导热油炉燃烧产生有害成分与污染物防治措施

介绍

  讨论了燃烧轻油与燃烧天然气导热油炉燃烧产物中有害成分，研究了燃烧产生的有害成分对导热油炉的危害及防治措施，分析了导热油炉排放烟气中污染物对大气环境的危害，并探讨了燃料燃烧产生污染物的防治措施，介绍了低NOX燃烧器的三种形式，最后总结了导热油炉使用过程中减少对大气污染的具体措施。

  关键词：热定型；导热油炉；燃烧产物；有害成分；污染物；防治措施；低NOX燃烧器

  雾霾包括“一次颗粒”和“二次颗”，化石燃料如柴油燃烧时尾气中直接排放的颗粒是“一次颗粒”，一般占雾霾总量的24%左右。而对雾霾贡献最大的是“二次颗粒”，通常可占到雾霾总量的50%左右。“二次颗粒”是化石燃料燃烧时尾气中的气态污染物（如NOX、SOX）和挥发性有机物（VOC）进入大气后，在一定的水雾状态下与空气中的氨及VOC等物质发生气溶胶反应形成的颗粒。氮氧化物在天空中遇到水就变成为硝酸，硫氧化物SO2遇见氧转化成SO3，再遇到水就是硫酸。如果不使用化肥就只能形成酸雨，而形不成雾霾。

  但是在大量使用化肥之后，会向大气中释放了一定规模的氨，氨悬浮在大气中呈碱性，酸碱中和生成硝酸铵盐、硝酸铵等固体细颗粒，这些细颗粒才是PM2.5的主要来源。头发丝大概是70微米左右，肉眼的分辨率在60微米左右，一个PM2.5的颗粒是看不见摸不着的，但是当无数个PM2.5悬浮在天空中就可以造成遮天蔽日，从而形成了雾霾，严重影响生态环境，损害人体健康。

  一般燃烧产物中的有害成分与污染物是指：固态的烟尘、气态的CO、SO2、SO3、NOX。不同燃料产生的有害成分与污染物及其数量是不同的，燃煤产生的各种污染物最多[1]，其次是重（渣）油。所有的轻油、特别是气体燃料燃烧产物中的污染物排放量最少，基本上可称为清洁燃料；但是燃烧轻油或者天然气时必然产生的NOX危害极大，而采用低NOX燃烧技术和燃烧器的控制参数就是降低燃烧区温度（含局部），通过低氧燃烧、燃油（或燃气）与空气比例变化实现低NOX排放。

  涤纶是一种热塑性纤维，在染色等一系列加工过程中，由于受到多次机械作用和多次拉伸，使织物原来的门幅和线圈几何形状有所变化，因而产生了变形和收缩，甚至横直丝缕歪斜，从而严重影响产品的质量。采用导热油炉加热定型机烘箱对涤纶织物进行热定形的主要目的是：使涤纶针织物在有张力状态下加热，织物在规定温度下焙烘，使纤维分子间的次价键和分子链段的热运动加剧，从而可使分子重新组合与排列，并且使内应力相对稳定。

  由于轻柴油和天然气中的灰分含量较少，一般不会产生飞灰磨损，因此也不需要安装吹灰设备；但是燃油中钒、钠的含量比较高，因此在导热油炉燃烧炉膛内存在烟气对炉管的高温腐蚀和低温腐蚀。高温腐蚀是指由氧化物组成的炉管金属保护层被熔化了的灰分熔解，从而失去保护作用，使炉管金属直接受到烟气的化学腐蚀。熔化灰分的主要组成是V2O5、Na2O、Na2SO4，钒的氧化物熔点都低于650℃，这种腐蚀一般都发生在导热油炉辐射段的炉管过热部位。天然气中的钒、钠含量很少，所以在燃烧天然气导热油炉中一般不会发生高温腐蚀。

  烟气对导热油炉受热面产生低温腐蚀的条件是：烟气中有一定量的SO3，而且有低于烟气中硫酸蒸汽露点的受热面。这种露点腐蚀一般发生在导热油炉对流受热面的尾部区域、余热回收装置中的尾部受热面，且腐蚀速度快[2]。燃料中的硫成份是以硫化氢和有机硫的形式存在，燃油的含硫量（质量分数）因其产地及炼制方法不同，变化范围很大，轻油在0.2%～1.0%，重油在1%～3%，有的高硫重油含硫量在3%以上。天然气中硫的含量较低，一般天然气的含硫量是标准状态为150mg/m3，其质量分数为0.0176%。

