低NOx生物质燃烧机结构设计及性能试验

生物质燃烧机所产生的氮氧化物以热力型和快速型为主，在分析了燃气低氮燃烧机理的基础上，融合了亚音速超混合、旋流对冲非线性动力学以及分级浓淡燃烧等技术，成功设计开发出一种低氮生物质燃烧机，并在某天然气锅炉上实施了改造。通过改造前、后的性能对比试验，分析了锅炉负荷、中心燃气和中心风以及燃气喷枪旋转偏角等关键参数对生物质燃烧机Nn排放特性的影响。结果表明，在全工况范围内，该低氮生物质燃烧机Nq排放均低于100 mglm3，满足的环保要求。

氮体燃料具有燃烧效率高和低污染排放的特点，其作为清洁能源广泛应用于电力、化工、冶金、建材等行业的工业炉（窑）及锅炉中。目前，国内传统的生物质燃烧机NO，排放大多都在300 mglms在右口]，不符合GB 13223-2011Lp]中规定的电站锅炉和工业锅炉的NO，排放不高于100 mglm3的要求。因此，急需开发出新型的低NO，燃气燃烧器以满足的环保标准。

1 设计理念

燃料燃烧过程中产生的NO，主要包括燃料型、热力型和快速型3种。煤燃烧主要以燃料型NO，为主，而气体燃料中的氮含量很少，燃气燃烧产生的Nn主要为热力型和快速型。热力型Nn是指在高温环境下（1 400℃以上）空气中大量的氮被氧化成NO，，控制燃烧温度是控制燃烧过程中热力型NO，的关键；快速型NO，指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团(CH)等反应生成NO，，当炉膛温度较高时，产生的快速型NO，很少，可以忽略口]，但当温度较低时，在富燃料还原区，快速型Nn占主导地位一]，即控制炉膛温度和燃料与助燃空气在炉膛中均匀地混合燃烧是控制燃烧过程中快速型NO，的关键。据此，从降低热力型和快速型NO，的角度出发，合理优化燃料与助燃空气的混合过程，使得燃料与助燃空气在整个炉膛内尽可能均匀的分布，消除炉膛局部高温是燃气超低氮燃烧的核心技术。

目前传统的低氮生物质燃烧机一般采用分级分段燃烧、浓淡燃烧、烟气再循环等低氮燃烧技术，这些技术虽然在一定范围内也能降低NO，，但无法满足现有环保标准的要求。本文设计的低NO，燃气燃烧器在现有技术的基础上，融合了亚音速超混合、强弱旋非线性旋流对冲动力学以及浓淡分级燃烧等的超低氮燃烧技术，消除炉膛局部高温区，使燃料在偏离化学当量比条件下燃烧，缩短烟气在高温区停留时间，使燃料与空气得到更好。

2 结构设计

本文设计的燃气超低氮燃烧器如图1、图2所示。该燃烧器采用燃料和空气多分级可调低氮燃烧技术，空气和燃料均被分为3缀，即中心回流和稳燃区域、主燃烧旋流强化区域及燃气对冲燃尽区域。这3个区域分别对应中心燃气喷枪、内强旋燃气喷枪和外弱旋燃气喷枪。内强旋燃气喷口成45。大切角设计，与旋流风旋转方向相反；外弱旋燃气喷口成10。小切角设计，与直流风配合；中心燃气只占总燃料量的4%，设计流速为20～30 m／s，中心燃气速度远低于外围强弱旋流对冲燃料枪，与回流的热烟气组合，以保证燃烧器在降低NO，生成量的同时实现低负荷稳燃。内强旋和外弱旋燃气各占48%，主燃气压力达到120 kPa，速度达到200～300 m／s，接近亚音速状态，内强旋燃气与45%旋流风混合，外弱旋燃气与35%直流风混合，使得燃气与助燃空气充分混合，形成多股多层次火焰，以提高燃烧效率，减少局部高温火焰区域，从而大大降低热力型NO，的生成。通过强旋流形成中心高温烟气回流区，从而配合中心燃气和中心风，达到低负荷稳定燃烧的目的。另外，通过内外风门开度调节各级风量，从而根据锅炉负荷合理配风，实现较高的负荷可调性。

3 性能试验

为了验证根据本文提出的设计理念设计的低氮生物质燃烧机的有效性，同时进一步分析燃烧器各关键结构参数对燃烧器NO，排放性能的影响，在某台燃气锅炉上进行了低氮燃烧改造，并对改造前、后的锅炉性能进行了对比试验。

