1 低熱值燃?xì)馊紵匦?

低熱值氣體燃料并沒有明確的概念，通常根據(jù)氣體燃料自身發(fā)熱量可將氣體燃料分為高熱值燃料（Q＞15.07MJ/m3）、中熱值燃料（6.28MJ/m3＜Q＜15.07MJ/m3）及低熱值燃料（Q＜6.28MJ/m3），工業(yè)中常見的低熱值氣體燃料主要有化工過程低熱值尾氣、高爐煤氣、石油化工行業(yè)冶煉尾氣、煤礦低濃度瓦斯氣等。其中，高爐煤氣、煤層氣等熱值介于3.0～6.28MJ/m3的低熱值燃料的研究應(yīng)用已逐步展開，但在工業(yè)生產(chǎn)中還存在一些工業(yè)廢氣，含有少量的可燃成分，熱值非常低，甚至遠(yuǎn)低于3.0MJ/m3，這種超低熱值燃?xì)夥N類很多，比如某些煤層氣、生物質(zhì)氣化氣、垃圾掩埋坑氣、炭黑尾氣、一些工藝廢氣等。超低熱值燃?xì)獗鹊蜔嶂等細(xì)恻c(diǎn)火、穩(wěn)燃更困難，能量密度低，長距離輸送不經(jīng)濟(jì)，在當(dāng)?shù)貨]有合適的熱用戶時(shí)只能直接放散，既浪費(fèi)能源又污染環(huán)境。

低熱值燃?xì)馊紵?/a>特性主要包括以下幾個(gè)方面：

3 低熱值燃?xì)獾?a class=" wrap external" target="_blank" rel="nofollow noreferrer" data-za-detail-view-id="1043">低氮燃燒器技術(shù)

NOx是NO、NO2和N2O等多種氮氧化物的統(tǒng)稱，燃燒產(chǎn)生的NOx以NO為主。NOx的生成有燃料型（fuel-NOx）、熱力型（thermal-NOx）、快速型（prompt-NOx）、N2O-中間體型和NNH型5種機(jī)理。通常認(rèn)為，燃料氣和燃料油往往不含或含有少量的燃料氮，其燃燒過程產(chǎn)生的NOx以熱力型為主，但由于低熱值尾氣來源于不同的化工生產(chǎn)過程，如炭黑生產(chǎn)，其生產(chǎn)過程除生成NOx外，還有HCN、NH3等氮氧化物前驅(qū)體的生成，這些前驅(qū)體在尾氣處理燃燒過程中則可能發(fā)生如下式（1-4）所示的反應(yīng)，既有可能被氧化生成NOx，也有可能成為脫氮的還原劑。當(dāng)溫度超過1000℃，反應(yīng)（1）（2）加劇，因此此類燃料型NOx同樣需要控制燃燒溫度，否則將進(jìn)一步增加煙氣中的NOx含量。

4NH3+5O2→4NO+6H2O （1）

4HCN+7O2→4NO+2H2O+4CO2 （2）

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O （3）

4HCN+4NO+3O2→4N2+2H2O+4CO2 （4）

3.1 低過量空氣燃燒

低過量空氣燃燒是燃燒過程盡可能在接近理論空氣量的條件下進(jìn)行，隨著煙氣中過量氧的減少，可以抑制煙氣中氮氧化物前驅(qū)體與O2的反應(yīng)，這是一種.簡單的降低NOx排放的方法，可降低NOx排放15%～20%。但同時(shí)，如果爐內(nèi)氧含量過低，如低于3%，則有可能導(dǎo)致燃?xì)獾牟煌耆紵?，出口煙氣中CO含量或其他可燃物含量增加，降低燃燒效率。

3.2 空氣分級燃燒

空氣分級燃燒技術(shù)是將助燃空氣分級送入燃燒裝置的技術(shù)，通常在..級燃燒區(qū)，將助燃空氣量減少到總?cè)紵諝饬康?0%～75%（相當(dāng)于理論空氣量的80%），使燃料先在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒，過量空氣系數(shù)α＜1，在降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平的同時(shí)，在燃燒區(qū)域形成還原氣氛，抑制了NOx在..級燃燒區(qū)的生成量。為了完成燃?xì)馊紵^程，將完全燃燒所需的其余空氣送入第二級燃燒區(qū)，與..級“貧氧燃燒”產(chǎn)生的煙氣混合，此階段空氣系數(shù)α＞1，**了燃?xì)獾娜紶a度，同時(shí)，由于..階段產(chǎn)生的煙氣對空氣的稀釋，局部氧含量降低，有利于降低反應(yīng)（1）（2）的反應(yīng)速率。由于整個(gè)燃燒過程所需空氣是分兩級或多級送入燃燒區(qū)域，故稱為空氣分級燃燒法。才雷等將空氣分級燃燒技術(shù)作為降低鍋爐NOx排放的主要燃燒控制手段，通過對一次風(fēng)二次風(fēng)的給入控制，將煙氣出口NOx含量由1164.92mg/m3降低至704.7mg/m3。

3.3 燃料分級技術(shù)

