練以誠(chéng),康澤雙,王建立,劉萬(wàn)超,毛旭光

(1.中鋁鄭州有色金屬研究院有限公司,河南 鄭州 450041;2.國(guó)家鋁冶煉工程技術(shù)研究中心,河南 鄭州 450041;3.中鋁環(huán)保節(jié)能集團(tuán)有限公司,北京 101300)

高溫氧化鋁是通過(guò)高溫煅燒添加了礦化劑的工業(yè)氫氧化鋁或氧化鋁,生產(chǎn)的低鐵、低堿的α相氧化鋁,因其具有耐腐蝕、抗磨損、絕緣性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于電子陶瓷、耐火材料等領(lǐng)域。α-氧化鋁產(chǎn)品種類很多,生產(chǎn)煅燒溫度普遍在900～1550 ℃,主體煅燒設(shè)備采用產(chǎn)能大、生產(chǎn)效率高、能耗較低的回轉(zhuǎn)窯,燃料以天然氣為主[1-2]。高溫氧化鋁的煅燒要求回轉(zhuǎn)窯煅燒帶保持較高的溫度,火焰形狀保持細(xì)而不長(zhǎng),一方面有利于保證產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率,另一方面有利于形成相對(duì)長(zhǎng)而穩(wěn)定的煅燒帶以形成穩(wěn)定的煅燒窯皮,保護(hù)耐火磚,在此工況下,NOx的產(chǎn)生量很大,當(dāng)前煙氣后治理的脫硝系統(tǒng)可保證煙氣中NOx達(dá)標(biāo)排放,但高濃度的NOx產(chǎn)生量,為后續(xù)脫硝系統(tǒng)增加了很大的負(fù)擔(dān)。2020年7月國(guó)家生態(tài)環(huán)境部修訂完成《重污染天氣重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)急減排技術(shù)指南(2020修訂版)》(環(huán)辦大氣函[2020])340號(hào))[3],要求A級(jí)企業(yè)各工業(yè)窯爐基本完成低氮燃燒+SNCR/SCR脫硝技術(shù)。當(dāng)前對(duì)于低氮燃燒技術(shù)的研究主要集中在燃煤型水泥回轉(zhuǎn)窯以及其他常規(guī)的燃?xì)?煤鍋爐,對(duì)于燃?xì)庑透邷匮趸X回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒技術(shù)尚無(wú)開展相關(guān)研究。隨著NOx排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格及按照國(guó)家節(jié)能減排相關(guān)政策要求,如何有效抑制前端燃燒過(guò)程中的NOx生成量,是當(dāng)前高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒器面臨的重要難題。

本文結(jié)合相關(guān)行業(yè)回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒技術(shù),總結(jié)了高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯煅燒過(guò)程中NOx生產(chǎn)機(jī)理,并探討了高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒可行性。

1 高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒器

燃燒器作為高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯重要組成部分,其性能決定了氧化鋁產(chǎn)品的質(zhì)量及窯內(nèi)耐材的使用壽命,同時(shí)對(duì)高溫氧化鋁生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)、燃料消耗、有害氣體排放都有著顯著影響。目前高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯大多使用多通道燃燒器,而四通道燃燒器使用率占比約75%以上,其主要由燃燒器燒嘴、主管路、天然氣通道、電子打火器、助燃風(fēng)通道及澆注料保護(hù)層組成,其中燒嘴主要由天然氣通道、外風(fēng)通道、內(nèi)風(fēng)通道、中心風(fēng)通道組成。燃燒器主要組成如圖1所示,燒嘴組成如圖2所示。

圖1 燃燒器的組成

圖2 燃燒器燒嘴的組成

對(duì)于燃燒器燒嘴,其各個(gè)通道的作用如表1所示。

表1 燃燒器燒嘴各個(gè)通道的作用

在高溫氧化鋁生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)中心風(fēng)、內(nèi)風(fēng)及外風(fēng)的比例及風(fēng)壓來(lái)調(diào)整火焰形狀,以控制火焰溫度來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)穩(wěn)定性。而在生產(chǎn)過(guò)程中,由于需保持煅燒帶的長(zhǎng)度(一般8～10 m),從而要求燃燒器的火焰保持細(xì)且不能過(guò)長(zhǎng),燃燒比較集中,實(shí)際煅燒帶溫度在1350～1550 ℃,因此NOx的生產(chǎn)量很大,一般在3000～5000 mg/Nm3,后續(xù)的脫硝系統(tǒng)無(wú)論在投資及運(yùn)行成本上壓力很大。

