• 導熱油爐燃燒產生有害成分與污染物防治措施


    汪琦,張慧芬,俞紅嘯,汪育佑

    (上海熱油爐設計開發中心  上海  200042)


    摘  要:討論了燃燒輕油與燃燒天然氣導熱油爐燃燒產物中有害成分,研究了燃燒產生的有害成分對導熱油爐的危害及防治措施,分析了導熱油爐排放煙氣中污染物對大氣環境的危害,并探討了燃料燃燒產生污染物的防治措施,介紹了低NOX燃燒器的三種形式,最后總結了導熱油爐使用過程中減少對大氣污染的具體措施。

    關鍵詞:熱定型;導熱油爐;燃燒產物;有害成分;污染物;防治措施;低NOX燃燒器


    前  言

    霧霾包括“一次顆?!焙汀岸晤w”,化石燃料如柴油燃燒時尾氣中直接排放的顆粒是“一次顆?!?,一般占霧霾總量的24%左右。而對霧霾貢獻最大的是“二次顆?!?,通??烧嫉届F霾總量的50%左右?!岸晤w?!笔腔剂先紵龝r尾氣中的氣態污染物(如NOX、SOX)和揮發性有機物(VOC)進入大氣后,在一定的水霧狀態下與空氣中的氨及VOC等物質發生氣溶膠反應形成的顆粒。氮氧化物在天空中遇到水就變成為硝酸,硫氧化物SO2遇見氧轉化成SO3,再遇到水就是硫酸。如果不使用化肥就只能形成酸雨,而形不成霧霾。

    但是在大量使用化肥之后,會向大氣中釋放了一定規模的氨,氨懸浮在大氣中呈堿性,酸堿中和生成硝酸銨鹽、硝酸銨等固體細顆粒,這些細顆粒才是PM2.5的主要來源。頭發絲大概是70微米左右,肉眼的分辨率在60微米左右,一個PM2.5的顆粒是看不見摸不著的,但是當無數個PM2.5懸浮在天空中就可以造成遮天蔽日,從而形成了霧霾,嚴重影響生態環境,損害人體健康。

    一般燃燒產物中的有害成分與污染物是指:固態的煙塵、氣態的CO、SO2、SO3、NOX。不同燃料產生的有害成分與污染物及其數量是不同的,燃煤產生的各種污染物最多[1],其次是重(渣)油。所有的輕油、特別是氣體燃料燃燒產物中的污染物排放量最少,基本上可稱為清潔燃料;但是燃燒輕油或者天然氣時必然產生的NOX危害極大,而采用低NOX燃燒技術和燃燒器的控制參數就是降低燃燒區溫度(含局部),通過低氧燃燒、燃油(或燃氣)與空氣比例變化實現低NOX排放。

    滌綸是一種熱塑性纖維,在染色等一系列加工過程中,由于受到多次機械作用和多次拉伸,使織物原來的門幅和線圈幾何形狀有所變化,因而產生了變形和收縮,甚至橫直絲縷歪斜,從而嚴重影響產品的質量。采用導熱油爐加熱定型機烘箱對滌綸織物進行熱定形的主要目的是:使滌綸針織物在有張力狀態下加熱,織物在規定溫度下焙烘,使纖維分子間的次價鍵和分子鏈段的熱運動加劇,從而可使分子重新組合與排列,并且使內應力相對穩定。

    1.燃燒產物中有害成分對導熱油爐的危害

    由于輕柴油和天然氣中的灰分含量較少,一般不會產生飛灰磨損,因此也不需要安裝吹灰設備;但是燃油中釩、鈉的含量比較高,因此在導熱油爐燃燒爐膛內存在煙氣對爐管的高溫腐蝕和低溫腐蝕。高溫腐蝕是指由氧化物組成的爐管金屬保護層被熔化了的灰分熔解,從而失去保護作用,使爐管金屬直接受到煙氣的化學腐蝕。熔化灰分的主要組成是V2O5、Na2O、Na2SO4,釩的氧化物熔點都低于650℃,這種腐蝕一般都發生在導熱油爐輻射段的爐管過熱部位。天然氣中的釩、鈉含量很少,所以在燃燒天然氣導熱油爐中一般不會發生高溫腐蝕。

    煙氣對導熱油爐受熱面產生低溫腐蝕的條件是:煙氣中有一定量的SO3,而且有低于煙氣中硫酸蒸汽露點的受熱面。這種露點腐蝕一般發生在導熱油爐對流受熱面的尾部區域、余熱回收裝置中的尾部受熱面,且腐蝕速度快[2]。燃料中的硫成份是以硫化氫和有機硫的形式存在,燃油的含硫量(質量分數)因其產地及煉制方法不同,變化范圍很大,輕油在0.2%~1.0%,重油在1%~3%,有的高硫重油含硫量在3%以上。天然氣中硫的含量較低,一般天然氣的含硫量是標準狀態為150mg/m3,其質量分數為0.0176%。

