余小华，李明周，张 磊，宫志昊，訾圣群

（1.铜陵有色，安徽 铜陵 244000；2.江西理工大学，江西 赣州 341000；3.盈德气体（上海）有限公司，上海 200134）

NOx的化合物有多种形式，在高温燃烧条件下，NOx主要以NO的形式存在，最初排放的NOx中NO约占95%左右，然而NO在常态下极易与空气中的氧发生反应生成NO2，故大气中NOx基本以NO2的形式存在。氮氧化物的危害在于：第一它本身可刺激肺部，使人降低呼吸系统疾病的免疫，对儿童来说，长期吸入氮氧化物可能会导致肺结构的改变；第二在条件满足的情况下，与水分子作用产生酸雨；第三NOx与大气中的臭氧发生反应生成另一种氮氧化物与氧气，从而打破臭氧平衡，破坏臭氧层[1，2]，其原理为：

O3+NO=NO2+O2，O+NO2=NO+O2。

这种反应是反复循环的，最终使得O3变成O2，而氮氧化物只作为催化剂的作用。

氧气燃烧技术以其节能减排、高效环保的优点，已广泛应用于有色冶金、玻璃建材等行业，尤其以铜精炼回转炉的应用，因其50%以上的节能率而得到全行业的大力推广。氧气燃烧技术相较于空气助燃，以高浓度氧气替代常规空气助燃，摒除了无效氮气的影响，大幅减少了烟气排放总量，因助燃输入的氮气大幅减少，NOx排放总量显著降低，在环保排放上优势显著。但生产作业环保要求，炉膛需保持负压作业，将吸入一定比例的环境氮气，氧气燃烧的超高温的火焰，在未进行合理控制氧气燃烧条件的情况下，将大量生产NOx，本文研究讨论如何合理应用并控制氧气燃烧，以实现最低NOx排放。

1 燃烧过程NOx产生机理

1.1 NOx产生类型

对于燃烧过程中，生成NOx的途径主要包括：热力型NOx、燃料型NOx，快速型NOx，对于铜精炼生产过程中，以天然气为燃料，主要以热力型NOx为主。

1.2 温度对NOx的影响

氮气高温下将会发生氧化反应，如图1所示，用氧气浓度为95%，当温度升高至2800F(1537℃)以上时，每升高100℃，NOx生产的反应速率提高6倍～7倍，即随着炉内燃烧温度的提高，NOx的排放量将升高，因此可以通过控制合理炉温、火焰温度来控制NOx的排放量[3]。铜精炼温度为1200∽1300℃，该温度区域NOx生成速率不高，故控制的重点在于燃烧器火焰温度。

图1 燃烧烟气温度与NOx含量的关系[2]

2 铜冶炼氧气燃烧技术

2.1 技术原理

当前我厂应用的是引进的氧气燃烧技术，其技术原理是氧气燃烧技术作为常规空气助燃技术的替代，减少了空气中79%的无效氮气的介入，大幅降低了烟气量及其所带走热量，达到节能的目的。

燃料在高氧浓度的气氛下，反应速率极大加快，燃烧火焰温度极高(最高火焰温度可到2700℃以上[4])，在负压作业的窑炉工况下，将大量生产NOx，且极高温不利于窑炉耐材寿命。其氧气燃烧技术的核心是燃气的低动量控制及氧气的分级助燃原理，见图2。

图2 氧气燃烧技术原理示意图

燃气和一次氧通过燃烧器的燃烧喷嘴，以较低的速度进入炉膛；二次氧通过燃烧器氧枪喷嘴高速进入炉膛内，在与燃气反应前分别与烟气发生卷吸、弥散混合后燃烧，燃气喷嘴二次氧气在炉内与烟气和燃气二次混合燃烧。

燃气与一次氧形成欠氧燃烧气氛，有效降低NOx生成，且低动量火焰降低了卷吸含氮炉气的能力，高动量二次氧卷吸炉气稀释了其反应阶段的氧浓度，燃烧边界更广，火焰相对弥散，覆盖分布更广，温度梯度相对小，温度均匀性好，峰值温度更低，从而抑制NOx生成。

2.2 燃气氧气燃烧系统特点

如技术原理所述，其系统中氧气设计为一次氧和二次氧，均可独立控制且二者比例关系精确控制，针对不同阶段的冶炼工况，设置了不同的比例，以满足不同阶段炉内氧化气氛或还原气氛的控制。具体特点如下：①天然气、氧气的安全控制，以及流量精确控制，保证燃烧效率最佳和能耗控制最佳。②氧气分级控制，一次氧和二次氧可独立控制，但预设可调范围，以确保燃烧器最佳工作特性。③燃烧器设计简洁，包括：燃烧喷嘴、氧枪和烧嘴保护砖。喷嘴和氧枪本体轻巧易拆卸调节，为燃烧器特性调整提供便利，且维护方便、成本低。

3 生产实践控制

氧气燃烧系统在设计之初即为获得低氮特性，但在实际应用中，由于未能充分重视和理解其低氮燃烧的特性，在生产过程中未能够对细节控制进行有效管理。

故根据控制NOx生成的角度（控制炉温和火焰温度），从四个方面进行调整以验证其在低氮控制上的设计原理，分别是氧过剩系数、分级氧气比例、燃烧喷嘴位置、燃气喷嘴出口速度。

3.1 氧过剩系数控制[5]