2 高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒NOx生成機(jī)理

2.1 天然氣燃燒生成NOx類型

天然氣燃燒屬于均相燃燒,其燃燒機(jī)理主要分為三個(gè)階段,即燃料與助燃空氣的預(yù)混、預(yù)混燃料氣的升溫著火及混合氣體的燃燒[4-6]。近十幾年來(lái),對(duì)于天然氣類燃料燃燒的NOx生成機(jī)理研究非常多。總體來(lái)說(shuō),NOx的生成為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx三種。對(duì)于天然氣燃料而言,由于天然氣中有機(jī)氮含量較低,由燃料中有機(jī)氮燃燒產(chǎn)生的燃料型NOx可以忽略不計(jì),其燃燒過(guò)程中生成的NOx主要為熱力型NOx、快速型NOx兩種類型[7-11]。

2.2 熱力型NOx生成機(jī)理

熱力型NOx指在高溫條件下,過(guò)剩的空氣中N2氧化而生成的NOx,影響其生成量的直接因素是燃燒溫度,由此熱力型NOx也稱之為溫度型NOx。其生成機(jī)理可表示為:

(1)

(2)

在富氧條件下,氮原子還與OH基發(fā)生反應(yīng):

(3)

以上反應(yīng)式的正、逆反應(yīng)速率常數(shù)如表2所示,上述機(jī)理也稱之為捷里多維奇機(jī)理[12]。

表2 反應(yīng)速率常數(shù)及溫度范圍

熱力型NOx的生成主要集中在火焰下游的高溫區(qū)生成,并受氧濃度、火焰溫度以及在高溫區(qū)的停留時(shí)間影響很大。研究表明,當(dāng)燃燒區(qū)溫度高于1600 K時(shí),熱力型NOx生成量增加明顯,并隨著溫度的升高成正比。當(dāng)燃燒區(qū)溫度高于1800 K時(shí),溫度每升高100 ℃,熱力型NOx生成量將增大6～7倍。同時(shí)當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)<1時(shí),熱力型NOx濃度與過(guò)量空氣系數(shù)提高成正比;當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)>l時(shí),熱力型NOx濃度與過(guò)量空氣系數(shù)提高成反比。此外,熱力型NOx生成量還與煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間成正比,煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間越長(zhǎng),熱力型NOx生成量增加越快,但當(dāng)NOx生成反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí),煙氣停留時(shí)間的增加對(duì)NOx生成量幾乎無(wú)影響[13]。

2.3 快速型NOx生成機(jī)理

快速型NOx是在貧氧富燃料的條件下碳?xì)浠衔锶剂显诨鹧鎱^(qū)快速生成的NOx,因此又稱為瞬時(shí)型NOx,其生成機(jī)理為碳?xì)錈N(CHi)離子撞擊空氣中的氮分子進(jìn)行反應(yīng)形成氮基(N)或氰基化合物(HCN)等中間體,中間體再與活性氧化基反應(yīng)生成NCO,最終NCO被氧化生成快速型NOx。雖然其生成途徑不同于熱力型NOx,但快速型NOx實(shí)際上是一種廣義熱力型NOx。研究表明,快速型NOx的生成量占總NOx生成量的比例一般≤1%。

根據(jù)其生成機(jī)理,快速型NOx生成量主要由碳?xì)漕惾剂系娜紵龥Q定,此外也受過(guò)量空氣系數(shù)的影響。當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)≥1時(shí),HCN的生成量受富余氧含量的影響,其生成量很少,從而導(dǎo)致快速型NOx生成水平較低;當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)略小于l時(shí),在此貧氧條件下,HCN的生成量很大,快速型NOx生成量最大;而當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)<0.7時(shí),在貧氧富燃料條件下,HCN生成量隨著燃料濃度升高而增加,但由于氧濃度較低,燃燒過(guò)程中HCN大部分轉(zhuǎn)變?yōu)镹2,此時(shí)快速型NOx的生成量并不高。研究表明,快速型NOx主要由HCN生成,而燃燒過(guò)程中一般為富氧條件下燃燒,HCN產(chǎn)生量較少,因此一般來(lái)說(shuō)快速型NOx生成量較少[14]。

