1 低熱值燃氣燃燒特性

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，甚至遠低于3.0MJ/m3，這種超低熱值燃氣種類很多，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。超低熱值燃氣比低熱值燃氣點火、穩(wěn)燃更困難，能量密度低，長距離輸送不經(jīng)濟，在當?shù)貨]有合適的熱用戶時只能直接放散，既浪費能源又污染環(huán)境。

低熱值燃氣燃燒器特性主要包括以下幾個方面：

（1）燃氣中可燃成分少，熱值低，著火溫度高，火焰?zhèn)鞑ニ俣嚷y以點火及穩(wěn)定燃燒；

（2）燃氣壓力低且波動范圍大，壓力過低、速度過慢時容易回火；

（3）低熱值燃氣多為化工生產(chǎn)線的尾氣，需對多條生產(chǎn)線進行匯總綜合利用，燃氣的流量變化大；

（4）化工工藝過程的操作對尾氣的成分及熱值影響較大，尾氣的燃燒工藝如配風系數(shù)需及時匹配調(diào)整，否則容易熄火。

2 低熱值燃氣的穩(wěn)燃技術(shù)

根據(jù)燃燒理論，為**低熱值燃氣的穩(wěn)定燃燒，主要的穩(wěn)燃措施包括優(yōu)化著火條件、提高火焰溫度以及優(yōu)化燃燒場分布等。

（1）優(yōu)化著火條件

低熱值氣體燃料的著火極限高，著火比較困難，燃燒溫度也較低。為此，需要提高燃氣熱值，降低燃料著火下限。如摻燒高熱值燃料，提高混合燃氣的熱值，降低著火溫度；燃料和空氣預熱提高初始溫度。

（2）提高火焰溫度

燃燒溫度的提髙可強化爐內(nèi)輻射換熱并改善爐內(nèi)的燃燒狀況。而實際火焰溫度與裝置類型、燃燒效率、燃料種類、空氣/燃氣預熱溫度等有關(guān)。如：強化燃料和空氣的混合，降低不完全燃燒損失；合理設(shè)計爐膛結(jié)構(gòu)，進行絕熱燃燒，減少系統(tǒng)散熱量；降低空氣過剩系數(shù)或采用純氧/富氧燃燒。

（3）優(yōu)化燃燒場分布

燃燒場的分布包括燃氣、空間以及煙氣在燃燒空間的分布，燃燒場特別是溫度場的優(yōu)化分布來源于高溫煙氣對新鮮燃氣、空氣的加熱，進而促進空氣與煙氣短時間內(nèi)升溫至著火溫度。如旋流燃燒中心回流區(qū)強化燃燒，提高火焰溫度；鈍體穩(wěn)定燃燒技術(shù)。

2.1 摻燒高熱值氣體燃料

摻燒高熱值氣體燃料分為兩種類型：

（1）采用高熱值輔助燃料，作為長明燈使用，形成穩(wěn)定的高溫熱源，引燃主流燃氣和空氣混合物；

（1）全混型摻混燃燒，以均勻混合的高低熱值燃氣為燃料，可燃物含量增加，降低著火溫度，提高燃燒溫度，改善了燃燒條件。該方法在低熱值燃氣穩(wěn)定燃燒中較為常用。需要注意的是，因高熱值燃料成本較高，在**低熱值氣體燃料穩(wěn)定燃燒的前提下，髙熱氣體燃料的摻燒比例越小，則經(jīng)濟性越好。文午祺、陳福龍等基于回流區(qū)分級著火原理，針對鈍體或旋轉(zhuǎn)氣流等形成的燃燒器噴口附近的高溫低速回流區(qū)，噴入小股高熱值燃料使其先行著火，然后點燃熱值僅為1250kJ/kg左右的超低熱值氣體主流，從而使火焰穩(wěn)定，燃燒強度提高。高低熱值燃料供熱比21：79，平均熱值1584kJ/kg。

2.2 富氧燃燒/純氧燃燒

燃燒反應(yīng)是燃料中可燃物與氧氣發(fā)生的氧化放熱反應(yīng)，富氧燃燒/純氧燃燒就是指以氧含量大于21%甚至達到....的氧化劑與低熱值氣體燃料進行混合燃燒。在理論需氧量不變的前提下，氧含量的提高減少燃燒煙氣量，爐內(nèi)火焰溫度大幅度提高，不具備輻射能力的氮氣所占比例減少，有利于提高煙氣黑度，增強有利于爐膛內(nèi)部輻射傳熱。但富氧燃燒因需要配備空氣分離裝置，故釆用富氧燃燒方法時，摻燒的空氣中的氧濃度不宜太高，否則會影響系統(tǒng)經(jīng)濟性，這也需要在低熱值氣體燃料回收的經(jīng)濟性和穩(wěn)定燃燒所需的.低氧濃度之間找到一個.佳平衡點，一般富氧濃度在26%～31%時為.佳。

