低氮生物质燃烧机研究开发
摘要：概述了氮氧化合物的生成机理及控制方法；利用分割火焰和浓淡燃烧原理及分段燃烧方法对燃烧器喷嘴及烧嘴砖作改进，通过热态试验开发出一种低氮氧化合物生物质燃烧机且已应用于工业上。
生物质燃烧机是加热炉的主要组成部件，其燃烧产生的氮氧化合物是环境污染的主要因素之一，对人体有着直接的危害。随着国家对环境保护的日益重视，氮氧化合物含量的高低成为衡量生物质燃烧机燃烧性能的重要指标之一，世界各大乙烯公司均十分关注裂解炉氮氧化合物的排放量，相继开发了各种类型的低氮氧化合物生物质燃烧机。
l 氮氧化合物的生成机理及抑制方法
燃烧过程中生成的氮氧化合物主要是指NO和N02，其中NO约占90%，其余为N02。根据燃料和燃烧条件不同，在燃烧过程中生成的氮氧化合物主要可分为三种，即热力型氮氧化合物.燃料型氮氧化合物和快速型氮氧化合物。
1.1热力型氮氧化合物
空气中的氮分子，在高温下氧化而生成的氮氧化物，称为热力型氮氧化合物。其反应为：
N2+02Q2NO
而平衡常数可由下式表示：
K [Ⅳ(
N0 2NV[00]2j=3×l014e - 54200WRr
式中：NO、N2、02-浓度，I10L／CII13；
R-气体常数，J/mol．K；
产一绝对温度，K。
由平衡常数计算公式可知，温度越高，NO的生成量越多。
NO的生成机理极其复杂，是经过众多链式反应过程而生成的，可用下面一组不分枝链锁反应来说明：
02CJD+D (1)
O+N2甘NO+N (2)
N+ 02甘NO+0 (3)
在上述反应中，式(2)的反应为吸热反应，是整个反应的关键。由于氧原子与燃料中可燃成分反应的活化能很小，而氧原子与氮分子反应的活化能很大，因此，氧原子和燃料分子的反应先于氧原子和氮分子的反应。热力型氮氧化合物生成反应基本上是在燃料燃烧后期才发生，故火焰中不会产生大量热力型氮氧化合物。
高温状态下生成的NO，一经冷却，便分解成N2和02，一部分NO不分解，以NO状态排出，而另外一部分NO则被过剩空气中的氧所氧化，生成N02。
2NO+ 02CJ2N02
1.2燃料型氮氧化合物
在燃烧过程中，由于燃料中氮的有机化合物放出大量的氮原子而生成的NO，称为燃料型氮氧化合物。燃料型氮氧化合物受温度的影响较小，这是由于有机化合物中氮的分解温度常常低于现有装置中的然烧温度的缘故。关于燃料型氮氧化合物的生成机理比较公认的是中间产物理论。即燃料N在高温下总是分解为一种中间产物I，这种中间产物在含氧化物较多时就反应生成NO。如果含氧化物R不多，成的NO又可和中间产物I还原为N2。用公式表示：
+R一ⅣD+…
lruet—N——，l
+ⅣD—．Ⅳ2+一，
由此可见，燃料型氮氧化合物的生成完全取决于含氧化物R的多少，如果供应的氧多，则尺多，生成的氮氧化合物多，反之则少。
在实际装置中，燃料中氮的转化率为30%~40%。设燃料中的含氮率为x%，换算氮氧化合物浓度为，，(×10-6)，则：，，=533x +125。
一般说来，在燃料含氮率一定的情况下，燃烧温度越高，过剩空气越大，则燃料型氮氧化合物的转换率就越高。
1.3快速型氮氧化合物
快速型氮氧化合物是空气中的氮在高温下与氧化合而成。它产生在火焰面内，是富碳氢类燃料在过剩空气系数小于1时燃烧特有的现象。目前还没有公认的生成机理。通常快速型氮氧化合物生成量比热力型氮氧化合物生成量小一个数量级[2]。与热力型氮氧化合物和燃料型氮氧化合物相比，快速型氮氧化合物可以忽略不计。
1.4实际装置中产生氮氧化合物的原因及其影响因素
氮氧化合物生成与温度、氮和氧的分压有关系，燃烧器的燃烧速度由空气和燃料的混合速度决定。但当供给一定量的过剩空气时，由于火焰温度提高，氮氧化合物生成量增多。而当过剩空气过少或过多时，火熘平均温度降低，氮氧化合物生成量就比较小[3]。高温对NO。的生成有利，随着燃烧用空气温度的提高，火焰温度和氮氧化合物的浓度升高。随着炉膛温度的提高，氮氧化合物的浓度升高。生物质燃烧机的选择对炉膛温度有影响，从而影响氮氧化合物的生成。不同的生物质燃烧机在炉内产生不同的热强度分布，而不同的热强度分布产生不同的温度分布。当燃料气中的氢含量升高，氮氧化合物的浓度亦提高。氢含量的提高导致火焰温度的提高，从而产生更多的氮氧化合物。燃料油中的氮转化为燃料型氮氧化合物，燃料油中的氮含量越高则氮氧化合物的生成量越大。另外，某些研究得到了随着燃烧用空气中水分的增加，氮氧化合物的生成有降低的趋势。
