煙溫度保持在 70℃，系統(tǒng)的排煙熱損失不變，系統(tǒng)能利用的有效熱量基本保持不變，因此煙氣再循環(huán)率增大時系統(tǒng)熱效率基本不變.如圖3所示，不采用煙氣再循環(huán)燃燒技術時，負荷75%，達到NOx排放量低于30mg/m3的目標需過量空氣系數(shù)大于 1.73，此時系統(tǒng)熱效率為92.1%；結合煙氣再循環(huán)，相同工況下，煙氣再循環(huán)率23%時，即可滿足 NOx排放量低于 30mg/m3的要求，此時系統(tǒng)熱效率為93.4%，提高了1.3%.

圖7 負荷 75%，過量空氣系數(shù) 1.3時煙氣再循環(huán)率對NOx排放和系統(tǒng)熱效率的影響Fig.7 Influence of flue gas recirculation rate on NOx emissions and thermal efficiency at 75% load and an excess air ratio of 1.3

如圖8，實驗中通過再循環(huán)煙氣管道閥門和燃氣控制閥組，保持負荷 75%、煙氣再循環(huán)率 17%，記錄不同過量空氣系數(shù)下煙氣中 NOx排放量.過量空氣系數(shù)接近 1時，煙氣再循環(huán)效果顯著；過量空氣系數(shù)為 1.3時，NOx排放從 180mg/m3降至 43mg/m3，降幅 76.1%；過量空氣系數(shù)為 1.6時，NOx排放從49mg/m3降至 12mg/m3，降幅 75.5%，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在相同負荷、不同過量空氣系數(shù)下，煙氣再循環(huán)率對NOx減排的影響呈現(xiàn)出接近的減排率.

圖8 負荷 75%、煙氣再循環(huán)率分別為 0和 17%時過量空氣系數(shù)對NOx排放的影響Fig.8 Influence of excess air ratio on NOx emissions at 75% load and flue gas recirculation rates of 0 and 17%

2.4 煙氣再循環(huán)對燃燒穩(wěn)定性的影響

保持負荷和進入爐膛的 O2量(即過量空氣系數(shù))恒定，再循環(huán)煙氣溫度保持在 70℃左右，再循環(huán)煙氣和空氣混合后的助燃氣體溫度保持在 23℃左右，逐漸增大煙氣再循環(huán)率，直至出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定而熄火.如圖9所示，觀察實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，在逐漸增大煙氣再循環(huán)率的過程中，金屬纖維表面燃燒器周圍火焰由藍焰逐漸變?yōu)榈撞克{焰上部黃焰的狀態(tài)，黃焰的長度增加且出現(xiàn)波動，最終火焰出現(xiàn)振幅較大的波動型震動，進而爐膛震動，火焰吹熄.在圖10中，過量空氣系數(shù)為 1.3時，隨著負荷的增大，出現(xiàn)爐膛震動的煙氣再循環(huán)率極限值逐漸提高.負荷 46%時，煙氣再循環(huán)率增加至 9%即開始出現(xiàn)爐膛震動，爐膛內(nèi)火焰抖動，不完全燃燒加劇，檢測到煙氣中 CO質(zhì)量濃度急劇增大，此時 NOx排放量從 167 mg/m3降低至80 mg/m3；負荷 80%時，煙氣再循環(huán)率可以增大至30%，此時NOx排放量從159mg/m3降低至21mg/m3.高負荷時，表面金屬纖維面積熱強度更大，提高了火焰溫度，有助于穩(wěn)定火焰.增大煙氣再循環(huán)率，一方面降低了助燃氣體氧含量，另一方面增大了助燃氣體體積流量，無煙氣再循環(huán)時，助燃氣體全部為空氣，氧體積分數(shù)為 21%，增大過量空氣系數(shù)時，此時助燃氣體氧含量不變，助燃氣體體積流量增大，實驗中未出現(xiàn)明顯震動，由此可知煙氣再循環(huán)使得助燃氣體氧含量的降低影響了燃燒穩(wěn)定性.李國能等[18]、曹紅加[19]發(fā)現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定性與燃料/空氣當量比有很大關系，當量比直接決定了燃空混合氣的氧含量，與本實驗結果類似.Kendrick等和 Lee等[20-21]發(fā)現(xiàn)預混火焰燃燒的波動對燃燒室的壓力振動影響很大.本實驗中發(fā)現(xiàn)，外部煙氣再循環(huán)通過外部管道將爐膛內(nèi)的壓力波動傳遞給了助燃空氣，加劇了燃燒器火焰的波動，進而影響燃燒不穩(wěn)定.

圖9 負荷75%、過量空氣系數(shù)1.3時火焰喘震圖Fig.9 Wave vibrations of flames at 75% load and an excess air ratio of 1.3

圖10 過量空氣系數(shù) 1.3、不同負荷時的煙氣再循環(huán)率的最大燃燒穩(wěn)定極限Fig.10 Maximum flue gas recirculation rate during stable combustion under increasing load when the excess air ratio is 1.3

3 結 論

(1) 對于全預混金屬纖維表面燃燒器，負荷對NOx排放影響不明顯.負荷從 50%增大至 100%時，NOx排放變化在 5%以內(nèi)；過量空氣系數(shù)對 NOx和CO的排放有重要影響.隨著過量空氣系數(shù)增大，NOx排放減小.過量空氣系數(shù)大于1.73時，NOx排放低于 30mg/m3.過量空氣系數(shù)低于 1.2和高于 1.8時，煙氣中均能檢測到CO.無煙氣再循環(huán)時，在任何工況下均未出現(xiàn)爐膛震動等燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象.

(2) 對于全預混金屬纖維表面燃燒器，無煙氣再循環(huán)時，過量空氣系數(shù)大于 1.73，NOx排放低于30mg/m3，此時系統(tǒng)熱效率為 92.1%.結合煙氣再循環(huán)燃燒技術，過量空氣系數(shù) 1.3、煙氣再循環(huán)率 23%時即可保證 NOx排放低于 30mg/m3，此時系統(tǒng)熱效率為93.4%，熱效率提高1.3%.

(3) 煙氣再循環(huán)降低 NOx的效果對于大負荷工況效果更好，通過增大煙氣再循環(huán)率至穩(wěn)定燃燒極限，負荷為 46%時，NOx排放量從 167mg/m3降低至80mg/m3；負荷為 80%時，NOx排放量從 159mg/m3降低至 21mg/m3.負荷增大時，出現(xiàn)爐膛震動的煙氣再循環(huán)率極限值逐漸提高，負荷從 46%增大至 80%時，煙氣再循環(huán)率極限從9%提升至30%.