加热炉裂解炉燃烧器NOx排放测算-基础篇一

一、写在前面

燃烧器NOx排放的测算不是NOx修正计算（不同氧含量、干湿基等）；而是以理论及大量实验数据为基础的NOx产生量的测算；因为不同的燃烧器技术本身其排放的水平是有很大差异的，燃烧器NOx的测算，不是要直接告诉你某种燃烧器在某加热炉上排放是多少；当然，我们如果有此类燃烧器的大量历史数据是可以用此方法推算出其他现场的情况；

NOx排放的测算是基于已知某种燃烧器在特定工况下的排放数据，当工况中某一参数或某几个参数发生了变化，测试其NOx排放的数据；

特点工况包括：加热炉温度、燃气组分及温度、助燃空气温度、气象数据变化等能够影响燃烧器排放性能的各个可能的参数；

另外，燃烧器NOx测算需要默认燃烧器是自身工作状态良好；例如，已知燃烧器在特定工况下的数据排放，但燃烧器瓦斯枪有部分堵塞，耐火砖有破损，此已知数据不能作为工况变化后的基础数据去测试新的工况下的排放；或者说这种测算是非常不准确的；

NOx测算在高温炉膛（转化炉、乙烯）的数据是比较准确的；

燃烧器NOx测算的函数源自理论，而经验常数则基于实验数据；

1. 燃烧器NOx测算必要性：

   燃烧器改造降低加热炉NOx排放，相对于增加SCR的下游处理装置是十分经济的；这种改造需要确保通过实验定型的燃烧器产品在现场工况条件下的应用是性能确保无虞的；

2. 燃烧器出厂前的热态实验，相对与客户现场全尺寸炉膛相比，燃烧器制造商的试验设施中的燃烧器测试通常会产生较低的NO估计值。 热态试验虽尽可能模拟现场的工况，但是不可避免的存在局限性，无法做到100%，一个可行的替代方案是基于动力学理论的实证方法，并根据试验工况的数据，测算燃烧器实际现场应用的可能的排放性能；

3. 当客户现场应用工况条件预计要发生变化时，我们需要知道预计的工艺工况变化，燃烧器NOx排放会有什么具体的变化，从而为是否需要做燃烧器改造或增加SCR设备的决策做技术支持；例如，当转化炉使用燃料的变化，我们可以使用绝热火焰温度(AFT)、炉膛过量氧(O2)和炉膛温度等，可以快速准备的计算出NOx的变化；当然复杂组分的计算是另一个问题；在实施燃烧器改造以符合不断变化的监管要求之前，准确预测NOx排放对于决策十分重要，可以避免在现场启动后出现的不可挽回损失；

4. CFD计算的相互补充；一般而言追求更低的NOx排放往往伴随着火焰不稳定性的问题，如火焰翻滚和对炉管的冲击；转化炉和乙烯裂解炉的燃烧器在设计一般需要CFD的应用介入，用于研究火焰形态和温度分布；但CFD的计算模型很难预测燃烧器在炉膛内的NOx排放量。基于理论与实验数据的燃烧器NOx测算技术，作为CFD的补充，可以很好的解决这一问题；
   三、NOx修正计算基础

   燃烧器NOx测算虽不是修正计算，但修正计算也是必须要用到的；例如，乙烯裂解炉通常使用的燃料是氢气(H2)和甲烷(CH4)的混合物；不同的燃料会给NOx修正计算带来细微差别；干基NOx炉膛烟气中3% O2(干基)校正的NOx体积浓度(ppmd @ 3% O2, 干基)与NOx质量浓度之间的关系，会随着所燃料的组成略有变化。一般而言，H2组分越高，折算值越高（不是指NOx生成量）；ppmd@3% O2（干）为烟道测得的浓度调整为3%02（干燥）的标准参考值；稀释修正ppmd @3 % O2（干）=  ppm x [（20.95-3）/（20.95 -  O2 %（干））]；干湿基转换：ppmd ＝ppm（湿）[100/（100-H2O%）]。   其中的 H2O% 当过剩空气量一致时，更多的是取决于燃料组分的差别，H组分的多少；

   四、理论计算基础假设及适用条件

   NO是炉膛内燃烧中NOx的主要成分（占95%），其次是二氧化氮(NO2)(占5%),燃烧器Nox测算方法不适用于快速自由基机制形成的瞬时NOx，也不适用于燃料中化学结合的氮化物产生的燃料型NOx；

   影响因素的核心是：火焰中心的温度和过氧浓度；即变量的关键是特定燃料在给定条件下的完全燃烧理论绝热火焰温度(AFT)和通常为辐射段湿基实测氧含量；如果炉膛存在烟囱或对流段存在大量漏风情况，测得的氧含量不能真实反应热力型NOx生成位置的情况，此方法不能被有效使用；绝热火焰温度（AFT）虽然不能真实替代实际的燃烧火焰中的峰值温度，但两者有变化的一致性；理论上我们需要加上燃料热值、燃烧产物及助燃空气温度、氧含量的修正可以得到计算所需；当维持炉膛的整体温度越高，辐射火焰的计算AFT越接近实际火焰温度；我们通常需要引入变量桥墙温度来修正计算函数；