淺析中心回燃鍋爐低氮燃燒器的設計

陳敏

摘要：中心回燃鍋爐爐膛結構特殊，燃燒室末端封閉，燃燒一回程和二回程都在同一燃燒室內(nèi)發(fā)生，導致燃燒火焰細長，火焰容積熱負荷高，容易產(chǎn)生熱力型氮氧化物（NOx）。高速射流火焰對回流煙氣具有卷吸作用，回流煙氣與燃燒室壁面之間有強烈的對流換熱。燃燒室內(nèi)部流場紊亂，不利于降低NOx。普通的燃燒降氮技術路線和燃燒器結構無法實現(xiàn)中心回燃鍋爐NOx排放30mg以下。本文結合中心回燃鍋爐的爐膛特點及燃燒特點，進行中心回燃鍋爐低氮燃燒器的工藝選擇和結構設計。經(jīng)過分析后，最終選擇的降氮技術路線為：分級燃燒+旋流燃燒+部分煙氣內(nèi)循環(huán)+煙氣外循環(huán)。燃燒頭結構設計采用燃氣分級+旋流盤+煙氣回流口+進氣雙蝶閥調(diào)節(jié)機構的結構形式。通過實驗驗證，此工藝和結構能夠實現(xiàn)北京DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標準》中規(guī)定的氮氧化物排放達到30毫克[1]以下的標準要求。不同廠家的同一功率的中心回燃鍋爐，其內(nèi)部結構不同，火焰長度和形狀及一二次燃氣比例都有所不同，而燃燒頭進氣雙蝶閥機構的設計能夠很好的調(diào)節(jié)一二次燃氣比例，進而調(diào)節(jié)火焰形狀，從而達到NOx排放達到30毫克以下，實現(xiàn)了燃燒器的通用性設計。

關鍵詞：中心回燃鍋爐、低氮燃燒器、分級燃燒、旋流燃燒、煙氣內(nèi)循環(huán)、煙氣外循環(huán)

鍋爐燃燒產(chǎn)生的氮氧化物（NOx）是大氣污染中的主要污染源之一，國家及地方政府制定了嚴格的排放標準。北京DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標準》中規(guī)定2017年4月1日起新建鍋爐氮氧化物排放需達到30毫克以下。其它地方政府也推出了30毫克的環(huán)保政策。中心回燃鍋爐因為其制造工藝簡單、結構緊湊，且燃燒室空間大，換熱充分、熱效率高等優(yōu)勢，目前市場上應用廣泛[2]。但其爐膛結構特殊，燃燒室容積熱負荷高，燃燒室內(nèi)煙氣與燃燒室壁面對流換熱強烈，氣流紊亂，給降低燃燒產(chǎn)生的氮氧化物造成了一定的困難[3]，且不同生產(chǎn)廠家的中心回燃爐膛結構也有差別。因此針對中心回燃鍋爐爐膛的特殊結構，設計出一款排放30毫克以下的且適用于不同廠家的中心回燃鍋爐燃燒器，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

一、中心回燃鍋爐爐膛特點

中心回燃式的鍋爐結構如圖1.1所示，其結構特點在于，燃燒室末端為封閉結構，燃料自燃燒器向前噴入爐膽，在爐膽內(nèi)正壓燃燒，形成第一回程;火焰燃盡后，高溫煙氣再從爐膽尾部沿著燃燒室內(nèi)壁返回到前煙箱，形成第二回程;之后，煙氣再進入煙管進行充分換熱，形成第三回程，最后經(jīng)煙囪排入大氣。

中心回燃爐膛的結構特點決定了中心回鍋爐的燃燒具有以下特點：

（一）燃燒室末端封閉，燃料燃盡后需返回至前煙箱，燃燒室內(nèi)為微正壓燃燒，對燃氣壓力、火焰速度及火焰形狀都有一定的要求;

（二）燃燒器內(nèi)為兩回程燃燒，導致第一回程燃燒火焰空間狹小，火焰細長且熱負荷容量高，不利于氮氧化物的降低;

（三）燃燒室內(nèi)的流場復雜，首先中心的高速火焰對回流煙氣有較強的卷吸作用，其次回流煙氣與燃燒室壁面有強烈的對流換熱。

以上燃燒特點都給燃燒器的低氮設計帶來了困難。

二、中心回燃鍋爐燃燒器的工藝設計

（一）氮氧化物（NOx）生成原理

NOx的生成分為熱力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx、N2O中間型NOx和NNH型NOx五種機理[5]。天然氣中含化合氮較低，燃燒溫度高，NOx來源主要為熱力型NOx。熱力型NOx是指燃燒過程中，空氣中N2在高溫下氧化生成NOx。

