分級(jí)旋流耦合超低氮燃?xì)馊紵髋欧盘匦匝芯?/h1>
2019-07-09 05:46李文鋒姬海民申冀康張知翔白少林徐黨旗
熱力發(fā)電 2019年6期
李文鋒，姬海民，申冀康，張知翔，白少林，徐黨旗
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分級(jí)旋流耦合超低氮燃?xì)馊紵髋欧盘匦匝芯?/p>
李文鋒，姬海民，申冀康，張知翔，白少林，徐黨旗
（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）
為了推進(jìn)全國(guó)各地區(qū)燃?xì)忮仩t低氮改造進(jìn)程，使現(xiàn)有燃?xì)忮仩t氮氧化物（NOx）排放質(zhì)量濃度滿足小于30 mg/m3的最新標(biāo)準(zhǔn)，本文采用分級(jí)燃燒技術(shù)耦合旋流射流混合原理設(shè)計(jì)開發(fā)了一種超低氮燃?xì)馊紵?，并?duì)旋流風(fēng)角度、旋流板進(jìn)深和煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx排放特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時(shí)，結(jié)合煙氣再循環(huán)技術(shù)，在某燃?xì)忮仩t上進(jìn)行了實(shí)爐試驗(yàn)，進(jìn)一步分析了燃?xì)鈨?nèi)外層分布、過(guò)量空氣系數(shù)和煙氣再循環(huán)率等因素對(duì)NOx排放特性的影響，最終確定了燃燒器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，試驗(yàn)證實(shí)該燃燒器達(dá)到超低氮排放標(biāo)準(zhǔn)。
低氮改造；燃?xì)馊紵?；NOx排放；分級(jí)燃燒；旋流射流；煙氣再循環(huán)
天然氣燃燒溫度高，燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物（NO）。根據(jù)2017年環(huán)保部門對(duì)天然氣鍋爐運(yùn)行情況檢測(cè)公布的數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)行中的工業(yè)燃?xì)忮仩tNO排放質(zhì)量濃度小于200 mg/m3的僅占35%，小于400 mg/m3的占90%，大多數(shù)天然氣鍋爐的NO排放質(zhì)量濃度約為300 mg/m3。2017年5月，陜西省環(huán)保廳《關(guān)于燃?xì)忮仩t低氮排放改造控制標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)函》中，要求西安市內(nèi)新建燃?xì)忮仩tNO排放達(dá)到30 mg/m3以下，在用燃?xì)忮仩tNO排放達(dá)到80 mg/m3以下。
國(guó)內(nèi)對(duì)燃煤型低氮燃燒器的研究較多，而對(duì)燃?xì)獾偷紵鞯难芯枯^少。舊式燃?xì)馊紵鳛榇_保燃燒效率，暫時(shí)忽略控制污染物排放，故其NO排放質(zhì)量濃度在250~480 mg/m3（按(O2)=3%折算）?，F(xiàn)有的低氮燃?xì)馊紵鱊O排放質(zhì)量濃度大都在100 mg/m3左右，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)行的環(huán)保要求[1]，而有些能達(dá)到超低排放要求的燃?xì)馊紵?，往往?huì)由于燃燒不穩(wěn)定而引起爐膛的振動(dòng)，威脅鍋爐運(yùn)行安全。因此，研制NO排放質(zhì)量濃度低于30 mg/m3且燃燒穩(wěn)定安全的新型超低NO燃?xì)馊紵鳎瑢?duì)于減少燃?xì)忮仩t爐膛出口NO排放質(zhì)量濃度，提高鍋爐安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。
1 燃燒器分級(jí)旋流耦合原理
天然氣組分大都為甲烷，基本不含氮。天然氣鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的NO主要為熱力型NO和快速型NO2種[2-3]，其中熱力型NO占大多數(shù)。從天然氣燃燒物理參數(shù)考慮，影響NO生成的主要因素有燃燒區(qū)溫度、反應(yīng)區(qū)內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)、燃料高溫區(qū)停留時(shí)間、燃料/空氣混合均勻度。分級(jí)燃燒技術(shù)[4]、旋流射流燃燒技術(shù)[5]、煙氣再循環(huán)技術(shù)[6]等低氮燃燒技術(shù)均是針對(duì)這些因素開發(fā)。
本文設(shè)計(jì)的燃?xì)馊紵髟硎疽馊鐖D1所示。該燃燒器采用分級(jí)燃燒技術(shù)，將燃料主要分為3股：1）中心氣沿徑向向四周噴出，與中心風(fēng)垂直混合擴(kuò)散，經(jīng)點(diǎn)火槍點(diǎn)燃后形成穩(wěn)定的值班火焰；2）旋流氣沿軸向入射進(jìn)入旋流風(fēng)中，形成中間過(guò)渡火焰；3）外圈主燃?xì)庖灾眹姾拖蛲庑眹姷男问饺肷溥M(jìn)入直流風(fēng)中，經(jīng)由過(guò)渡火焰點(diǎn)燃后形成主火焰。燃料分級(jí)可以通過(guò)平衡區(qū)域溫度降低NO生成量。
圖1 燃?xì)馊紵髟硎疽?/p>
在確保燃燒穩(wěn)定且完全的前提下，超低氮燃?xì)馊紵饕刂芅O排放質(zhì)量濃度小于30 mg/m3，其氣流混合方式應(yīng)為燃?xì)庾圆煌睆降膰娍谏淞鞫?，與周圍空氣混合，從而在燃燒器出口處形成互不干涉的環(huán)形混合層，并使每一層的燃?xì)夂涂諝獍丛O(shè)計(jì)比例進(jìn)行混合燃燒[7]。根據(jù)相交射流原理，設(shè)計(jì)了3層環(huán)形混合層：1）中心氣和旋流氣主要分布于旋流盤區(qū)域，形成中心混合層；2）主燃?xì)庵眹姴糠址植加谛鞅P外圈至筒壁區(qū)域，形成直流混合層；3）主燃?xì)庀蛲庑眹姺植加谌紵魍脖谕馊^(qū)域，形成外圈混合層。這樣設(shè)計(jì)可以使燃燒火焰沿徑向、軸向從內(nèi)到外層層傳遞[8]，促進(jìn)燃?xì)馀c空氣的快速混合，實(shí)現(xiàn)由里及外擴(kuò)散燃燒，避免局部高溫區(qū)導(dǎo)致NO質(zhì)量濃度升高，且火焰充滿度好，燃燒穩(wěn)定性強(qiáng)。燃燒器環(huán)形混合層示意如圖2所示。
圖2 燃燒器環(huán)形混合層示意
2 燃燒器數(shù)值模擬
