烟气再循环发展方向

烟气再循环可实现对燃烧温度、氧浓度的控制，改善燃烧室温度场、流场等，从而达到降低排放和提高燃烧效率的目的。综述了烟气（废气、燃气） 再循环技术在不同领域的应用和研究进展，并对其归纳如下： 通过烟气再循环技术可实现高温空气燃烧、稀薄燃烧、富氧燃烧和柔和燃烧等燃烧方式。从而达到降低排放、提高燃烧效率的目的。实现烟气再循环难点在于烟气回流量的控制。采用何种方式回流烟气及强化回流是烟气再循环燃烧技术的重要研究内容。

1、工业燃烧器

在工业燃烧器中无论是普通的燃气燃烧器、燃油燃烧器，还是纯氧燃烧器，烟气再循环技术都有着广阔的应用前景。高温空气燃烧是实现工业燃烧的有效方法，其核心即是通过烟气再循环实现对空气的预热。该燃烧方式具有火焰体积成倍增加、火焰温度场分布均匀、低NOx排放等显著优点。

夏德宏等提出将收缩－扩张结构用于燃烧器的空气通道。开发出了用于高温空气燃烧的烟气自循环型燃烧器，该燃烧器利用空气经过缩放通道形成的负压区卷吸燃烧室大量的烟气，助燃空气在燃烧之前被加热和稀释到较低的氧含量。通过数值模拟分析了喉部面积对烟气自循环式燃烧的影响规律。实际运行中该燃烧器与常规燃烧器相比排烟温度降低了30K，效率提高了9%，燃料节约率13%，具有相当可观的经济效益。

此外，烟气再循环对燃油雾化亦有一定改善效果。刘联胜等研究烟气再循环对气泡雾化喷嘴下游的旋流液雾火焰宏观特性以及燃烧产物成分的影响。研究表明： 烟气再循环一方面提高了油雾颗粒蒸发速度，改变了燃油液雾旋流火焰的宏观特性，使其火焰长度缩短、刚性增强，而且削弱了高温区的存在，显著降低了烟气中不完全燃烧产物，使燃烧效率得到提高； 另一方面烟气再循环大大降低了火焰高温区的氧气体积分数，抑制了NOx的形成，从而可使NOx排放量大幅度减少。

纯氧燃烧技术在玻璃炉窑、冶金工业炉窑中的应用取得了良好的节能减排效果。在对已有的燃烧系统从普通空气燃烧改造为纯氧燃烧的过程中，由于纯氧燃烧温度特别高，因此需要利用燃烧器将大量的烟气回流实现对温度的控制，从而避免烧嘴和烧嘴砖的过热烧损和烟气减少带来的局部高温的问题。Mark D等研究一种典型的烟气外循环式纯氧燃烧器。该燃烧器的回流烟气通过控制阀从管道进入预燃室，在预燃室中与燃料和氧气充分混合后进入主燃烧室进行燃烧反应。该燃烧器主要应用在对普通空气助燃的燃烧设备进行纯氧燃烧改造上，可实现类似于普通燃烧时的火焰特性。

2、燃煤锅炉

燃煤锅炉燃烧中烟气再循环技术主要与空气分离、富氧增压燃烧等技术相结合，形成有自己特点的燃烧技术。Horne和Steinburg提出空气分离/再循环技术，也称为O₂/CO₂燃烧技术。

该技术原理图如图1所示。

空气分离将氧气从空气中分离出来，分离出来的纯氧与锅炉燃烧的部分烟气混合成新的混合气，替代原来的空气作为燃料的氧化剂，由于氮气在空气分离时被分离掉，所以该过程燃烧产物中CO₂的含量达到95%以上。烟气大部分直接液化处理。其余再循环烟气与纯氧按照一定比例混合后进入炉膛，进行与常规燃烧方式类似的燃烧过程。空气分离/烟气再循环燃烧技术不仅能使分离收集CO₂容易进行，还同时具备相当低的NOx排放和较高的脱硫效率的功能，能够有效控制燃煤污染。