（二）低氮燃燒技術原理及工藝選擇

擴散式燃氣燃燒器的降氮技術路線有煙氣外循環(huán)（FGR）、分級燃燒、旋流燃燒、煙氣內(nèi)循環(huán)（FIR）等工藝[6]。

煙氣外循環(huán)是指把鍋爐尾部的煙氣引回至燃燒器空氣入口的工藝，引入的煙氣降低了火焰溫度，從而減少了熱力型NOx的生成。

分級燃燒指的是把空氣和燃氣在空間上劃分等級，使得空氣和燃氣在貧燃或者富燃的情況下進行燃燒，分級燃燒包括空氣分級燃燒和燃料分級燃燒兩種，兩種方法最終都會使整個系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)保持一個定值。

旋流燃燒可通過控制燃料與空氣的混合來調(diào)整火焰結構、穩(wěn)定火焰。旋流燃燒指通過運用旋流器使得空氣或燃氣生成一個有切向速度的氣流，增加燃氣和空氣的混合，減少產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時間。

煙氣內(nèi)循環(huán)指通過燃燒器的結構實現(xiàn)對燃燒煙氣的引流卷吸，使得煙氣重新參與反應，降低火焰溫度，進而降低熱力型和快速型NOx生成的技術。

中心回燃鍋爐的中心火焰燃燒空間小，火焰細長且容積熱負荷高，分級燃燒可有效降低中心區(qū)的火焰溫度，使整個爐膛燃燒均勻，減少局部高溫。煙氣外循環(huán)（FGR）技術可降低整個爐膛的溫度，進而減少熱力型NOx的生成。由于中心回燃鍋爐燃燒室內(nèi)部有回流煙氣，燃燒頭的結構設計可利用中心回燃的回流煙氣實現(xiàn)部分煙氣內(nèi)循環(huán)（FIR），從而降低氧濃度，使燃燒速度變慢，溫度降低。旋流燃燒可在分級燃燒的基礎上，讓燃料和空氣混合的更加成分，使得燃燒更加穩(wěn)定。

綜合以上工藝特點，中心回燃鍋爐燃燒器采用分級燃燒+旋流燃燒+FIR+FGR四種工藝耦合的技術路線。

三、中心回燃鍋爐燃燒頭的結構設計

（一）燃燒頭分級燃燒結構設計

結構設計如圖3.1所示，燃燒頭分為空氣入口和燃氣入口。燃燒頭燃料出口分為環(huán)形布置的一次燃燒噴嘴和環(huán)形布置的二次燃料噴口，一次燃燒噴嘴位于旋流盤之上，旋流盤上的切向開口為一次空氣開口，二次氣噴口與套筒之間形成二次空氣開口。此結構可實現(xiàn)燃料分級，且一次燃料為貧氧燃燒，二次燃料為富氧燃燒。

一二次燃料分配比例會影響NOx的排放，在燃氣入口處，可設置一二次燃料調(diào)節(jié)機構，本案采用蝸輪蝸桿帶動的蝶閥裝置實現(xiàn)一二次氣的調(diào)節(jié)，此結構可方便調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)精度相對較高且能夠實現(xiàn)自鎖，其結構如圖3.2所示。

進氣雙蝶閥調(diào)節(jié)機構是由兩組蝸輪蝸桿系統(tǒng)帶動的閥板組成，其中一個閥板用來調(diào)節(jié)一次氣流量，另一個閥板用來調(diào)節(jié)二次氣流量。手輪轉動帶用蝸桿轉動，蝸桿轉動帶動渦輪轉動，渦輪轉動帶動閥板軸轉動，進而帶動閥板進行從0°到90°的開合運動。在閥板0°的位置有限位擋圈，在前面板上有指針和刻度盤指示閥板的開啟角度。

蝶閥是一種調(diào)節(jié)流量最常用的機構，制作簡單，使用方便。因為蝸輪蝸桿自身存在一定的傳動比，所以渦輪蝸桿調(diào)節(jié)閥板的開啟角度能使得燃氣流量調(diào)節(jié)精度增加。燃氣存在一定的壓力，在閥板轉的過程中，閥板需要借助外力實現(xiàn)自鎖。當蝸桿的摩擦角小于蝸桿的螺旋升角時，渦輪蝸桿能實現(xiàn)自鎖，如此閥板不會因為燃氣壓力波動而自行轉動，運行安全可靠。

（二）旋流結構設計

旋流盤設計如圖3.3所示，旋流盤上有三種開孔，一種是中心孔，用于旋流的固定，一種是一次燃氣開口，圍繞中心孔圓周均布，一種是旋流板切向開口，一次燃氣噴嘴與旋流板間隔布置，一次空氣從旋流板切向開口噴出與一次燃氣混合，并沿著切向的角度旋轉向前噴出。旋流板旋流角度α和旋流盤開口長度可根據(jù)不同的噸位和爐型進行調(diào)整。