為了探究燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)排放特性的影響規(guī)律，使用Fluent軟件對(duì)原型燃燒器進(jìn)行1:1實(shí)爐模擬。三維模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約200萬(wàn)，選擇RNG–湍流模型，甲烷-空氣兩步反應(yīng)機(jī)理，渦耗散模型[9]，NO生成模型為軟件自帶模型，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。模擬基礎(chǔ)工況為80%負(fù)荷（約280 m3/h），過(guò)量空氣系數(shù)取1.20。
2.1 旋流風(fēng)角度
旋流風(fēng)的存在有助于形成中心回流區(qū)，其方向則會(huì)對(duì)回流區(qū)的大小產(chǎn)生影響。保持其他參數(shù)不變，選取旋流風(fēng)角度分別為15°、30°、45°、60°和75°進(jìn)行模擬，將溫度和NO質(zhì)量濃度分別在同一標(biāo)尺下進(jìn)行顯示。不同旋流風(fēng)角度下的模擬結(jié)果如圖3所示，出口污染物質(zhì)量濃度見(jiàn)表1。
表1 不同旋流風(fēng)角度下出口污染物質(zhì)量濃度
Tab.1 Pollutant mass concentration at different swirling air angles mg/m3
圖3 不同旋流風(fēng)角度模擬結(jié)果
從圖3和表1可以看出：溫度場(chǎng)中，局部高溫區(qū)區(qū)域隨旋流風(fēng)角度增大而減小，寬度則相反；NO高質(zhì)量濃度區(qū)域隨旋流風(fēng)角度增大先略有增大后快速縮減最后保持穩(wěn)定，與出口NO質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本吻合；出口CO質(zhì)量濃度在角度增大至60°過(guò)程中快速降低，在75°時(shí)回升。
由此可知，旋流風(fēng)角度的增大加劇了外圈燃?xì)饪諝獾幕旌吓c升溫，并使得外圈可燃混合物沿周邊擴(kuò)散。由于燃燒提前，中心混合層燃料燃燒產(chǎn)生的大量熱煙氣膨脹，排擠外圈直流風(fēng)向外擴(kuò)散與外圈燃料混合，從而減少了出口污染物質(zhì)量濃度。但隨著旋流風(fēng)角度進(jìn)一步增大，旋流風(fēng)旋流作用減弱，燃料與空氣混合變差，燃盡率降低，出現(xiàn)CO升高趨勢(shì)。由模擬結(jié)果確定最佳旋流風(fēng)角度為60°。
2.2 旋流板進(jìn)深
定義旋流板與外圈主燃?xì)鈽屩眹娍诔隹诘南鄬?duì)距離為旋流板進(jìn)深，其對(duì)旋流混合效果有影響。保持旋流風(fēng)角度不變，選取旋流板進(jìn)深分別為50、100、150 mm進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同旋流板進(jìn)深時(shí)模擬結(jié)果
由圖4可以看出：50 mm時(shí)燃?xì)鈬姵黾幢恍黠L(fēng)包覆，與周圍空氣劇烈混合并燃燒，但出現(xiàn)了局部高溫區(qū)導(dǎo)致NO質(zhì)量濃度增大；旋流板進(jìn)深為100 mm時(shí)，高溫區(qū)較另外二者更為狹長(zhǎng)均勻，相對(duì)應(yīng)的NO高質(zhì)量濃度區(qū)域更少，這是由于回流區(qū)衰減較少，燃?xì)鈹U(kuò)散區(qū)域與回流區(qū)有較多重疊，可燃物混合均勻，燃燒更為平緩，因此NO質(zhì)量濃度低；150 mm時(shí)旋流風(fēng)產(chǎn)生的回流區(qū)受周圍槍管擾流作用而散亂衰減，在槍管后產(chǎn)生小渦流，一 部分可燃混合物向周圍擴(kuò)散，另一部分繼續(xù)向中心聚集燃燒。由模擬結(jié)果確定最佳旋流板進(jìn)深為100 mm。
2.3 煙氣再循環(huán)率j
煙氣再循環(huán)率對(duì)污染物排放質(zhì)量濃度有顯著影響。保持旋流板距離和旋流風(fēng)角度不變，選取變化范圍為0~25%進(jìn)行模擬，每次增大5%。不同煙氣再循環(huán)率時(shí)的模擬結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同煙氣再循環(huán)率j 時(shí)模擬結(jié)果
由圖5可以看出：爐膛內(nèi)高溫區(qū)域隨增大而逐漸縮小，溫度峰值降低；NO高質(zhì)量濃度區(qū)域隨增大逐漸減小。Li等[10]人認(rèn)為回流煙氣主要為惰性氣體，與空氣混合后降低平均氧體積分?jǐn)?shù)，使得可燃混合物在分子級(jí)別的有效碰撞頻率降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率減小，燃燒的釋熱速率降低，從而減少污染物質(zhì)量濃度。為25%時(shí)，最高溫度相比于不投再循環(huán)時(shí)減小了200 K以上，出口NO質(zhì)量濃度下降了約一個(gè)量級(jí)。為20%時(shí)，NO質(zhì)量濃度變化基本趨于平緩。
3 燃燒器試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 試驗(yàn)方法
基于數(shù)值模擬結(jié)果，在某臥式燃?xì)鉄崴仩t上搭建燃燒器試驗(yàn)臺(tái)，研究負(fù)荷、燃?xì)夥植?、過(guò)量空氣系數(shù)及煙氣再循環(huán)率對(duì)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性、污染物排放特性的影響。試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖6所示。
再循環(huán)管道煙氣取點(diǎn)位于鍋爐節(jié)能器后，助燃空氣與再循環(huán)煙氣在風(fēng)機(jī)入口處混合后進(jìn)入風(fēng)機(jī)。燃?xì)饬颗c空氣量均由控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)壓力表、微壓計(jì)、Testo350煙氣分析儀、B型/K型熱電偶、數(shù)顯溫度表等進(jìn)行采集。
圖6 超低氮燃燒器試驗(yàn)系統(tǒng)示意
