梁友新 許天邦

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

概述

近年來，歐盟等發(fā)達(dá)國家及國內(nèi)對環(huán)保越來越重視。在國內(nèi)，燃?xì)獠膳療崴疇t國標(biāo)GB 25034-2020對燃?xì)獠膳療崴疇t的NOx排放等級提出了相應(yīng)的要求。 國內(nèi)不少地區(qū)要求新安裝煤改氣工程的燃?xì)獠膳療崴疇t達(dá)到GB 25034-2020《燃?xì)獠膳療崴疇t》氮氧化物（NOx）污染物排放4級（NOx濃度上限100 mg/（kW·h）以上。即將實(shí)施的GB 25034-2020《燃?xì)獠膳療崴疇t》對氮氧化物（NOx）污染物排放進(jìn)行了5級劃分，見表1，其最高級5級要求氮氧化物（NOx）污染物排放量不大于于 62 mg/（kW·h）[4]。

表1 NOX排放分級

對于常規(guī)燃?xì)獠膳療崴疇t，目前行業(yè)內(nèi)普遍采用水冷燃燒技術(shù)及濃淡燃燒技術(shù)來降低氮氧化物排放。采用水冷燃燒技術(shù)的低氮燃?xì)獠膳療崴疇t可以有效降低NOx排放，但水冷低氮燃燒器由于使用成本較高的銅材料，成本高。采用濃淡燃燒技術(shù)的低氮燃燒器由于需要調(diào)配燃燒器內(nèi)的濃淡比，控制復(fù)雜，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，成本也相對比較高。

本文就微焰燃燒器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用，在燃?xì)獠膳療崴疇t上實(shí)現(xiàn)低氮氧化物排放進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 微焰燃燒器結(jié)構(gòu)及 NOx排放分析

1.1 NOx的生成分類[2]

根據(jù)NOx生成機(jī)理不同，可將燃料燃燒生成的NOx分為三類：燃料型NO、快速型NO和熱力型NO，其中①燃料型NO是燃料中的含氮化合物在燃燒過程中與O2反應(yīng)生成的NO。天然氣中氮的化合物含量很少，因此生成量可以忽略不計(jì)，在此不展開討論。②快速型NO是指碳?xì)湎等剂显谶^剩空氣系數(shù)小于1的情況下，在火焰面內(nèi)急劇生成的NO，只有部分預(yù)混火焰的內(nèi)錐表面才會生成，在一般空氣過剩的燃燒中，快速型NO生成極少。③熱力型NO是指燃燒用空氣中的N2在高溫下氧化而生成的NO，城市燃?xì)馊紵a(chǎn)生的NO中以熱力型NO為主。

1.2 影響熱力型NO生成的主要因素 [1-3]

1）溫度

熱力型NO的生成反應(yīng)為：

其鏈反應(yīng)為：

總反應(yīng)中，正反應(yīng)的活化能為E1=53.9×104J/mol，逆反應(yīng)的活化能為-E2=36.0×104J/mol，由于正反應(yīng)的活化能很大，因此熱力型NO的生成在很大程度上依賴于溫度。NOx生成與溫度和時間的關(guān)系見圖1。由圖1可知，在溫度1800 K以上，隨著溫度的升高，NOx的生成量越大，NOx生成量也隨著在高溫區(qū)停留時間增大[3]。

由熱力型NOx生成理論的及圖1分析可知，熱力型NOx的生成量主要和溫度以及在高溫區(qū)停留時間有關(guān)，溫度越高，在高溫區(qū)停留時間越長，氮氧化物生成量越大[2]。本文根據(jù)以上理論及圖表分析，對燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，并通過調(diào)節(jié)擋風(fēng)板以取得合適的一次空氣系數(shù)α′，達(dá)成降低火焰溫度及縮短反應(yīng)停留時間，實(shí)現(xiàn)降低NO生成量的目的，展開試驗(yàn)研究。

圖1 NOx生成與溫度和時間的關(guān)系

1.3 微焰燃燒器結(jié)構(gòu)

