肖丽光
抚顺矿业集团工程技术研究中心，辽宁 抚顺 113008
摘 要：为了控制蓄热式加热炉燃烧装置排放的氮氧化物对生态环境的危害，对低氮燃烧做了大量的改进和优化工作，控制炉内燃烧 NOx的生成量，通过维持炉温的均匀性避免产生局部高温，同时控制燃烧室内流场，强化气流的均匀分布、强化空气与燃料的混合程度，从而有效控制局部空气过剩系数。在同等燃料条件下，改造后大幅度降低燃烧室NOx的生成量。
关键词:加热炉 氮氧化物 低氮燃烧器
前言
蓄热式加热炉属于油页岩干馏工艺中的关键装备之一，主要功能是为干馏炉提供充足的热量，以完成油页岩的干馏过程。蓄热式加热炉采用蓄热式燃烧技术，在同一炉膛内，交替切换燃烧过程和瓦斯加热过程，在两个过程中烟气和被加热的冷瓦斯交替通过蓄热装置，达到利用烟气热量加热瓦斯的目的。
加热炉的燃烧器是属于扩散燃烧性质的燃烧器，具有边混合边燃烧的特征。在燃烧过程中会生成氮氧化物，氮氧化物(NOx)的种类很多，但造成大气污染的主要是一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)，因此环境学中的NOx一般指这二者的总称。
加热炉中的氮氧化物排放通常由约90％到95%的NO和约10%到5%的NO2组成。NO一旦排放到大气中,在光触媒的作用下几乎立即反应生成NO2。氮氧化物除直接影响环境空气中二氧化氮 (NO2)浓度外，还对细颗粒物(PM2.5)、臭 氧(O3)浓度有协同影响作用。并且已有研究证明，NOx在光照条件下还会发生光化学反应，所生成的化学烟雾会对人的眼睛、鼻、喉等器官造成刺激，使人产生慢性支气管炎、鼻粘膜刺激、哮喘等疾病，严重的甚至会引发肺癌。国家环保已明确要求需切实减少NOx的排放量。在此背景下，围绕蓄热式加热炉的低氮氧化物燃烧技术展开研究，设计出一种高效实用的低NOx燃烧器具有重要的现实意义。
1.加热炉氮氧化物的生成分析
控制NOx排放的技术措施可分为两大类：一是所谓的一次措施，其特征是通过各种技术手段，控制燃烧过程中NOx的生成反应。属于这类措施包括所有的运行改进措施和除燃料分级技术外的燃烧技术措施。另一类是二次措施，其特征是把已经生成的NOx通过某种手段还原为N2，从而降低NOx的排放量。属于这类措施的有选择性催化还原法（SCR）、非催化还原法（SNCR），以及80年代后期才出现的燃料分级燃烧技术。
通过对加热炉烟气产生流程进行分析发现, 燃烧中的NOx根据产生机理可分为：燃料型、热力型及快速型３种：
1）热力型氮氧化物，指空气中的氮气在1350℃以上高温下氧化而生成的，在火焰峰值温度1400℃及以上时，氮氧化物的排放量会大幅增加，氧气和燃料气混合的越快、越充分、燃烧速度越快，火焰峰值温度就越高，而随着过量空气百分比的增加，氮氧化物的排放量也会增加。
2）快速型氮氧化物，指空气中的氮气与燃料中的碳氢离子团(CH等)反应生成HCN化合物，再燃烧生成的氮氧化物。
3）燃料型氮氧化物，指燃料中的有机氮化合物在燃烧过程中氧化生成的氮氧化物。
其中，燃料型的NOx是由燃料中氮化合物在燃烧中氧化而成，而热力型与快速型则均与燃烧控制过程有关，为降低 NOx生成，需定量分析 NOx生成量与炉温以及空气过剩系数的之间的关系。
2.NOx生成量与燃烧室工况的关系
燃烧室反应过程中，加热炉的NO和NO2生成量与燃烧室工况密切相关，定量分析空气过剩系数α=0.95、1、1.05 的情况下，NOx生成量与炉温以及空气过剩系数之间的关系，从而寻求最佳控制参数。统计时将计算图中得到的体积分数数据换算成 mg/m3，如表1所示：