在總進(jìn)氣壓力不變的情況下，通過(guò)改變旋流區(qū)及直流區(qū)槍頭數(shù)量和類型來(lái)實(shí)現(xiàn)3個(gè)燃?xì)鈪^(qū)不同的氣量分布。試驗(yàn)負(fù)荷選取40%、60%、80% 3個(gè)工況。過(guò)量空氣系數(shù)通過(guò)測(cè)量尾部煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)獲得，變化范圍為1.10~1.55。煙氣再循環(huán)率通過(guò)測(cè)量尾部煙氣氧體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)機(jī)出口煙氣空氣混合物中氧體積分?jǐn)?shù)獲得，變化范圍為0~25%。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)中先研究不同燃?xì)夥植嫉挠绊懀_定最佳燃?xì)夥植己筮M(jìn)一步研究過(guò)量空氣系數(shù)和煙氣再循環(huán)率的影響規(guī)律。
3.2.1 燃?xì)夥植?/p>
通過(guò)更換槍頭類型和改變槍頭數(shù)量，測(cè)量冷態(tài)下不同噴槍出口流速?gòu)亩_定中心混合層、直流混合層和外圈混合層的燃?xì)夥植急壤Ｗ罱K確定3種不同燃?xì)鈿饬糠植脊r見(jiàn)表2。
表2 3種燃?xì)夥植脊r
Tab.2 Three gas distribution conditions %
在每個(gè)燃?xì)夥植脊r下分別進(jìn)行負(fù)荷增大試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中全程保持過(guò)量空氣系數(shù)在1.30左右，在同一負(fù)荷下3種工況出口處的CO、NO質(zhì)量濃度如圖7所示。
從表2和圖7可以看出：工況2相比于工況1中心混合層燃?xì)饬繙p少，直流混合層燃?xì)饬吭黾樱瑢?dǎo)致NO質(zhì)量濃度水平整體下降約35 mg/m3；工況3較工況2一次氣量更低，二次氣量更高，NO質(zhì)量濃度水平略高于工況2。由此可以看出，適當(dāng)減少中心氣量可以有效降氮而不影響中心穩(wěn)燃。
圖7 燃?xì)夥植紝?duì)污染物質(zhì)量濃度影響
本燃燒器中心區(qū)域設(shè)計(jì)為富燃料旋流燃燒，燃燒在偏離當(dāng)量比下進(jìn)行，當(dāng)中心燃料過(guò)濃時(shí)，燃料因接近著火濃度上限而導(dǎo)致燃燒推遲，產(chǎn)生大量不完全燃燒產(chǎn)物。外圈燃料則由于燃料過(guò)淡而快速燃燒，外圈剩余直流風(fēng)與中間燃燒不完全產(chǎn)物在下游混合，燃盡區(qū)向下游移動(dòng)，高溫區(qū)出現(xiàn)在爐膛后部，導(dǎo)致尾部煙道NO質(zhì)量濃度高。工況2可適當(dāng)減少中心氣量并增大主氣量，中間區(qū)域由著火濃度上限燃燒向當(dāng)量比燃燒靠近，雖然仍處于富燃料燃燒，但不完全燃燒產(chǎn)物減少，與外圈剩余空氣混合較工況1提前，在中心旋流衰減前基本完成混合，燃盡區(qū)提前，由于溫度升高而多產(chǎn)生的熱力型NO也在火焰區(qū)被外圈增加的還原性物質(zhì)消耗掉，整體NO質(zhì)量濃度值較工況1明顯下降。工況3進(jìn)一步減少中心氣量并增大主氣量，此時(shí)整體NO質(zhì)量濃度反而略有上升，這是由于中心和外圈燃燒更接近當(dāng)量比下燃燒，從而使溫度有所上升。
試驗(yàn)結(jié)果表明：NO質(zhì)量濃度水平在工況2下最低，工況3次之；CO質(zhì)量濃度水平在工況1和工況3下低，工況2稍高；最大負(fù)荷在工況3下優(yōu)于工況1和工況2。綜合考慮本文推薦工況3為最佳燃?xì)夥植脊r。
3.2.2 過(guò)量空氣系數(shù)
選取燃燒器燃?xì)夥植紴?5%、65%、20%，不投再循環(huán)煙氣，記錄從1.05增加至1.55時(shí)節(jié)能器后煙道CO、NO質(zhì)量濃度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)小于1.10時(shí)，燃燒室出現(xiàn)喘振并持續(xù)加大；當(dāng)高于1.60時(shí)，中心值班火焰蜷縮搖擺，周圍主槍火焰抬升且忽明忽滅，出于運(yùn)行安全考慮未繼續(xù)下探。過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)污染物質(zhì)量濃度的影響如圖8所示。
圖8 無(wú)再循環(huán)時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)a 對(duì)污染物質(zhì)量濃度影響
從圖8可以看出，從1.10增加到1.55，NO質(zhì)量濃度從110 mg/m3逐漸下降至50 mg/m3，且在1.15到1.30區(qū)間內(nèi)下降緩慢，1.30之后開始加速下降。這是因?yàn)橹行幕旌蠈釉O(shè)計(jì)為富燃燃燒，隨著氧體積分?jǐn)?shù)增大，燃料逐漸向當(dāng)量比燃燒靠近，此時(shí)中心混合層溫度上升，熱力型NO質(zhì)量濃度也隨之上升，越過(guò)當(dāng)量比點(diǎn)后熱力型NO質(zhì)量濃度又開始緩慢下降；另一方面，空氣量增加，風(fēng)速變大，促進(jìn)燃?xì)夂涂諝饣旌系耐瑫r(shí)大量吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，降低爐膛溫度水平，NO質(zhì)量濃度持續(xù)減少。鍋爐負(fù)荷對(duì)NO質(zhì)量濃度影響不大，3種負(fù)荷下的NO質(zhì)量濃度水平相差很小。究其原因，同一空燃比下，負(fù)荷增大火焰體積也增大、爐內(nèi)整體溫度水平上升；負(fù)荷升高的同時(shí)，風(fēng)速氣速也相應(yīng)增大，內(nèi)圈以及外圈卷吸回流增強(qiáng)，氣風(fēng)混合更均勻且燃燒提前，減少了NO的生成，兩者互相抵消。
CO質(zhì)量濃度的變化規(guī)律與NO不同。當(dāng)小于1.10時(shí)，CO質(zhì)量濃度極高；當(dāng)從1.10增加到1.25時(shí)，CO質(zhì)量濃度快速下降至10~20 mg/m3；當(dāng)高于1.25時(shí)CO質(zhì)量濃度維持在10 mg/m3以內(nèi)。從觀火鏡也可以看到，隨著增大，火焰由渾黃逐漸變澄明，表明燃料不完全燃燒生成的碳顆粒減少。負(fù)荷變化對(duì)CO質(zhì)量濃度的影響較小，低負(fù)荷下整體CO質(zhì)量濃度略小于高負(fù)荷，推測(cè)可能是高負(fù)荷下爐膛空間限制了周邊回流區(qū)的繼續(xù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致CO質(zhì)量濃度略微增加。
3.2.3 煙氣再循環(huán)率
再循環(huán)煙氣能顯著降低燃?xì)忮仩t氮氧化物，Baltasar等[11]人發(fā)現(xiàn)，采用外部煙氣再循環(huán)相比于不采用的NO排放可以減少約70%。為了探究本燃燒器在不同煙氣再循環(huán)率下的低氮特性，保持過(guò)量空氣系數(shù)在1.30左右，從0逐漸增大至30%時(shí)爐膛出口煙道處CO、NO質(zhì)量濃度如圖9所示。