2.4 回轉(zhuǎn)窯燃燒NOx產(chǎn)生量現(xiàn)狀及原因

當(dāng)前由于高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度較高,燃燒器焰心溫度在2300 K以上,回轉(zhuǎn)窯內(nèi)NOx生產(chǎn)類型主要以熱力型NOx為主[15]。通過(guò)前期對(duì)高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯煙氣NOx濃度測(cè)試情況看,不同煅燒溫度NOx生成量水平差別很大,如表3所示。

表3 高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯煅燒溫度對(duì)NOx生成量的影響

從NOx生成機(jī)理分析,影響高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯NOx生成量的因素主要有以下幾點(diǎn):

(1)煅燒溫度。煅燒溫度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的最直接的因素,由于回轉(zhuǎn)窯燃燒器焰心溫度在2300 K以上,促使熱力型NOx急速生成。

(2)火焰形狀。從回轉(zhuǎn)窯裝備水平而言,生產(chǎn)過(guò)程中火焰細(xì)長(zhǎng)可保證煅燒帶的長(zhǎng)度,雖然從理論上拉低了火焰平均溫度,但為保證火焰細(xì)長(zhǎng)需增加軸流風(fēng)和中心風(fēng)的風(fēng)量,從而進(jìn)一步提高了燃燒高溫區(qū)的氧濃度,導(dǎo)致了NOx生成量反而升高。相應(yīng)的細(xì)而短的火焰可減少火焰高溫部位氧含量,且降低高溫區(qū)煙氣的停留時(shí)間,從而NOx生成量相對(duì)較低,但過(guò)短的火焰長(zhǎng)度無(wú)法滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

(3)過(guò)?？諝庀禂?shù)。由于氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒器助燃風(fēng)為一次風(fēng),二次風(fēng)自冷卻機(jī)與產(chǎn)品換熱后進(jìn)入窯內(nèi),其中一次風(fēng)風(fēng)量約占總風(fēng)量15%左右。由于二次風(fēng)經(jīng)預(yù)熱后溫度較高(400～500 ℃)且占總風(fēng)量的85%左右,在燃燒器燃燒過(guò)程中,二次風(fēng)被軸流風(fēng)卷入高溫區(qū)參與燃燒,此時(shí)二次風(fēng)流速較低,無(wú)法與燃料進(jìn)行強(qiáng)混合燃燒,局部空氣過(guò)剩系數(shù)較大,導(dǎo)致NOx生成量較大。

(4)燃燒器。現(xiàn)有燃燒器為四通道燃燒器,僅內(nèi)風(fēng)通道采用單旋流通道,擴(kuò)散效果不強(qiáng);同時(shí)燃料采用單通道輸送,與一次風(fēng)形成純擴(kuò)散火焰,在擴(kuò)散界面形成局部高溫點(diǎn),易生成熱力型NOx。

3 高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒技術(shù)探討

當(dāng)前學(xué)者大多集中于以煤粉為燃料的回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒技術(shù)(例如水泥窯)或者常規(guī)燃?xì)忮仩t低氮燃燒技術(shù)的研究,對(duì)于燃?xì)庑透邷匮趸X回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒技術(shù)相關(guān)研究較少。借鑒當(dāng)前低氮燃燒技術(shù)的經(jīng)驗(yàn),結(jié)合高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒特征,本文將從燃料分級(jí)燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)、燃料稀釋劑摻混燃燒技術(shù)等3種低氮燃燒技術(shù)展開討論。

3.1 燃料分級(jí)燃燒技術(shù)

燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是在燃燒過(guò)程中,把燃料分為兩部分進(jìn)行逐級(jí)燃燒,其中大部分燃料在燃燒器完成一級(jí)成富燃料狀態(tài)燃燒,其余小部分燃料送至燃燒后煙氣中進(jìn)行二級(jí)富氧燃燒。從研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),80%～85%的燃料在主燃燒器內(nèi)完成一級(jí)富燃料燃燒,余下15%～20%的燃料送至主燃燒器的其余通道完成二級(jí)富氧燃燒,在一級(jí)燃燒區(qū)貧燃料條件下氧濃度較低,可形成很強(qiáng)的還原性氣氛,此時(shí)生成的NOx部分還原成N2。在二級(jí)富氧燃燒區(qū)由于燃燒溫度較低,熱力型NOx生成量較少,燃料分級(jí)燃燒可起到降氮的效果[16]。王戰(zhàn)平等[17]研究了燃?xì)獾偷紵髟跓崦綘t上的應(yīng)用,通過(guò)將燃料進(jìn)行分級(jí)燃燒,經(jīng)過(guò)低氮燃燒器改造,NOx有377 mg/m3降至87 mg/m3,降氮率約達(dá)到77%。常春梅等[18]公開發(fā)布了一種中心分級(jí)燃?xì)獾偷紵?通過(guò)燃料分級(jí)配合燃燒器中心設(shè)置燃盡風(fēng)管等技術(shù)手段,可實(shí)現(xiàn)燃料均勻燃燒,在無(wú)煙氣再循環(huán)的條件下,NOx排放濃度可降至30 mg/Nm3以下。