（三）燃氣內(nèi)循環(huán)（FIR）燃燒結構設計

如圖2.1所示，本燃燒頭為了實現(xiàn)煙氣內(nèi)循環(huán)的效果，在燃燒頭的套筒側壁上設置了至少一圈沿所述套筒周向布置的三角口。在燃燒頭二次氣盤與套筒之間設置有二次空氣環(huán)縫，在此處燃氣和空氣的混合物形成高速射流，高速射流可使得回流煙氣卷吸進燃燒頭參與燃燒。燃燒頭燃燒時形成的煙氣內(nèi)循環(huán)示意如圖3.4所示：

此中心回燃燃燒器的結構設計實現(xiàn)了空氣分級、燃料分級、旋流燃燒及煙氣內(nèi)循環(huán)燃燒技術，同時在燃氣進口處設置雙蝶閥調(diào)節(jié)機構，能調(diào)一二次氣分配比例，且能調(diào)節(jié)燃氣噴射壓力和流速，進而調(diào)節(jié)火焰形狀，以匹配不同爐型。

四、工業(yè)實驗

實驗鍋爐為兩臺臺2.1MW的中心回燃鍋爐，一臺品牌為方快，一臺品牌為力聚，如圖4.1、圖4.2所示。燃料為天然氣，方塊鍋爐燃燒室的平均直徑為 1.20m，平均長度為 2.6m，力聚鍋爐燃燒室的平均直徑為1.15m，平均長度為 2.4m。兩個實驗平臺都通過燃燒器控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)天然氣和助燃空氣的閥門開度以及天然氣和助燃空氣的流量，并通過智能流量計顯示具體流量。通過德國Testo-340型自動煙氣分析儀測定鼓風機出口處的煙風混合成分、鍋爐尾部煙道內(nèi)的煙氣成分以及NOx的排放濃度。圖4.1為實驗測試平臺。天然氣流量的變化范圍為180-210Nm3/h，燃氣壓力12KPa，

燃燒器采用中心回燃低氮燃燒器，出力范圍：0.6～2.4MW，過量空氣系數(shù)的變化范圍為 1.12-1.20，煙氣外循環(huán)率的變化范圍為20%～30%。

實驗目的：

（1）實驗此種燃燒頭工藝和結構能否實現(xiàn)NOx排放30mg以下;

（2）此種燃燒器能否適用不同廠家爐型。

通過調(diào)節(jié)進氣雙蝶閥調(diào)節(jié)機構，改變一次燃氣流量的占比，測試在何種角度下NOx排放能達到30毫克以下。

在此實驗中，一二次燃氣的初始配比為3：7，通過調(diào)節(jié)雙進氣蝶閥的角度來調(diào)整一二次燃氣的配比。實驗數(shù)據(jù)如表4-1、4-2所示，方塊鍋爐在一次燃氣蝶閥開啟角度為60°時，NOx排放可達到30mg以下。力聚鍋爐在一次燃氣蝶閥開啟角度為45°時，NOx排放可達到30mg以下。由此說明本燃燒器的降氮工藝選擇及結構設計是合理的。本燃燒器設計能適用于不同廠家鍋爐。

五、結論

本中心回燃鍋爐燃燒器，綜合利用煙氣內(nèi)、外雙循環(huán)，分級燃燒、旋流燃燒等燃燒技術，實現(xiàn)了氮氧化物（NOx）排放量30mg以下的效果。滿足該燃燒器結構包括一二次氣噴嘴、帶煙氣回流口的套筒、旋流盤和可調(diào)節(jié)一二次氣流量的進氣雙蝶閥結構。一二次氣噴嘴實現(xiàn)了燃料分級，套筒和二次氣盤的結構實現(xiàn)了煙氣內(nèi)循環(huán)。雙蝶閥進氣結構采用渦輪蝸桿帶動的蝶閥機構，能在燃燒過程中調(diào)節(jié)一二次氣分配比例，調(diào)節(jié)方便且調(diào)節(jié)精度高。

通過工業(yè)試驗數(shù)據(jù)表明，本中心回燃燃燒器能夠實現(xiàn)中心回燃鍋爐的NOx排放到30mg以下。一二次氣的分配比例會影響NOx的排放，且同一燃燒器在應用于不同廠家或者爐型的中心回燃鍋爐時，一二次氣的分配比例也不同。雙蝶閥進氣機構的設計不但能夠實現(xiàn)一二次氣調(diào)節(jié)，而且提高了中心回燃燃燒器的通用性。

參考文獻：

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