二次配風(fēng)引射式低氮燃燒器設(shè)計與試驗研究

張錦梁 余浩倫

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著國家節(jié)能環(huán)保政策的推進(jìn)實施，低氮燃燒技術(shù)已成為燃?xì)鉄崴?、燃?xì)獠膳療崴疇t等燃?xì)馄骶弑厝话l(fā)展趨勢之一。在我國GB 25034-2020《燃?xì)獠膳療崴疇t》標(biāo)準(zhǔn)要求中，NOx排放最高等級標(biāo)準(zhǔn)（5 級）上限為62 mg/（kW·h）。現(xiàn)有低氮燃燒技術(shù)中，能達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)要求的有濃淡燃燒技術(shù)、水冷燃燒技術(shù)和全預(yù)混燃燒技術(shù)，如表1 所示。

表1 低氮燃燒技術(shù)NOx 排放量

現(xiàn)有的低氮燃燒技術(shù)制造、替換成本普遍較高，市面上的燃?xì)鉄崴骰蛉細(xì)獠膳療崴疇t普遍以常規(guī)大氣式燃燒技術(shù)產(chǎn)品為主。而常規(guī)大氣式燃燒器的NOx排放量大多在（130～150）mg/（kW·h）之間，只能達(dá)到GB 25034-2020 標(biāo)準(zhǔn)要求的3 級標(biāo)準(zhǔn)。近年來，我國北京等部分地區(qū)強(qiáng)制要求NOx排放量小于30 mg/（kW·h），歐洲地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)要求為NOx排放量小于56 mg/（kW·h），美國加州地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求則為更加嚴(yán)格。為了能降低NOx排放量，以符合愈加嚴(yán)格的氮氧化物排放要求，并考慮到制造成本及排放門檻要求，發(fā)展常規(guī)大氣式低氮燃燒產(chǎn)品不失為國內(nèi)市場的可選項。因此本文將圍繞二次空氣引射低氮燃燒技術(shù)，介紹一種常規(guī)大氣式二次風(fēng)引射預(yù)混燃燒低氮燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、數(shù)值仿真及其燃燒試驗效果。

1 燃燒器燃燒及技術(shù)原理

1.1 燃燒器燃燒方式

大氣式燃燒屬于自由擴(kuò)散方式，其混合時間長且火焰拉高，完全燃燒所需時間長，導(dǎo)致熱力型NOx的生成排放量較高，所以抑制熱力型NOx的生成是減少氮氧化物排放的關(guān)鍵所在。

二次風(fēng)引射預(yù)混式低氮燃燒是指將二次空氣按設(shè)計的入口高度、方向以及流量強(qiáng)制穩(wěn)流引射入火焰內(nèi)部，主動補(bǔ)充二次空氣與未燃盡的空燃混合氣體預(yù)混燃盡，實現(xiàn)二次空氣引射預(yù)混式低氮燃燒的燃燒方式。該方式在降低火焰溫度的同時加快二次空氣與未燃?xì)怏w預(yù)混燃燒，提高燃燒效率，縮短燃燒時間，從而抑制熱力型NOx的生成。

1.2 燃燒器技術(shù)原理

目前的濃淡燃燒和水冷燃燒等低氮燃燒器可有效降低氮氧化物排放值，但其在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)大氣式燃燒器存在較大區(qū)別，相互之間不能直接置換使用，需要專用燃燒室結(jié)構(gòu)配合，使得通用成本偏高。常見的濃淡燃燒器和水冷燃燒器如圖1 所示。

圖1 大氣式低氮燃燒器

二次風(fēng)引射預(yù)混式低氮燃燒器主要由燃燒器組件及預(yù)混燃燒腔兩大部分組成，其技術(shù)實現(xiàn)原理如圖2 所示。燃?xì)馔ㄟ^噴氣管上的噴嘴噴出并引射一次空氣進(jìn)入燃燒器組件完成一次預(yù)混，隨后經(jīng)火孔流出在表面完成一次貧氧燃燒；在進(jìn)行一次貧氧燃燒的同時，將二次空氣按設(shè)計的入口高度、方向以及流量引射進(jìn)入一次火焰上方內(nèi)部，加快二次空氣與貧氧燃燒后未燃?xì)怏w的二次風(fēng)預(yù)混燃燒，從而實現(xiàn)空氣引射預(yù)混低氮燃燒，降低火焰溫度，提高燃燒效率，縮短燃燒時間，抑制熱力型NOx生成。

