陳敏

摘要：中心回燃鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)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(dǎo)致燃燒火焰細(xì)長，火焰容積熱負(fù)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(qiáng)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(shù)路線和燃燒器結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)中心回燃鍋爐NOx排放30mg以下。本文結(jié)合中心回燃鍋爐的爐膛特點(diǎn)及燃燒特點(diǎn)，進(jìn)行中心回燃鍋爐低氮燃燒器的工藝選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過分析后，最終選擇的降氮技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用燃?xì)夥旨?旋流盤+煙氣回流口+進(jìn)氣雙蝶閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此工藝和結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)北京DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的氮氧化物排放達(dá)到30毫克[1]以下的標(biāo)準(zhǔn)要求。不同廠家的同一功率的中心回燃鍋爐，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，火焰長度和形狀及一二次燃?xì)獗壤加兴煌?，而燃燒頭進(jìn)氣雙蝶閥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)能夠很好的調(diào)節(jié)一二次燃?xì)獗壤?，進(jìn)而調(diào)節(jié)火焰形狀，從而達(dá)到NOx排放達(dá)到30毫克以下，實(shí)現(xiàn)了燃燒器的通用性設(shè)計(jì)。

關(guān)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(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。北京DB11/139-2015《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定2017年4月1日起新建鍋爐氮氧化物排放需達(dá)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?yàn)槠渲圃旃に嚭唵?、結(jié)構(gòu)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(yīng)用廣泛[2]。但其爐膛結(jié)構(gòu)特殊，燃燒室容積熱負(fù)荷高，燃燒室內(nèi)煙氣與燃燒室壁面對流換熱強(qiáng)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(jié)構(gòu)也有差別。因此針對中心回燃鍋爐爐膛的特殊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)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(shí)意義。

一、中心回燃鍋爐爐膛特點(diǎn)

中心回燃式的鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于，燃燒室末端為封閉結(jié)構(gòu)，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?zé)煔庠購臓t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(jìn)入煙管進(jìn)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了中心回鍋爐的燃燒具有以下特點(diǎn)：

（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?xì)鈮毫?、火焰速度及火焰形狀都有一定的要?

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

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

以上燃燒特點(diǎn)都給燃燒器的低氮設(shè)計(jì)帶來了困難。

二、中心回燃鍋爐燃燒器的工藝設(shè)計(jì)

（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(jī)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(shù)原理及工藝選擇

擴(kuò)散式燃?xì)馊紵鞯慕档夹g(shù)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?xì)庠诳臻g上劃分等級，使得空氣和燃?xì)庠谪毴蓟蛘吒蝗嫉那闆r下進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的過量空氣系數(shù)保持一個(gè)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(jié)構(gòu)、穩(wěn)定火焰。旋流燃燒指通過運(yùn)用旋流器使得空氣或燃?xì)馍梢粋€(gè)有切向速度的氣流，增加燃?xì)夂涂諝獾幕旌?，減少產(chǎn)物在高溫區(qū)的停留時(shí)間。

煙氣內(nèi)循環(huán)指通過燃燒器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對燃燒煙氣的引流卷吸，使得煙氣重新參與反應(yīng)，降低火焰溫度，進(jìn)而降低熱力型和快速型NOx生成的技術(shù)。

中心回燃鍋爐的中心火焰燃燒空間小，火焰細(xì)長且容積熱負(fù)荷高，分級燃燒可有效降低中心區(qū)的火焰溫度，使整個(gè)爐膛燃燒均勻，減少局部高溫。煙氣外循環(huán)（FGR）技術(shù)可降低整個(gè)爐膛的溫度，進(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可利用中心回燃的回流煙氣實(shí)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(chǔ)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(diǎn)，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(shù)路線。

三、中心回燃鍋爐燃燒頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）燃燒頭分級燃燒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.1所示，燃燒頭分為空氣入口和燃?xì)馊肟?。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(jié)構(gòu)可實(shí)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?xì)馊肟谔?，可設(shè)置一二次燃料調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，本案采用蝸輪蝸桿帶動(dòng)的蝶閥裝置實(shí)現(xiàn)一二次氣的調(diào)節(jié)，此結(jié)構(gòu)可方便調(diào)節(jié)、調(diào)節(jié)精度相對較高且能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。

