分级旋流耦合超低氮燃气燃烧器排放特性研究

李文锋，姬海民，申冀康，张知翔，白少林，徐党旗



分级旋流耦合超低氮燃气燃烧器排放特性研究

李文锋，姬海民，申冀康，张知翔，白少林，徐党旗

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

为了推进全国各地区燃气锅炉低氮改造进程，使现有燃气锅炉氮氧化物（NOx）排放质量浓度满足小于30 mg/m3的最新标准，本文采用分级燃烧技术耦合旋流射流混合原理设计开发了一种超低氮燃气燃烧器，并对旋流风角度、旋流板进深和烟气再循环率对NOx排放特性的影响进行了数值模拟。同时，结合烟气再循环技术，在某燃气锅炉上进行了实炉试验，进一步分析了燃气内外层分布、过量空气系数和烟气再循环率等因素对NOx排放特性的影响，最终确定了燃烧器的结构参数和运行参数，试验证实该燃烧器达到超低氮排放标准。

低氮改造；燃气燃烧器；NOx排放；分级燃烧；旋流射流；烟气再循环

天然气燃烧温度高，燃烧过程会产生大量氮氧化物（NO）。根据2017年环保部门对天然气锅炉运行情况检测公布的数据显示，运行中的工业燃气锅炉NO排放质量浓度小于200 mg/m3的仅占35%，小于400 mg/m3的占90%，大多数天然气锅炉的NO排放质量浓度约为300 mg/m3。2017年5月，陕西省环保厅《关于燃气锅炉低氮排放改造控制标准的复函》中，要求西安市内新建燃气锅炉NO排放达到30 mg/m3以下，在用燃气锅炉NO排放达到80 mg/m3以下。

国内对燃煤型低氮燃烧器的研究较多，而对燃气低氮燃烧器的研究较少。旧式燃气燃烧器为确保燃烧效率，暂时忽略控制污染物排放，故其NO排放质量浓度在250~480 mg/m3（按(O2)=3%折算）。现有的低氮燃气燃烧器NO排放质量浓度大都在100 mg/m3左右，无法达到现行的环保要求[1]，而有些能达到超低排放要求的燃气燃烧器，往往会由于燃烧不稳定而引起炉膛的振动，威胁锅炉运行安全。因此，研制NO排放质量浓度低于30 mg/m3且燃烧稳定安全的新型超低NO燃气燃烧器，对于减少燃气锅炉炉膛出口NO排放质量浓度，提高锅炉安全稳定性至关重要。

1 燃烧器分级旋流耦合原理

天然气组分大都为甲烷，基本不含氮。天然气锅炉运行时产生的NO主要为热力型NO和快速型NO2种[2-3]，其中热力型NO占大多数。从天然气燃烧物理参数考虑，影响NO生成的主要因素有燃烧区温度、反应区内氧体积分数、燃料高温区停留时间、燃料/空气混合均匀度。分级燃烧技术[4]、旋流射流燃烧技术[5]、烟气再循环技术[6]等低氮燃烧技术均是针对这些因素开发。

本文设计的燃气燃烧器原理示意如图1所示。该燃烧器采用分级燃烧技术，将燃料主要分为3股：1）中心气沿径向向四周喷出，与中心风垂直混合扩散，经点火枪点燃后形成稳定的值班火焰；2）旋流气沿轴向入射进入旋流风中，形成中间过渡火焰；3）外圈主燃气以直喷和向外斜喷的形式入射进入直流风中，经由过渡火焰点燃后形成主火焰。燃料分级可以通过平衡区域温度降低NO生成量。