2 燃燒器設(shè)計與仿真分析

2.1 燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計

實現(xiàn)二次風(fēng)引射預(yù)混燃燒，一是要構(gòu)造形成二次空氣的有效引射路徑，二是要形成預(yù)混燃燒腔，使一次燃燒在腔內(nèi)進(jìn)行的同時將二次風(fēng)與火焰實現(xiàn)引射預(yù)混，降低火焰溫度，加快二次預(yù)混燃燒。燃燒器主體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，包括燃燒器組件、二次空氣引射流道以及組成的預(yù)混燃燒腔，其中二次空氣分三個不同高度進(jìn)行引射預(yù)混燃燒，同時燃燒器組件與二次空氣引射流道開設(shè)穩(wěn)焰孔。為保證二次空氣引射流量及燃燒穩(wěn)定性，根據(jù)火焰高度公式進(jìn)行參數(shù)計算，并對火排模型進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬仿真分析、優(yōu)化改善。

燃燒器按熱負(fù)荷26 kW 進(jìn)行設(shè)計，火排數(shù)為13 排?；谏鲜鼋Y(jié)構(gòu)試制樣品燃燒器，采用0.4 mm 厚度耐高溫、耐腐蝕和加工性能良好的不銹鋼板進(jìn)行手板樣件制作。

該燃燒器二次空氣引射腔尺寸如表2 所示。

表2 二次空氣引射腔結(jié)構(gòu)尺寸

以上二次空氣引射口合計有效引射面積為310.35 mm2。下面按公式（1）計算火焰內(nèi)錐高度：

式中：

hic—火焰內(nèi)錐高度（mm）；

fp—單個火孔的面積（mm2）；

qp—火孔熱強(qiáng)度（kW/ mm2）；

K—與燃?xì)庑再|(zhì)及一次空氣系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，查表3。

表3 不同燃?xì)獾腒 值

由公式（1） 可得燃燒器火焰內(nèi)錐高度為hic=3.24 mm；

按公式（2）計算火焰外錐高度：

式中：

hoc—火焰外錐高度（mm）；

n—火孔排數(shù)；

n1—表示燃?xì)庑再|(zhì)對外錐高度影響的系數(shù)；對天然氣，n1=1.0；對丁烷，n1=1.08；對煉焦煤氣，dp=2 mm，n1=0.5；dp=3 mm，n1=0.6；dp=4 mm，n1=0.77～0.78，熱強(qiáng)度較大時取較大值；

s—表示火孔凈距對外錐高度影響的系數(shù)，查表4。

表4 火孔凈距對外錐高度影響的系數(shù)s

由公式（2） 可得燃燒器火焰外錐高度為hoc=18.05 mm。

根據(jù)公式（1）和公式（2）火焰高度的計算結(jié)果可知，該燃燒器二次空氣引射腔高度尺寸設(shè)計值為：引射空氣孔1 設(shè)計高度為（5～8）mm（距離火孔面高度），引射空氣孔2 設(shè)計高度為（18～20）mm（距離火孔面高度），引射空氣孔1 設(shè)計高度（26～28）mm（火焰燃盡區(qū)）。

2.2 模擬仿真分析

根據(jù)設(shè)計模型進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬仿真，分析對比模型調(diào)整前后的狀態(tài)，進(jìn)行模型優(yōu)化設(shè)計。該模擬分析主要為二次空氣引射的方向及流量調(diào)整，經(jīng)調(diào)整改善后確定有效二次空氣引射面積為310.35 mm2（改善前為200.15 mm2），模擬分析結(jié)果參見表5。

表5 燃燒器改善前后仿真模擬對比

由溫度云圖可知：改善前有效二次空氣引射面積較小，中部高溫區(qū)占幅較高；改善后有效引射面積增大，中部高溫區(qū)明顯降低，對于抑制NOx的生成有顯著效果。

由氣體流線圖可知：改善前有效二次空氣引射面積小，阻力較大，導(dǎo)致二次引射空氣的流量不足，難以滿足理論計算所需的空氣系數(shù)，二次空氣引射預(yù)混效果欠佳。通過調(diào)整空氣引射孔的分布和面積，增加二次空氣引射流量，流經(jīng)火排引射孔的流量顯著改善。