燃料分級燃燒技術(shù)又稱為三級燃燒技術(shù)或再燃燒技術(shù)，空氣和燃料都分級送入爐膛，形成初始燃燒區(qū)、再燃區(qū)和燃盡區(qū)。其原理是利用燃燒中已生成的NO遇到烴根CHi和未完全燃燒產(chǎn)物CO、H2、C和CnHm時(shí)，會(huì)發(fā)生NOx的還原反應(yīng)，進(jìn)而降低NOx的排放。將80%～85%的燃料送入..級燃燒區(qū)，在α＞1條件下，燃燒并生成NOx；其余15%～20%的燃料送入二級燃燒區(qū)，在α＜1的條件下形成很強(qiáng)的還原性氣氛，使得在一級燃燒區(qū)中生成的NOx在二級燃燒區(qū)內(nèi)被還原成氮?dú)?，二級燃燒區(qū)又稱再燃區(qū)，在再燃區(qū)中不僅使得已生成的NOx得到還原，還抑制了新的NOx的生成；由于可能存在未燃燼的燃料，需在第三級燃燒區(qū)送入空氣，**再燃區(qū)中生成的未完全燃燒產(chǎn)物的燃盡。美國John Zink公司利用燃料分級燃燒原理開發(fā)了適用于管式加熱爐的遠(yuǎn)距離分級式爐子工業(yè)燃燒器結(jié)構(gòu)及方法的..技術(shù)，與未采用該技術(shù)的加熱爐相比，可減少28%左右的NOx排放。

3.4 煙氣再循環(huán)

煙氣再循環(huán)時(shí)將一部分低溫?zé)煔庵苯铀腿肴紵齾^(qū)域，或與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合后送入燃燒區(qū)域，不僅降低燃燒溫度，同時(shí)也降低了氧氣濃度，進(jìn)而降低了NOx的排放濃度。美國卡博特公司在炭黑尾氣余熱鍋爐系統(tǒng)中采用了煙氣再循環(huán)技術(shù)對尾排煙氣進(jìn)行了有效控制，當(dāng)循環(huán)煙氣量由占總給入氣體量的0%、6%增大到39%時(shí)，煙氣NOx含量由522mg/m3降低為376mg/m3及246mg/m3。顯然，再循環(huán)煙氣進(jìn)入燃燒區(qū)域后需要吸收熱量，重新升溫至燃燒溫度，過量的再循環(huán)煙氣將導(dǎo)致較低的燃燒溫度，必然引起不燃燒或燃燒不完全的現(xiàn)象，進(jìn)一步將導(dǎo)致燃料無法穩(wěn)定燃燒，通常煙氣再循環(huán)率控制在30%以內(nèi)，以確保燃?xì)獾姆€(wěn)定燃燒。

3.5 低NOx燃燒器

燃燒器的性能對低熱值燃?xì)馊紵O(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性起著主要作用。從NOx的生成機(jī)理出發(fā)，通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)以及通過改變工業(yè)燃燒器的風(fēng)煤比例，可以將前述的空氣分級、燃料分級和煙氣再循環(huán)降低NOx濃度的低氮燃燒技術(shù)用于燃燒器，以盡可能地降低著火氧的濃度、適當(dāng)降低著火區(qū)的溫度達(dá)到.大限度地抑制NOx生成的目的，這是目前低NOx燃燒器的主要設(shè)計(jì)理念。李陽扶等通過特殊的燃?xì)馊紵鹘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將燃料與空氣分級分段給入、燃料與助燃空氣以亞化學(xué)當(dāng)量比率給入、抽取鍋爐尾部煙氣經(jīng)混合裝置與空氣混合后進(jìn)入燒嘴，將強(qiáng)化燃?xì)馀c助燃空氣的混合、分級分段燃燒、煙氣循環(huán)等技術(shù)進(jìn)行集成，大大降低了NOx的生成。低NOx燃燒器中還有一種比較常用的燃燒技術(shù)為低NOx旋流燃燒技術(shù)，如2.4節(jié)所述。旋流燃燒技術(shù)強(qiáng)化反應(yīng)物混合與穩(wěn)定燃燒方面研究者們已形成了共識(shí)，旋流燃燒能夠形成燃燒產(chǎn)物的中心回流區(qū)，回流區(qū)內(nèi)高溫低速的燃燒產(chǎn)物和中間體對未反應(yīng)的空氣和燃料進(jìn)行預(yù)熱、稀釋，能夠有效地強(qiáng)化低熱值合成氣燃燒，在高速射流下形成穩(wěn)定的火焰。與此同時(shí)，煙氣循環(huán)使得爐內(nèi)溫度分布更加均勻，稀釋燃燒反應(yīng)物，降低.高燃燒溫度、縮小高溫區(qū)，降低氧含量，有可能抑制NOx的形成，但不同研究者對旋流燃燒降低氮氧化物排放的研究結(jié)果卻存在較大差異。Coghe等分別采用了不同的燃燒器或旋流方式研究旋流數(shù)對NOx生產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明隨著旋流數(shù)的提高，NOx排放量可降低25%～30%。而Zhou等的研究結(jié)果表明，隨著旋流數(shù)的提高，NOx排放量先增高后減小，且仍高于無旋流時(shí)的排放量。