  硫在燃烧后，绝大部分生成SO2，只有少部分转化成SO3；但是SO3虽少却能明显提高烟气的露点温度。因为天然气导热油炉排放烟气中的SO3含量很少，所以其低温腐蚀不成问题。而对于燃油导热油炉的排放烟气中应尽量降低SO3含量，目前所采用降低SO3含量的最有效措施是降低燃烧的过量空气系数和燃烧温度。

  当燃油导热油炉的炉膛出口过量空气系数从1.15～1.2降低到1.01～1.02时，烟气露点可降低50℃～60℃。燃油导热油炉的燃烧火焰温度从1700℃降低到1600℃时，可使烟气中的SO3含量成倍降低；而为了降低火焰温度，可以采用烟气再循环的方法。

  导热油炉排放烟气对大气环境的污染主要有三个方面：粉尘、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）。在燃料燃烧时生成的SO2将会带来危害，造成对大气环境污染；过量的SO2排放，无法扩散稀释时，会形成酸雨，降落在地面上，使土壤酸化，从而危机农作物生长。而在燃料不完全燃烧时，会生成CO和烟尘颗粒物，还含有一定量的有害气体，当有害气体在大气中漂浮时，臭味难闻，污油粒子和粉尘会随处飘落，从而将会损害人体健康。

  燃烧天然气导热油炉的排放烟气中不存在粉尘污染，而燃轻柴油导热油炉排放烟气中的粉尘污染也较低；但是燃油导热油炉在燃烧不良时容易冒黑烟，其烟囱内冒黑烟是由于燃油缺氧而分解出的炭黑，尤其是燃烧重油的高分子烃在缺氧时容易分解出炭黑。通常炭黑的粒径比较小，但表面积比较大，虽然质量比较轻，但是看起来却比较黑[3]。而在实际生产使用过程中，燃轻柴油导热油炉只要雾化良好配风合理，也就是导热油炉上安装的轻油燃烧器选配合理以及使用正确不误的话，在导热油炉正常运行时排放烟气黑度应小于林格黑度一级。

  由于天然气是低硫燃料，所以，燃烧天然气导热油炉排烟中的SO2排放浓度很低；但燃料油中的硫在燃烧后，几乎全部转化为SO2和SO3，且绝大部分是SO2，因此，减少其排放量的主要方法是采用低硫燃料油或者进行烟气脱硫处理。而当导热油炉内的过量空气系数是1.1，燃油的含硫量（质量分数）为0.5%时，排放烟气中SO2的浓度（标态）是800mg/m3左右；但当燃油的含硫量（质量分数）为2%时，排放烟气中SO2的浓度（标态）达到3200mg/m3左右。

  导热油炉排放烟气中的氮氧化物有NO和NO2，总称为NOX，且燃烧生成的NOX有两类。一类是燃烧空气中的氮在高温下与氧反应生成氮氧化物，称为温度型NOX，生成温度型NOX的条件是要有很高的温度和一定的氧浓度，而且要有一定的反应时间。

  另一类是燃料中氮的化合物在高温下分解出的氮原子，然后与氧反应生成氮氧化物，称为燃料型NOX，燃料中氮的化合物分解温度在700℃～1600℃，分解出的氮原子只有在有氧时才能生成氮氧化物。

  对于燃油或燃天然气导热油炉，在没有采取任何治理措施时，导热油炉排放烟气中的氮氧化物NOX的排放浓度（标态）为500mg/m3左右。

  采用导热油炉循环加热定型机烘箱时[4]，由于燃油燃烧时的热强度大，燃烧温度高，这对污染物的生成起了很大的促进作用。由于各种污染物的生成条件不同，因此，所采取的对策也不一样，而且其中有些措施甚至是相互矛盾的。例如：为了控制固体炭粒、炭黑、一氧化碳CO等的生成，就应该提高燃烧温度，加大供给氧气浓度，延长氧气在导热油炉内的停留时间。

