低氮燃燒器的NOx排放性能及運行優化

陳旭，朱永郁，陶軍，王春華

（遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001）

近幾年，國家對環境保護意識日趨增強，對工業大氣污染物排放標準的要求更加嚴格，由此全國掀起了燃煤鍋爐改造為天然氣鍋爐[1-3]的熱潮。盡管天然氣具有低硫化合物并且低粉塵排放的優點，但是天然氣燃燒時還是會產生非常多的氮氧化物（NOx）。2015年，北京市發布了《鍋爐大氣污染物排放標準》（DB11/139—2015）。該標準中明確提出，2017 年4 月1 日之后的新建燃氣鍋爐，其NOx的排放濃度不得大于30mg/m3（換算到3.5%O2下的標準值）[4]。隨后，天津、青島、西安、成都、鄭州等緊隨北京進行了燃氣鍋爐NOx排放標準的政策制定與鍋爐低氮燃燒改造[5]。目前低氮燃燒器種類繁多，設計原理常見的有分級（燃料分級和空氣分級）燃燒、貧燃預混燃燒、煙氣再循環、旋流燃燒、無焰燃燒[6-10]等。其中煙氣再循環是一種能夠大幅減低NOx的有效措施。煙氣再循環分為煙氣內循環和煙氣外循環。煙氣內循環是指通過燃燒器與燃燒室的結構設計（如旋流、鈍體繞流等方式），使得煙氣產生回流，在燃燒室內回流到燃燒區域參與反應；煙氣外循環是將燃燒室尾部煙氣引入到助燃劑或燃料中。

研究表明，煙氣外循環可有效降低燃燒區域氧氣濃度，降低燃燒區域的火焰溫度峰值，縮小高溫集中區域，增強燃燒區的溫度均勻性[11-14]。因此，煙氣外循環能夠顯著降低NOx排放濃度。Baltasar等[15]發現煙氣外循環可以減少70%的NOx生成。宋少鵬等[7]對一種燃料分級低氮燃燒器進行試驗得知，當煙氣外循環率為10%時，再循環煙氣對NOx的減排可達65%；當大于10%后，再循環煙氣對NOx的生成影響減少；當煙氣外循環率增加到45%時，NOx的排放不再減小。Shalaj等[11]研究表明，煙氣外循環率在0～1逐漸變化時，NOx的生成量逐漸降低，當煙氣外循環率趨近于1 時，NOx的生成量趨近于0。

另外，煙氣外循環率的大小直接影響著燃燒的穩定性。煙氣外循環率過大，會產生振蕩燃燒、熄火等問題。Baltasar 等[15]發現煙氣外循環率為35%時火焰吹熄；Yu 等[16]認為在燃料側引入再循環煙氣時，煙氣外循環率為15%時出現火焰不穩定，在空氣側引入再循環煙氣時，煙氣外循環率為25%時出現火焰不穩定。因此目前應用在工業鍋爐上的煙氣循環率多數不宜超過20%，一般控制在10%～20%范圍內。少數研究者迎難而上，解決了高煙氣循環率下的火焰穩定性問題。宋少鵬等[17]對燃燒器增設了燃料分級，試驗研究發現燃燒穩定性受到煙氣外循環率、過量空氣系數、二次燃料比例的交互影響，隨著過量空氣系數和二次燃料比例的增加，煙氣再循環率的穩燃范圍擴大，由17%可增加到58%。王志寧等[18]結合了燃料分級、空氣分級和煙氣內循環，在0.8MW 中試試驗臺上研究發現，當煙氣外循環率為約25%時，NOx排放濃度維持在約25mg/m3，同時燃燒穩定無振蕩、熄火現象。綜上，上述燃燒器的火焰穩定范圍得到擴大，但增設了空氣分級、燃料分級，使得燃燒器結構復雜，操作復雜。

基于此，為了滿足新標準燃氣鍋爐NOx排放濃度30mg/m3的要求，本文設計了一種結構簡單而又在高煙氣循環率下實現低氮穩定燃燒的燃氣燃燒器，通過工業試驗研究了燃料消耗量、煙氣循環率、過量空氣系數對NOx排放濃度的影響，驗證了燃燒器的低氮排放性能，同時采用數值分析方法，確定了合理的煙氣循環率與過量空氣系數取值范圍。

1 燃燒器的低氮排放與穩定燃燒原理

1.1 燃燒器的主要結構

圖1顯示了低氮燃燒器的主要結構。

（1）燃氣流道 燃氣流道主要由主氣管和噴嘴組成。主氣管為一環狀圓柱管，嵌套在一個中空管的外側面。主氣管一端封閉，一端與爐膛連通。在封閉端附近布置燃氣進氣口。如圖1所示。