圖9 a為1.32時(shí)，煙氣再循環(huán)率j對(duì)污染物濃度的影響
從圖9可以看出：再循環(huán)煙氣降氮效果與模擬結(jié)果相符；在20%煙氣再循環(huán)率下，NO質(zhì)量濃度已低于30 mg/m3；在最大煙氣再循環(huán)率下，NO質(zhì)量濃度減少約66%。這是由于助燃空氣中氧體積分?jǐn)?shù)的降低，使得爐內(nèi)最高溫度下降, 有效抑制了熱力型NO的生成[12]。通常，煙氣再循環(huán)率每增加5%，絕熱火焰溫度則降低50～80 K[13]。Zeldovich提出有關(guān)NO的生成速度表達(dá)式如下[14]：
式中：(NO)、(N2) 、(O2)分別為NO、N2、O2濃度；為普適氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；為反應(yīng)溫度，K。從式(1)可以看出，溫度對(duì)NO生成的影響呈指數(shù)級(jí)增大，因此降幅才表現(xiàn)出隨煙氣再循環(huán)率增大而變小的趨勢(shì)。
增大煙氣再循環(huán)率，在降低NO質(zhì)量濃度的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致CO質(zhì)量濃度上升，且呈現(xiàn)加速上升趨勢(shì)。這是因?yàn)檠h(huán)煙氣量與空氣混合后降低了單位體積內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒情況惡化。
另外，煙氣再循環(huán)率和鍋爐效率之間存在制約關(guān)系，煙氣再循環(huán)率增大，CO質(zhì)量濃度、燃料不完全燃燒損失增大，鍋爐效率降低。工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，燃?xì)忮仩t采用煙氣再循環(huán)后，其效率降低約0.3%~0.8%。另外CO質(zhì)量濃度持續(xù)升高會(huì)導(dǎo)致鍋爐喘振，影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。宋少鵬等[15]人提出可以通過(guò)增大過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)改善高再循環(huán)率時(shí)爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題。綜上所述，實(shí)際鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)選取滿足NO排放標(biāo)準(zhǔn)的最小煙氣再循環(huán)率，故本燃燒器選擇再循環(huán)率為20%。
4 結(jié) 論
1）對(duì)新型超低氮燃?xì)馊紵鞯哪M結(jié)果表明，在最佳旋流板進(jìn)深100 mm和旋流風(fēng)角度60°下，出口污染物質(zhì)量濃度最低。
2）燃燒器最佳燃?xì)夥植紴橹行幕旌蠈尤細(xì)?5%、直流混合層65%、外圈混合層燃?xì)?0%。最佳運(yùn)行工況為過(guò)量空氣系數(shù)1.25、再循環(huán)率20%。燃?xì)夥植疾粌H影響燃燒的穩(wěn)定性，還影響著NO排放質(zhì)量濃度。在不影響中心穩(wěn)燃的前提下減少中心氣量有助于NO排放質(zhì)量濃度的降低。
3）煙氣再循環(huán)率從0增大到20%，NO排放質(zhì)量濃度減少約66%。再循環(huán)煙溫越高，降氮效果越差。實(shí)際工程中應(yīng)避免引入高溫段煙氣作為再循環(huán)煙氣。
［1］ 姬海民, 李紅智, 趙治平, 等. 新型低NO燃?xì)馊紵鲾?shù)值模擬及改造[J]. 熱力發(fā)電, 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］ 宋少鵬, 卓建坤, 李娜, 等. 天然氣供熱鍋爐低氮燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 供熱制冷, 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］ 蘭健, 呂田, 金永星. 煙氣再循環(huán)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 節(jié)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］ 蘇毅, 揭濤, 沈玲玲, 等. 低氮燃?xì)馊紵夹g(shù)及燃燒器設(shè)計(jì)進(jìn)展[J]. 工業(yè)鍋爐, 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, 王電, 石敬恒, 等. 基于FGR系統(tǒng)的新型低氮燃?xì)馊紵髟谌細(xì)忮仩tNO排放中應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 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］ 曾強(qiáng), 劉漢周, 閻良. 煙氣再循環(huán)對(duì)天然氣非預(yù)混燃燒NO排放特性的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 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, 姚強(qiáng), 駱仲泱, 等. 燃燒理論與污染控制[M].北京: 機(jī)械工業(yè)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］ 宋少鵬, 卓建坤, 李娜, 等. 燃料分級(jí)與煙氣再循環(huán)對(duì)天然氣低氮燃燒特性影響機(jī)理[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 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, PINARBA?I 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
李文鋒, 姬海民, 申冀康, 等. 分級(jí)旋流耦合超低氮燃?xì)馊紵髋欧盘匦匝芯縖J]. 熱力發(fā)電, 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
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51706181)
