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纯氧燃烧及其天然气-纯氧燃烧特性
纯氧燃烧及其天然气-纯氧燃烧特性 邢桂菊 (鞍山钢铁学院 热能教研室‚鞍山 114002)
摘 要：纯氧燃烧技术由于具有理论火焰温度高 ‚排气量和 NOx 排放大幅度减少 ‚燃料节约率大大提高以及 缩小设备尺寸等诸多优点 ‚在欧美和日本等国受到重视 ‚发展很快。本文着重介绍了日本关于天然气－纯氧燃烧 特性的研究成果 ‚借以引起国内同行对纯氧燃烧的重视 ‚它对于正在蓬勃兴起的高温空气燃烧(HiTAC)技术的研 究应用 ‚特别是在高温低氧燃烧器设计方面起到很好的参考作用。 关键词：纯氧；天然气-纯氧燃烧特性；NOx ；燃烧器 中图分类号：TF055 文献标识码：A Pure Oxygen Combustion and Natural Gas－Pure Oxygen Combustion Property
XING Gui-ju ( Anshan College of Iron and Steel Technology ‚Anshan 114002 China) Abstract：Pure oxygen combustion technology is paid much attention to and makes a rapid progress in European ‚American and Japan for its many advantages‚such as having high theoretic flame temperature‚reducing exhaust gas and NOx ‚raising fuel saving efficiency ‚lessening equipment dimension and so on．But we have a big gap in researching it and putting it into practice． Key words：pure oxygen；natural gas-pure oxygen combustion property；NOx ；burner
1 前言 通常的燃料燃烧都是以空气作为助燃剂‚空气 中含有 21％的 O2‚79％的 N2‚在燃烧反应中只有 O2起作用‚N2 除了特殊用途外‚仅仅作为稀释剂。 大量的 N2 白白吸收燃烧反应热‚如果不加以回收‚ 不仅加大了温室效应‚而且在燃烧反应过程中易产 生 NOx 气体‚进一步造成环境污染。 从20世纪60年代开始‚人们就把用纯氧作为 助燃剂的燃烧器推荐到工业加热上。而近 10多年 来 ‚从节能和减少污染排放的迫切需要出发‚这项燃
收稿日期：2002-01-05 作者简介：邢桂菊(1955－) ‚女 ‚高级工程师(教授级) ‚清华大学 国内访问学者 ‚从事热工过程技术研究。 烧技术在欧美、日本等国得到迅速发展‚特别在钢铁 工业炉窑和玻璃工业炉窑上得到了广泛的研究和应 用[1~3] 。美国的 Union Carbide Corpratin Linde Di- sion 开发的 A 型燃烧器‚在一台间歇式加热炉上试 验成功之后‚逐渐推广到黑色金属、有色金属和玻璃 工业炉窑上[4] ；日本于 1995年组成由 AGAAB、Air Liguide、Gaz de France、Hoogovens Corporate Ser- vices、Linae AG、日本氧气、东京煤气、IFRF 共 8个 公司参加的联合开发机构‚确立了 OXYFCAM 研究 项目‚对天然气－ 氧燃烧的火焰结构及排气特性进 行了研究‚其研究结果对于设计合理的纯氧燃烧器 结构‚大力开发高效低污染的燃烧新技术‚特别是对 于深入研究高温空气燃烧的低 NOx 生成机理等具 有重要的参考价值[5] 。本文将重点介绍这一研究 成果。