根據(jù)上述分析結(jié)果，改善后相對改善前有效引射面積增加近1.5 倍，對中部區(qū)域溫度降溫效果顯著，流經(jīng)二次空氣引射孔的流量也顯著增大，可知改善后仿真分析優(yōu)化效果良好，故按改善后方案進(jìn)行試驗驗證。

3 試驗驗證

將二次風(fēng)引射預(yù)混式低氮燃燒器安裝于現(xiàn)有常規(guī)大氣式燃?xì)獠膳療崴疇t內(nèi)，采用12T 天然氣（2 000 Pa）進(jìn)行燃燒測試。通過整機(jī)試驗進(jìn)行調(diào)節(jié)，在全負(fù)荷段的運(yùn)行狀態(tài)下，按GB 25034-2020 中NOx排放的試驗要求，分別對額定熱負(fù)荷φn的70 %、60 %、40 %、20 %狀態(tài)下的燃燒煙氣進(jìn)行分析驗證。NOx實驗值計算的權(quán)重因子按GB 25034-2020 標(biāo)準(zhǔn)要求見表6，燃燒器各負(fù)荷狀態(tài)下的燃燒火焰效果見表7。

表6 NOx 實驗值的權(quán)重因子

表7 不同負(fù)荷φn 百分比燃燒火焰效果

在試驗過程中，冷態(tài)點火以及各負(fù)荷段均能點火成功，各熱負(fù)荷百分比狀態(tài)下燃燒火焰穩(wěn)定且無明顯燃燒噪音，火焰清晰、均勻，未出現(xiàn)回火、離焰、熄火等現(xiàn)象，運(yùn)行狀況良好。在測試樣機(jī)配置下，最小負(fù)荷為5.2 kW，最大負(fù)荷達(dá)26 kW，可實現(xiàn)1 ∶5 的燃燒負(fù)荷調(diào)節(jié)比。經(jīng)煙氣分析儀測試，在各熱負(fù)荷百分比狀態(tài)下該燃燒器的NOx排放值均低于GB 25034-2020 標(biāo)準(zhǔn)5 級排放要求及歐洲排放標(biāo)準(zhǔn)要求， 各熱負(fù)荷百分比NOx排放測試值按權(quán)重因子計算后總值為39.1 mg/（kW·h），改善后的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案可有效降低氮氧化物排放，試驗方案效果符合預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，總體性能達(dá)到預(yù)期要求，具體測試數(shù)據(jù)參見表8。

4 結(jié)論

本文基于二次風(fēng)引射預(yù)混式低氮燃燒器的原理進(jìn)行了燃燒器設(shè)計，并通過數(shù)值模擬仿真分析及熱態(tài)實驗相結(jié)合的研究方式，對該燃燒器的性能進(jìn)行了試驗研究。得出以下結(jié)論：

1）在調(diào)控好二次空氣引射高度、方向及引射流量等較理想的條件下，該燃燒器可實現(xiàn)低氮燃燒效果，滿足低氮排放要求。

2）該燃燒器與同類技術(shù)應(yīng)用相比，技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、工藝方便，且可通用現(xiàn)有常規(guī)大氣式燃燒器產(chǎn)品，制造成本變化不大，能盡快應(yīng)用到現(xiàn)有產(chǎn)品實現(xiàn)技術(shù)應(yīng)用價值。

3）同時發(fā)現(xiàn)，在長時間燃燒的情況下，預(yù)混燃燒腔會因高溫產(chǎn)生金屬熱變形，二次空氣引射預(yù)混的效果會變差。為延長燃燒器壽命并實現(xiàn)良好效果，需消除高溫對預(yù)混燃燒腔的影響，如通過調(diào)整結(jié)構(gòu)、采用耐高溫、變形量小的材料以保證低氮燃燒效果。

4）進(jìn)一步降低NOx的方法，可通過減少一次空氣引射量來形成貧氧燃燒區(qū)，降低一次燃燒火焰溫度，抑制NOx的生成量。另外，加強(qiáng)二次空氣引射預(yù)混，縮短燃燒時間，減小高溫區(qū)，從而抑制NOx的生成。對于兩者間的最優(yōu)方案，需要再進(jìn)行深入細(xì)致的匹配試驗研究。