桑海波等[19]對(duì)氧化鋁焙燒爐煙氣脫硝進(jìn)行了探討,通過(guò)把原冷卻旋風(fēng)筒(C01)中部分高溫空氣引至主爐(P04)上部,減少了P04燃燒區(qū)的空氣量,從而降低了NOx的生成,并配合SCR脫硝技術(shù)以實(shí)現(xiàn)NOx的達(dá)標(biāo)排放,但運(yùn)行過(guò)程中需準(zhǔn)確控制空氣分級(jí)的比例,否則對(duì)燃燒的穩(wěn)定性有很大的影響。徐良策[20]對(duì)氫氧化鋁焙燒爐空氣分級(jí)低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行了實(shí)施,通過(guò)從C01出口引出部分煙氣至P04燃燒區(qū)上部,降低了主爐P04燃燒時(shí)氧含量,NOx生成量降低20%以上。楊協(xié)和等[21]利用氣固兩相流動(dòng)計(jì)算軟件對(duì)以煤氣為燃料的氧化鋁焙燒爐燃燒過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)空氣分級(jí)率達(dá)到20%時(shí),空氣分級(jí)對(duì)煤氣燃燒過(guò)程中NOx的生成抑制效果不明顯,而當(dāng)空氣分級(jí)率達(dá)到40%時(shí),主爐內(nèi)NOx生成量降低70.3%。劉懷平等[22]公開發(fā)明了氧化鋁焙燒爐及其軸向空氣分級(jí)燃燒方法,專利采用了燒嘴徑向旋切燃燒結(jié)合軸向空氣分級(jí)燃燒方式,降低了氧化鋁焙燒爐燃燒過(guò)程中NOx的生成水平。

蘇勇等[23]公開發(fā)布了一種氧化鋁懸浮焙燒爐燃燒裝置,該裝置通過(guò)將燃料分配單元將焙燒爐燃料均勻分布輸送,在主爐內(nèi)與一次助燃空氣進(jìn)行均勻混合燃燒,使得燃燒更加穩(wěn)定,能有效抑制了NOx的生成。

而對(duì)于現(xiàn)高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯多通道燃燒器(一般為四通道)而言,其火焰著火及火焰擴(kuò)散情況由燃燒器的外風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)速?zèng)Q定。在一次助燃風(fēng)總量一定情況下,外風(fēng)量越大,內(nèi)風(fēng)越小,則此時(shí)燃燒火焰形狀越細(xì)、越集中,著火點(diǎn)亦會(huì)遠(yuǎn)離燃燒器;外風(fēng)越小、內(nèi)風(fēng)越大則火焰越粗,但若外風(fēng)風(fēng)量降低一定程度時(shí),則燃燒速度過(guò)慢,火焰綿軟無(wú)力,會(huì)導(dǎo)致燃燒器煅燒能力不足[10]。對(duì)于高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯多通道燃燒器來(lái)說(shuō)采用分級(jí)燃燒技術(shù)有利于降低NOx生成,但從生產(chǎn)工藝角度講,外風(fēng)或內(nèi)風(fēng)摻混燃?xì)?需準(zhǔn)確調(diào)整燃料分級(jí)比例并優(yōu)化燃燒器混合性能,否則火焰會(huì)不易控制,同時(shí)不完全燃燒損失亦會(huì)增加。

3.2 煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)

煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)是目前在不改變?cè)腥紵鹘Y(jié)構(gòu)的情況下應(yīng)用較多的低氮燃燒技術(shù)。該技術(shù)是抽取部分燃燒后煙氣返回燃燒區(qū)內(nèi),利用燃燒后煙氣中的吸熱和低氧濃度,以達(dá)到降低熱力型NOx生成的目的。抽取的煙氣可與一次風(fēng)或二次風(fēng)混合送入爐內(nèi),也可直接送入爐內(nèi),該技術(shù)可有效抑制熱力型NOx的生成[24]。王志寧等[25]研究了內(nèi)外煙氣再循環(huán)對(duì)燃燒過(guò)程中NOx生成量的影響。研究表明,當(dāng)煙氣內(nèi)再循環(huán)率為15%～20%時(shí),燃燒后NOx生成量再比原有降低約25%。在此基礎(chǔ)上,當(dāng)外煙氣再循環(huán)率>18%時(shí),NOx生成量小于30 mg/m3,當(dāng)外煙氣再循環(huán)率約為25%時(shí),NOx生成量約為25 mg/m3。