李文鋒(1994—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殄仩t節(jié)能減排技術(shù)，liwenfeng@tpri.com.cn。
（責(zé)任編輯 馬昕紅）
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李文鋒，姬海民，申冀康，張知翔，白少林，徐黨旗
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分級(jí)旋流耦合超低氮燃?xì)馊紵髋欧盘匦匝芯?/p>
李文鋒，姬海民，申冀康，張知翔，白少林，徐黨旗
（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）
為了推進(jìn)全國(guó)各地區(qū)燃?xì)忮仩t低氮改造進(jìn)程，使現(xiàn)有燃?xì)忮仩t氮氧化物（NOx）排放質(zhì)量濃度滿足小于30 mg/m3的最新標(biāo)準(zhǔn)，本文采用分級(jí)燃燒技術(shù)耦合旋流射流混合原理設(shè)計(jì)開發(fā)了一種超低氮燃?xì)馊紵?，并?duì)旋流風(fēng)角度、旋流板進(jìn)深和煙氣再循環(huán)率對(duì)NOx排放特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。同時(shí)，結(jié)合煙氣再循環(huán)技術(shù)，在某燃?xì)忮仩t上進(jìn)行了實(shí)爐試驗(yàn)，進(jìn)一步分析了燃?xì)鈨?nèi)外層分布、過(guò)量空氣系數(shù)和煙氣再循環(huán)率等因素對(duì)NOx排放特性的影響，最終確定了燃燒器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，試驗(yàn)證實(shí)該燃燒器達(dá)到超低氮排放標(biāo)準(zhǔn)。
低氮改造；燃?xì)馊紵?；NOx排放；分級(jí)燃燒；旋流射流；煙氣再循環(huán)
天然氣燃燒溫度高，燃燒過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量氮氧化物（NO）。根據(jù)2017年環(huán)保部門對(duì)天然氣鍋爐運(yùn)行情況檢測(cè)公布的數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)行中的工業(yè)燃?xì)忮仩tNO排放質(zhì)量濃度小于200 mg/m3的僅占35%，小于400 mg/m3的占90%，大多數(shù)天然氣鍋爐的NO排放質(zhì)量濃度約為300 mg/m3。2017年5月，陜西省環(huán)保廳《關(guān)于燃?xì)忮仩t低氮排放改造控制標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)函》中，要求西安市內(nèi)新建燃?xì)忮仩tNO排放達(dá)到30 mg/m3以下，在用燃?xì)忮仩tNO排放達(dá)到80 mg/m3以下。
國(guó)內(nèi)對(duì)燃煤型低氮燃燒器的研究較多，而對(duì)燃?xì)獾偷紵鞯难芯枯^少。舊式燃?xì)馊紵鳛榇_保燃燒效率，暫時(shí)忽略控制污染物排放，故其NO排放質(zhì)量濃度在250~480 mg/m3（按(O2)=3%折算）?，F(xiàn)有的低氮燃?xì)馊紵鱊O排放質(zhì)量濃度大都在100 mg/m3左右，無(wú)法達(dá)到現(xiàn)行的環(huán)保要求[1]，而有些能達(dá)到超低排放要求的燃?xì)馊紵?，往往?huì)由于燃燒不穩(wěn)定而引起爐膛的振動(dòng)，威脅鍋爐運(yùn)行安全。因此，研制NO排放質(zhì)量濃度低于30 mg/m3且燃燒穩(wěn)定安全的新型超低NO燃?xì)馊紵鳎瑢?duì)于減少燃?xì)忮仩t爐膛出口NO排放質(zhì)量濃度，提高鍋爐安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。
1 燃燒器分級(jí)旋流耦合原理
天然氣組分大都為甲烷，基本不含氮。天然氣鍋爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的NO主要為熱力型NO和快速型NO2種[2-3]，其中熱力型NO占大多數(shù)。從天然氣燃燒物理參數(shù)考慮，影響NO生成的主要因素有燃燒區(qū)溫度、反應(yīng)區(qū)內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)、燃料高溫區(qū)停留時(shí)間、燃料/空氣混合均勻度。分級(jí)燃燒技術(shù)[4]、旋流射流燃燒技術(shù)[5]、煙氣再循環(huán)技術(shù)[6]等低氮燃燒技術(shù)均是針對(duì)這些因素開發(fā)。
本文設(shè)計(jì)的燃?xì)馊紵髟硎疽馊鐖D1所示。該燃燒器采用分級(jí)燃燒技術(shù)，將燃料主要分為3股：1）中心氣沿徑向向四周噴出，與中心風(fēng)垂直混合擴(kuò)散，經(jīng)點(diǎn)火槍點(diǎn)燃后形成穩(wěn)定的值班火焰；2）旋流氣沿軸向入射進(jìn)入旋流風(fēng)中，形成中間過(guò)渡火焰；3）外圈主燃?xì)庖灾眹姾拖蛲庑眹姷男问饺肷溥M(jìn)入直流風(fēng)中，經(jīng)由過(guò)渡火焰點(diǎn)燃后形成主火焰。燃料分級(jí)可以通過(guò)平衡區(qū)域溫度降低NO生成量。
圖1 燃?xì)馊紵髟硎疽?/p>
在確保燃燒穩(wěn)定且完全的前提下，超低氮燃?xì)馊紵饕刂芅O排放質(zhì)量濃度小于30 mg/m3，其氣流混合方式應(yīng)為燃?xì)庾圆煌睆降膰娍谏淞鞫?，與周圍空氣混合，從而在燃燒器出口處形成互不干涉的環(huán)形混合層，并使每一層的燃?xì)夂涂諝獍丛O(shè)計(jì)比例進(jìn)行混合燃燒[7]。根據(jù)相交射流原理，設(shè)計(jì)了3層環(huán)形混合層：1）中心氣和旋流氣主要分布于旋流盤區(qū)域，形成中心混合層；2）主燃?xì)庵眹姴糠址植加谛鞅P外圈至筒壁區(qū)域，形成直流混合層；3）主燃?xì)庀蛲庑眹姺植加谌紵魍脖谕馊^(qū)域，形成外圈混合層。這樣設(shè)計(jì)可以使燃燒火焰沿徑向、軸向從內(nèi)到外層層傳遞[8]，促進(jìn)燃?xì)馀c空氣的快速混合，實(shí)現(xiàn)由里及外擴(kuò)散燃燒，避免局部高溫區(qū)導(dǎo)致NO質(zhì)量濃度升高，且火焰充滿度好，燃燒穩(wěn)定性強(qiáng)。燃燒器環(huán)形混合層示意如圖2所示。
圖2 燃燒器環(huán)形混合層示意
2 燃燒器數(shù)值模擬