图1 燃气燃烧器原理示意

在确保燃烧稳定且完全的前提下，超低氮燃气燃烧器要控制NO排放质量浓度小于30 mg/m3，其气流混合方式应为燃气自不同直径的喷口射流而出，与周围空气混合，从而在燃烧器出口处形成互不干涉的环形混合层，并使每一层的燃气和空气按设计比例进行混合燃烧[7]。根据相交射流原理，设计了3层环形混合层：1）中心气和旋流气主要分布于旋流盘区域，形成中心混合层；2）主燃气直喷部分分布于旋流盘外圈至筒壁区域，形成直流混合层；3）主燃气向外斜喷分布于燃烧器筒壁外圈区域，形成外圈混合层。这样设计可以使燃烧火焰沿径向、轴向从内到外层层传递[8]，促进燃气与空气的快速混合，实现由里及外扩散燃烧，避免局部高温区导致NO质量浓度升高，且火焰充满度好，燃烧稳定性强。燃烧器环形混合层示意如图2所示。

图2 燃烧器环形混合层示意

2 燃烧器数值模拟

为了探究燃烧器结构参数和运行参数对排放特性的影响规律，使用Fluent软件对原型燃烧器进行1:1实炉模拟。三维模型采用结构化网格，网格总数约200万，选择RNG–湍流模型，甲烷-空气两步反应机理，涡耗散模型[9]，NO生成模型为软件自带模型，并进行了网格无关性验证。模拟基础工况为80%负荷（约280 m3/h），过量空气系数取1.20。

2.1 旋流风角度

旋流风的存在有助于形成中心回流区，其方向则会对回流区的大小产生影响。保持其他参数不变，选取旋流风角度分别为15°、30°、45°、60°和75°进行模拟，将温度和NO质量浓度分别在同一标尺下进行显示。不同旋流风角度下的模拟结果如图3所示，出口污染物质量浓度见表1。

表1 不同旋流风角度下出口污染物质量浓度

Tab.1 Pollutant mass concentration at different swirling air angles mg/m3

图3 不同旋流风角度模拟结果

从图3和表1可以看出：温度场中，局部高温区区域随旋流风角度增大而减小，宽度则相反；NO高质量浓度区域随旋流风角度增大先略有增大后快速缩减最后保持稳定，与出口NO质量浓度变化趋势基本吻合；出口CO质量浓度在角度增大至60°过程中快速降低，在75°时回升。

由此可知，旋流风角度的增大加剧了外圈燃气空气的混合与升温，并使得外圈可燃混合物沿周边扩散。由于燃烧提前，中心混合层燃料燃烧产生的大量热烟气膨胀，排挤外圈直流风向外扩散与外圈燃料混合，从而减少了出口污染物质量浓度。但随着旋流风角度进一步增大，旋流风旋流作用减弱，燃料与空气混合变差，燃尽率降低，出现CO升高趋势。由模拟结果确定最佳旋流风角度为60°。

2.2 旋流板进深

定义旋流板与外圈主燃气枪直喷口出口的相对距离为旋流板进深，其对旋流混合效果有影响。保持旋流风角度不变，选取旋流板进深分别为50、100、150 mm进行模拟，结果如图4所示。

图4 不同旋流板进深时模拟结果

由图4可以看出：50 mm时燃气喷出即被旋流风包覆，与周围空气剧烈混合并燃烧，但出现了局部高温区导致NO质量浓度增大；旋流板进深为100 mm时，高温区较另外二者更为狭长均匀，相对应的NO高质量浓度区域更少，这是由于回流区衰减较少，燃气扩散区域与回流区有较多重叠，可燃物混合均匀，燃烧更为平缓，因此NO质量浓度低；150 mm时旋流风产生的回流区受周围枪管扰流作用而散乱衰减，在枪管后产生小涡流，一 部分可燃混合物向周围扩散，另一部分继续向中心聚集燃烧。由模拟结果确定最佳旋流板进深为100 mm。

2.3 烟气再循环率j

烟气再循环率对污染物排放质量浓度有显著影响。保持旋流板距离和旋流风角度不变，选取变化范围为0~25%进行模拟，每次增大5%。不同烟气再循环率时的模拟结果如图5所示。