    硫在燃燒后,絕大部分生成SO2,只有少部分轉化成SO3;但是SO3雖少卻能明顯提高煙氣的露點溫度。因為天然氣導熱油爐排放煙氣中的SO3含量很少,所以其低溫腐蝕不成問題。而對于燃油導熱油爐的排放煙氣中應盡量降低SO3含量,目前所采用降低SO3含量的最有效措施是降低燃燒的過量空氣系數和燃燒溫度。

    當燃油導熱油爐的爐膛出口過量空氣系數從1.15~1.2降低到1.01~1.02時,煙氣露點可降低50℃~60℃。燃油導熱油爐的燃燒火焰溫度從1700℃降低到1600℃時,可使煙氣中的SO3含量成倍降低;而為了降低火焰溫度,可以采用煙氣再循環的方法。

    2.導熱油爐排煙中污染物對大氣環境的危害

    導熱油爐排放煙氣對大氣環境的污染主要有三個方面:粉塵、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)。在燃料燃燒時生成的SO2將會帶來危害,造成對大氣環境污染;過量的SO2排放,無法擴散稀釋時,會形成酸雨,降落在地面上,使土壤酸化,從而危機農作物生長。而在燃料不完全燃燒時,會生成CO和煙塵顆粒物,還含有一定量的有害氣體,當有害氣體在大氣中漂浮時,臭味難聞,污油粒子和粉塵會隨處飄落,從而將會損害人體健康。

    2.1 粉塵

    燃燒天然氣導熱油爐的排放煙氣中不存在粉塵污染,而燃輕柴油導熱油爐排放煙氣中的粉塵污染也較低;但是燃油導熱油爐在燃燒不良時容易冒黑煙,其煙囪內冒黑煙是由于燃油缺氧而分解出的炭黑,尤其是燃燒重油的高分子烴在缺氧時容易分解出炭黑。通常炭黑的粒徑比較小,但表面積比較大,雖然質量比較輕,但是看起來卻比較黑[3]。而在實際生產使用過程中,燃輕柴油導熱油爐只要霧化良好配風合理,也就是導熱油爐上安裝的輕油燃燒器選配合理以及使用正確不誤的話,在導熱油爐正常運行時排放煙氣黑度應小于林格黑度一級。

    2.2 二氧化硫(SO2

    由于天然氣是低硫燃料,所以,燃燒天然氣導熱油爐排煙中的SO2排放濃度很低;但燃料油中的硫在燃燒后,幾乎全部轉化為SO2和SO3,且絕大部分是SO2,因此,減少其排放量的主要方法是采用低硫燃料油或者進行煙氣脫硫處理。而當導熱油爐內的過量空氣系數是1.1,燃油的含硫量(質量分數)為0.5%時,排放煙氣中SO2的濃度(標態)是800mg/m3左右;但當燃油的含硫量(質量分數)為2%時,排放煙氣中SO2的濃度(標態)達到3200mg/m3左右。

    2.3 氮氧化物(NOX)

    導熱油爐排放煙氣中的氮氧化物有NO和NO2,總稱為NOX,且燃燒生成的NOX有兩類。一類是燃燒空氣中的氮在高溫下與氧反應生成氮氧化物,稱為溫度型NOX,生成溫度型NOX的條件是要有很高的溫度和一定的氧濃度,而且要有一定的反應時間。

    另一類是燃料中氮的化合物在高溫下分解出的氮原子,然后與氧反應生成氮氧化物,稱為燃料型NOX,燃料中氮的化合物分解溫度在700℃~1600℃,分解出的氮原子只有在有氧時才能生成氮氧化物。

    對于燃油或燃天然氣導熱油爐,在沒有采取任何治理措施時,導熱油爐排放煙氣中的氮氧化物NOX的排放濃度(標態)為500mg/m3左右。

    3.燃料燃燒產生污染物的防治措施

    采用導熱油爐循環加熱定型機烘箱時[4],由于燃油燃燒時的熱強度大,燃燒溫度高,這對污染物的生成起了很大的促進作用。由于各種污染物的生成條件不同,因此,所采取的對策也不一樣,而且其中有些措施甚至是相互矛盾的。例如:為了控制固體炭粒、炭黑、一氧化碳CO等的生成,就應該提高燃燒溫度,加大供給氧氣濃度,延長氧氣在導熱油爐內的停留時間。