為了探究燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對(duì)排放特性的影響規(guī)律，使用Fluent軟件對(duì)原型燃燒器進(jìn)行1:1實(shí)爐模擬。三維模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約200萬(wàn)，選擇RNG–湍流模型，甲烷-空氣兩步反應(yīng)機(jī)理，渦耗散模型[9]，NO生成模型為軟件自帶模型，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。模擬基礎(chǔ)工況為80%負(fù)荷（約280 m3/h），過(guò)量空氣系數(shù)取1.20。
2.1 旋流風(fēng)角度
旋流風(fēng)的存在有助于形成中心回流區(qū)，其方向則會(huì)對(duì)回流區(qū)的大小產(chǎn)生影響。保持其他參數(shù)不變，選取旋流風(fēng)角度分別為15°、30°、45°、60°和75°進(jìn)行模擬，將溫度和NO質(zhì)量濃度分別在同一標(biāo)尺下進(jìn)行顯示。不同旋流風(fēng)角度下的模擬結(jié)果如圖3所示，出口污染物質(zhì)量濃度見(jiàn)表1。
表1 不同旋流風(fēng)角度下出口污染物質(zhì)量濃度
Tab.1 Pollutant mass concentration at different swirling air angles mg/m3
圖3 不同旋流風(fēng)角度模擬結(jié)果
從圖3和表1可以看出：溫度場(chǎng)中，局部高溫區(qū)區(qū)域隨旋流風(fēng)角度增大而減小，寬度則相反；NO高質(zhì)量濃度區(qū)域隨旋流風(fēng)角度增大先略有增大后快速縮減最后保持穩(wěn)定，與出口NO質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本吻合；出口CO質(zhì)量濃度在角度增大至60°過(guò)程中快速降低，在75°時(shí)回升。
由此可知，旋流風(fēng)角度的增大加劇了外圈燃?xì)饪諝獾幕旌吓c升溫，并使得外圈可燃混合物沿周邊擴(kuò)散。由于燃燒提前，中心混合層燃料燃燒產(chǎn)生的大量熱煙氣膨脹，排擠外圈直流風(fēng)向外擴(kuò)散與外圈燃料混合，從而減少了出口污染物質(zhì)量濃度。但隨著旋流風(fēng)角度進(jìn)一步增大，旋流風(fēng)旋流作用減弱，燃料與空氣混合變差，燃盡率降低，出現(xiàn)CO升高趨勢(shì)。由模擬結(jié)果確定最佳旋流風(fēng)角度為60°。
2.2 旋流板進(jìn)深
定義旋流板與外圈主燃?xì)鈽屩眹娍诔隹诘南鄬?duì)距離為旋流板進(jìn)深，其對(duì)旋流混合效果有影響。保持旋流風(fēng)角度不變，選取旋流板進(jìn)深分別為50、100、150 mm進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。
圖4 不同旋流板進(jìn)深時(shí)模擬結(jié)果
由圖4可以看出：50 mm時(shí)燃?xì)鈬姵黾幢恍黠L(fēng)包覆，與周圍空氣劇烈混合并燃燒，但出現(xiàn)了局部高溫區(qū)導(dǎo)致NO質(zhì)量濃度增大；旋流板進(jìn)深為100 mm時(shí)，高溫區(qū)較另外二者更為狹長(zhǎng)均勻，相對(duì)應(yīng)的NO高質(zhì)量濃度區(qū)域更少，這是由于回流區(qū)衰減較少，燃?xì)鈹U(kuò)散區(qū)域與回流區(qū)有較多重疊，可燃物混合均勻，燃燒更為平緩，因此NO質(zhì)量濃度低；150 mm時(shí)旋流風(fēng)產(chǎn)生的回流區(qū)受周圍槍管擾流作用而散亂衰減，在槍管后產(chǎn)生小渦流，一 部分可燃混合物向周圍擴(kuò)散，另一部分繼續(xù)向中心聚集燃燒。由模擬結(jié)果確定最佳旋流板進(jìn)深為100 mm。
2.3 煙氣再循環(huán)率j
煙氣再循環(huán)率對(duì)污染物排放質(zhì)量濃度有顯著影響。保持旋流板距離和旋流風(fēng)角度不變，選取變化范圍為0~25%進(jìn)行模擬，每次增大5%。不同煙氣再循環(huán)率時(shí)的模擬結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同煙氣再循環(huán)率j 時(shí)模擬結(jié)果
由圖5可以看出：爐膛內(nèi)高溫區(qū)域隨增大而逐漸縮小，溫度峰值降低；NO高質(zhì)量濃度區(qū)域隨增大逐漸減小。Li等[10]人認(rèn)為回流煙氣主要為惰性氣體，與空氣混合后降低平均氧體積分?jǐn)?shù)，使得可燃混合物在分子級(jí)別的有效碰撞頻率降低，導(dǎo)致反應(yīng)速率減小，燃燒的釋熱速率降低，從而減少污染物質(zhì)量濃度。為25%時(shí)，最高溫度相比于不投再循環(huán)時(shí)減小了200 K以上，出口NO質(zhì)量濃度下降了約一個(gè)量級(jí)。為20%時(shí)，NO質(zhì)量濃度變化基本趨于平緩。
3 燃燒器試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 試驗(yàn)方法
基于數(shù)值模擬結(jié)果，在某臥式燃?xì)鉄崴仩t上搭建燃燒器試驗(yàn)臺(tái)，研究負(fù)荷、燃?xì)夥植?、過(guò)量空氣系數(shù)及煙氣再循環(huán)率對(duì)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性、污染物排放特性的影響。試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖6所示。
再循環(huán)管道煙氣取點(diǎn)位于鍋爐節(jié)能器后，助燃空氣與再循環(huán)煙氣在風(fēng)機(jī)入口處混合后進(jìn)入風(fēng)機(jī)。燃?xì)饬颗c空氣量均由控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷通過(guò)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)壓力表、微壓計(jì)、Testo350煙氣分析儀、B型/K型熱電偶、數(shù)顯溫度表等進(jìn)行采集。
圖6 超低氮燃燒器試驗(yàn)系統(tǒng)示意
在總進(jìn)氣壓力不變的情況下，通過(guò)改變旋流區(qū)及直流區(qū)槍頭數(shù)量和類型來(lái)實(shí)現(xiàn)3個(gè)燃?xì)鈪^(qū)不同的氣量分布。試驗(yàn)負(fù)荷選取40%、60%、80% 3個(gè)工況。過(guò)量空氣系數(shù)通過(guò)測(cè)量尾部煙氣中氧體積分?jǐn)?shù)獲得，變化范圍為1.10~1.55。煙氣再循環(huán)率通過(guò)測(cè)量尾部煙氣氧體積分?jǐn)?shù)和風(fēng)機(jī)出口煙氣空氣混合物中氧體積分?jǐn)?shù)獲得，變化范圍為0~25%。
