焚燒爐高效清潔燃燒工藝研究及應用

作者簡介：高夢路（1992-），工程師，從事工業爐電氣自動化的設計工作，949718900@qq.com。

引用本文：高夢路.焚燒爐高效清潔燃燒工藝研究及應用［J］.化工自動化及儀表，2024，51（2）：357-364.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202402028

摘 要 國內某化工廠配置的兩座焚燒爐，主要用于處理發酵尾氣中未完全反應的CO，同時副產蒸汽供蛋白車間、蒸餾車間使用。為實現“雙碳”目標，分析產生NO的影響因子，確定工業上可采用煙氣跟空氣混合的外部煙氣回流方式來實現焚燒爐的清潔燃燒。提出了一種高效清潔燃燒裝置，實現了煙氣與空氣混合的功能，進一步建立了焚燒爐不同熱負荷輸出下煙氣殘氧量、煙氣與空氣混合后的氧氣濃度、助燃氣體及助燃氣體中的煙氣流量設定策略。與傳統的燃燒系統相比，所提出的高效清潔燃燒系統在全速升溫、控速升溫和保溫階段的煤氣消耗分別增加了38.2 m3/h，降低了382.85 m3/h，降低了160.44 m3/h；NO濃度分別降低了32.90、96.36、151.67 mg/m3。

關鍵詞 焚燒爐 殘氧量 外部煙氣再循環 空燃比 NO排放濃度

中圖分類號 TQ534.9? ?文獻標志碼 B? ?文章編號 1000-3932（2024）02-0357-08

廢氣焚燒爐是利用輔助燃料燃燒所產生的熱量，把可燃的有害氣體的溫度提高到反應溫度，從而發生氧化分解的設備，主要由燃燒室、廢氣加熱區、余熱回收系統和排風系統組成［1，2］。為了節省燃料、確保燃燒安全［3，4］并提高運行穩定

性［5，6］，通常在爐內生成長明火，可以以燃氣或高熱值廢氣作為長明火燃料。然而為了保證煙氣中無CO殘留，通?？諝膺^剩系數需要大于1，這無疑增加了NO的排放濃度［7］。

在“雙碳”目標下，化工行業面臨著嚴峻大考，如何使焚燒爐實現高效清潔燃燒將關系到化工企業能否打破“貿易壁壘”，并在未來發展中占據先機［8，9］。為此，亟需開展減少焚燒爐燃氣消耗并降低NO排放濃度的相關研究。

1 問題調研

國內某化工企業共配置兩座焚燒爐，主要用于處理發酵尾氣中未完全反應的CO，同時副產蒸汽供蛋白車間、蒸餾車間使用，其燃燒系統如圖1所示。發酵尾氣通過進氣閥門進入尾氣處理裝置，隨后經過尾氣預熱器預熱后，再與焦爐煤氣、沼氣混合?；旌虾蟮臍怏w作為焚燒爐燒嘴燃燒用燃氣，并與經過風機增壓后的熱空氣在焚燒爐內燃燒，產出約850～950 ℃高溫煙氣，CO經高溫焚燒和充分熱力氧化后，達到排放要求。

燃燒理論將NO的生成分為熱力型NO（Thermal NO）、快速型NO（Prompt NO）、燃料型NO（Fuel NO）、N2O中間型NO和NNH型NO

5種［10～12］。焦爐煤氣含氮量較低（2%～3%），燃燒溫度高，NO來源主要為熱力型NO。

熱力型NO主要由約95%的NO組成，其生成機理一般采用澤爾多維奇機理［12］，主要影響因素有反應溫度、反應時長、氧氣濃度和氮氣濃度。澤爾多維奇機理如下：

［NO］=Kte［N］［O］（1）

其中，K為系數，5.2×1017；K也為系數，-72 300；t為反應時間，s；T為反應溫度，K；［NO］為生成NO的濃度，ppm（1ppm=0.001‰）；［O］為參與燃燒的氧氣濃度，%；［N］為參與燃燒的氮氣濃度，%。

由式（1）可知，為了降低燃燒過程中的NO濃度，需要降低反應溫度、氮氣濃度、氧氣濃度和縮短反應時間。然而，反應溫度與生產工藝有關，控制范圍±20 ℃，可優化窗口較窄；反應時間影響著加熱效率，反應時間越短，加熱效率越低，且對爐墻耐材的熱沖擊較大，容易產生局部熱點，影響耐材使用壽命。故關于焚燒爐高效清潔燃燒工藝就聚焦在如何降低反應的氧氣濃度和氮氣濃度。

該焚燒爐燃氣采用的是焦爐煤氣，完全燃燒后產生的煙氣成分主要由CO、O、N、HO、NO等構成，與空氣相比，煙氣的特點為低氧、低氮、高NO。結合式（1）可知，采用煙氣跟空氣混合的方式可在一定程度上降低NO的排放濃度。

2 高效清潔燃燒工藝研究

2.1 高效清潔燃燒裝置

為了實現煙氣與空氣混合的功能，設計了一種外部煙氣回流裝置，如圖2所示。在煙氣排放管道增加一路支管，利用風機的抽力將一部分煙氣抽送至助燃風機入口；此外，為了實現煙氣回流比的調節功能，在該支管配置流量調節閥FCV03和流量變送器FT03。