氧过剩系数的定义同空气过剩系数，对燃烧效率影响的一个重要参数，理论上能够确保燃料完全燃烧的情况下，过剩系数越小越好。

图3 氧过剩系数与NOx含量的关系

因氧气助燃的高燃烧效率，现有系统设计的初始过剩系数为1.0，即理论完全燃烧，由微负压所带来的空气作为过剩部分，以确保燃气充分燃尽，从而确保最佳能源消耗，见图3。

在相同工况下（空炉待料保温1250℃），通过改变总氧燃比参数，分别检测NOx排放数值。氧过剩系数调整试验过程中，天然气流量、分级氧气比例、燃烧喷嘴位置以及燃烧喷嘴均为作出改变，相关参数如下：天然气流量260Nm³/h，分级氧气比例80%、燃烧喷嘴尺寸30mm（对应出口速度110m/s）。

结果分析：①氧过剩系数对燃烧的影响与空气过剩系数一致，越低的过剩系数获得最佳的NOx生成，一是因为反应区无过剩的氧分子与氮反应，二是较高的氧过剩系数使得烧嘴出口氧浓度有所提高，从而使得火焰温度提高，使得NOx生成速率提高，从而提升了NOx排放浓度。②当过剩系数达到1.10时，NOx排放数值略有下降，实测的数值组中存在更高的数值，也存在更低的数值，导致其原因在于一是过剩的常温氧气对火焰有一定的冷却作用，二是更多的二次氧卷吸烟气的动量提高，卷吸稀释能力提高，使得燃烧反应区域氧浓度进一步降低，从而总体上降低了火焰温度。实际数据的反复变化大部分是因为炉压的变化，可能抵消了二次氧的动量的卷吸稀释作用。③调整氧过剩系数，通过结果可知，过剩系数的大幅变化并未对排放浓度带来特别大的变化，是因为过剩的氧气量相比较于炉膛尺寸和燃烧总量来说，都是比例较小的，这一点从排放的烟气中无明显变化的氧含量，也可以验证这一点。

3.2 分级氧气比例控制

氧气燃烧控制的核心为分级稀释燃烧技术，类似于空气燃烧的多级燃烧或再燃烧技术，差别在于二次氧的动量相比于空气更高，以达到与空气分级燃烧相同的效果，实现一次燃烧区欠氧燃烧（还原性气氛），NOx的生成将被燃料中的碳氢还原成N2，二次氧卷吸烟气稀释氧浓度后，充分燃尽燃气，生成少量NO，相较于常规氧气燃烧，火焰温度大幅降低，较少的氧化性高温的气氛，有效抑制NOx生成，见图4。

图4 二次氧比例与NOx含量的关系

在相同工况下（空炉待料保温1250℃），天然气流量260Nm³/h，氧过剩系数1.02，燃烧喷嘴尺寸30mm（对应出口速度110m/s）。

结果分析：①通过数据可知：二次氧比例越高，NOx控制越好。其原因在于：一次氧与燃气距离较近，越多的一次氧带来更高的一次燃烧区温度，也影响降低了一次燃烧区的还原性气氛，使得火焰温度较高，从而加剧NOx生成速度。②二次氧比例为90%，一次氧流量过小，导致燃烧喷嘴火焰偏软，火焰形态控制较差，易冲刷到炉体烟气区拱顶部分，虽然NOx排放结果略好于二次氧比例为80%的工况，实际操作过程中采用80%分级比例更佳。

3.3 燃气喷嘴出口速度控制

有色金属冶炼行业应用的氧气燃烧喷嘴速度普遍高于空气烧嘴，燃气/助燃剂速度比是影响燃烧火焰的重要参数之一，因氧气速度已经非常高，故我们试验中固定氧气速度，仅改变天然气喷出速度，以观察火焰变化以及对NOx的影响。

在相同工况下（空炉待料保温1250℃），天然气流量260Nm³/h，氧过剩系数1.02，二次氧分级比例为80%，只改变喷嘴口径而调整喷嘴出口速度，见图5。

图5 喷嘴口径与NOx含量的关系

结果分析：①通过数据可知：燃气出口速度越快，NOx生成量越高，即燃气/氧气的速度差越大，火焰高温区越小。②燃烧喷嘴与氧枪的间距为200mm，燃气速度越快，燃气与二次氧的相互影响、快速混合、反应时间缩短，燃烧反应区域变小，火焰温度升高。③此工况下，燃气喷嘴为61m/s时，火焰形态正常，铜水升温、炉内温差均无明显变化，考虑到小流量下（最小流量50Nm³/h），燃气速度仅12m/s，喷嘴背压极低，炉压波动情况下，存在回火的风险，故实际使用喷嘴依旧为30mm直径的燃气喷嘴。

4 结语

随着日渐趋紧的环保政策，同时借鉴其他行业应用氧气燃烧后的环保政策，NOx控制仍是大势所趋。故充分研究并掌握氧气燃烧控制对NOx生成的影响非常必要。另外氧气燃烧通过多年的技术演变，从最初的为了获得更好的燃烧效率和更高的火焰温度，到现在的为适应不同生产工况的需求为目的。早些年在欧美国家运用的比较广，他们通过在火焰形态控制或者温度分布控制上，改变燃料与氧气的速度和射流强度或者混合形式，形成了一系列不同温度特征控制、火焰形态控制的燃烧技术。近年在国内，随着节能环保的要求进一步提高，为了达到绿色冶炼的高要求，氧气燃烧技术逐步推广到各大企业。氧气燃烧技术在国内铜冶炼行业首次成功应用是2008年金隆铜业阳极炉氧气燃烧改造，迄今已12年，为行业节能减排作出了巨大的贡献[6]，随后新建或者改造的铜冶炼项目，基本上运用了氧气燃烧技术。