3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析
試驗(yàn)中先研究不同燃?xì)夥植嫉挠绊懀_定最佳燃?xì)夥植己筮M(jìn)一步研究過(guò)量空氣系數(shù)和煙氣再循環(huán)率的影響規(guī)律。
3.2.1 燃?xì)夥植?/p>
通過(guò)更換槍頭類型和改變槍頭數(shù)量，測(cè)量冷態(tài)下不同噴槍出口流速?gòu)亩_定中心混合層、直流混合層和外圈混合層的燃?xì)夥植急壤Ｗ罱K確定3種不同燃?xì)鈿饬糠植脊r見(jiàn)表2。
表2 3種燃?xì)夥植脊r
Tab.2 Three gas distribution conditions %
在每個(gè)燃?xì)夥植脊r下分別進(jìn)行負(fù)荷增大試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中全程保持過(guò)量空氣系數(shù)在1.30左右，在同一負(fù)荷下3種工況出口處的CO、NO質(zhì)量濃度如圖7所示。
從表2和圖7可以看出：工況2相比于工況1中心混合層燃?xì)饬繙p少，直流混合層燃?xì)饬吭黾樱瑢?dǎo)致NO質(zhì)量濃度水平整體下降約35 mg/m3；工況3較工況2一次氣量更低，二次氣量更高，NO質(zhì)量濃度水平略高于工況2。由此可以看出，適當(dāng)減少中心氣量可以有效降氮而不影響中心穩(wěn)燃。
圖7 燃?xì)夥植紝?duì)污染物質(zhì)量濃度影響
本燃燒器中心區(qū)域設(shè)計(jì)為富燃料旋流燃燒，燃燒在偏離當(dāng)量比下進(jìn)行，當(dāng)中心燃料過(guò)濃時(shí)，燃料因接近著火濃度上限而導(dǎo)致燃燒推遲，產(chǎn)生大量不完全燃燒產(chǎn)物。外圈燃料則由于燃料過(guò)淡而快速燃燒，外圈剩余直流風(fēng)與中間燃燒不完全產(chǎn)物在下游混合，燃盡區(qū)向下游移動(dòng)，高溫區(qū)出現(xiàn)在爐膛后部，導(dǎo)致尾部煙道NO質(zhì)量濃度高。工況2可適當(dāng)減少中心氣量并增大主氣量，中間區(qū)域由著火濃度上限燃燒向當(dāng)量比燃燒靠近，雖然仍處于富燃料燃燒，但不完全燃燒產(chǎn)物減少，與外圈剩余空氣混合較工況1提前，在中心旋流衰減前基本完成混合，燃盡區(qū)提前，由于溫度升高而多產(chǎn)生的熱力型NO也在火焰區(qū)被外圈增加的還原性物質(zhì)消耗掉，整體NO質(zhì)量濃度值較工況1明顯下降。工況3進(jìn)一步減少中心氣量并增大主氣量，此時(shí)整體NO質(zhì)量濃度反而略有上升，這是由于中心和外圈燃燒更接近當(dāng)量比下燃燒，從而使溫度有所上升。
試驗(yàn)結(jié)果表明：NO質(zhì)量濃度水平在工況2下最低，工況3次之；CO質(zhì)量濃度水平在工況1和工況3下低，工況2稍高；最大負(fù)荷在工況3下優(yōu)于工況1和工況2。綜合考慮本文推薦工況3為最佳燃?xì)夥植脊r。
3.2.2 過(guò)量空氣系數(shù)
選取燃燒器燃?xì)夥植紴?5%、65%、20%，不投再循環(huán)煙氣，記錄從1.05增加至1.55時(shí)節(jié)能器后煙道CO、NO質(zhì)量濃度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)小于1.10時(shí)，燃燒室出現(xiàn)喘振并持續(xù)加大；當(dāng)高于1.60時(shí)，中心值班火焰蜷縮搖擺，周圍主槍火焰抬升且忽明忽滅，出于運(yùn)行安全考慮未繼續(xù)下探。過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)污染物質(zhì)量濃度的影響如圖8所示。
圖8 無(wú)再循環(huán)時(shí)，過(guò)量空氣系數(shù)a 對(duì)污染物質(zhì)量濃度影響
從圖8可以看出，從1.10增加到1.55，NO質(zhì)量濃度從110 mg/m3逐漸下降至50 mg/m3，且在1.15到1.30區(qū)間內(nèi)下降緩慢，1.30之后開始加速下降。這是因?yàn)橹行幕旌蠈釉O(shè)計(jì)為富燃燃燒，隨著氧體積分?jǐn)?shù)增大，燃料逐漸向當(dāng)量比燃燒靠近，此時(shí)中心混合層溫度上升，熱力型NO質(zhì)量濃度也隨之上升，越過(guò)當(dāng)量比點(diǎn)后熱力型NO質(zhì)量濃度又開始緩慢下降；另一方面，空氣量增加，風(fēng)速變大，促進(jìn)燃?xì)夂涂諝饣旌系耐瑫r(shí)大量吸收燃燒產(chǎn)生的熱量，降低爐膛溫度水平，NO質(zhì)量濃度持續(xù)減少。鍋爐負(fù)荷對(duì)NO質(zhì)量濃度影響不大，3種負(fù)荷下的NO質(zhì)量濃度水平相差很小。究其原因，同一空燃比下，負(fù)荷增大火焰體積也增大、爐內(nèi)整體溫度水平上升；負(fù)荷升高的同時(shí)，風(fēng)速氣速也相應(yīng)增大，內(nèi)圈以及外圈卷吸回流增強(qiáng)，氣風(fēng)混合更均勻且燃燒提前，減少了NO的生成，兩者互相抵消。
CO質(zhì)量濃度的變化規(guī)律與NO不同。當(dāng)小于1.10時(shí)，CO質(zhì)量濃度極高；當(dāng)從1.10增加到1.25時(shí)，CO質(zhì)量濃度快速下降至10~20 mg/m3；當(dāng)高于1.25時(shí)CO質(zhì)量濃度維持在10 mg/m3以內(nèi)。從觀火鏡也可以看到，隨著增大，火焰由渾黃逐漸變澄明，表明燃料不完全燃燒生成的碳顆粒減少。負(fù)荷變化對(duì)CO質(zhì)量濃度的影響較小，低負(fù)荷下整體CO質(zhì)量濃度略小于高負(fù)荷，推測(cè)可能是高負(fù)荷下爐膛空間限制了周邊回流區(qū)的繼續(xù)生長(zhǎng)，導(dǎo)致CO質(zhì)量濃度略微增加。
3.2.3 煙氣再循環(huán)率
再循環(huán)煙氣能顯著降低燃?xì)忮仩t氮氧化物，Baltasar等[11]人發(fā)現(xiàn)，采用外部煙氣再循環(huán)相比于不采用的NO排放可以減少約70%。為了探究本燃燒器在不同煙氣再循環(huán)率下的低氮特性，保持過(guò)量空氣系數(shù)在1.30左右，從0逐漸增大至30%時(shí)爐膛出口煙道處CO、NO質(zhì)量濃度如圖9所示。
圖9 a為1.32時(shí)，煙氣再循環(huán)率j對(duì)污染物濃度的影響