微焰燃燒器通過增加一次空氣α′的辦法來降低火焰溫度，使氮氧化物（NOx）的生成量降低，由于一次空氣系數(shù)α′較大，其火焰較低。在實(shí)際應(yīng)用中，僅通過燃?xì)庖涞囊淮慰諝?，由于引射量有限，難以使其增大到可以使NOX降低的理想的系數(shù)，故通過改變?nèi)紵鹘M件結(jié)構(gòu)，增加擋風(fēng)板等方式，強(qiáng)制空氣進(jìn)入微焰燃燒器，達(dá)成增大一次空氣至理想值的目的。

微焰燃燒器具體結(jié)構(gòu)見圖2，燃燒器組件圖見圖3。

圖2 微焰燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖

圖3 燃燒器組件圖

微焰燃燒器與大氣式常規(guī)燃燒器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對比表見表2。

表2 微焰燃燒器與大氣式常規(guī)燃燒器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對比表

增大火孔面積Fp混合管面積A等，降低了阻力，從而使一次空氣系數(shù)α′增大，降低燃燒溫度，同時火孔熱強(qiáng)度Wp也降低了。由于一次空氣系數(shù)接近1左右，燃?xì)馊紵俣容^快，同時火孔面積較大，混合氣流速低，火焰變得低矮（形成微焰燃燒）。

2 數(shù)值模擬

對微焰燃燒器進(jìn)行了CFD數(shù)值計(jì)算，主要考察微焰燃燒器內(nèi)部燃?xì)獾幕旌锨闆r及出火孔的速度分布。

計(jì)算采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并且沒有考慮化學(xué)反應(yīng)，即只計(jì)算了冷態(tài)工況。

2.1 幾何模型

微焰燃燒器的原幾何模型見圖4，計(jì)算用的幾何圖形見圖5。噴嘴出口到引射口距離7.5 mm，噴嘴出口直徑為1.3 mm，噴嘴進(jìn)口直徑為3 mm。

圖4 原幾何模型

圖5 計(jì)算用幾何模型

2.2 計(jì)算設(shè)置

主要計(jì)算設(shè)置如下：

1）采用ske湍流模型；

2）組分運(yùn)輸模型不考慮化學(xué)反應(yīng)；

3）燃?xì)膺M(jìn)口設(shè)為速度進(jìn)口，氣體組分為100 %的CH4，速度大小設(shè)為9.118 m/s (根據(jù)單個噴嘴的燃?xì)饬髁繛?.867 L/min算得；

4）空氣進(jìn)口設(shè)為壓力進(jìn)口，壓力大小設(shè)置為-22.1 Pa；

5）出口設(shè)為壓力出口，壓力大小設(shè)置為-26.1 Pa。

2.3 計(jì)算結(jié)果

CH4摩爾濃度結(jié)果：燃燒器對稱面的CH4的摩爾分?jǐn)?shù)（體積分?jǐn)?shù)）的分布云圖如圖6、圖7所示。

圖6 CH4的摩爾分?jǐn)?shù)（對稱面）

圖7 CH4的摩爾分?jǐn)?shù)（火孔面）

2.4 速度結(jié)果

燃燒器對稱面的速度的分布云圖如圖 8、圖9所示。

圖8 速度云圖（對稱面）

圖9 速度云圖（火孔面）

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試機(jī)型參數(shù)：26 kW，燃燒器排數(shù)：11排，無分段，噴嘴直徑d=1.32 mm，負(fù)荷比（1:2.5）。

實(shí)驗(yàn)條件：按GB 25034-2020《燃?xì)獠膳療崴疇t》實(shí)驗(yàn)條件。

3.1 額定負(fù)荷下煙氣中CO、NOX與O2的變化關(guān)系

由圖10、11；表3、4中分析可知，在額定負(fù)荷工況下，微焰燃燒器在過剩空氣較低的情況下，由于過?？諝獠蛔銓?dǎo)致燃燒不完全，CO排放增加，CO排放量隨著過?？諝庀禂?shù)增加而下降；由于過?？諝獠蛔?，NOX的生成量會因?yàn)樵谌紵齾^(qū)溫度過高及煙氣停留時間過長而增大，NOX的生成量排放隨著過剩空氣的增加而降低。

圖10 額定負(fù)荷下煙氣中CO與O2的測試數(shù)據(jù)圖

圖11 額定負(fù)荷下煙氣中NOX與O2的測試數(shù)據(jù)圖

表3 額定負(fù)荷下煙氣中CO與O2的測試數(shù)據(jù)