3.1 锅炉概况

试验锅炉为DG12013. 82-1型中压、自然循环汽包炉，Ⅱ型布置、全钢结构、露天布置。燃烧设备由大风箱、调风器、燃烧器等组成，燃烧器共6台，分2层布置于前墙，每层3台，上层中心标高为8 500 mm．下层标高为6 500 mm。燃烧器采用切向进风，通过调节叶片倾角控制其旋流强度，并设有中心管，通入20%～30%的中心风，中心管出口处装设有可轴向调节的叶轮稳燃器，风温1 60℃，调风器喉口风速41 m/s。

燃料统计的质量分数为：O：，0. 70%；N：，6. 95%;H2 S,O. 05%;COz,0.86%;H2,0.86%；甲烷，75. 57%；乙烷，4.98%；乙烯，2.18%；丙烷，生物质燃烧机结构设计及性能试验0. 65%；丙烯，0.28%；异丁烷，0.16%；正丁烷，0.29%；正丁烯，0. 01%；异丁烯，0.01%；反丁烯，0.02%；顺丁烯，0.01%；Cj，0. 22%。燃料成分中不含氮化物，因此Nn的来源主要为热力型和快速型，可不考虑燃料型Nn的影响。

原燃烧器设计的燃烧火焰太集中，导致火焰的中心温度较高，经过长期运行后部分燃烧器喷口部件已经损坏，影响正常运行。同时，火焰局部温度过高产生大量热力型Nq，实际运行中Nn排放达到160～280 mg／m3，不能满足环保标准的要求。

3.2 低氮改造前后试验数据对比分析

低NO，生物质燃烧机投入后，锅炉运行稳定。但其性能试验发现，锅炉负荷、中心燃气和中心风喷口开度、内强旋和外弱旋喷枪旋转角度对NO，有一定影响。

3.2.1 锅炉负荷

锅炉负荷变化影响炉膛温度和总的空气过量系数。随着锅炉负荷增大，炉膛温度升高，热力型NO，随之增大；空气过量系数减少，CO随之增多。

由图3和图4可见：改造前Nn排放量在140～220 mg／m3之间，CO排放量在3～30 rug/g；随着锅炉负荷增加，N07排放量几乎成线性增加。改造后NO，排放量降低到40～90 mglm3之间，CO排放量控制在3--20 ruglg之间，达到了本燃烧器设计的目标。

3.2.2 中心燃气和中心风

中心燃气速度远低于外围强弱旋流对冲燃料枪，与回流的热烟气组合，从而保证燃烧器在降低NO，生成量的同时实现低负荷稳燃。

中心风和中心燃气喷口开度直接影响Nq生成。锅炉负荷为72 t／h时，不同中心风与中心燃气喷口开度对Nn生成的影响如图5所示。

由图5可见：中心燃气开度、中心风喷口开度小时，Nn生成量少；中心燃气喷口开度小、中心风喷口时，NO．生成量多。这主要是因为当中心风喷口开度增大时，中心区域会大量卷吸周围的燃气因而产生富氧燃烧区域，即该区域会产生大量的热力型NO～而当中心燃气流量增加时，中间为富燃料的还原性气氛，由于没有及时补充燃烧所需的氧量，温度较低，产生的热力型NO，较少。

3.2.3 燃气喷枪旋转角度

内强旋和外弱旋燃气喷枪的旋转方向直接影响燃气与助燃空气混合，影响NO，的生成（图6）。内强旋、外弱旋燃气喷枪燃气实际速度方向分别为V1、Vp，旋转方向（燃气实际速度方向与切向的夹角）分别为臼，、0，当锅炉负荷在72 t／h时，内强旋及外弱旋喷枪旋转角度对NO，排放量的影响如图7所示。由图7可见，内强旋和外弱旋燃气喷枪旋转角度增大时，即燃料分散的程度越大，火焰温度分布越均匀，排放量越少。但当角度增大到一定程度时，燃烧会出现不稳的现象。故在保证燃烧稳定的前提下，可尽量增加燃气的发散程度，以降低NO，排放。

燃烧器融合了亚音速超混合、强弱旋非线性对冲动力学和浓淡分级燃烧等先进技术，打破了传统的设计理念，通过在某锅炉的实际应用表明，其NO，排放量在全负荷范围内均在100 mglms以下，达到预期效果。

2)低NO，生物质燃烧机受锅炉负荷、中心燃气与中心风喷口开度、内强旋和外弱旋喷枪旋转角度的影响。中心燃气喷口开度、中心风喷口开度小时，NO，生成量少；燃气喷枪旋转角度越偏外，NO，生成量越少。

生物质燃烧机，

生物质气化站，