低NOx生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)
生物質(zhì)燃燒機(jī)所產(chǎn)生的氮氧化物以熱力型和快速型為主，在分析了燃?xì)獾偷紵龣C(jī)理的基礎(chǔ)上，融合了亞音速超混合、旋流對(duì)沖非線性動(dòng)力學(xué)以及分級(jí)濃淡燃燒等技術(shù)，成功設(shè)計(jì)開發(fā)出一種低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)，并在某天然氣鍋爐上實(shí)施了改造。通過(guò)改造前、后的性能對(duì)比試驗(yàn)，分析了鍋爐負(fù)荷、中心燃?xì)夂椭行娘L(fēng)以及燃?xì)鈬姌屝D(zhuǎn)偏角等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)Nn排放特性的影響。結(jié)果表明，在全工況范圍內(nèi)，該低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)Nq排放均低于100mglm3，滿足最新的環(huán)保要求。
  氮體燃料具有燃燒效率高和低污染排放的特點(diǎn)，其作為清潔能源廣泛應(yīng)用于電力、化工、冶金、建材等行業(yè)的工業(yè)爐（窯）及鍋爐中。目前，國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的生物質(zhì)燃燒機(jī)NO，排放大多都在300mglms在右口]，不符合GB13223-2011Lp]中規(guī)定的電站鍋爐和工業(yè)鍋爐的NO，排放不高于100mglm3的要求。因此，急需開發(fā)出新型的高效低NO，燃?xì)馊紵饕詽M足最新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。
1 設(shè)計(jì)理念
  燃料燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的NO，主要包括燃料型、熱力型和快速型3種。煤燃燒主要以燃料型NO，為主，而氣體燃料中的氮含量很少，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的Nn主要為熱力型和快速型。熱力型Nn是指在高溫環(huán)境下（1400℃以上）空氣中大量的氮被氧化成NO，，控制燃燒溫度是控制燃燒過(guò)程中熱力型NO，的關(guān)鍵；快速型NO，指燃燒時(shí)空氣中的氮和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)(CH)等反應(yīng)生成NO，，當(dāng)爐膛溫度較高時(shí)，產(chǎn)生的快速型NO，很少，可以忽略口]，但當(dāng)溫度較低時(shí)，在富燃料還原區(qū)，快速型Nn占主導(dǎo)地位一]，即控制爐膛溫度和燃料與助燃空氣在爐膛中均勻地混合燃燒是控制燃燒過(guò)程中快速型NO，的關(guān)鍵。據(jù)此，從降低熱力型和快速型NO，的角度出發(fā)，合理優(yōu)化燃料與助燃空氣的混合過(guò)程，使得燃料與助燃空氣在整個(gè)爐膛內(nèi)盡可能均勻的分布，消除爐膛局部高溫是燃?xì)獬偷紵暮诵募夹g(shù)。
  目前傳統(tǒng)的低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)一般采用分級(jí)分段燃燒、濃淡燃燒、煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)，這些技術(shù)雖然在一定范圍內(nèi)也能降低NO，，但無(wú)法滿足現(xiàn)有環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。本文設(shè)計(jì)的低NO，燃?xì)馊紵髟诂F(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合了亞音速超混合、強(qiáng)弱旋非線性旋流對(duì)沖動(dòng)力學(xué)以及濃淡分級(jí)燃燒等最先進(jìn)的超低氮燃燒技術(shù)，消除爐膛局部高溫區(qū)，使燃料在偏離化學(xué)當(dāng)量比條件下燃燒，縮短煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間，使燃料與空氣得到更好。
2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
