低NOx生物質燃燒機結構設計及性能試驗
生物質燃燒機所產生的氮氧化物以熱力型和快速型為主，在分析了燃氣低氮燃燒機理的基礎上，融合了亞音速超混合、旋流對沖非線性動力學以及分級濃淡燃燒等技術，成功設計開發出一種低氮生物質燃燒機，并在某天然氣鍋爐上實施了改造。通過改造前、后的性能對比試驗，分析了鍋爐負荷、中心燃氣和中心風以及燃氣噴槍旋轉偏角等關鍵參數對生物質燃燒機Nn排放特性的影響。結果表明，在全工況范圍內，該低氮生物質燃燒機Nq排放均低于100mglm3，滿足最新的環保要求。
  氮體燃料具有燃燒效率高和低污染排放的特點，其作為清潔能源廣泛應用于電力、化工、冶金、建材等行業的工業爐（窯）及鍋爐中。目前，國內傳統的生物質燃燒機NO，排放大多都在300mglms在右口]，不符合GB13223-2011Lp]中規定的電站鍋爐和工業鍋爐的NO，排放不高于100mglm3的要求。因此，急需開發出新型的高效低NO，燃氣燃燒器以滿足最新的環保標準。
1 設計理念
  燃料燃燒過程中產生的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，燃氣燃燒產生的Nn主要為熱力型和快速型。熱力型Nn是指在高溫環境下（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程中熱力型NO，的關鍵；快速型NO，指燃燒時空氣中的氮和燃料中的碳氫離子團(CH)等反應生成NO，，當爐膛溫度較高時，產生的快速型NO，很少，可以忽略口]，但當溫度較低時，在富燃料還原區，快速型Nn占主導地位一]，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程中快速型NO，的關鍵。據此，從降低熱力型和快速型NO，的角度出發，合理優化燃料與助燃空氣的混合過程，使得燃料與助燃空氣在整個爐膛內盡可能均勻的分布，消除爐膛局部高溫是燃氣超低氮燃燒的核心技術。
  目前傳統的低氮生物質燃燒機一般采用分級分段燃燒、濃淡燃燒、煙氣再循環等低氮燃燒技術，這些技術雖然在一定范圍內也能降低NO，，但無法滿足現有環保標準的要求。本文設計的低NO，燃氣燃燒器在現有技術的基礎上，融合了亞音速超混合、強弱旋非線性旋流對沖動力學以及濃淡分級燃燒等最先進的超低氮燃燒技術，消除爐膛局部高溫區，使燃料在偏離化學當量比條件下燃燒，縮短煙氣在高溫區停留時間，使燃料與空氣得到更好。
2 結構設計
  本文設計的燃氣超低氮燃燒器如圖1、圖2所示。該燃燒器采用燃料和空氣多分級可調低氮燃燒技術，空氣和燃料均被分為3綴，即中心回流和穩燃區域、主燃燒旋流強化區域及燃氣對沖燃盡區域。這3個區域分別對應中心燃氣噴槍、內強旋燃氣噴槍和外弱旋燃氣噴槍。內強旋燃氣噴口成45。大切角設計，與旋流風旋轉方向相反；外弱旋燃氣噴口成10。小切角設計，與直流風配合；中心燃氣只占總燃料量的4%，設計流速為20～30m／s，中心燃氣速度遠低于外圍強弱旋流對沖燃料槍，與回流的熱煙氣組合，以保證燃燒器在降低NO，生成量的同時實現低負荷穩燃。內強旋和外弱旋燃氣各占48%，主燃氣壓力達到120kPa，速度達到200～300m／s，接近亞音速狀態，內強旋燃氣與45%旋流風混合，外弱旋燃氣與35%直流風混合，使得燃氣與助燃空氣充分混合，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域，從而大大降低熱力型NO，的生成。通過強旋流形成中心高溫煙氣回流區，從而配合中心燃氣和中心風，達到低負荷穩定燃燒的目的。另外，通過內外風門開度調節各級風量，從而根據鍋爐負荷合理配風，實現較高的負荷可調性。
3 性能試驗
