浅析中心回燃锅炉低氮燃烧器的设计

陈敏

摘要：中心回燃锅炉炉膛结构特殊，燃烧室末端封闭，燃烧一回程和二回程都在同一燃烧室内发生，导致燃烧火焰细长，火焰容积热负荷高，容易产生热力型氮氧化物（NOx）。高速射流火焰对回流烟气具有卷吸作用，回流烟气与燃烧室壁面之间有强烈的对流换热。燃烧室内部流场紊乱，不利于降低NOx。普通的燃烧降氮技术路线和燃烧器结构无法实现中心回燃锅炉NOx排放30mg以下。本文结合中心回燃锅炉的炉膛特点及燃烧特点，进行中心回燃锅炉低氮燃烧器的工艺选择和结构设计。经过分析后，最终选择的降氮技术路线为：分级燃烧+旋流燃烧+部分烟气内循环+烟气外循环。燃烧头结构设计采用燃气分级+旋流盘+烟气回流口+进气双蝶阀调节机构的结构形式。通过实验验证，此工艺和结构能够实现北京DB11/139-2015《锅炉大气污染物排放标准》中规定的氮氧化物排放达到30毫克[1]以下的标准要求。不同厂家的同一功率的中心回燃锅炉，其内部结构不同，火焰长度和形状及一二次燃气比例都有所不同，而燃烧头进气双蝶阀机构的设计能够很好的调节一二次燃气比例，进而调节火焰形状，从而达到NOx排放达到30毫克以下，实现了燃烧器的通用性设计。

关键词：中心回燃锅炉、低氮燃烧器、分级燃烧、旋流燃燒、烟气内循环、烟气外循环

锅炉燃烧产生的氮氧化物（NOx）是大气污染中的主要污染源之一，国家及地方政府制定了严格的排放标准。北京DB11/139-2015《锅炉大气污染物排放标准》中规定2017年4月1日起新建锅炉氮氧化物排放需达到30毫克以下。其它地方政府也推出了30毫克的环保政策。中心回燃锅炉因为其制造工艺简单、结构紧凑，且燃烧室空间大，换热充分、热效率高等优势，目前市场上应用广泛[2]。但其炉膛结构特殊，燃烧室容积热负荷高，燃烧室内烟气与燃烧室壁面对流换热强烈，气流紊乱，给降低燃烧产生的氮氧化物造成了一定的困难[3]，且不同生产厂家的中心回燃炉膛结构也有差别。因此针对中心回燃锅炉炉膛的特殊结构，设计出一款排放30毫克以下的且适用于不同厂家的中心回燃锅炉燃烧器，具有非常重要的现实意义。

一、中心回燃锅炉炉膛特点

中心回燃式的锅炉结构如图1.1所示，其结构特点在于，燃烧室末端为封闭结构，燃料自燃烧器向前喷入炉胆，在炉胆内正压燃烧，形成第一回程;火焰燃尽后，高温烟气再从炉胆尾部沿着燃烧室内壁返回到前烟箱，形成第二回程;之后，烟气再进入烟管进行充分换热，形成第三回程，最后经烟囱排入大气。

中心回燃炉膛的结构特点决定了中心回锅炉的燃烧具有以下特点：

（一）燃烧室末端封闭，燃料燃尽后需返回至前烟箱，燃烧室内为微正压燃烧，对燃气压力、火焰速度及火焰形状都有一定的要求;

（二）燃烧器内为两回程燃烧，导致第一回程燃烧火焰空间狭小，火焰细长且热负荷容量高，不利于氮氧化物的降低;

（三）燃烧室内的流场复杂，首先中心的高速火焰对回流烟气有较强的卷吸作用，其次回流烟气与燃烧室壁面有强烈的对流换热。

以上燃烧特点都给燃烧器的低氮设计带来了困难。

二、中心回燃锅炉燃烧器的工艺设计

（一）氮氧化物（NOx）生成原理

NOx的生成分为热力型NOx、快速型NOx、燃料型NOx、N2O中间型NOx和NNH型NOx五种机理[5]。天然气中含化合氮较低，燃烧温度高，NOx来源主要为热力型NOx。热力型NOx是指燃烧过程中，空气中N2在高温下氧化生成NOx。