图5 不同烟气再循环率j 时模拟结果

由图5可以看出：炉膛内高温区域随增大而逐渐缩小，温度峰值降低；NO高质量浓度区域随增大逐渐减小。Li等[10]人认为回流烟气主要为惰性气体，与空气混合后降低平均氧体积分数，使得可燃混合物在分子级别的有效碰撞频率降低，导致反应速率减小，燃烧的释热速率降低，从而减少污染物质量浓度。为25%时，最高温度相比于不投再循环时减小了200 K以上，出口NO质量浓度下降了约一个量级。为20%时，NO质量浓度变化基本趋于平缓。

3 燃烧器试验结果分析

3.1 试验方法

基于数值模拟结果，在某卧式燃气热水锅炉上搭建燃烧器试验台，研究负荷、燃气分布、过量空气系数及烟气再循环率对锅炉运行稳定性、污染物排放特性的影响。试验系统示意如图6所示。

再循环管道烟气取点位于锅炉节能器后，助燃空气与再循环烟气在风机入口处混合后进入风机。燃气量与空气量均由控制系统根据负荷通过电动执行机构进行控制。试验数据通过压力表、微压计、Testo350烟气分析仪、B型/K型热电偶、数显温度表等进行采集。

图6 超低氮燃烧器试验系统示意

在总进气压力不变的情况下，通过改变旋流区及直流区枪头数量和类型来实现3个燃气区不同的气量分布。试验负荷选取40%、60%、80% 3个工况。过量空气系数通过测量尾部烟气中氧体积分数获得，变化范围为1.10~1.55。烟气再循环率通过测量尾部烟气氧体积分数和风机出口烟气空气混合物中氧体积分数获得，变化范围为0~25%。

3.2 试验结果分析

试验中先研究不同燃气分布的影响，确定最佳燃气分布后进一步研究过量空气系数和烟气再循环率的影响规律。

3.2.1 燃气分布

通过更换枪头类型和改变枪头数量，测量冷态下不同喷枪出口流速从而确定中心混合层、直流混合层和外圈混合层的燃气分布比例。最终确定3种不同燃气气量分布工况见表2。

表2 3种燃气分布工况

Tab.2 Three gas distribution conditions %

在每个燃气分布工况下分别进行负荷增大试验，试验过程中全程保持过量空气系数在1.30左右，在同一负荷下3种工况出口处的CO、NO质量浓度如图7所示。

从表2和图7可以看出：工况2相比于工况1中心混合层燃气量减少，直流混合层燃气量增加，导致NO质量浓度水平整体下降约35 mg/m3；工况3较工况2一次气量更低，二次气量更高，NO质量浓度水平略高于工况2。由此可以看出，适当减少中心气量可以有效降氮而不影响中心稳燃。

图7 燃气分布对污染物质量浓度影响

本燃烧器中心区域设计为富燃料旋流燃烧，燃烧在偏离当量比下进行，当中心燃料过浓时，燃料因接近着火浓度上限而导致燃烧推迟，产生大量不完全燃烧产物。外圈燃料则由于燃料过淡而快速燃烧，外圈剩余直流风与中间燃烧不完全产物在下游混合，燃尽区向下游移动，高温区出现在炉膛后部，导致尾部烟道NO质量浓度高。工况2可适当减少中心气量并增大主气量，中间区域由着火浓度上限燃烧向当量比燃烧靠近，虽然仍处于富燃料燃烧，但不完全燃烧产物减少，与外圈剩余空气混合较工况1提前，在中心旋流衰减前基本完成混合，燃尽区提前，由于温度升高而多产生的热力型NO也在火焰区被外圈增加的还原性物质消耗掉，整体NO质量浓度值较工况1明显下降。工况3进一步减少中心气量并增大主气量，此时整体NO质量浓度反而略有上升，这是由于中心和外圈燃烧更接近当量比下燃烧，从而使温度有所上升。