由于常规空气分离/烟气再循环燃烧技术中将二氧化碳压缩为液态需要消耗大量能量。因此美国Thermo Energy公司在常规空气分离/烟气再循环燃烧技术基础上提出增压富氧燃烧技术。增压富氧燃烧的整体化发电系统的燃烧与捕集CO₂的全过程均在6～8MPa的高压下完成，大大减少压缩电耗与压降损失，与常压富氧燃烧采用多级压缩与制冷捕集CO₂相比，压缩电耗大大减少。烟气回流燃烧室前仍会有一定的压降，因此需要利用烟气再循环压缩机对再循环烟气进行压缩升压后循环回燃烧室。在高压下对气体进行压缩升压，再循环压缩机的电耗较大，使整体系统经济性下降。针对上述问题，由于CO₂在6MPa高压下的液化温度为25°C左右，因此提出一种先将CO₂液化升压再汽化蒸发为气态CO₂后循环回燃烧室的新型烟气再循环系统。对液态CO₂进行压缩升压的增压泵的电耗远小于对气态CO₂进行压缩升压的压缩机的电耗，故采用此种将CO₂先液化再蒸发的新型烟气再循环系统可使整体发电系统的经济性提高。

3、燃气轮机

最初烟气再循环燃烧技术主要应用于各种燃烧设备，后来逐渐应用在动力设备。烟气再循环应用在燃气轮机上的研究重点为通过烟气再循环技术来实现燃气轮机燃烧室的无焰燃烧。燃气轮机燃烧室与工业燃烧炉有很大的不同，具体表现在： 燃气轮机燃烧室没有热量析出，工作在高压下，在燃烧之前甚至在燃烧产物中仍然保持很高的氧气浓度，所以实现无焰燃烧以及相关的NOx排放的关键条件就是在有限空间完成空气和大量烟气的强烈混合，避免在烟气稀释空气之前发生直接燃烧。

佐治亚理工大学M. K. Bobba等研究了采用滞止点回流稳定 （Stagnation Point Reverse Flow，SPRF） 技术来实现燃气轮机模型燃烧室的无焰燃烧。该模型燃烧室反应物沿中心喷射进入，在回流滞止点形成燃烧的稳定点。烟气在燃料外部回流，起到稀释氧浓度，预热燃料和空气的作用。该燃烧室可以燃烧液体或固体，燃烧方式可以是预混或者非预混，均可以保持很低的污染排放。

4、内燃机

在内燃机领域烟气再循环技术被称为废气再循环技术（Exhaust Gas Recirculation，EGR）。其主要研究内容为如何提高EGR率和EGR对内燃机燃烧特性、传热特性的影响。

郭鹏江等研究利用文丘里管和可变喷嘴增压器（VNT） 提高柴油机NOx的EGR率，来降低柴油机排放。试验结构采用串联全流式EGR系统。从涡轮前取气，经过EGR冷却器、EGR阀； 利用文丘里管的引射作用，引射废气与新鲜空气混合。混合气进入发动机进行燃烧。采用文丘里管可以先降低增压器后压力，在文丘里管的喉口处压力最低； 设计成缩放结构，使压力在扩压段能得到很大程度的恢复，不至于由于之前压力的降低影响进气流量的降低，使柴油机动力性和经济性变差。由于涡轮前取气，大负荷可以通过减小喷嘴环的流通面积来提高排气压力，这样能通过进一步增加涡轮前压力和增压器后压力的差值来提高EGR率。结果表明： 基于VNT的EGR系统，扩展了EGR率的范围，小负荷的EGR率能达到30%，大大地降低了NOx的排放，而且保证柴油机动力性、经济性基本不变。

5、斯特林发动机

斯特林发动机作为外燃机，具有燃料多样性，排放低等优点，在斯特林发动机领域烟气通常没有经过进排气系统，而是采用引射器来组织流畅，在燃烧室内完成烟气的循环，因此称为燃气再循环技术（Combustion Gas Recirculation，CGR）。其中根据燃烧压力不同又可以分为常压和高压两种燃烧系统。为了让斯特林发动机在热电联供系统中有一席之地，就必须充分发挥斯特林发动机低排放的优势。

瑞典Lund University的Palsson M基于SOLO161斯特林发动机设计和研究了天然气CHP（Com-bined Heat and Power） 用斯特林发动机燃烧室。该燃烧室采用燃料引射回流燃气的方式，气体燃料从中心喷嘴喷出，之前燃烧的燃气部分被引射入混合管与被预热的空气和气体燃料充分混合，剩余的燃气经过预热器排出燃烧室，该燃烧混合管较长，在燃烧前燃料与空气已经充分混合，属于预混燃烧。研究表明该燃烧方式相比于催化燃烧等燃烧方式具有更低的NOx和HC排放，提高了斯特林发动机应用在CHP领域的竞争力。为了避免纯氧燃烧时产生的高温，就必须应用燃气再循环技术来降低火焰温度，避免加热管和油头的烧损。Tian Lu等研究了高背压下柴油 纯氧为热源的斯特林发动机引射式燃烧室柔和燃烧特性。其工作方式为纯氧从周向布置氧喷嘴喷出，高速气流在混合管内形成负压区，引射部分高温烟气进入混合管与氧气混合，形成可燃混合气，经过旋流器产生旋流，压力涡旋喷嘴喷出的油与旋流混合气混合，之后进入主燃区参与燃烧反应。数值模拟和实验表明随着氧气引射烟气量的增加，该燃烧室可以形成柔和燃烧，柔和燃烧使得整个燃烧室温度更均匀，降低了最高温度，发动机效率从31.2%提高到32.3%。燃气再循环实现柔和燃烧技术可以应用在斯特林发动机燃烧室，设计引射量足够大的引射器是实现引射式柔和燃烧的技术难点。