  為了驗證根據本文提出的設計理念設計的低氮生物質燃燒機的有效性，同時進一步分析燃燒器各關鍵結構參數對燃燒器NO，排放性能的影響，在某臺燃氣鍋爐上進行了低氮燃燒改造，并對改造前、后的鍋爐性能進行了對比試驗。
3.1 鍋爐概況
  試驗鍋爐為DG12013.82-1型中壓、自然循環汽包爐，Ⅱ型布置、全鋼結構、露天布置。燃燒設備由大風箱、調風器、燃燒器等組成，燃燒器共6臺，分2層布置于前墻，每層3臺，上層中心標高為8500mm．下層標高為6500mm。燃燒器采用切向進風，通過調節葉片傾角控制其旋流強度，并設有中心管，通入20%～30%的中心風，中心管出口處裝設有可軸向調節的葉輪穩燃器，風溫160℃，調風器喉口風速41m/s。
  燃料統計的質量分數為：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，生物質燃燒機結構設計及性能試驗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。
  原燃燒器設計的燃燒火焰太集中，導致火焰的中心溫度較高，經過長期運行后部分燃燒器噴口部件已經損壞，影響正常運行。同時，火焰局部溫度過高產生大量熱力型Nq，實際運行中Nn排放達到160～280mg／m3，不能滿足最新環保標準的要求。
3.2 低氮改造前后試驗數據對比分析
  低NO，生物質燃燒機投入后，鍋爐運行穩定。但其性能試驗發現，鍋爐負荷、中心燃氣和中心風噴口開度、內強旋和外弱旋噴槍旋轉角度對NO，有一定影響。
3.2.1 鍋爐負荷
  鍋爐負荷變化影響爐膛溫度和總的空氣過量系數。隨著鍋爐負荷增大，爐膛溫度升高，熱力型NO，隨之增大；空氣過量系數減少，CO隨之增多。
  由圖3和圖4可見：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，達到了本燃燒器設計的目標。
3.2.2 中心燃氣和中心風
  中心燃氣速度遠低于外圍強弱旋流對沖燃料槍，與回流的熱煙氣組合，從而保證燃燒器在降低NO，生成量的同時實現低負荷穩燃。
  中心風和中心燃氣噴口開度直接影響Nq生成。鍋爐負荷為72t／h時，不同中心風與中心燃氣噴口開度對Nn生成的影響如圖5所示。
  由圖5可見：中心燃氣開度最大、中心風噴口開度最小時，Nn生成量最少；中心燃氣噴口開度最小、中心風噴口最大時，NO．生成量最多。這主要是因為當中心風噴口開度增大時，中心區域會大量卷吸周圍的燃氣因而產生富氧燃燒區域，即該區域會產生大量的熱力型NO～而當中心燃氣流量增加時，中間為富燃料的還原性氣氛，由于沒有及時補充燃燒所需的氧量，溫度較低，產生的熱力型NO，較少。
3.2.3 燃氣噴槍旋轉角度
  內強旋和外弱旋燃氣噴槍的旋轉方向直接影響燃氣與助燃空氣混合，影響NO，的生成（圖6）。內強旋、外弱旋燃氣噴槍燃氣實際速度方向分別為V1、Vp，旋轉方向（燃氣實際速度方向與切向的夾角）分別為臼，、0，當鍋爐負荷在72t／h時，內強旋及外弱旋噴槍旋轉角度對NO，排放量的影響如圖7所示。由圖7可見，內強旋和外弱旋燃氣噴槍旋轉角度增大時，即燃料分散的程度越大，火焰溫度分布越均勻，排放量越少。但當角度增大到一定程度時，燃燒會出現不穩的現象。故在保證燃燒穩定的前提下，可盡量增加燃氣的發散程度，以降低NO，排放。
燃燒器融合了亞音速超混合、強弱旋非線性對沖動力學和濃淡分級燃燒等先進技術，打破了傳統的設計理念，通過在某鍋爐的實際應用表明，其NO，排放量在全負荷范圍內均在100mglms以下，達到預期效果。
  2)低NO，生物質燃燒機受鍋爐負荷、中心燃氣與中心風噴口開度、內強旋和外弱旋噴槍旋轉角度的影響。中心燃氣噴口開度最大、中心風噴口開度最小時，NO，生成量最少；燃氣噴槍旋轉角度越偏外，NO，生成量越少。
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