燃烧器NOx 排放理论

forgebbs

一、概述

燃烧器是为加热炉或反应炉提供热源的装置，燃烧器工作过程中不可避免的产生噪音或化学污染物；其中最为需要关注的污染物是氮氧化物；

氮氧化物（NOx）是一组气体的总称；许多氮氧化物无色无味。当燃料在高温下燃烧时，会形成氮氧化物。在工艺加热炉中形成的氮氧化物的大部分（95%至98%）为一氧化氮（NO），其余为其他氧化物。NO在排放到大气中后最终转化为二氧化氮（NO2），因此监管机构已经根据排放的NO2定义为评定物；

需要意识到过度的强调限制某一种污染物的排放必然会带来其他污染物的产生；例如，燃油燃烧器追求过低的NOx会带来颗粒物的产生，燃气燃烧器追求过低NOx排放，会带来烟气中CO的增加；

二、影响NOx的重要因素

影响NOx形成的因素有很多；包括助燃空气和燃料气的组分和温度、燃料与助燃空气的比例、燃烧器和工艺炉的设计、炉膛和烟气的温度以及燃烧系统的操作参数等等。下文引用国外实验室数据说明各参数对NO的影响特性；

1、空燃比（当量比）（烟气氧含量）

下图为实验室内各燃料在绝热平衡条件下，各燃料当量比与NO预测值之间的关系；NO随着当量比减少先增加再减少 (equivalence ratio <1) ，随着当量比增加(equivalence ratio >1而减少；


Equivalence ratio 当量比：表示为化学当量的空燃比与实际燃烧的空燃比之比，其单位为1，对于富燃料混合物，当量比大于1，反之对于贫燃料混合物，则小于1；

下图为实验室内常温常压条件下，不同燃料的绝热火焰温度与当量比之间的关系。

以上解释了，为什么在fuel-rich条件下NOx会显著的减少；原因一，火焰温度显著降低；原因二是化学反应在还原性气氛，CO的生成优与NO的生成；制造还原气氛区可以用于低NO燃烧器的设计：燃烧产生的废气流经还原区，NOx被还原回N2；在还原区形成的CO和未燃尽燃料会在下游燃烧，但其燃烧器反应温度，远低于常规燃料燃烧反应温度，会降低NOx的生成；

同时，在更严重的fuel-lean的条件下（＜0.8），NO也会减少；因为过多的助燃空气导致了火焰温度的降低；有一种减少NOx排放的技术原理被称为超贫预混；一部分燃料在超级贫燃料的气氛中燃烧，剩余其他部分的燃料喷入超贫区下游并保持总体燃烧反应轻微贫燃；

实际的应用中，我们通常评估测量烟气中氧含量；下图为反映在烟气中氧含量的变化，对于NO生成的变化率；随着燃烧器的过量空气增加，NOx浓度将达到最大值；继续额外增加过量的空气将降低NOx的浓度；


2、燃料、助燃空气温度

2.1助燃空气预热

下图为实验室内绝热平衡条件下各种燃料气当量燃烧的助燃空气气温度与预测NO的关系曲线；助燃空气预热手段可以提高加热炉整体热效率，此应用越来越广泛；可以看到所示的三种燃料，NOx都会随着助燃空气温度的升高显著加；

下图为实验室内绝热平衡条件下各种燃料气当量燃烧的助燃空气气温度与绝热火焰温度的关系曲线；显示绝热火焰温度随着空气预热温度近似线性增加。上图NO排放量的增加也反应了火焰温度的增加趋势。


因为燃料气流量占比小，所以相对于空气的预热温度，燃料气的预热温度对NO的影响要小很多；


总体上高温有利于NOx的产生，随着助燃空气温度的升高，局部火焰温度和NOx都会随之升高；助燃空气会提高效率，也会造成排放的增加；下图为实际应用情况，其他参数不变，助燃空气温度增加与NO增加比例的关系；

forgebbs

3、烟气温度（炉膛温度）

下图为实验室内绝热平衡条件下各种燃料气当量燃烧的烟气温度与预测NO的关系曲线；可以看所示的三种燃料，NOx都会在高于约2000°F（1100°C）的温度下迅速上升。即证明了热力型NOx作为温度的函数呈指数级增加；所以减少NOx排放的燃烧设计思路都是需要降低火焰温度，因为它对NOx的影响巨大；例如向火焰区喷入蒸汽，来降低NO排放效果显著，当然这会一定量的影响到加热炉的热效率；

实际应用中，我们只能通常评估加热炉的炉膛温度；如下图NOx将随着加热炉炉膛温度的升高而增加；不同类型的燃烧器会同时影响NOx排放及炉膛的热量分布 ，炉膛热量分布也会影响到炉膛温度；


4、燃料组分

4.1N

下图为实验室内绝热平衡条件下氮气甲烷混合燃料气当量燃烧的组分占比与预测NO的关系曲线；燃料气体中的双原子氮（N2）对NOx没有贡献，因为助燃空气中也有足够大量的N2 ；反而因为燃料中的N2对绝热火焰温度的影响，而降低了NO的产生；

然而，任何含有N化合物而非双原子氮（N2）的燃料气体都将显著升高NOx排放；燃料中含氮化合物对NOx有显著影响；含N量越高，NOx排放就越高，但这种关系不是线性的，这就牵扯一个N-NO转化率的问题；一般而言燃料中的有机N元素越高，转化率越低。但NOx生成的总量是升高的；


4.2H2

绝热火焰温度较高的燃料组分通常会产生更多的热力型NOx，因此高氢燃料通常会比其他燃料产生更高的NOx水平;

下图为实验室内绝热平衡条件下氢气甲烷混合燃料气当量燃烧的组分占比与预测NO的关系曲线；

下图为实际应用情况，其他参数不变，燃气中H占比增加与NO增加比例的关系；即燃气中H2含量对NOx的影响趋势；

下图为实验室内绝热平衡条件下N2+CH4及H2+CH4混合燃料气当量燃烧的组分占比变化与绝热火焰温度的关系曲线；N2占比增加将会大幅降低绝热火焰温度；


4.3 C4+

（C4+）不饱和烃将提高火焰温度和NOx浓度；其主要产生的是快速型NOx；

绝热火焰温度主要受燃气组分、助燃空气温度和过剩空气量的影响；虽然实际燃烧过程不是绝热的过程，我们通常用绝热火焰温度评估热力型NOx的水平； 当然我们可以通过燃烧器的设计采用各种手段在一定范围内降低NOx的排放；

5、燃料与助燃空气的混合形式

燃烧器设计的空气和燃料的混合形式将会直接影响NOx排放；

下图显示两种燃烧器类型（预混和外混）在相同当量比条件下的相对NOx排放；需要注意；NOx排放的具体值取决很多设计细节，下图仅仅代表说明一种趋势及其差别；

本文上面实验室内的绝热条件燃烧数据一般都是预混合的火焰模型，实际应用的预混燃烧不会到达那么高的火焰温度；因外混燃烧器的空气与燃料是一边混合一边燃烧，其实际的火焰温度又会远远的低于预混燃烧器；通常情况下，外混燃烧器的NOx排放要低于预混燃烧器；

实际燃烧器的设计空气与燃料的混合及其辅助混合方式可挖掘的空间有很大，此为低NOx排放燃烧器开发之关键，但这种开发设计需要以燃烧器在各工况下维持稳定燃烧为前提；

duangong

目前对炉窑的NoX排放要求越来越高，必须认真学习。