2 纯氧燃烧的特征 纯氧燃烧与在空气中燃烧相比 ‚具有很多的优 点[6~7] 。 (1)理论火焰温度高。从图 1中甲烷、丙烷和重 油在不同的氧浓度下火焰温度的变化可见 ‚纯氧燃 烧时 ‚最高理论火焰温度均可达到 2700℃以上。
图 1 氧浓度变化对理论火焰温度的影响
(2)理论空气需要量大大降低 ‚亦即燃烧排气量 大大减少。如甲烷、丙烷和重油在不同的氧浓度下 所需理论空气量见图 2。
图 2 理论空气量与氧浓度的关系
(3)设备尺寸缩小 ‚设备投资成本和维护费用降 低(当然这是在不需要另外建制氧系统和供氧系统 的情况下)。 (4)NOx 平衡浓度比空气中任何一种含氧量情 况下的值都低 ‚如图3所示。
图 3 NOx 平衡浓度
(5)燃料节约率大幅度提高。 (6)气体辐射效果增大。这是因为没有 N2‚燃 烧生成物中 H2O 和 CO2 的分压提高 ‚使气体辐射能 力增加。 由此可见 ‚氧燃烧可以大大强化炉内传热 ‚提高 生产率 ‚降低成本 ‚减少污染 ‚具有很好的应用开发 前景。 3 天然气－纯氧燃燃的特性
对纯氧燃烧来说 ‚最合适不过的是天然气燃料。 天然气的主要成分是甲烷 ‚其次是乙烷等饱和碳氢 化合物 ‚除此以外含有少量的 CO2‚N2‚H2S ‚CO 等 ‚ 热值很高 ‚它与其它气体燃料及重油相比 ‚更容易实 现低 NOx 和 SO2 等排放 ‚因此日本立专项对此进行
项目分为三部分 ‚各部分主要试验条件见表 1‚试验 炉结构见图 4。 表 1 OXYFLAM 项目试验条件分类
图 4 铺设有耐火材料的试验炉
铺设有耐火材料的试验炉由13个水冷段构成 ‚ 每段宽 300mm ‚断面成 1216mm ×1216mm 的方 形。为了测量火焰 ‚在每个水冷段的侧壁上都开有 窥视窗。试验中的天然气含1．2Vol％的 N ‚氧气纯 度为99．5％以上。 试验过程中采用 3种型式的燃烧器 ‚即环状喷 流扩散燃烧器 ‚多段燃烧器和预混合燃烧器 ‚见图 5。这些燃烧器的各自主要特点是：
(a)环状喷流燃烧器 (OXYFLAM－ 1‚2) (b)多段燃烧器 (OXYFLAM－ 3) 图 5 三种燃烧器的主要结构特征 (c)预混合燃烧器 (OXYFLAM－ 3)
(1)环状喷流扩散燃烧器属于扩散型 ‚天然气通 入中心通道 ‚氧气通入环道 ‚按三个阶段改变喷流速 度以 及 L0 的 长 度 设 计 了 4 种 结 构 ‚并 在 OXYFLAM－ 1和 OXYFLAM －2两项试验中使用 了这种燃烧器。 (2)多段燃烧器的中心是一个天然气喷射口 ‚周 围设置了12个氧气喷射口。按不同的氧气喷射口 的中心间距 Dsep ‚喷射口直径 Di 以及喷射口的配 置 ‚设计了18种结构。并且就喷射口的配置又设计 了 2种型式 ‚其一是氧气呈一字形夹持天然气喷射 口进行喷射；其二是包围天然气喷射口呈十字形从 4个喷射口喷射氧气。 (3)预混合燃烧器是将天然气喷射枪插入氧气 喷射管中 ‚喷枪可以前后移动来改变两种气体的混 合状态。用水冷却的天然气 ‚在喷枪的末端从 1．5 mm 间隙的氧气流中喷射出来。 3．2 火焰结构 在 OXYFLAM－ 1的试验中 ‚环状喷流扩散火