烟气再循环的本质是通过将燃烧产出的烟气重新引入燃烧区域，实现对燃烧温度氧化物浓度的控制，从而实现降低氮氧化物的排放和节约能源的效果。其减排机理可以用热力型NOx的生成机理来解释。在高温条件下，由空气中的氮经氧化而生成的NOx，称为热力型NOx（Thermal NOx）。其生成过程可用下面一组连锁反应来描述。

N₂ O=N NO（1）

O₂ N=O NO（2）

N OH=NO H（3）

上述反应中，式（1） 的活化能较高，故由式（1）表示的反应控制NOx的生成量。热力型NOx的生成速率可由式（4） 表示：d[NO]/dt= 6 × 10¹⁶[O₂]^0.5[N₂]T^-0.5e^-69090/T。

（4）式中：d[NO]/dt—热力型NOx的生成速率，mol/（cm³·s）；[NO]、[O₂]、[N₂]—分别为NO、O₂、N₂等组分的摩尔浓度，mol/cm³；T—反应温度，K；t—反应时间，s。热力型NOx形成的主要控制因素是温度，温度对NOx生成速率的影响呈指数关系。影响热力型NOx生成的另一个主要因素是烟气中的氧浓度，其生成速率与氧浓度的0.5次方成正比。

烟气再循环技术降低了火焰区域的最高温度，降低火焰就可以降低NOx的形成。同时烟气再循环降低了氧和氮的浓度，同样起到降低NOx的作用。烟气再循环技术中高温烟气对氧化剂和燃料起到预热的作用，有明显节能效果。

随着环境污染加重、能源的日益紧缺，人们希望通过新型燃烧方式来实现节能减排。富氧燃烧、柔和燃烧、低温燃烧和烟气再循环燃烧等燃烧方式在不同领域得到应用，取得了较好的节能减排效果。其中，烟气再循环技术具有降低NOx排放、提高燃烧效率的优点，广泛应用于工业燃烧器、锅炉、燃气轮机、内燃机和斯特林发动机等领域。烟气再循环燃烧技术是指燃烧产生的部分烟气与氧化剂混合后再次参加燃烧过程的燃烧方式。根据应用领域不同特点，在工业燃烧器、锅炉、燃气轮机中这种燃烧技术被称为烟气再循环技术（FlueGas Recirculation，FGR） ，应用在内燃机则通常称为废气再循环技术 （Exhaust Gas Recirculation，EGR） ，而在斯特林发动机中则被称为燃气再循环技术（Combustion Gas Recirculation，CGR）。

什么是烟气再循环调温"para" label-module="para">

烟气再循环调温的原理是利用省煤器后烟气(温度为250℃—350℃)的一部分，通过再循环风机从炉膛下部送入，以降低炉膛的辐射换热量，改变锅炉辐射与对流受热面的吸热量比例，达到调节汽温的目的。炉膛温度随再循环烟气量增加而降低，使辐射吸热量减少，但炉膛出口烟气温度变化不大。而对流受热面的吸热量却随烟气量增加而增加。烟气再循环调温主要用于调节再热水蒸气温度，一般每增加1`%再循环风量，可使再热汽温提高约2℃，烟气再循环调温的主要缺点是由于增加了烟气再循环风机，使厂用电增加。对于燃烧低挥发分煤和低质煤的锅炉，则不宜采用，以免影响燃烧稳定和增大对流受热面的磨损。2100433B

烟气再循环风机是一种风机。

中文名称

烟气再循环风机

英文名称

gas recirculation fan

定　　义

专用于从省煤器等区域烟道处抽取一部分低温烟气送入炉膛进行烟气再循环的风机。

应用学科

电力（一级学科），锅炉（二级学科）