從圖9可以看出：再循環(huán)煙氣降氮效果與模擬結(jié)果相符；在20%煙氣再循環(huán)率下，NO質(zhì)量濃度已低于30 mg/m3；在最大煙氣再循環(huán)率下，NO質(zhì)量濃度減少約66%。這是由于助燃空氣中氧體積分?jǐn)?shù)的降低，使得爐內(nèi)最高溫度下降, 有效抑制了熱力型NO的生成[12]。通常，煙氣再循環(huán)率每增加5%，絕熱火焰溫度則降低50～80 K[13]。Zeldovich提出有關(guān)NO的生成速度表達(dá)式如下[14]：
式中：(NO)、(N2) 、(O2)分別為NO、N2、O2濃度；為普適氣體常數(shù)，取8.314 J/(mol·K)；為反應(yīng)溫度，K。從式(1)可以看出，溫度對(duì)NO生成的影響呈指數(shù)級(jí)增大，因此降幅才表現(xiàn)出隨煙氣再循環(huán)率增大而變小的趨勢(shì)。
增大煙氣再循環(huán)率，在降低NO質(zhì)量濃度的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致CO質(zhì)量濃度上升，且呈現(xiàn)加速上升趨勢(shì)。這是因?yàn)檠h(huán)煙氣量與空氣混合后降低了單位體積內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)，導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒情況惡化。
另外，煙氣再循環(huán)率和鍋爐效率之間存在制約關(guān)系，煙氣再循環(huán)率增大，CO質(zhì)量濃度、燃料不完全燃燒損失增大，鍋爐效率降低。工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，燃?xì)忮仩t采用煙氣再循環(huán)后，其效率降低約0.3%~0.8%。另外CO質(zhì)量濃度持續(xù)升高會(huì)導(dǎo)致鍋爐喘振，影響鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。宋少鵬等[15]人提出可以通過(guò)增大過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)改善高再循環(huán)率時(shí)爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性問(wèn)題。綜上所述，實(shí)際鍋爐運(yùn)行中，應(yīng)選取滿足NO排放標(biāo)準(zhǔn)的最小煙氣再循環(huán)率，故本燃燒器選擇再循環(huán)率為20%。
4 結(jié) 論
1）對(duì)新型超低氮燃?xì)馊紵鞯哪M結(jié)果表明，在最佳旋流板進(jìn)深100 mm和旋流風(fēng)角度60°下，出口污染物質(zhì)量濃度最低。
2）燃燒器最佳燃?xì)夥植紴橹行幕旌蠈尤細(xì)?5%、直流混合層65%、外圈混合層燃?xì)?0%。最佳運(yùn)行工況為過(guò)量空氣系數(shù)1.25、再循環(huán)率20%。燃?xì)夥植疾粌H影響燃燒的穩(wěn)定性，還影響著NO排放質(zhì)量濃度。在不影響中心穩(wěn)燃的前提下減少中心氣量有助于NO排放質(zhì)量濃度的降低。
3）煙氣再循環(huán)率從0增大到20%，NO排放質(zhì)量濃度減少約66%。再循環(huán)煙溫越高，降氮效果越差。實(shí)際工程中應(yīng)避免引入高溫段煙氣作為再循環(huán)煙氣。
［1］ 姬海民, 李紅智, 趙治平, 等. 新型低NO燃?xì)馊紵鲾?shù)值模擬及改造[J]. 熱力發(fā)電, 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］ 宋少鵬, 卓建坤, 李娜, 等. 天然氣供熱鍋爐低氮燃燒技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 供熱制冷, 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］ 蘭健, 呂田, 金永星. 煙氣再循環(huán)技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 節(jié)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］ 蘇毅, 揭濤, 沈玲玲, 等. 低氮燃?xì)馊紵夹g(shù)及燃燒器設(shè)計(jì)進(jìn)展[J]. 工業(yè)鍋爐, 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, 王電, 石敬恒, 等. 基于FGR系統(tǒng)的新型低氮燃?xì)馊紵髟谌細(xì)忮仩tNO排放中應(yīng)用[J]. 熱力發(fā)電, 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］ 曾強(qiáng), 劉漢周, 閻良. 煙氣再循環(huán)對(duì)天然氣非預(yù)混燃燒NO排放特性的影響[J]. 燃燒科學(xué)與技術(shù), 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, 姚強(qiáng), 駱仲泱, 等. 燃燒理論與污染控制[M].北京: 機(jī)械工業(yè)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］ 宋少鵬, 卓建坤, 李娜, 等. 燃料分級(jí)與煙氣再循環(huán)對(duì)天然氣低氮燃燒特性影響機(jī)理[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 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, PINARBA?I 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
李文鋒, 姬海民, 申冀康, 等. 分級(jí)旋流耦合超低氮燃?xì)馊紵髋欧盘匦匝芯縖J]. 熱力發(fā)電, 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
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51706181)
李文鋒(1994—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殄仩t節(jié)能減排技術(shù)，liwenfeng@tpri.com.cn。
（責(zé)任編輯 馬昕紅）
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