焰均为稳定的轴对称型 ‚靠近燃烧器部分其直径大 小为 100mm ‚在尾流部分的直径为 500~600mm ‚ 而且燃烧器出口附近直到 500mm 处 ‚火焰呈蓝色 ‚ 末端火焰呈黄色。这些火焰的辐射相当微弱 ‚火焰 形状可以明显区分。在 OXYFLAM －2的试验中 ‚ 来自炉壁(耐火材料)的辐射非常强 ‚用肉眼来判别 火焰的形状很困难。在离开燃烧器 1~1．5m 的下 游侧 ‚炭黑火焰略呈黄色发光。在 OXYFLAM －3 的试验中 ‚多段燃烧的火焰也呈黄色发光。 如果用 CO 的浓度为 5000 ×10－6作为火焰的 边界位置 ‚计算和试验的结果都证明：沿轴向的火焰 长度随着喷流速度增加而变短 ‚火焰长度与炉子铺 设耐火材料无关。研究结果还表明 ‚扩大氧气喷射 口的距离 ‚会使火焰容积增加 ‚这一点与高温空气燃 烧中的火焰特性之一大容积火焰是一致的[8] 。带 有4个喷射口的多段燃烧器与环状喷流扩散燃烧器 所形成的火焰具有相似的特性。 4 NOx 排放特性
三种燃烧器的结构对 NOx 的产生有不同的影 响。对于环状喷流扩散型燃烧器来说 ‚当炉壁没有 铺设耐火材料 ‚为“冷炉壁环境”‚排气温度950℃左 右时 ‚NOx 值 (按 3％ O2 换算) 为 (170~450) × 10－6；当炉壁铺设有耐火材料 ‚为“热炉壁环境”‚炉 壁温度和排气温度分别为 1450~1750℃和 1600 ~1750℃的范围时 ‚NOx 值(按3％ O2 换算)为(1 300~1700)×10－6‚比前者平均增大了 4．8倍以 上。而在冷热炉壁两种环境下 ‚喷流速度对 NOx 的 影响见图 6。图中的燃烧器 A、B、C 均为环状喷流 扩散型。
图 6 喷流速度对 NOx 的影响 在冷炉壁环境条件下 ‚高的喷流速度会使氧气 主流从外部循环区卷吸进冷气体 ‚这些冷气体的掺 混 ‚减低了火焰中燃烧生成物的总能量和温度 ‚从而 Thermal-NOx 值 降低。就是 说 当 外 部 循 环 区 比 Thermal-NOx 生 成边界温度1550℃ 低 的 时候 ‚ Thermal-NOx 得到控制。高温空气燃烧的机理也充 分说明了这一点。 由于燃烧空气的高速喷流 ‚卷吸 周围的已燃烧气体到火焰带中 ‚使炉气在炉内再循 环 ‚控制了高温区的形成 ‚从而大大减少了Thermal- NOx 的产生[9] 。而当外部循环区温度超过1550℃ 时 ‚卷吸的影响很复杂 ‚其机理尚未真正弄清楚。N Klallemant ‚F Breussin 等人[5] 估计 NOx 生成区的 体积量不变化时 ‚可能看到与冷炉壁条件下相反的 情况。即高速喷流速度引起卷吸量增大 ‚而卷吸进 来的是比 Thermal-NOx 生成边界温度还要高的气 体 ‚由此 NOx 值增大。不过 ‚实际上不可能存在尽 管喷流速度变化而火焰峰值温度和 NOx 生成区的 体积都不变化的情况。看来 ‚这方面还要进行更深 入的研究。 这种燃烧器对 Fuel-NOx 的生成不敏感 ‚当燃 料中 N2 浓度在10％~15％的范围内 ‚燃料中的 N2 不是 NOx 生成的主要因素。 对于多段燃烧器来说 ‚氧气喷口的数量 ‚喷口之 间的距离及喷口速度等对 NOx 的生成有不同的影 响。具有4个和具有2个氧气喷射口的燃烧器相比 较 ‚后者的火焰峰值温度降低 ‚NOx 生成减少。这 些主要取决于排气的温度。当排气温度比 Thermal- NOx 生成边界温度低时 ‚NOx 生成量与氧气过剩 率、氧气喷口数及喷口距离无关 ‚仅随喷流速度增加 而减少；反之 ‚NOx 生成量增加。这种规律同于上 述的环状喷流火焰中的情况。 在预混合燃烧器的试验中 ‚氧过剩率对 NOx 的 影响很大。NOx 随排气中的氧浓度增加而增加 ‚当 氧气喷射口内的天然气枪从燃烧器前部后退 5~7 cm ‚就可以使 NOx 降低近 60％。之所以出现这种 效果 ‚是因为这种燃烧器的水冷却系统带来了非常 大的热损失。 5 炉子热效率 日本在 OXYFLAM 项目试验中 ‚测得各炉子的 热效率见表 2。值得参考的是 ‚氧气喷射口的中心
间距 Dsep增大 ‚会使炉子热效率提高 ‚见图 7。据研 究者分析认为 ‚这是由于氧气分开的距离增大 ‚导致 火焰容积增加 ‚以及氧气和天然气的混合推迟 ‚碳黑 生成形成辉焰等因素作用 ‚但是通过辐射测定目前 还没有弄清楚是哪一种因素在起着决定性的作用。 表 2 OXYFLAM 试验的炉子热效率