圖1 低氮燃燒器的結構

噴嘴是燃氣的噴射通道，由多個與燃燒器中心線具有一定傾角的直管組成。如圖2所示。

（2）空氣流道 空氣流道整體呈一環狀圓柱管。在空氣流道末端設置有旋流通道。旋流通道內設置有沿橫截面等間布置的多個軸向弧狀旋流葉片。旋流葉片結構如圖3所示。

圖2 噴嘴的結構

圖3 旋流葉片結構

（3）中空圓柱管 中空圓柱管的中心線為燃燒器主體的中心線，它可以為爐內煙氣循環提供內部循環通道。

（4）穩焰裝置 穩焰裝置呈喇叭式擴口，嵌入到爐體的爐墻內。穩焰裝置的小口端連接空氣流道的空氣出口，大口端朝向爐膛方向。穩焰裝置配合旋流器的結構設計，能夠提高燃燒產物的旋流效果，從而提高火焰燃燒穩定性。如圖4所示。

圖4 穩焰裝置結構

1.2 燃燒器低氮燃燒與穩定燃燒原理

圖5 安有本燃燒器的燃氣鍋爐工作過程

圖5示出了燃燒器的工作過程。在鍋爐尾部抽取一部分低溫煙氣與空氣混合后送入爐內，同時混合氣流進入旋流器后依靠旋轉射流中心形成的負壓區卷吸大量周圍高溫氣流，這樣煙氣外循環聯合煙氣內循壞使得燃燒區域形成低氧氣氛，降低了燃燒區域的火焰溫度和氧氣濃度；另外，噴嘴上設置有多個均勻分布的與燃燒器中心方向呈一定夾角的燃氣噴射管，燃氣經各個燃氣噴射管噴出，將火焰分割成多個單獨的小火焰，小火焰因散熱面積大造成散熱量大，使得火焰峰值溫度降低。這些措施均有利于降低NOx的生成量。多個噴射管的噴嘴結構設計能夠使得燃氣流速均勻性增強，喇叭式擴口穩焰裝置結合旋流器布置，使燃-助燃劑混合氣流在噴嘴外圍形成漩渦，使得高溫燃燒產物發生回流，回流區的尺寸和回流量顯著增加，使得火焰穩定性提高。

上述低氮燃燒器本文作者已與北京基鼎環保科技有限公司合作申請了發明專利和實用新型專利，實用新型已授權，詳細結構詳見專利[19]。

2 低氮燃燒器的工業試驗和分析

2.1 試驗方法

試驗鍋爐為一臺2.8MW 三回程螺紋煙管臥式內燃氣鍋爐。燃料為天然氣（體積分數為82.89%CH4、 8.98% C2H6、 2.03% C3H8、 0.87% CO2、1.84%N2），燃氣在爐膽內微正壓燃燒，高溫煙氣流經爐膽后經回燃室轉折180°流入第一煙道管束，經壓迫式前煙箱再轉折180°進入第二管束，經過對流換熱后排入大氣。鍋爐燃燒室截面為圓形，燃燒室的平均直徑為1.30m，平均長度為2.75m。通過燃燒器控制系統調節天然氣和助燃空氣的閥門開度，控制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ecom-EN2 和ecom-J2KN 型自動煙氣分析儀分別測定鼓風機出口處的煙風混合成分與溫度、鍋爐尾部煙道內的煙氣成分、煙氣溫度以及NOx的排放濃度。ecom-EN2和ecom-J2KN 型自動煙氣分析儀O2的測量精度為±0.2%，NOx（NO、NO2）的測量精度為±5%，CO的測量精度為±5%。NOx和CO 的測量結果均換算到3.5%O2下的標準值。圖6為試驗測試平臺。

圖6 工業鍋爐試驗測試平臺

天然氣流量的變化范圍為185～250m3/h，過量空氣系數的變化范圍為1.12～1.20，煙氣外循環率的變化范圍為10%～40%。

2.2 試驗結果分析

（1）燃料流量對NOx排放濃度的影響 圖7 示出了燃料流量對NOx排放濃度的影響。在過量空氣系數為1.15、煙氣循環率為28.5%、天然氣流量由185m3/h 變化到250m3/h 時，NOx的排放濃度逐漸增加，由5.7mg/m3增加到11.9mg/m3，但增加幅度隨著燃料流量的增加有所減緩。這是因為在燃燒室結構尺寸不變的情況下，燃料流量的增加意味著熱負荷的增加，而熱負荷的增加將直接導致火焰溫度的升高，從而增加煙氣中的NOx排放濃度。這在文獻[20]中也得到了驗證。

