氢 - 天然气氧燃料燃烧器中 NOx排放与传热特性比较研究

为探究氢氧燃料燃烧 NOx排放情况，研究人员利用 200 kW 半工业燃烧器，对比氢与天然气的 NOx排放、温度分布等。发现氢燃烧 NOx更高、炉温略低，炉压和空气侵入影响显著，为工业脱碳提供数据支撑。

　　

工业领域的高温 processes 一直面临着减碳难题，传统的电气化改造对于钢铁、玻璃等行业来说，受限于高温需求、电力供应稳定性以及设备改造成本，难以一蹴而就。氢作为一种清洁燃料，其燃烧产物仅为水，被视为工业脱碳的重要路径之一。然而，氢燃烧过程中仍会产生氮氧化物（NO_x），这一环境污染物的控制问题不容忽视。目前，关于氢氧燃料燃烧在工业或中试规模下的 NO_x排放数据相对匮乏，且与天然气燃烧的对比研究不够全面，难以满足工业应用中对污染物排放和燃烧性能评估的需求。在此背景下，开展氢 - 天然气氧燃料燃烧特性的对比研究，对于推动工业领域的低碳转型和污染物管控具有重要的现实意义。

来自国外的研究人员针对上述问题，利用 Linde OPTIFIRE? COROX-R 燃烧器（设计功率 200 kW），在半工业规模的实验装置上开展了相关研究。该研究对比了氢气、天然气及其混合燃料（50% 功率份额，约 77% 体积分数氢气）在氧燃料燃烧条件下的 NO_x排放、温度分布、冷却喷枪的热传递以及烟气损失等特性，同时考察了壁温（1200°C 和 1300°C）、炉压和空气侵入对 NO_x生成的影响，研究成果发表在《Fuel》上。

研究主要采用了以下关键技术方法：使用半工业燃烧器模拟工业燃烧场景，通过简单稀释方案解决氢燃烧烟气中高水蒸气含量对 NO_x测量的干扰，利用光学手段进行火焰监测，对炉内平均温度、烟气成分等参数进行实时测量和记录，并通过改变燃料类型、操作功率、炉压等条件进行对比实验。

稳定温度、热传递和 NO_x值

图 4A 显示，启动后 5 小时内炉内平均温度趋于稳定。不同燃料的炉壁加热趋势相似，但最终温度存在差异：天然气稳定在约 1260°C，混合燃料为 1255°C，氢气为 1237°C。这表明氢气燃烧时炉温略低于天然气及混合燃料。在热传递方面，与天然气相比，氢气燃烧时冷却喷枪的热传递从 125 kW 增加到 141 kW，可能与氢气燃烧的火焰特性和烟气成分有关。NO_x排放方面，在 200 kW 功率和最小空气侵入条件下，天然气燃烧的 NO_x排放为 6 mg/MJ，而氢气燃烧时显著增加至 25 mg/MJ，说明氢气的加入会导致 NO_x排放明显升高。

炉压和空气侵入的影响

降低炉压会导致炉内空气体积增大，在所有燃料情况下均显著提高 NO_x排放。这是因为空气侵入引入了更多的氮气，为热 NO_x的生成提供了更多原料。此外，向炉内引入空气不仅会增加 NO_x排放，还会减少冷却喷枪的热传递，可能是由于空气的引入改变了燃烧产物的组成和温度分布，进而影响了热传递过程。

烟气中湿氮含量的影响

研究观察到 NO_x排放与烟气中湿氮含量呈线性增加关系，且这种趋势在氢气燃烧时更为明显。这进一步验证了氮气在 NO_x生成中的关键作用，同时也表明氢气燃烧对氮气的敏感性更高，需要在工业应用中更严格地控制氮气的引入。

燃料灵活性

实验结果表明，该燃烧器具有良好的燃料灵活性，能够适应高达 100% 的氢气燃料，为工业领域灵活使用氢燃料提供了技术支持。

研究结论表明，氢氧燃料燃烧在工业脱碳中具有潜力，但需关注 NO_x排放控制问题。炉压和空气侵入是影响 NO_x排放的重要因素，在实际应用中应优化燃烧系统设计，减少氮气的引入。此外，氢气燃烧时的热传递特性与天然气存在差异，需在工业设备设计中予以考虑。该研究为工业规模的氢 - 天然气氧燃料燃烧系统的设计和运行提供了关键数据，有助于推动工业领域的低碳化转型，同时为 NO_x排放控制技术的开发提供了理论依据。