    相反,為了減少SO3,特別是NOX的生成量,則必須提供與上述完全相反的條件,即降低爐膛內的燃燒溫度,并盡可能減少氧氣濃度和縮短氧氣在爐內的停留時間。因此,就需要相互間進行合理的調整。另外,采用提高霧化質量,減少油粒的粒徑也能夠顯著地減少污染物的產生。以下將探討幾種通過改變燃燒方式來減少污染物生成量的方法。

    3.1 燃油的注水燃燒

    燃油注水燃燒的關鍵在于乳化,即要使所摻的水以極細的顆粒均勻分布在燃油中。燃油摻水后經霧化器噴出的油粒中心有水珠,也就是燃油包水,由于水的沸點比燃油低,因此,水首先蒸發,體積急劇膨脹,然后將油粒炸裂,從而起到了二次霧化的作用。

    在導熱油爐的爐膛高溫作用下,水蒸汽與燃油發生化學反應,使較難燃燒的高分子烴類轉化為易燃燒的低分子烴,從而有效地抑制了炭黑的產生。即使一旦在高溫下產生了一些炭黑時,那么這部分炭黑仍有可能和水蒸汽混合而重新被氣化。由此可見,燃油的注水燃燒是可以減少炭黑的生成。

    水在導熱油爐的爐膛內高溫區蒸發和分解吸熱,再在較低溫度區重新結合,放出熱量,從而降低了爐膛內的最高燃燒溫度,這樣對減少NOX的生成是非常有利;但是采用燃油注水燃燒的方法也存在缺點:主要是增大了排煙熱損失,同時煙氣中水蒸汽的含量也會增加,如果若是煙氣中含有了SO3以及SO2,則將會加劇低溫腐蝕。

    3.2 低氧燃燒

    對于化學反應2SO2+O2=2SO3來說,如果沒有過量的空氣,SO3就不能生成。因此,應盡可能減少過量空氣,使燃油在近于理論空氣量下燃燒,即可最大限度地減少SO3的生成。這種燃燒稱為低氧燃燒。而低氧燃燒的關鍵在于合理配風以及與之相適應的監測控制手段。目前在先進的技術條件下,過量空氣系數已經可以低于1.03。

    3.3 煙氣再循環

    為了降低燃燒中的NOX生成量,可以采用煙氣再循環的方法。即使煙氣再次循環進入爐膛內的時候,燃燒火焰本身的溫度和爐膛內氧氣濃度均可以降低。通過導熱油爐運行生產試驗表明,如有部分再循環煙氣加入兩次風內,則兩次風中的氧氣濃度會降低,從而可得到較好地降低NOX的生成效果。

    3.4 兩級燃燒

    所謂兩級燃燒是指將燃燒所需要的空氣分兩次送入爐膛內,即使燃燒分兩次完成。一般可在燃燒器的位置處送入不足量的空氣,使其形成一個燃料富集的具有還原性氣氛的火焰。然后在燃燒器的上方再送入部分空氣,以進行第二級燃燒。

    在兩級燃燒中,由于在火焰的最高溫度區,氧氣的濃度較低;而在含氧濃度較高的區域,燃燒溫度已經降低。從而所有這一切燃燒狀況都使得NOX的生成量減少。

    但是兩級燃燒也存在缺點:比較容易產生炭黑,因此,必須保證燃料和空氣的良好混合程度。

    4.低NOX燃燒器

    全自動燃氣燃燒器是由本體部分和燃氣閥門組件兩大部分組成,燃燒器本體主要包括風機/電機組、燃燒筒、點火系統、火焰檢測器、風門調節、燃氣噴嘴及穩定火焰器等,燃氣閥門組件主要包括手動閥、燃氣過濾器、安全閥、調節閥及連接管路等[5]。燃燒器本體上風門電動調節和燃氣閥門組件中的調節器組成燃燒器的燃料與空氣按比例調節系統,它又由程序控制器和狀態控制器發出指令,實施各種工況調控和安全聯鎖保護。低NOX燃燒器的三種形式如下:

    4.1 燃料分級燃燒的燃燒器

    采用兩段燃料分級燃燒,燃料分兩次進入燃燒器,形成一次燃燒區和二次燃燒區。第一段是部分燃料在一次燃燒區燃燒,過量的空氣可急劇冷卻火焰溫度,從而抑制NOX的生成。第二段剩余燃料再噴入燃燒室出口處的煙氣中,在一次燃燒產生的NOX在向二次燃燒區噴入燃料時,可以被有效地還原為N2。