试验结果表明：NO质量浓度水平在工况2下最低，工况3次之；CO质量浓度水平在工况1和工况3下低，工况2稍高；最大负荷在工况3下优于工况1和工况2。综合考虑本文推荐工况3为最佳燃气分布工况。

3.2.2 过量空气系数

选取燃烧器燃气分布为15%、65%、20%，不投再循环烟气，记录从1.05增加至1.55时节能器后烟道CO、NO质量浓度。试验发现：当小于1.10时，燃烧室出现喘振并持续加大；当高于1.60时，中心值班火焰蜷缩摇摆，周围主枪火焰抬升且忽明忽灭，出于运行安全考虑未继续下探。过量空气系数对污染物质量浓度的影响如图8所示。

图8 无再循环时，过量空气系数a 对污染物质量浓度影响

从图8可以看出，从1.10增加到1.55，NO质量浓度从110 mg/m3逐渐下降至50 mg/m3，且在1.15到1.30区间内下降缓慢，1.30之后开始加速下降。这是因为中心混合层设计为富燃燃烧，随着氧体积分数增大，燃料逐渐向当量比燃烧靠近，此时中心混合层温度上升，热力型NO质量浓度也随之上升，越过当量比点后热力型NO质量浓度又开始缓慢下降；另一方面，空气量增加，风速变大，促进燃气和空气混合的同时大量吸收燃烧产生的热量，降低炉膛温度水平，NO质量浓度持续减少。锅炉负荷对NO质量浓度影响不大，3种负荷下的NO质量浓度水平相差很小。究其原因，同一空燃比下，负荷增大火焰体积也增大、炉内整体温度水平上升；负荷升高的同时，风速气速也相应增大，内圈以及外圈卷吸回流增强，气风混合更均匀且燃烧提前，减少了NO的生成，两者互相抵消。

CO质量浓度的变化规律与NO不同。当小于1.10时，CO质量浓度极高；当从1.10增加到1.25时，CO质量浓度快速下降至10~20 mg/m3；当高于1.25时CO质量浓度维持在10 mg/m3以内。从观火镜也可以看到，随着增大，火焰由浑黄逐渐变澄明，表明燃料不完全燃烧生成的碳颗粒减少。负荷变化对CO质量浓度的影响较小，低负荷下整体CO质量浓度略小于高负荷，推测可能是高负荷下炉膛空间限制了周边回流区的继续生长，导致CO质量浓度略微增加。

3.2.3 烟气再循环率

再循环烟气能显著降低燃气锅炉氮氧化物，Baltasar等[11]人发现，采用外部烟气再循环相比于不采用的NO排放可以减少约70%。为了探究本燃烧器在不同烟气再循环率下的低氮特性，保持过量空气系数在1.30左右，从0逐渐增大至30%时炉膛出口烟道处CO、NO质量浓度如图9所示。

图9 a为1.32时，烟气再循环率j对污染物浓度的影响

从图9可以看出：再循环烟气降氮效果与模拟结果相符；在20%烟气再循环率下，NO质量浓度已低于30 mg/m3；在最大烟气再循环率下，NO质量浓度减少约66%。这是由于助燃空气中氧体积分数的降低，使得炉内最高温度下降, 有效抑制了热力型NO的生成[12]。通常，烟气再循环率每增加5%，绝热火焰温度则降低50～80 K[13]。Zeldovich提出有关NO的生成速度表达式如下[14]：

式中：(NO)、(N2) 、(O2)分别为NO、N2、O2浓度；为普适气体常数，取8.314 J/(mol·K)；为反应温度，K。从式(1)可以看出，温度对NO生成的影响呈指数级增大，因此降幅才表现出随烟气再循环率增大而变小的趋势。

增大烟气再循环率，在降低NO质量浓度的同时，会导致CO质量浓度上升，且呈现加速上升趋势。这是因为循环烟气量与空气混合后降低了单位体积内氧体积分数，导致炉内燃烧情况恶化。