综上所述，氮氧化合物的生成量与下列因素有着重要的关系：
(1)过剩空气量；
(2)燃烧用空气温度；
(3)炉膛温度；
(4)燃料气中的含氢量；
(5)燃料油中的含氮量；
(6)燃烧用空气湿度等。
由于热力型氮氧化合物和燃料型氮氧化合物的生成机理不同，故抑制方法也有所不同。温度对热力型氮氧化合物的生成具有决定作用，其次氧的浓度及停留时间对热力型氮氧化合物生成量也有影响。
要抑制热力型氮氧化合物的生成可用下列方法：
(1)降低燃烧温度水平，并防止产生局部高温区；
(2)降低氧浓度；
(3)使燃烧在偏离理沦含氧量下进行；
(4)缩短烟气在高温区的停留时间。
燃料型氮氧化合物生成量受燃烧温度的影响很小，但与燃料含氮量与氧浓度有很大关系。因此，要抑制燃料型氮氧化合物的生成，可用下列基本方法：
(1)选用含氮较低的燃料；
(2)降低空气过剩系数，组织燃料过浓燃烧；
(3)采用扩散燃烧推迟混合。
上述抑制氮氧化合物生成的方法有时是相互矛盾的，或与抑制其它污染物相矛盾。所以，在设计一种低氮氧化合物生物质燃烧机时，必须要兼顾各个方面。主要的措施有：
(1)采用低氮燃料；
(2)改善操作条件；
(3)采用低氮氧化合物燃烧方法。
2低氮氧化合物控制方法
2.1烟气再循环低氮氧化合物生物质燃烧机
将工艺过程中的部分烟气循环进助燃空气，烟气作为一种稀释剂降低了氧分压和火焰温度，限制了NO。的生成量。
2.2低过剩空气生物质燃烧机
通过完全燃烧所需的最少空气量来减少氮氧化合物的排放量。通常过剩空气量为5%~8%。
2.3浓淡型低氮氧化合物生物质燃烧机
使一部分燃料作过浓燃烧，另一部分燃料作过淡燃烧，但总体上a（过剩空气系数）仍保持正常值。这样既降低了火焰温度，同时也降低了NO。的生成量。
2.4分割火焰型生物质燃烧机
原理是将大火焰分割成小火焰，小火焰散热表面大，使火焰温度降低。此外火焰小，缩短了氮、氧等气体在火焰中的停留时间，因而降低了NO。的生成量。
2.5分段助燃生物质燃烧机
主要组织了空气动力工况和燃料与空气的混合，将助燃空气分多级注入炉内，把燃烧分为低氧还原区与完全燃烧区。即在燃烧的初级阶段，通过供人总空气量20%。70%的非化学当量空气，使燃烧处于低氧浓度状态，以降低火焰温度。然后通过多流股的二次供风，使燃料未燃部分完全燃烬，从而减少氮氧化合物的生成量。
2.6后燃烧控制
利用在特定的温度区域加入某种反应物的方式，破坏已形成的NO，。
日本大阪煤气株式会社开发的低氮氧化合物生物质燃烧机是一种较先进的生物质燃烧机，它综合采用了烟气再循环、分段燃烧、分割火焰等项技术。试验表明，新生物质燃烧机的氮氧化合物生成量比原生物质燃烧机降低了50%。另外，S&W公司除采用低氮氧化合物生物质燃烧机外，还采用注氨的方法，将烟气与注入的氨混合或通过气体分配板进入脱硝反应嚣，排气中的氮氧化合物被氨还原成氮和水等无害气体排出。
3低氮氧化合物试验研究
低氮氧化合物生物质燃烧机的试验研究是在直径1.56 m、长4.4 m的卧式圆筒炉内进行。通过对喷嘴结构选型、烧嘴砖配置及调风器设计等多方案研究，共设计出3套不同喷孔直径、不同孔数，但喷孔总面积相同的喷嘴。l号喷嘴（普通型）参照普通底部生物质燃烧机喷嘴结构，开4个忆．0 mm孔。Ⅱ号喷嘴（分割火焰型）在I号喷嘴的基础上，依据分割火焰的原理，开6个机．6咖孔。Ⅲ号喷嘴（浓淡型）在Ⅱ号喷嘴的基础上，依据浓淡燃烧原理开6个孔，直径分别为1.8 mm(2个)、1.3 mm（2个）、1.8 mm(2个)。依据分段燃烧原理在原烧嘴砖结构
上加开二段风风道，并设置调节风门。
试验所用的燃料为气体燃料（瓦斯气），故燃烧时不会有燃料型氮氧化合物生成，空气过剩系数大于1时，只有热力型氮氧化合物。试验在各工况条件一致的情况下，通过更换喷嘴及加二段风，得到不同过剩空气系数下各喷嘴的烟气试验数据。