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通过大量的实验和监测，分析NOx生成量与炉温以及空气过剩系数之间的关系表1得出以下结论：
1）NOx的生成量随炉温及燃烧温度的升高而呈指数级上升，控制热量的分配，维持炉温的均匀性可避免产生局部高温。
2）控制燃烧室内流场，强化气流的均匀分布、强化空气与燃料的混合程度则可有效控制局部空气过剩系数。
3）增加分配器使得均匀度U值由0.36增加至0.78（理想均匀U值=1），有效的均化热与流场，在同等条件下，可以降低燃烧室NOx的生成。
3.低NOx燃烧器的应用
空气分级低NOx燃烧器是目前使用最广泛，技术最成熟的燃烧器，其基本原理是在燃烧器喷口附近的着火区形成a<1的富燃料区，形成还原性气氛，同时将二次风分成2股，分级送入已着火的煤粉气流。通过调查数据分析，建议采用空气分级的原理，可对风量进行合理控制，安全性高，可以保证燃料充分燃烧的同时，降低燃烧区域的温度，抑制热力型NOx的生成。
在现有燃烧器的位置上方、热循环瓦斯出口下部，加热炉炉壁上再增加一台燃烧器，接到现有燃烧风总管上，利用蝶阀调整进风量，使得新增的燃烧器能够实现二次燃烧功能。通过二次布风的配合，使没有燃烧充分的燃烧瓦斯可通过二次燃烧全部消耗，使得燃烧室通道中不再可能形成局部的高温区域。改造后结构如图1：
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4.改造前后烟气NOx含量检测结果对比分析
进风变化对氮氧化物浓度影响较大，通过调整配风比例，可实现低氮燃烧，使氮氧化物排放满足要求。改造前后烟气NOx含量检测结果对比情况如表2：
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改造后，烟气中氧含量均超过2%，说明供氧充足，可保证瓦斯气燃烧完全，烟气中无可燃物。加热炉加热温度变化不大，对干馏供热无影响。
5.结论
本项目经优化设计后：
1）综合供热能力增加：额定热瓦斯供给有48180m3/h 增加至56126m3/h，供热能力增加大16.5%，额定燃烧量增加至单炉19000Nm3/h，蓄热体重量由原 295t增加至365t、换热面积由4720m2增加至8455m2，同时散热量减少，外壁温度降至≤58℃，燃尽率提高等各因素协同影响，综合供热能力增加。
2）燃烧室燃烧能力增大：额定燃烧量增加至单炉19000 Nm3/h，提高燃尽率、同时燃烧生成的烟气通过热量分配器使得热量利用更均匀，全炉燃烧能力提高约 20%，采用了低 NOx 燃烧器。
3）蓄热室蓄热换热能力增大：蓄热面积由4720m2增加至8455m2，换热能力增加约 79.1%、蓄热体重量由原295t 增加至365t，蓄热能力增大 23.7%。
4）全炉热量分布均匀，热效率提高：增加分配器使得均匀度U值由 0.36增加至0.78（理想均匀U值=1），有效的均化热流场，在同等条件下，更有效的利用蓄热室内的蓄热体，增大蓄热量，延长送风时间，蓄热体充分利用，热效率提高。
5）氮氧化物降低：控制炉内燃烧 NOx的生成量，通过维持炉温的均匀性可避免产生局部高温，同时控制燃烧室内流场，强化气流的均匀分布、强化空气与燃料的混合程度则可有效控制局部空气过剩系数。在同等燃料条件下，改造后可以降低燃烧室 NOx的生成。
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作者简介：肖丽光（1982-），女，硕士，工程师，主要从事油页岩干馏工艺的环保治理技术研究。
E-mail:xlg0101@163.com