另外，烟气再循环率和锅炉效率之间存在制约关系，烟气再循环率增大，CO质量浓度、燃料不完全燃烧损失增大，锅炉效率降低。工程实际经验表明，燃气锅炉采用烟气再循环后，其效率降低约0.3%~0.8%。另外CO质量浓度持续升高会导致锅炉喘振，影响锅炉的安全稳定运行。宋少鹏等[15]人提出可以通过增大过量空气系数来改善高再循环率时炉内燃烧稳定性问题。综上所述，实际锅炉运行中，应选取满足NO排放标准的最小烟气再循环率，故本燃烧器选择再循环率为20%。

4 结 论

1）对新型超低氮燃气燃烧器的模拟结果表明，在最佳旋流板进深100 mm和旋流风角度60°下，出口污染物质量浓度最低。

2）燃烧器最佳燃气分布为中心混合层燃气15%、直流混合层65%、外圈混合层燃气20%。最佳运行工况为过量空气系数1.25、再循环率20%。燃气分布不仅影响燃烧的稳定性，还影响着NO排放质量浓度。在不影响中心稳燃的前提下减少中心气量有助于NO排放质量浓度的降低。

3）烟气再循环率从0增大到20%，NO排放质量浓度减少约66%。再循环烟温越高，降氮效果越差。实际工程中应避免引入高温段烟气作为再循环烟气。

［1］ 姬海民, 李红智, 赵治平, 等. 新型低NO燃气燃烧器数值模拟及改造[J]. 热力发电, 2015, 44(12): 107-112. JI Haimin, LI Hongzhi, ZHAO Zhiping, et al. Numerical simulation and experimental research on new-type low NOgas burner[J]. Thermal Power Generation, 2015, 44(12): 107-112.

［2］ KHANAFER K, AITHAL S M. Fluid-dynamic and NOcomputation in swirl burners[J]. International Journal of Heat & Mass Transfer, 2011, 54(23/24): 5030-5038.

［3］ TURNS S R. Understanding NOformation in nonpremixed flames: experiments and modeling[J]. Progress in Energy & Combustion Science, 1995, 21(5): 361-385.

［4］ 宋少鹏, 卓建坤, 李娜, 等. 天然气供热锅炉低氮燃烧技术研究现状[J]. 供热制冷, 2016(2): 18-21. SONG Shaopeng, ZHUO Jiankun, LI Na, et al. Research status of low-NOcombustion technology for natural gas heating boilers[J]. Heating & Refrigeration, 2016(2): 18-21.

［5］ CHENG T S, CHAO Y C, WU D C, et al. Effects of partial premixing on pollutant emissions in swirling methane jet flames[J]. Combustion and Flame, 2001, 125(1/2): 865-878.

［6］ 兰健, 吕田, 金永星. 烟气再循环技术研究现状及发展趋势[J]. 节能, 2015(10): 4-9. LAN Jian, LV Tian, JIN Yongxing. Research status and development trend of flue gas recirculation technology[J]. Energy Conservation, 2015(10): 4-9.

［7］ 苏毅, 揭涛, 沈玲玲, 等. 低氮燃气燃烧技术及燃烧器设计进展[J]. 工业锅炉, 2016(4): 17-25. SU Yi, JIE Tao, SHEN Lingling, et al. Research progress of natural gas low-NOcombustion technology and gas-fired burner design[J]. Industrial Boiler, 2016(4): 17-25.

［8］ 姬海民, 王电, 石敬恒, 等. 基于FGR系统的新型低氮燃气燃烧器在燃气锅炉NO排放中应用[J]. 热力发电, 2018, 47(2): 103-107. JI Haimin, WANG Dian, SHI Jingheng, et al. Application of new low NOgas burner based on FGR system in NOemission from gas-fired boilers[J]. Thermal Power Generation, 2018, 47(2): 103-107.