范向軍[26]等針對(duì)29 MW燃?xì)忮仩t進(jìn)行了煙氣再循環(huán)改造,為避免循環(huán)煙氣出現(xiàn)冷凝水,再循環(huán)煙氣取自省煤器出口并設(shè)置空氣預(yù)熱器對(duì)再循環(huán)煙氣進(jìn)行加熱,改造后表面當(dāng)煙氣再循環(huán)率為20%時(shí),鍋爐NOx排放濃度≤30 mg/Nm3。祁濤等[27]等通過(guò)對(duì)燃?xì)忮仩t進(jìn)行低氮燃燒+煙氣再循環(huán)改造,從鍋爐排煙口抽取部分煙氣參與鍋爐燃燒,通過(guò)實(shí)踐證明當(dāng)再循環(huán)風(fēng)門開度為15%～20%時(shí),NOx生成量可滿足鍋爐大氣污染物特別排放限值,此種情況可適用于鍋爐80%以上的負(fù)荷,但由于該類型燃?xì)忮仩t為催化裝置供蒸汽,隨著主生產(chǎn)工藝參數(shù)調(diào)整頻繁,頻繁調(diào)整煙氣再循環(huán)量,對(duì)鍋爐平穩(wěn)運(yùn)行帶來(lái)困難。

肖江東[28]針對(duì)燃?xì)忮仩t公開發(fā)布了一種內(nèi)循環(huán)低氮燃?xì)馊紵?該專利通過(guò)燃燒室內(nèi)煙氣與外部助燃空氣形成煙空燃混合氣進(jìn)行分層、分段燃燒,能夠有效降低局部燃燒高溫區(qū),從而抑制NOx大量生成。

張揚(yáng)等[29]公開發(fā)布了一種氫氧化鋁焙燒爐系統(tǒng)及其低氮焙燒方法,該發(fā)明通過(guò)將氫氧化鋁焙燒爐引風(fēng)機(jī)出口部分煙氣與空氣作為冷卻混合器與焙燒爐中高溫氧化鋁換熱,換熱后作為助燃空氣進(jìn)入主爐內(nèi)進(jìn)行燃燒,并將總過(guò)量空氣系數(shù)調(diào)節(jié)至1.1～1.2,可有效抑制主爐內(nèi)NOx的生成。邱朋華等[30]等發(fā)布了一種氫氧化鋁焙燒爐的低氮燃燒系統(tǒng)及燃燒方法,該發(fā)明通過(guò)再循環(huán)煙氣將煤氣稀釋后進(jìn)行燃燒,采用該種方法使得煤氣和空氣的混合更加充分,可有效提高燃燒的均勻性,降低燃燒區(qū)內(nèi)NOx的生成。

對(duì)于高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒器采用煙氣再循環(huán)燃燒,可分為兩個(gè)部分:①煙氣外循環(huán)燃燒。將部分煙氣摻入二次風(fēng)進(jìn)行參與外循環(huán)燃燒;②煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒。將部分煙氣摻入一次風(fēng)進(jìn)入燃燒器進(jìn)行參與內(nèi)循環(huán)燃燒。對(duì)于煙氣外循環(huán)燃燒來(lái)說(shuō),則會(huì)降低原二次風(fēng)風(fēng)量,影響冷卻機(jī)的效果,需注意煙氣外循環(huán)率與二次風(fēng)的匹配。對(duì)于煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒來(lái)說(shuō),由于煙氣中含有氧化鋁等顆粒物,磨蝕硬度較高,需考慮燃燒器的耐磨情況。

3.3 燃料稀釋劑摻混燃燒技術(shù)