（二）低氮燃烧技术原理及工艺选择

扩散式燃气燃烧器的降氮技术路线有烟气外循环（FGR）、分级燃烧、旋流燃烧、烟气内循环（FIR）等工艺[6]。

烟气外循环是指把锅炉尾部的烟气引回至燃烧器空气入口的工艺，引入的烟气降低了火焰温度，从而减少了热力型NOx的生成。

分级燃烧指的是把空气和燃气在空间上划分等级，使得空气和燃气在贫燃或者富燃的情况下进行燃烧，分级燃烧包括空气分级燃烧和燃料分级燃烧两种，两种方法最终都会使整个系统的过量空气系数保持一个定值。

旋流燃烧可通过控制燃料与空气的混合来调整火焰结构、稳定火焰。旋流燃烧指通过运用旋流器使得空气或燃气生成一个有切向速度的气流，增加燃气和空气的混合，减少产物在高温区的停留时间。

烟气内循环指通过燃烧器的结构实现对燃烧烟气的引流卷吸，使得烟气重新参与反应，降低火焰温度，进而降低热力型和快速型NOx生成的技术。

中心回燃锅炉的中心火焰燃烧空间小，火焰细长且容积热负荷高，分级燃烧可有效降低中心区的火焰温度，使整个炉膛燃烧均匀，减少局部高温。烟气外循环（FGR）技术可降低整个炉膛的温度，进而减少热力型NOx的生成。由于中心回燃锅炉燃烧室内部有回流烟气，燃烧头的结构设计可利用中心回燃的回流烟气实现部分烟气内循环（FIR），从而降低氧浓度，使燃烧速度变慢，温度降低。旋流燃烧可在分级燃烧的基础上，让燃料和空气混合的更加成分，使得燃烧更加稳定。

综合以上工艺特点，中心回燃锅炉燃烧器采用分级燃烧+旋流燃烧+FIR+FGR四种工艺耦合的技术路线。

三、中心回燃锅炉燃烧头的结构设计

（一）燃烧头分级燃烧结构设计

结构设计如图3.1所示，燃烧头分为空气入口和燃气入口。燃烧头燃料出口分为环形布置的一次燃烧喷嘴和环形布置的二次燃料喷口，一次燃烧喷嘴位于旋流盘之上，旋流盘上的切向开口为一次空气开口，二次气喷口与套筒之间形成二次空气开口。此结构可实现燃料分级，且一次燃料为贫氧燃烧，二次燃料为富氧燃烧。

一二次燃料分配比例会影响NOx的排放，在燃气入口处，可设置一二次燃料调节机构，本案采用蜗轮蜗杆带动的蝶阀装置实现一二次气的调节，此结构可方便调节、调节精度相对较高且能够实现自锁，其结构如图3.2所示。

进气双蝶阀调节机构是由两组蜗轮蜗杆系统带动的阀板组成，其中一个阀板用来调节一次气流量，另一个阀板用来调节二次气流量。手轮转动带用蜗杆转动，蜗杆转动带动涡轮转动，涡轮转动带动阀板轴转动，进而带动阀板进行从0°到90°的开合运动。在阀板0°的位置有限位挡圈，在前面板上有指针和刻度盘指示阀板的开启角度。

蝶阀是一种调节流量最常用的机构，制作简单，使用方便。因为蜗轮蜗杆自身存在一定的传动比，所以涡轮蜗杆调节阀板的开启角度能使得燃气流量调节精度增加。燃气存在一定的压力，在阀板转的过程中，阀板需要借助外力实现自锁。当蜗杆的摩擦角小于蜗杆的螺旋升角时，涡轮蜗杆能实现自锁，如此阀板不会因为燃气压力波动而自行转动，运行安全可靠。

（二）旋流结构设计

旋流盘设计如图3.3所示，旋流盘上有三种开孔，一种是中心孔，用于旋流的固定，一种是一次燃气开口，围绕中心孔圆周均布，一种是旋流板切向开口，一次燃气喷嘴与旋流板间隔布置，一次空气从旋流板切向开口喷出与一次燃气混合，并沿着切向的角度旋转向前喷出。旋流板旋流角度α和旋流盘开口长度可根据不同的吨位和炉型进行调整。