  相反，为了减少SO3，特别是NOX的生成量，则必须提供与上述完全相反的条件，即降低炉膛内的燃烧温度，并尽可能减少氧气浓度和缩短氧气在炉内的停留时间。因此，就需要相互间进行合理的调整。另外，采用提高雾化质量，减少油粒的粒径也能够显著地减少污染物的产生。以下将探讨几种通过改变燃烧方式来减少污染物生成量的方法。

  燃油注水燃烧的关键在于乳化，即要使所掺的水以极细的颗粒均匀分布在燃油中。燃油掺水后经雾化器喷出的油粒中心有水珠，也就是燃油包水，由于水的沸点比燃油低，因此，水首先蒸发，体积急剧膨胀，然后将油粒炸裂，从而起到了二次雾化的作用。

  在导热油炉的炉膛高温作用下，水蒸汽与燃油发生化学反应，使较难燃烧的高分子烃类转化为易燃烧的低分子烃，从而有效地抑制了炭黑的产生。即使一旦在高温下产生了一些炭黑时，那么这部分炭黑仍有可能和水蒸汽混合而重新被气化。由此可见，燃油的注水燃烧是可以减少炭黑的生成。

  水在导热油炉的炉膛内高温区蒸发和分解吸热，再在较低温度区重新结合，放出热量，从而降低了炉膛内的最高燃烧温度，这样对减少NOX的生成是非常有利；但是采用燃油注水燃烧的方法也存在缺点：主要是增大了排烟热损失，同时烟气中水蒸汽的含量也会增加，如果若是烟气中含有了SO3以及SO2，则将会加剧低温腐蚀。

  对于化学反应2SO2+O2=2SO3来说，如果没有过量的空气，SO3就不能生成。因此，应尽可能减少过量空气，使燃油在近于理论空气量下燃烧，即可最大限度地减少SO3的生成。这种燃烧称为低氧燃烧。而低氧燃烧的关键在于合理配风以及与之相适应的监测控制手段。目前在先进的技术条件下，过量空气系数已经可以低于1.03。

  为了降低燃烧中的NOX生成量，可以采用烟气再循环的方法。即使烟气再次循环进入炉膛内的时候，燃烧火焰本身的温度和炉膛内氧气浓度均可以降低。通过导热油炉运行生产试验表明，如有部分再循环烟气加入两次风内，则两次风中的氧气浓度会降低，从而可得到较好地降低NOX的生成效果。

  所谓两级燃烧是指将燃烧所需要的空气分两次送入炉膛内，即使燃烧分两次完成。一般可在燃烧器的位置处送入不足量的空气，使其形成一个燃料富集的具有还原性气氛的火焰。然后在燃烧器的上方再送入部分空气，以进行第二级燃烧。

  在两级燃烧中，由于在火焰的最高温度区，氧气的浓度较低；而在含氧浓度较高的区域，燃烧温度已经降低。从而所有这一切燃烧状况都使得NOX的生成量减少。

  但是两级燃烧也存在缺点：比较容易产生炭黑，因此，必须保证燃料和空气的良好混合程度。

  全自动燃气燃烧器是由本体部分和燃气阀门组件两大部分组成，燃烧器本体主要包括风机/电机组、燃烧筒、点火系统、火焰检测器、风门调节、燃气喷嘴及稳定火焰器等，燃气阀门组件主要包括手动阀、燃气过滤器、安全阀、调节阀及连接管路等[5]。燃烧器本体上风门电动调节和燃气阀门组件中的调节器组成燃烧器的燃料与空气按比例调节系统，它又由程序控制器和状态控制器发出指令，实施各种工况调控和安全联锁保护。低NOX燃烧器的三种形式如下：

  采用两段燃料分级燃烧，燃料分两次进入燃烧器，形成一次燃烧区和二次燃烧区。第一段是部分燃料在一次燃烧区燃烧，过量的空气可急剧冷却火焰温度，从而抑制NOX的生成。第二段剩余燃料再喷入燃烧室出口处的烟气中，在一次燃烧产生的NOX在向二次燃烧区喷入燃料时，可以被有效地还原为N2。