燃料稀釋劑摻混燃燒技術(shù)是指在燃燒時(shí)向燃料中加空氣、煙氣、水蒸氣等稀釋劑以改善燃燒,降低燃燒過(guò)程中NOx生成量的技術(shù)。王紀(jì)曄等[31]研究了煙氣、過(guò)量空氣、水蒸氣等不同稀釋劑對(duì)天然氣鍋爐燃燒過(guò)程中NOx生成量及燃燒穩(wěn)定性影響。研究發(fā)現(xiàn)熱力型NOx生成量隨著稀釋劑吸熱功率增加而減少。等同吸熱功率的過(guò)量空氣對(duì)NOx生成量影響最大,煙氣次之,水蒸氣的影響最小。增加稀釋劑吸熱功率,NOx生成水平可降至30 mg/m3以下;然而稀釋劑添加量過(guò)量增加,燃燒過(guò)程中火焰穩(wěn)定性變差。同時(shí)燃燒過(guò)程中NOx生成水平受過(guò)量空氣系數(shù)影響很大,隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加,稀釋劑整體吸熱水平能力下降,反而不利于抑制NOx生成。

顧欣等[32]研究了燃料增加濕空氣稀釋燃燒時(shí)燃燒火焰的結(jié)構(gòu)特性及火焰穩(wěn)定性,通過(guò)對(duì)比濕空氣燃燒和普通燃燒火焰轉(zhuǎn)變的臨界值,發(fā)現(xiàn)濕空氣燃燒回流火焰向過(guò)渡火焰轉(zhuǎn)變時(shí), 燃空速度比的臨界值比普通燃燒的低16%～22%,局部熄火時(shí)的臨界值與普通燃燒時(shí)的相比至少低25%。Benini等[33]研究了在燃料直接注入水/水蒸氣在渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)燃燒后NOx和CO2的生成性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,燃料直接注入水/水蒸氣參與燃燒時(shí),均可抑制NOx生成量,但對(duì)燃燒過(guò)程中CO2的生成量影響較低。王喜世等[34]探討了在滅火時(shí)細(xì)水霧以及稀釋氧氣作用對(duì)抑制氣體擴(kuò)散火焰的影響。研究表明,細(xì)水霧抑制和火焰熄滅是其稀釋氧氣、蒸發(fā)潛熱吸熱和熱容吸熱作用共同作用結(jié)果,且潛熱吸熱作用要大于比熱容吸熱作用。在卷吸作用下,細(xì)水霧對(duì)火焰內(nèi)部溫度的影響要大于水蒸氣的影響。Zhao等[35]研究了甲烷-濕空氣燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的中間產(chǎn)物OH基對(duì)擴(kuò)散火焰中快速型NOx生成的影響。研究結(jié)果表明燃?xì)饧訚駥?dǎo)致反應(yīng)中間產(chǎn)物OH基濃度降低,最終可有效抑制總體的NOx的生成。

刑暢等[36]公開發(fā)布了一種多通道配風(fēng)調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)窯加濕低氮燃燒器,該發(fā)明通過(guò)在多通道燃燒器內(nèi)風(fēng)道增加加濕系統(tǒng),有助于實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程中燃燒峰值及火焰長(zhǎng)度調(diào)節(jié),降低了燃燒過(guò)程中火焰峰值溫度,有效抑制了NOx的生成水平。

從當(dāng)前研究結(jié)果看燃料稀釋劑摻混燃燒技術(shù)有利于降低NOx排放,對(duì)于高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒器而言采用燃料稀釋劑混燃燒技術(shù)具有一定的可行性,但其對(duì)燃燒的溫度分布、火焰穩(wěn)定性還有待研究,燃料增濕燃燒并需考慮對(duì)氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量及能耗的影響。

4 結(jié) 論

(1)隨著國(guó)家環(huán)保政策愈發(fā)嚴(yán)格,節(jié)能減排、綜合治理將是國(guó)家對(duì)工業(yè)窯爐大氣污染物治理的主體路線,低氮燃燒作為煙氣前端治理,在節(jié)能減排中發(fā)揮著重大作用。

(2)高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燃燒產(chǎn)生的NOx類型主要以熱力型NOx為主,受當(dāng)前生產(chǎn)工藝要求及當(dāng)前燃燒器水平的影響,NOx生成量很大,給后續(xù)煙氣脫硝帶來(lái)很大的負(fù)荷。

(3)對(duì)于低氮燃燒技術(shù)而言,燃料分級(jí)燃燒技術(shù)、煙氣再循環(huán)燃燒技術(shù)、燃料稀釋劑摻混燃燒技術(shù)就燃?xì)庑腿紵鞫跃捎行Ы档腿紵^(guò)程N(yùn)Ox生產(chǎn)水平,但由于高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)工藝特性,需對(duì)高溫氧化鋁回轉(zhuǎn)窯低氮燃燒技術(shù)做進(jìn)一步研究。