（三）燃气内循环（FIR）燃烧结构设计

如图2.1所示，本燃烧头为了实现烟气内循环的效果，在燃烧头的套筒侧壁上设置了至少一圈沿所述套筒周向布置的三角口。在燃烧头二次气盘与套筒之间设置有二次空气环缝，在此处燃气和空气的混合物形成高速射流，高速射流可使得回流烟气卷吸进燃烧头参与燃烧。燃烧头燃烧时形成的烟气内循环示意如图3.4所示：

此中心回燃燃烧器的结构设计实现了空气分级、燃料分级、旋流燃烧及烟气内循环燃烧技术，同时在燃气进口处设置双蝶阀调节机构，能调一二次气分配比例，且能调节燃气喷射压力和流速，进而调节火焰形状，以匹配不同炉型。

四、工业实验

实验锅炉为两台台2.1MW的中心回燃锅炉，一台品牌为方快，一台品牌为力聚，如图4.1、图4.2所示。燃料为天然气，方块锅炉燃烧室的平均直径为 1.20m，平均长度为 2.6m，力聚锅炉燃烧室的平均直径为1.15m，平均长度为 2.4m。两个实验平台都通过燃烧器控制系统调节天然气和助燃空气的阀门开度以及天然气和助燃空气的流量，并通过智能流量计显示具体流量。通过德国Testo-340型自动烟气分析仪测定鼓风机出口处的烟风混合成分、锅炉尾部烟道内的烟气成分以及NOx的排放浓度。图4.1为实验测试平台。天然气流量的变化范围为180-210Nm3/h，燃气压力12KPa，

燃燒器采用中心回燃低氮燃烧器，出力范围：0.6～2.4MW，过量空气系数的变化范围为 1.12-1.20，烟气外循环率的变化范围为20%～30%。

实验目的：

（1）实验此种燃烧头工艺和结构能否实现NOx排放30mg以下;

（2）此种燃烧器能否适用不同厂家炉型。

通过调节进气双蝶阀调节机构，改变一次燃气流量的占比，测试在何种角度下NOx排放能达到30毫克以下。

在此实验中，一二次燃气的初始配比为3：7，通过调节双进气蝶阀的角度来调整一二次燃气的配比。实验数据如表4-1、4-2所示，方块锅炉在一次燃气蝶阀开启角度为60°时，NOx排放可达到30mg以下。力聚锅炉在一次燃气蝶阀开启角度为45°时，NOx排放可达到30mg以下。由此说明本燃烧器的降氮工艺选择及结构设计是合理的。本燃烧器设计能适用于不同厂家锅炉。

五、结论

本中心回燃锅炉燃烧器，综合利用烟气内、外双循环，分级燃烧、旋流燃烧等燃烧技术，实现了氮氧化物（NOx）排放量30mg以下的效果。满足该燃烧器结构包括一二次气喷嘴、带烟气回流口的套筒、旋流盘和可调节一二次气流量的进气双蝶阀结构。一二次气喷嘴实现了燃料分级，套筒和二次气盘的结构实现了烟气内循环。双蝶阀进气结构采用涡轮蜗杆带动的蝶阀机构，能在燃烧过程中调节一二次气分配比例，调节方便且调节精度高。

通过工业试验数据表明，本中心回燃燃烧器能够实现中心回燃锅炉的NOx排放到30mg以下。一二次气的分配比例会影响NOx的排放，且同一燃烧器在应用于不同厂家或者炉型的中心回燃锅炉时，一二次气的分配比例也不同。双蝶阀进气机构的设计不但能够实现一二次气调节，而且提高了中心回燃燃烧器的通用性。

参考文献：

[1] 锅炉大气污染物排放标准DB11/139-2015[S].2015.

[2] 黄清伟.中心回燃式燃烧室燃烧特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008：1-2.

[3] 田莉勤，徐志斌.0.7MW中心回燃锅炉低氮燃烧改造[J].工业锅炉，2019，3：38：40.

[4] 孙静涛，张龙.中心回燃式燃油锅炉燃烧室实验研究.节能技术 . 2004，22（5）：33～34.

[5] 宋少鹏. 基于烟气再循环的工业锅炉天然气低氮燃烧研究[D].北京： 清华大学， 2016.

[6] 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].中国电机工程报，2016，36（24）：6849-6858.