圖7 燃料流量對NOx排放濃度的影響

（2）過量空氣系數 圖8示出了過量空氣系數對NOx排放濃度的影響。在燃料流量和煙氣循環率分別為237m3/h 和34%、過量空氣系數α 由1.12增加到1.20時，NOx排放濃度與過量空氣系數并不是單調的函數關系，而是先隨α的增加而增加，在α=1.16處達到最大值，之后逐漸降低。但其NOx排放濃度最大值也僅為20.3mg/m3。燃氣與助燃劑混合燃燒屬于擴散燃燒，邊混合邊燃燒。理論上，當過量空氣系數為1 時，火焰溫度最高，NOx生成量最大。但對于擴散燃燒，在過量空氣系數為1 時，在實際生產運行中并不能達到充分良好的均勻混合，所以NOx生成量不會達到最大值，最大值要移至過量空氣系數大于1的區域。曾強[20]的試驗結果和數值模擬結果顯示在α=1.10時，NOx的生成量達到最大值；宋洪鵬等[21]在燃氣燃燒試驗中發現火焰最高溫度都是先增加后減小，且過渡的范圍在1.0～1.2 之間。本文的研究結果符合前人研究結果，但由于采用的燃燒器結果和工藝的不同，在NOx生成量上有著很大的區別，本文的測試結果比他們的測試結果小得多。

圖8 過量空氣系數對NOx排放濃度的影響

（3）煙氣外循環率 圖9示出了煙氣外循環率對NOx排放濃度的影響。在燃料流量和過量空氣系數分別保持237m3/h 和1.15 不變，煙氣外循環率從10%變化到36%時，NOx排放濃度隨著煙氣外循環率的增加而迅速下降，在煙氣外循環率為20%時，NOx排放濃度大幅下降82%，由煙氣外循環率10%的400mg/m3降低到煙氣外循環率20%的73mg/m3，然后隨煙氣外循環率線性減小。由圖中清晰看到，煙氣外循環率在低于28%時，NOx排放濃度高于30mg/m3。在試驗中發現，當煙氣外循環率超過40%后，燃燒器點火困難，不宜維持穩定燃燒，時常發生熄火。而燃燒器在煙氣外循環率為28%～40%時，火焰穩定且實現了低氮燃燒。同時煙氣分析儀上CO 含量為零，說明該燃燒器在完全燃燒程度上表現出了一定的優越性，能夠實現充分燃燒。

圖9 煙氣外循環率對NOx排放濃度的影響

3 運行參數的數值計算優化

運用數值計算方法對燃氣鍋爐內的燃燒過程進行求解，以確定合理的過量空氣系數和煙氣循環率范圍，進而實現燃燒器的NOx排放濃度低于30mg/m3的排放標準。數學模型涉及基本的守恒方程（連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分守恒方程），Realizable k-ε 湍流模型、非預混燃燒模型、P-1輻射模型、NOx污染模型等[20-21]。對于天然氣燃燒過程中產生的NOx，只考慮熱力型NOx和快速型NOx。此外，天然氣燃燒生成NOx主要成分是NO，所以這里只考慮NO。

以旋流風道入口中心為零點坐標，建立三維坐標，運用Gambit 2.4建立燃燒器主體、鍋爐的三維結構模型和網格劃分，對旋流風道和燃氣噴嘴進行適當加密，旋流通道由于結構較復雜采用四面體網格，其余結構采用六面體網格。對該模型進行了網格無關性驗證，結果如圖10 所示。最終確定網格數約300萬，如圖11所示。

3.1 過量空氣系數對燃燒器NO排放特性的影響

圖10 不同網格數計算對比結果

圖11 網格劃分

圖12 示出了在煙氣循環率為34%時不同過量空氣系數α下（從1.05變化到1.20），X=0平面上的溫度分布。圖13 左邊和右邊坐標分別示出了爐膛中心線上的溫度變化和NO物質的量分數變化。由于燃氣以高速度從噴嘴處傾斜噴入穩焰裝置內，開始燃氣流和助燃劑流的相互干擾較弱，后期燃氣流和旋轉助燃劑流交叉相遇并混合，致使燃氣和助燃劑發生強烈混合與燃燒。由圖12 可知，高溫區域發生在穩焰裝置后側，這表明燃燒主要發生在穩焰裝置后側。如圖13 所示，α=1.15 時爐內高溫區域長度最短，α=1.10時爐內高溫區域溫度最高，且長度較長，僅次于α=1.05 對應的工況，由此說明在溫度均勻性上α=1.15時相對較好。同時，注意到，NO 生成量最大值對應的α=1.10，與工業試驗有出入，這是由于實際過程中燃料和空氣的混合程度不可避免地與設計的有差距。另外由圖可明顯看出，NO 濃度最大值不是出現在火焰面上，而是在火焰的下游區域。另外，如圖14可看出爐膛出口處NO排放濃度的變化與爐膛內最高燃燒溫度的變化趨勢相似，爐膛內燃燒溫度峰值越大，爐膛出口處NO排放濃度越大。