進(jìn)氣雙蝶閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由兩組蝸輪蝸桿系統(tǒng)帶動(dòng)的閥板組成，其中一個(gè)閥板用來調(diào)節(jié)一次氣流量，另一個(gè)閥板用來調(diào)節(jié)二次氣流量。手輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶用蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)閥板軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)閥板進(jìn)行從0°到90°的開合運(yùn)動(dòng)。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(jī)構(gòu)，制作簡單，使用方便。因?yàn)槲佪單仐U自身存在一定的傳動(dòng)比，所以渦輪蝸桿調(diào)節(jié)閥板的開啟角度能使得燃?xì)饬髁空{(diào)節(jié)精度增加。燃?xì)獯嬖谝欢ǖ膲毫?，在閥板轉(zhuǎn)的過程中，閥板需要借助外力實(shí)現(xiàn)自鎖。當(dāng)蝸桿的摩擦角小于蝸桿的螺旋升角時(shí)，渦輪蝸桿能實(shí)現(xiàn)自鎖，如此閥板不會因?yàn)槿細(xì)鈮毫Σ▌?dòng)而自行轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)行安全可靠。

（二）旋流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋流盤設(shè)計(jì)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?xì)忾_口，圍繞中心孔圓周均布，一種是旋流板切向開口，一次燃?xì)鈬娮炫c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?xì)饣旌?，并沿著切向的角度旋轉(zhuǎn)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(jìn)行調(diào)整。

（三）燃?xì)鈨?nèi)循環(huán)（FIR）燃燒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2.1所示，本燃燒頭為了實(shí)現(xiàn)煙氣內(nèi)循環(huán)的效果，在燃燒頭的套筒側(cè)壁上設(shè)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(shè)置有二次空氣環(huán)縫，在此處燃?xì)夂涂諝獾幕旌衔镄纬筛咚偕淞?，高速射流可使得回流煙氣卷吸進(jìn)燃燒頭參與燃燒。燃燒頭燃燒時(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)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(shù)，同時(shí)在燃?xì)膺M(jìn)口處設(shè)置雙蝶閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能調(diào)一二次氣分配比例，且能調(diào)節(jié)燃?xì)鈬娚鋲毫土魉伲M(jìn)而調(diào)節(jié)火焰形狀，以匹配不同爐型。

四、工業(yè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(jì)顯示具體流量。通過德國Testo-340型自動(dòng)煙氣分析儀測定鼓風(fēng)機(jī)出口處的煙風(fēng)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(shí)驗(yàn)測試平臺。天然氣流量的變化范圍為180-210Nm3/h，燃?xì)鈮毫?2KPa，

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(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（1）實(shí)驗(yàn)此種燃燒頭工藝和結(jié)構(gòu)能否實(shí)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(jìn)氣雙蝶閥調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，改變一次燃?xì)饬髁康恼急?，測試在何種角度下NOx排放能達(dá)到30毫克以下。

在此實(shí)驗(yàn)中，一二次燃?xì)獾某跏寂浔葹?：7，通過調(diào)節(jié)雙進(jìn)氣蝶閥的角度來調(diào)整一二次燃?xì)獾呐浔?。?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4-1、4-2所示，方塊鍋爐在一次燃?xì)獾y開啟角度為60°時(shí)，NOx排放可達(dá)到30mg以下。力聚鍋爐在一次燃?xì)獾y開啟角度為45°時(shí)，NOx排放可達(dá)到30mg以下。由此說明本燃燒器的降氮工藝選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。本燃燒器設(shè)計(jì)能適用于不同廠家鍋爐。

五、結(jié)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了氮氧化物（NOx）排放量30mg以下的效果。滿足該燃燒器結(jié)構(gòu)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(jìn)氣雙蝶閥結(jié)構(gòu)。一二次氣噴嘴實(shí)現(xiàn)了燃料分級，套筒和二次氣盤的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了煙氣內(nèi)循環(huán)。雙蝶閥進(jìn)氣結(jié)構(gòu)采用渦輪蝸桿帶動(dòng)的蝶閥機(jī)構(gòu)，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(yàn)數(shù)據(jù)表明，本中心回燃燃燒器能夠?qū)崿F(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(yīng)用于不同廠家或者爐型的中心回燃鍋爐時(shí)，一二次氣的分配比例也不同。雙蝶閥進(jìn)氣機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)不但能夠?qū)崿F(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。

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