2.2 燃燒控制系統開發

由于煙氣與空氣混合后的助燃氣體中的氧氣濃度低于空氣中的氧氣濃度，在燃氣量一定時，要使其完全燃燒就需要更多的助燃氣體。為了定量計算煙氣與空氣混合后的理論空燃比，建立了焚燒爐不同熱負荷輸出下燃燒系統關鍵參數的計算策略，其架構如圖3所示，主要包括3部分：煙氣中殘氧量設定策略；煙氣與空氣混合后的氧氣濃度設定策略；空氣及與空氣混合的煙氣流量設定策略。

煙氣中殘氧量設定策略。燃氣流量F的計算式如下：

F=max，（2）

其中，P為焚燒爐熱負荷輸出，%；LCV為燃氣熱值，kJ/m3，焦爐煤氣熱值范圍為16 500～18 500 kJ/m3；P為焚燒爐燒嘴總功率，kW。

煙氣中殘氧量設定值O的計算式如下：

O=k？搖？搖？搖? ? ? ，0%＜P≤6%k？搖？搖？搖? ? ? ，6%＜P≤11%k？搖？搖？搖? ? ? ，11%＜P≤15%k？搖？搖？搖? ? ? ，15%＜P≤18%k？搖？搖？搖? ? ? ，18%＜P≤20%（P-20）+k，20%＜P≤100%（3）

其中，k（i=1，2，…，6）為焚燒爐熱負荷輸出對應的殘氧量設定值，對于焦爐煤氣，k～k的范圍為15%～18%，k～k的范圍為2.5%～6.5%。

煙氣與空氣混合后的氧氣濃度O設定策略。具體策略為：

a. 全速升溫階段，O控制范圍為19%～20%；

b. 控速升溫階段，O控制范圍為14%～19%；

c. 保溫階段，O控制范圍為8%～18%。

助燃氣體及助燃氣體中的煙氣流量設定策略。根據燃氣流量F、煙氣中殘氧量設定值O、煙氣與空氣混合后的氧氣濃度O，得到助燃氣體（空氣+煙氣）的流量設定值F和與空氣混合燃燒的煙氣流量F。

助燃氣體（空氣+煙氣）流量設定值F的計算式如下：

F=F（4）

其中，F為煙氣與空氣混合后的流量，即流量變送器FT01測量值，Nm3/h；F為燃氣流量，即流量變送器FT02測量值，Nm3/h；f為燃氣完全燃燒生成的煙氣量與燃氣量體積比，無量綱，取4.678 0；r為理論空燃比，無量綱，取4.094 8。

與空氣混合的煙氣流量F的計算式如下：

F=F（5）

其中，F為與空氣混合的煙氣流量，即流量變送器FT03的測量值，Nm3/h。

某焚燒爐有12個燒嘴，每個燒嘴功率120 kW，燃氣采用焦爐煤氣，熱值LCV為17 038.81 kJ/m3，理論空燃比r為4.094 8，燃氣完全燃燒生成的煙氣量與燃氣量體積比f為4.678 0。

根據式（2）～（5）可得到不同熱負荷輸出下，高效清潔燃燒系統的過程控制參數（表1）。

焚燒爐熱負荷輸出與煙氣中殘氧量、不同爐況下助燃氣體中的氧氣濃度關系如圖4所示。隨著熱負荷輸出的增加，煙氣中的殘氧量逐漸增加，不同加熱階段的殘氧量逐步降低。

熱負荷輸出與燃氣流量設定值、助燃氣體流量設定值、煙氣回流量設定值之間的關系如圖5所示。由圖5中的各趨勢可以看出，在熱負荷輸出大于20%時，隨著熱負荷輸出的增加，煙氣回流量逐漸增加；小于20%時，隨著熱負荷輸出的增加，煙氣回流量逐漸減小。

3 工業化應用效果

筆者分別試驗了傳統燃燒系統與高效清潔燃燒系統在全加熱周期內的NO生成量和煤氣消耗變化趨勢。試驗期間，每隔30～60 min，對煙氣成分進行檢測并記錄過程數據，如圖6所示。由圖可知：傳統燃燒系統在升溫階段，隨著退火溫度的增加，NO生成量緩慢增加；保溫階段，NO生成量急劇增加。

全速升溫階段數據見表2，由表2中數據可以看出，高效清潔燃燒系統比傳統燃燒系統的焚燒爐，煤氣總消耗增加了38.2 m3，NO濃度降低了32.90 mg/m3。

控速升溫階段數據見表3，由表3中的數據可以看出，0高效清潔燃燒系統比傳統燃燒系統的焚燒爐，煤氣總消耗降低了382.85 m3，NO濃度降低了96.36 mg/m3。

保溫階段數據見表4，由表4中的數據可以看出，高效清潔燃燒系統比傳統燃燒系統的焚燒爐，煤氣總消耗降低了160.44 m3，NO濃度降低了151.67 mg/m3。

4 結束語

提出了一種高效清潔燃燒裝置，實現了煙氣與空氣混合的功能；建立了焚燒爐不同熱負荷輸出下煙氣殘氧量、煙氣與空氣混合后的氧氣濃度、助燃氣體及助燃氣體中的煙氣流量設定策略。測試了焚燒爐高效清潔燃燒系統與傳統的燃燒系統，在全加熱周期內的NO生成量和煤氣消耗變化趨勢。與傳統的燃燒系統相比，高效清潔燃燒系統在全速升溫階段中煤氣消耗增加了38.2 m3/h，NO濃度降低了32.90 mg/m3；在控速升溫階段煤氣消耗降低了382.85 m3/h，NO濃度降低了96.36 mg/m3；在保溫階段煤氣消耗降低了160.44 m3/h，NO濃度降低了151.67 mg/m3。

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（收稿日期：2023-02-17，修回日期：2024-01-21）