2.3 高溫空氣預熱燃燒

高溫空氣預熱技術(shù)是充分利用加熱爐的排煙余熱將助燃空氣加熱到1000℃，甚至更高，使加熱爐排煙溫度降低到200℃，預熱的高溫空氣可以增大燃燒速率、穩(wěn)定低熱值燃料燃燒。該技術(shù)不僅能提高燃燒速率，還能回收尾排煙氣余熱，提高熱效率。朱彤、張健等對低熱值煤氣的高溫空氣燃燒過程進行了數(shù)值模擬，當燃氣和助燃空氣預熱溫度由600℃增加到1000℃，爐內(nèi).高溫度和平均溫度分別上升267℃和268℃，有利于低熱值燃氣穩(wěn)定燃燒。趙巖采用空-煤氣雙預熱技術(shù)將空氣預熱到600℃以上，煤氣預熱到450℃以上，預熱后的低熱值煤氣可直接用于加熱爐燃燒，實現(xiàn)了低熱值煤氣的直接利用和廢氣余熱回收。高溫空氣預熱通常與蓄熱燃燒相結(jié)合，空氣通過換向閥進入高溫蓄熱體，熱能釋放給助燃空氣，溫度提高到接近爐膛溫度，由于空氣溫度在燃氣的著火點以上，可以實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

2.4 旋流燃燒

旋流燃燒是利用氣流旋轉(zhuǎn)強化低熱值煤氣燃燒和組織火焰的燃燒技術(shù)，能夠有效提高燃燒的強度和火焰的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)射流除了具有直流射流存在的軸向分速度和徑向分速度外，還有一個切向分速度，而且其徑向分速度在噴嘴出口附近比直流射流的徑向分速度大得多，在強旋轉(zhuǎn)氣流作用下，旋轉(zhuǎn)射流的內(nèi)部建立了一個回流區(qū)，不但從射流外側(cè)卷吸周圍介質(zhì)，而且還從內(nèi)回流區(qū)中卷吸介質(zhì)，在燃燒過程中，從內(nèi)外回流區(qū)卷吸的高溫煙氣對著火的穩(wěn)定性起著十分重要的作用。郭濤通過對高爐煤氣燃燒火焰的傳播速度、回火、脫火以及旋轉(zhuǎn)射流的研究，研制了高爐煤氣雙旋流燃燒器，實現(xiàn)了高爐煤氣的穩(wěn)定燃燒。

陳寶明等利用旋流加強空氣與低熱值燃氣的混合，結(jié)合蓄熱穩(wěn)燃技術(shù)，成功研制了低熱值燃氣燃燒器，可實現(xiàn)高爐煤氣、工業(yè)尾氣、炭黑尾氣等種類的燃氣在不配長明火的情況下穩(wěn)定高效燃燒。

2.5 鈍體穩(wěn)燃

鈍體穩(wěn)燃機理是利用煙氣在鈍體后形成的高溫低速回流區(qū)作為穩(wěn)定的點火源。當空氣燃氣繞過鈍體時，鈍體后形成一個穩(wěn)定的回流區(qū)，在回流區(qū)內(nèi)充滿回流的高溫煙氣，使回流區(qū)成為內(nèi)部蓄熱體，在回流區(qū)外側(cè)與主流之間的區(qū)域，是新鮮燃氣空氣混合物和熱回流煙氣的湍流混合區(qū)，邊界上存在較大的徑向速度梯度，可燃混合物與高溫煙氣之間發(fā)生強烈的質(zhì)量、動量及能量交換，可燃混合物就不斷被加熱而升溫，并達到著火溫度開始著火。

3 低熱值燃氣的低氮燃燒器技術(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種機理。通常認為，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，如果爐內(nèi)氧含量過低，如低于3%，則有可能導致燃氣的不完全燃燒，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，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。為了完成燃氣燃燒過程，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，**了燃氣的燃燼度，同時，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，通過對一次風二次風的給入控制，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，會發(fā)生NOx的還原反應(yīng)，進而降低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)被還原成氮氣，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)時將一部分低溫煙氣直接送入燃燒區(qū)域，或與一次風或二次風混合后送入燃燒區(qū)域，不僅降低燃燒溫度，同時也降低了氧氣濃度，進而降低了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)對尾排煙氣進行了有效控制，當循環(huán)煙氣量由占總給入氣體量的0%、6%增大到39%時，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，進一步將導致燃料無法穩(wěn)定燃燒，通常煙氣再循環(huán)率控制在30%以內(nèi)，以確保燃氣的穩(wěn)定燃燒。

3.5 低NOx燃燒器

燃燒器的性能對低熱值燃氣燃燒設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟性起著主要作用。從NOx的生成機理出發(fā)，通過特殊設(shè)計的燃燒器結(jié)構(gòu)以及通過改變工業(yè)燃燒器的風煤比例，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、適當降低著火區(qū)的溫度達到.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)計理念。李陽扶等通過特殊的燃氣燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計，將燃料與空氣分級分段給入、燃料與助燃空氣以亞化學當量比率給入、抽取鍋爐尾部煙氣經(jīng)混合裝置與空氣混合后進入燒嘴，將強化燃氣與助燃空氣的混合、分級分段燃燒、煙氣循環(huán)等技術(shù)進行集成，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，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)的空氣和燃料進行預熱、稀釋，能夠有效地強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，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，且仍高于無旋流時的排放量。