表4 額定負(fù)荷下煙氣中NOX與O2的測試數(shù)據(jù)

3.2 最小負(fù)荷下煙氣中CO、NOX與O2的變化關(guān)系

根據(jù)圖12、13；表5、6中分析可知，在最小負(fù)荷工況下：微焰燃燒器在過?？諝廨^低的情況下，CO排放較低，隨著過?？諝庠龃?，由于離焰而導(dǎo)致CO急速上升；另一方面，由于過剩空氣系數(shù)過多，使燃燒區(qū)溫度下降，降低了煙氣在高溫區(qū)停留時間，NOX的生成量也隨之下降。

圖12 最小負(fù)荷下煙氣中CO與O2的測試數(shù)據(jù)圖

表5 最小負(fù)荷下煙氣中CO與O2的測試數(shù)據(jù)

表6 最小負(fù)荷下煙氣中NOx與O2的測試數(shù)據(jù)

3.3 按GB 25034-2020國標(biāo)測試方法NOX排放數(shù)據(jù)

依GB 25034-2020進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，NOX排放數(shù)值為57.99 mg/（kW·h），排放符GB 25034-2020國標(biāo)的5級（62 mg/（kW·h）），遠(yuǎn)小于國標(biāo)4級規(guī)定的100 mg/ （kW·h）。

表7 按國標(biāo)GB 25034-2020測試方法測試數(shù)據(jù)

3.4 不同額定負(fù)荷下按GB 25034-2020國標(biāo)測試方法NOX排放數(shù)據(jù)

燃燒器組件不變，通過調(diào)整整機(jī)參數(shù)，使整機(jī)工作在不同的負(fù)荷下，按GB 25034-2020國標(biāo)測試方法NOX測試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)見表8～11。

表8 28 kW負(fù)荷下NOx測試數(shù)據(jù)

表9 23 kW負(fù)荷下NOx測試數(shù)據(jù)

表10 20 kW負(fù)荷下NOx測試數(shù)據(jù)

表11 18 kW負(fù)荷下NOx測試數(shù)據(jù)

通過測試數(shù)據(jù)得出，額定負(fù)荷由28 kW下降至18 kW，NOX排放量隨著額定負(fù)荷減小而降低（見表12），由于28 kW時，火孔熱強(qiáng)度為0.062 kW/mm2，18 kW時，火孔熱強(qiáng)度為0.040 kW/mm2。在其他條件不變的情況下，燃燒器通過的流量不變，燃?xì)饬髁孔冃?，則一次空氣系數(shù)變大，燃燒溫度降低，破壞了熱力型NOx的形成條件，故通過設(shè)定燃燒器在合理的額定負(fù)荷，可實(shí)現(xiàn)NOX排放量低于30 mg/（kW·h）以下（見圖13）。

圖13 最小負(fù)荷下煙氣中NOX與O2的測試數(shù)據(jù)圖

表12 不同額定負(fù)荷下NOX計(jì)算數(shù)據(jù)匯總表

圖13 不同額定負(fù)荷下NOx折算值

4 結(jié)論

1）根據(jù)NOx生成機(jī)理及影響NOx生成的主要因素進(jìn)行設(shè)計(jì)的燃?xì)獠膳療崴疇t用微焰燃燒器，其NOx排放可以滿足國標(biāo) GB 25034-2020的5級（62 mg/（kW·h））以上排放的要求，遠(yuǎn)小于國標(biāo)4級規(guī)定的100 mg/（kW·h）。

2）微焰燃燒器沒有使用比較貴重的金屬銅（水冷燃燒器采用）成型，且結(jié)構(gòu)也比濃淡燃燒器簡單，使用的材料較少，因此材料上具有成本優(yōu)勢。

3）通過匹配微焰燃燒器合適的火排數(shù)量，即把微焰燃燒器設(shè)定在合理的額定負(fù)荷工況下，可實(shí)現(xiàn)NOX排放量低于到30 mg/（kW·h）以下。

4）實(shí)驗(yàn)證明，微焰燃燒器在最小負(fù)荷工況下，過剩空氣并不是越大越好，隨著過?？諝庠龃?，由于離焰而導(dǎo)致CO急速上升。

5）由于只需要通過不同數(shù)量的微焰燃燒器組合可以達(dá)成不同NOX排放量,燃燒器通用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)通用化生產(chǎn)。