图 7 氧气喷流速度和氧气喷口间距对炉子效率的影响 6 结 语 (1)纯氧燃烧所具有的大幅度减少排气量、NOx 排放、节省燃料、以及缩小设备尺寸等诸多优点 ‚早 已在国外得到深入研发和应用。不过我国天然气的 价格和氧气的成本都比较高 ‚目前还没有引起国内 许多相关领域的重视。从中国已经进入 WTO ‚现 代化的企业必须挑起环保和节能双重重担的严峻形 势来看 ‚我们应该在条件较合适的一些工业炉窑上 ‚ 先走一步 ‚开发出适合国情的纯氧燃烧技术。当燃 料结构和氧气生产等条件都具备时 ‚我们就会上的 快 ‚不致于被别人拉下太大的距离。 (2)纯氧燃烧技术是否可以看成与高温空气燃 烧新技术是多条腿走路的发展措施之一 ‚而前者在 节能和环保方面所带来的效益应该说会更大一些。 在燃烧器的结构上、燃烧特性上有许多相同的研发 内容。天然气－ 纯氧燃烧特性的研究 ‚特别是低 NOx 生成规律 ‚对于高温空气燃烧( HiTAC)技术的 深入研究和应用具有很好的参考价值。 (3)纯氧燃烧技术中的许多机理问题还需要人 们做深入的探讨。 参考文献： [1] Hampton G．oxy-fuel technology saves energy in steel industry combustion processes ’market development ’afrox ltd [J]．Inter- national Foundry ＆ Heat Treatment Conference ‚1985‚5． [2] Jouvaud ‚Dominique I ’Huissier ‚Jean-Francois．Glass melting with pure oxygen combustion：modeling of convective and radia- tive heat transfer [J]．Ceramic Engineering and Science Proceed- ings ‚1988‚9． [3] Tang ‚Jiayang ‚Cooper ‚Alfred R．Application of pure oxygen with batch preheating to glass-melting furnaces [ J ] ．American Ceramic Society Bulletin ‚1990‚69(11) ：1827-1830． [4] 谢仲华．发达国家工业炉窑节能技术[ M ]．上海：华东理工大学 出版社 ‚1995． [5] N Kallemant ‚F Breussin ‚M Tamurn ‚R Weber．1MW ク ラス の天然ガス－酸素燃烧火炎の 热と排ガス特性及び火炎构 造[J]．工业加热 ‚2000‚37(3) ：33~42． [6] Satoru Yasuoka ‚Shin Shizukuishi．酸素燃烧の可能性[J]．燃料 及燃烧 ‚1997‚64(3) ：22~29． [7] 周家骅 ‚李昌厚 ‚吴德荣译．省 エ ネルギ－技术实践シ ソ－ズ [ M ]．北京：机械工业出版社 ‚1989． [8] M Morita．高性能工业炉开发ブロジユク トの成果概要[J]．工 业加热 ‚2000‚37(5) ：23~32． [9] T Tanigawa ‚H Tsuji ‚H Mitsukawa．高性能工业炉开发ブロジ ユク ト の 变迁 と 高温空气燃烧技术 的展望[J ]．工业加热 ‚ 2000‚37(5) ：13~22．
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