  本文設(shè)計(jì)的燃?xì)獬偷紵魅鐖D1、圖2所示。該燃燒器采用燃料和空氣多分級(jí)可調(diào)低氮燃燒技術(shù)，空氣和燃料均被分為3綴，即中心回流和穩(wěn)燃區(qū)域、主燃燒旋流強(qiáng)化區(qū)域及燃?xì)鈱?duì)沖燃盡區(qū)域。這3個(gè)區(qū)域分別對(duì)應(yīng)中心燃?xì)鈬姌尅?nèi)強(qiáng)旋燃?xì)鈬姌尯屯馊跣細(xì)鈬姌尅?nèi)強(qiáng)旋燃?xì)鈬娍诔?5。大切角設(shè)計(jì)，與旋流風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向相反；外弱旋燃?xì)鈬娍诔?0。小切角設(shè)計(jì)，與直流風(fēng)配合；中心燃?xì)庵徽伎側(cè)剂狭康?%，設(shè)計(jì)流速為20～30m／s，中心燃?xì)馑俣冗h(yuǎn)低于外圍強(qiáng)弱旋流對(duì)沖燃料槍，與回流的熱煙氣組合，以保證燃燒器在降低NO，生成量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃。內(nèi)強(qiáng)旋和外弱旋燃?xì)飧髡?8%，主燃?xì)鈮毫_(dá)到120kPa，速度達(dá)到200～300m／s，接近亞音速狀態(tài)，內(nèi)強(qiáng)旋燃?xì)馀c45%旋流風(fēng)混合，外弱旋燃?xì)馀c35%直流風(fēng)混合，使得燃?xì)馀c助燃空氣充分混合，形成多股多層次火焰，以提高燃燒效率，減少局部高溫火焰區(qū)域，從而大大降低熱力型NO，的生成。通過(guò)強(qiáng)旋流形成中心高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，從而配合中心燃?xì)夂椭行娘L(fēng)，達(dá)到低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒的目的。另外，通過(guò)內(nèi)外風(fēng)門開度調(diào)節(jié)各級(jí)風(fēng)量，從而根據(jù)鍋爐負(fù)荷合理配風(fēng)，實(shí)現(xiàn)較高的負(fù)荷可調(diào)性。
3 性能試驗(yàn)
  為了驗(yàn)證根據(jù)本文提出的設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)的有效性，同時(shí)進(jìn)一步分析燃燒器各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)燃燒器NO，排放性能的影響，在某臺(tái)燃?xì)忮仩t上進(jìn)行了低氮燃燒改造，并對(duì)改造前、后的鍋爐性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。
3.1 鍋爐概況
  試驗(yàn)鍋爐為DG12013.82-1型中壓、自然循環(huán)汽包爐，Ⅱ型布置、全鋼結(jié)構(gòu)、露天布置。燃燒設(shè)備由大風(fēng)箱、調(diào)風(fēng)器、燃燒器等組成，燃燒器共6臺(tái)，分2層布置于前墻，每層3臺(tái)，上層中心標(biāo)高為8500mm．下層標(biāo)高為6500mm。燃燒器采用切向進(jìn)風(fēng)，通過(guò)調(diào)節(jié)葉片傾角控制其旋流強(qiáng)度，并設(shè)有中心管，通入20%～30%的中心風(fēng)，中心管出口處裝設(shè)有可軸向調(diào)節(jié)的葉輪穩(wěn)燃器，風(fēng)溫160℃，調(diào)風(fēng)器喉口風(fēng)速41m/s。
  燃料統(tǒng)計(jì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：O：，0.70%；N：，6.95%H2S，O.05%COz，0.86%H2，0.86%；甲烷，75.57%；乙烷，4.98%；乙烯，2.18%；丙烷，生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)0.65%；丙烯，0.28%；異丁烷，0.16%；正丁烷，0.29%；正丁烯，0.01%；異丁烯，0.01%；反丁烯，0.02%；順丁烯，0.01%；Cj，0.22%。燃料成分中不含氮化物，因此Nn的來(lái)源主要為熱力型和快速型，可不考慮燃料型Nn的影響。
  原燃燒器設(shè)計(jì)的燃燒火焰太集中，導(dǎo)致火焰的中心溫度較高，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行后部分燃燒器噴口部件已經(jīng)損壞，影響正常運(yùn)行。同時(shí)，火焰局部溫度過(guò)高產(chǎn)生大量熱力型Nq，實(shí)際運(yùn)行中Nn排放達(dá)到160～280mg／m3，不能滿足最新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3.2 低氮改造前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析