3.2 煙氣循環率對燃燒器NO排放特性的影響

圖15和圖16分別顯示了α=1.15時不同煙氣外循環率r 下（r 從10%變化到40%），X=0 平面和爐膛中心線上的溫度分布。當r 由10%提高到40%時，爐膛內整體溫度降低，高溫區域縮短變窄，溫度均勻性增強。這是因為隨著r的增加，助燃劑流量增加，煙氣量增加，但煙氣量的增加遠大于氧化劑熱容量的變化，致使煙氣溫度降低；同時r 越大，進入爐膛氣流的動量越大，氣流旋渦旋轉越快，燃氣摻混效果強，有利于燃氣的快速均勻摻混與燃燒，致使溫度分布的均勻性增強。

圖12 不同過量空氣系數下爐膛內（X=0平面）溫度分布

圖13 過量空氣系數對爐膛中心線上溫度和NO物質的量分數的影響

圖14 爐膛內最高溫度和爐膛出口處NO排放濃度的關系（不同過量空氣系數）

正是由于爐膛溫度均勻性的增加和溫度的降低，使得NO 的生成速率降低，爐膛內NO 的濃度得到很好的抑制，如圖17 所示。同樣如前所述，NO 濃度最大值不是出現在火焰面上，而是在火焰的下游區域。圖18 同樣示出了如圖14 所示的爐膛出口處NO排放濃度與爐膛內最高燃燒溫度的變化規律。結合圖14 和圖18 可知，不管運行參數如何變化，爐膛內燃燒溫度越高，爐膛出口處NO排放濃度越大。由此可以通過爐膛內燃燒溫度或理論燃燒溫度的變化來估算NO排放濃度的變化，這也符合了熱力型NO的溫度變化規律。

為擴大燃燒器在其他工業鍋爐上的應用，在鍋爐熱負荷為2t/h、6t/h、10t/h、25t/h 等不同爐型上進行了生產運行調試，調試結果顯示，煙氣循環率在28%～40%范圍內，過量空氣系數在1.0～1.2范圍內均能實現燃燒器的正常穩定運行，且NOx排放濃度均低于30mg/m3的排放標準。另外，煙氣循環率越大，循環風機的耗電能耗加大，綜合實際運行，煙氣循環率宜控制在28%～34%范圍內，這樣既能排放達標，經濟性又能保證。

4 結論

綜合利用煙氣內外雙循環、旋流燃燒、穩焰技術等，以降低燃氣鍋爐氮氧化物（NOx）排放量為目的，設計出一種燃氣鍋爐低氮燃燒器。該燃燒器包括燃氣噴嘴、助燃劑旋流器、中空管和穩焰裝置。噴嘴由20～40個一定傾斜角度的直射管組成，助燃劑旋流器由多個軸向弧狀的葉片相間布置組成，中空圓柱管為煙氣回流提供內循環通道，穩焰裝置為一喇叭式擴口嵌入到爐體的爐墻內。燃燒器外接煙氣外循環管，形成內、外煙氣雙循環。通過工業試驗及數值計算得到如下結論。

圖15 不同煙氣循環率下爐膛內（X=0平面）溫度分布

圖16 煙氣外循環率對爐膛中心線上溫度的影響

圖17 煙氣外循環率對爐膛中心線上NO物質的量分數的影響

圖18 爐膛內最高溫度和爐膛出口處NO排放濃度的影響（不同煙氣外循環率）

（1）NOx排放濃度隨著燃料消耗量的增加單調增加，而與過量空氣系數的變化不是單調函數關系。NOx排放濃度隨著過量空氣系數的增加而增加，在某一過量空氣系數達到最大值，之后降低。工業試驗結果顯示這一NOx排放濃度峰值對應的過量空氣系數約為1.16，而數值計算結果顯示的是1.10，這是實際過程中燃料和空氣的混合程度不如設計的那樣理想導致的。

（2）隨著煙氣外循環率的增加，NOx排放濃度降低。為達到NOx排放濃度小于30mg/m3的排放要求，不論是工業試驗還是數值計算，煙氣循環率控制在28%～40%范圍內，超過40%易出現燃燒不穩定現象，低于28%，NOx排放濃度會高于30mg/m3。鑒于循環風機耗電費用，煙氣外循環率宜控制在28%～34%范圍內。

（3）煙氣循環率與過量空氣系數對NOx的排放濃度都有影響，對本燃燒器而言，影響較大的是煙氣循環率。只要煙氣循環率控制在合理范圍內，過量空氣系數只要滿足充分燃燒，就可以實現NOx的低排放要求。