    4.2 空氣分級的燃燒器

    把燃燒所需用的空氣分兩次供給送入,形成一次風富燃(低氧)低溫燃燒區和二次風貧燃(富氧)低溫燃燒區。第一段燃料采用60%~70%的理論空氣進行燃燒反應,由于不完全燃燒的結果,所以,消耗空氣中的低氧而達到減少NOX生成的目的。第二段剩余燃料在貧燃區燃燒,二次風噴入空氣中的氧實現低溫燃燒和優化火焰外形,進而抑制NOX的生成。

    4.3 煙氣自身再循環型的燃燒器

    煙氣自身再循環是利用燃燒空氣的壓頭,把部分(15%~20%)煙氣回收進入燃燒器與空氣混合后進行燃燒,從而可以降低燃燒溫度。而燃燒用的空氣經過煙氣稀釋后,氧濃度比正??諝庖?,使得燃料和氧的反應速度變慢,火焰的最高溫度降低,從而達到抑制NOX生成的目的。

    隨著環境日益變化和應對氣候變化的影響,保護環境的呼聲越來越高,因此,在導熱油爐上安裝全自動燃輕柴油或燃天然氣燃燒器,就是為了滿足環境保護的要求,采取煙氣再循環技術,利用燃燒器頭部出口處高溫高速燃燒氣體引射作用,通過出口孔、洞吸入爐內煙氣,即煙氣回流到燃燒氣體中,使燃燒區內惰性氣體含量增加,因為煙氣吸熱和稀釋了氧的濃度,使燃燒速度和溫度降低,以此來降低NOX排量。

    使得燃輕柴油或燃天然氣導熱油爐排放煙氣符合新的污染物排放標準要求:顆粒物是20mg/m3,SO2是100mg/m3,NOX是150mg/m3;而在需要特別保護地區的污染物排放限值為:顆粒物是1.0mg/m3,SO2是50mg/m3,NOX是80mg/m3。

    5.結語

    采用導熱油爐加熱定型機烘箱對滌綸織物進行熱定形時,滌綸針織物在熱定形過程中控制的關鍵兩點是:控制定形溫度和定形時間。滌綸針織物的合適定形溫度為180℃~210℃,定形時間是20s~90s,冷卻溫度為50℃。如果熱定形溫度過低或定形時間過短均能造成織物表面不平整、不挺括、門幅收縮等疵病,從而失去滌綸織物定形作用;但如果定形溫度過高或定形時間過長,則會造成滌綸織物發硬變脆、強力下降、彈性降低,并能使某些分散染料升華而產生色差,嚴重的甚至能使纖維熔融。

    導熱油爐燃燒產物中的有害成分與污染物是:固體煙塵、氣態CO、SO2、SO3、NOX。燃燒產物中有害成分對導熱油爐的危害是低溫腐蝕,也就是對爐管的對流受熱面及余熱回收裝置尾部受熱面的煙氣低溫露點腐蝕。導熱油爐排放煙氣中污染物對大氣環境的危害是:粉塵、SO2、NOX。減少污染物生成量的防治措施是:燃油的注水燃燒、低氧燃燒、煙氣再循環、兩級燃燒。低NOX燃燒器的三種形式是:燃料分級燃燒、空氣分級、煙氣自身再循環。

    為了徹底治理霧霾就需要采用潔凈煤燃燒技術,就是在煤燃燒之前,把可燃物及含污染物的礦物質分離開,將微米級的煤炭顆粒、純碳顆粒懸浮在水里制作成超低灰精細水煤漿,燃燒超低灰精細水煤漿的潔凈程度與燃燒輕油相同。

    而在導熱油爐使用過程中減少對大氣環境污染的具體措施是:燃料采用輕柴油或天然氣;提高導熱油爐的熱效率,減少燃料的消耗量,進而可以減少煙氣排放量;對排放煙氣進行脫硫處理,以減少煙氣中SO2的濃度;采用全自動燃油或燃氣的低NOX燃燒器,抑制NOX的生成量,從而可以減少NOX對大氣污染。

     

    參考文獻:

    [1]汪琦,許末興,陳國棟.載熱體燃煤加熱爐的燃燒方式及其對環境污染的影響[J].化工裝備技術,1998,19(5):9-12.

    [2]汪琦.載熱體加熱爐對流受熱面的煙氣腐蝕的研究[J].化工裝備技術,2010,31(6):46-48,52.

    [3]汪琦,汪萍.爐管外壁灰垢層的研究[A].第八屆全國工業爐學術會議論文集[C].煙臺,2011,191-197.

    [4]汪琦,張慧芬,俞紅嘯.導熱油循環供熱系統在熱定型機中的應用[J].染整技術,2020,42(5):25-31.

    [5]汪琦,張慧芬,俞紅嘯.燃天然氣導熱油爐的設計開發[J].工業爐,2019,41(2):41-45.

     

    作者簡介:

    汪琦,碩士,高級工程師,長期從事熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作。

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