  低NO，生物質(zhì)燃燒機(jī)投入后，鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。但其性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鍋爐負(fù)荷、中心燃?xì)夂椭行娘L(fēng)噴口開度、內(nèi)強(qiáng)旋和外弱旋噴槍旋轉(zhuǎn)角度對(duì)NO，有一定影響。
3.2.1 鍋爐負(fù)荷
  鍋爐負(fù)荷變化影響爐膛溫度和總的空氣過(guò)量系數(shù)。隨著鍋爐負(fù)荷增大，爐膛溫度升高，熱力型NO，隨之增大；空氣過(guò)量系數(shù)減少，CO隨之增多。
  由圖3和圖4可見(jiàn)：改造前Nn排放量在140～220mg／m3之間，CO排放量在3～30 rug/g；隨著鍋爐負(fù)荷增加，N07排放量幾乎成線性增加。改造后NO，排放量降低到40～90mglm3之間，CO排放量控制在3——20 ruglg之間，達(dá)到了本燃燒器設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
3.2.2 中心燃?xì)夂椭行娘L(fēng)
  中心燃?xì)馑俣冗h(yuǎn)低于外圍強(qiáng)弱旋流對(duì)沖燃料槍，與回流的熱煙氣組合，從而保證燃燒器在降低NO，生成量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃。
  中心風(fēng)和中心燃?xì)鈬娍陂_度直接影響Nq生成。鍋爐負(fù)荷為72t／h時(shí)，不同中心風(fēng)與中心燃?xì)鈬娍陂_度對(duì)Nn生成的影響如圖5所示。
  由圖5可見(jiàn)：中心燃?xì)忾_度最大、中心風(fēng)噴口開度最小時(shí)，Nn生成量最少；中心燃?xì)鈬娍陂_度最小、中心風(fēng)噴口最大時(shí)，NO．生成量最多。這主要是因?yàn)楫?dāng)中心風(fēng)噴口開度增大時(shí)，中心區(qū)域會(huì)大量卷吸周圍的燃?xì)庖蚨a(chǎn)生富氧燃燒區(qū)域，即該區(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量的熱力型NO～而當(dāng)中心燃?xì)饬髁吭黾訒r(shí)，中間為富燃料的還原性氣氛，由于沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)充燃燒所需的氧量，溫度較低，產(chǎn)生的熱力型NO，較少。
3.2.3 燃?xì)鈬姌屝D(zhuǎn)角度
  內(nèi)強(qiáng)旋和外弱旋燃?xì)鈬姌尩男D(zhuǎn)方向直接影響燃?xì)馀c助燃空氣混合，影響NO，的生成（圖6）。內(nèi)強(qiáng)旋、外弱旋燃?xì)鈬姌屓細(xì)鈱?shí)際速度方向分別為V1、Vp，旋轉(zhuǎn)方向（燃?xì)鈱?shí)際速度方向與切向的夾角）分別為臼，、0，當(dāng)鍋爐負(fù)荷在72t／h時(shí)，內(nèi)強(qiáng)旋及外弱旋噴槍旋轉(zhuǎn)角度對(duì)NO，排放量的影響如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，內(nèi)強(qiáng)旋和外弱旋燃?xì)鈬姌屝D(zhuǎn)角度增大時(shí)，即燃料分散的程度越大，火焰溫度分布越均勻，排放量越少。但當(dāng)角度增大到一定程度時(shí)，燃燒會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)的現(xiàn)象。故在保證燃燒穩(wěn)定的前提下，可盡量增加燃?xì)獾陌l(fā)散程度，以降低NO，排放。
燃燒器融合了亞音速超混合、強(qiáng)弱旋非線性對(duì)沖動(dòng)力學(xué)和濃淡分級(jí)燃燒等先進(jìn)技術(shù)，打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)在某鍋爐的實(shí)際應(yīng)用表明，其NO，排放量在全負(fù)荷范圍內(nèi)均在100mglms以下，達(dá)到預(yù)期效果。
  2)低NO，生物質(zhì)燃燒機(jī)受鍋爐負(fù)荷、中心燃?xì)馀c中心風(fēng)噴口開度、內(nèi)強(qiáng)旋和外弱旋噴槍旋轉(zhuǎn)角度的影響。中心燃?xì)鈬娍陂_度最大、中心風(fēng)噴口開度最小時(shí)，NO，生成量最少；燃?xì)鈬姌屝D(zhuǎn)角度越偏外，NO，生成量越少。
生物質(zhì)燃燒機(jī)，jiegankeliji
生物質(zhì)氣化站，598jx