  把燃烧所需用的空气分两次供给送入，形成一次风富燃（低氧）低温燃烧区和二次风贫燃（富氧）低温燃烧区。第一段燃料采用60%～70%的理论空气进行燃烧反应，由于不完全燃烧的结果，所以，消耗空气中的低氧而达到减少NOX生成的目的。第二段剩余燃料在贫燃区燃烧，二次风喷入空气中的氧实现低温燃烧和优化火焰外形，进而抑制NOX的生成。

  烟气自身再循环是利用燃烧空气的压头，把部分（15%～20%）烟气回收进入燃烧器与空气混合后进行燃烧，从而可以降低燃烧温度。而燃烧用的空气经过烟气稀释后，氧浓度比正常空气要低，使得燃料和氧的反应速度变慢，火焰的最高温度降低，从而达到抑制NOX生成的目的。

  随着环境日益变化和应对气候变化的影响，保护环境的呼声越来越高，因此，在导热油炉上安装全自动燃轻柴油或燃天然气燃烧器，就是为了满足环境保护的要求，采取烟气再循环技术，利用燃烧器头部出口处高温高速燃烧气体引射作用，通过出口孔、洞吸入炉内烟气，即烟气回流到燃烧气体中，使燃烧区内惰性气体含量增加，因为烟气吸热和稀释了氧的浓度，使燃烧速度和温度降低，以此来降低NOX排量。

  使得燃轻柴油或燃天然气导热油炉排放烟气符合新的污染物排放标准要求：颗粒物是20mg/m3，SO2是100mg/m3，NOX是150mg/m3；而在需要特别保护地区的污染物排放限值为：颗粒物是1.0mg/m3，SO2是50mg/m3，NOX是80mg/m3。

  采用导热油炉加热定型机烘箱对涤纶织物进行热定形时，涤纶针织物在热定形过程中控制的关键两点是：控制定形温度和定形时间。涤纶针织物的合适定形温度为180℃～210℃，定形时间是20s～90s，冷却温度为50℃。如果热定形温度过低或定形时间过短均能造成织物表面不平整、不挺括、门幅收缩等疵病，从而失去涤纶织物定形作用；但如果定形温度过高或定形时间过长，则会造成涤纶织物发硬变脆、强力下降、弹性降低，并能使某些分散染料升华而产生色差，严重的甚至能使纤维熔融。

  导热油炉燃烧产物中的有害成分与污染物是：固体烟尘、气态CO、SO2、SO3、NOX。燃烧产物中有害成分对导热油炉的危害是低温腐蚀，也就是对炉管的对流受热面及余热回收装置尾部受热面的烟气低温露点腐蚀。导热油炉排放烟气中污染物对大气环境的危害是：粉尘、SO2、NOX。减少污染物生成量的防治措施是：燃油的注水燃烧、低氧燃烧、烟气再循环、两级燃烧。低NOX燃烧器的三种形式是：燃料分级燃烧、空气分级、烟气自身再循环。

  为了彻底治理雾霾就需要采用洁净煤燃烧技术，就是在煤燃烧之前，把可燃物及含污染物的矿物质分离开，将微米级的煤炭颗粒、纯碳颗粒悬浮在水里制作成超低灰精细水煤浆，燃烧超低灰精细水煤浆的洁净程度与燃烧轻油相同。

  而在导热油炉使用过程中减少对大气环境污染的具体措施是：燃料采用轻柴油或天然气；提高导热油炉的热效率，减少燃料的消耗量，进而可以减少烟气排放量；对排放烟气进行脱硫处理，以减少烟气中SO2的浓度；采用全自动燃油或燃气的低NOX燃烧器，抑制NOX的生成量，从而可以减少NOX对大气污染。

  [1]汪琦,许末兴,陈国栋.载热体燃煤加热炉的燃烧方式及其对环境污染的影响[J].化工装备技术,1998,19(5):9-12.

  [3]汪琦,汪萍.炉管外壁灰垢层的研究[A].第八届全国工业炉学术会议论文集[C].烟台,2011,191-197.

  [4]汪琦,张慧芬,俞红啸.导热油循环供热系统在热定型机中的应用[J].染整技术,2020,42(5):25-31.

  汪琦，硕士，高级工程师，长期从事热载体加热技术、新能源技术、节能减排技术、热油炉、热风炉、热水炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、焚烧炉、生物质气化炉的设计研究开发工作。