［9］ BALTASAR J, CARVALHO M G, COELHO P, et al. Flue gas recirculation in a gas-fired laboratory furnace: measurements and modelling[J]. Fuel, 1997, 76(10): 919-929.

［10］ YU B, KUM S M, LEE C E, et al. Study on the combustion characteristics of a premixed combustion system with exhaust gas recirculation[J]. Energy, 2013, 61(6): 345-353.

［11］ 曾强, 刘汉周, 阎良. 烟气再循环对天然气非预混燃烧NO排放特性的影响[J]. 燃烧科学与技术, 2018, 24(4): 369-375. ZENG Qiang, LIU Hanzhou, YAN Liang. Effect of flue gas recirculation on NOemission characteristics of natural gas non-premixed combustion[J]. Combustion Science and Technology, 2018, 24(4): 369-375.

［12］ 岑可法, 姚强, 骆仲泱, 等. 燃烧理论与污染控制[M].北京: 机械工业出版社, 2004: 412-415. CEN Kefa, YAO Qiang, LUO Zhongyang, et al. Combustion theory and pollution control[M]. Mechanical Industry Press, 2004: 412-415.

［13］ 宋少鹏, 卓建坤, 李娜, 等. 燃料分级与烟气再循环对天然气低氮燃烧特性影响机理[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(24): 6849-6858. SONG Shaopeng, ZHUO Jiankun, LI Na, et al. Low NOcombustion mechanism of a natural gas burner with fuel-staged and flue gas recirculation[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(24): 6849-6858.

［14］ CELLEK M S, PINARBAŞI A. Investigations on performance and emission characteristics of an industrial low swirl burner while burning natural gas, methane, hydrogen-enriched natural gas and hydrogen as fuels[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43(2): 1194-1207.

［15］ LI W, LIU Z, WANG Z, et al. Experimental and theoretical analysis of effects of N2, O2and air in excess air on combustion and NOemissions of a turbocharged NG engine[J]. Energy Conversion & Management, 2015, 97(4): 253-264.

Pollutant emission characteristics of an ultra-low NOx gas burner coupling with staging and swirling technology

LI Wenfeng, JI Haimin, SHEN Jikang, ZHANG Zhixiang, BAI Shaolin, XU Dangqi

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In order to accelerate the low nitrogen oxide (NOx) retrofitting process of gas-fired boilers, which aims to control the NOxemission concentration of existing gas-fired boilers to meet the latest standard (below 30 mg/m3) nationwide, a new type of ultra-low NOxgas burner was designed and developed using the principle of staged combustion technology coupled with swirling jet mixing principle. The influence of swirling air angle, swirl plate depth and flue gas recirculation ratio on NOxemission was studied by numerical simulation. Moreover, the burner was tested on a 5 t/h gas boiler combined with flue gas recirculation technology to study the effects of fuel distribution, excess air ratio and flue gas recirculation ratio on NOxemission concentration. The structural parameters and operating parameters of the burner were finally determined. The burner test confirmed that the ultra-low NOxemission standard was satisfied.

low-NOx retrofit, gas burner, NOxemission, staged combustion, swirling jet, flue gas recirculation

National Natural Science Foundation of China (51706181)

TK223.2

A

10.19666/j.rlfd.201901008

李文锋, 姬海民, 申冀康, 等. 分级旋流耦合超低氮燃气燃烧器排放特性研究[J]. 热力发电, 2019, 48(6): 65-70. LI Wenfeng, JI Haimin, SHEN Jikang, et al. Pollutant emission characteristics of an ultra-low NOx gas burner coupling with staging and swirling technology[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(6): 65-70.

2019-01-03

国家自然科学基金项目(51706181)

李文锋(1994—)，男，硕士研究生，主要研究方向为锅炉节能减排技术，liwenfeng@tpri.com.cn。

（责任编辑 马昕红）