一種穩(wěn)定燃燒的煙道加熱低氮燃燒器

摘 要 設計了一種穩(wěn)定燃燒的煙道加熱低氮燃燒器，可以直接布置在煙道中燃燒加熱過程空氣。經(jīng)燃燒模擬計算和燃燒試驗驗證，該煙道加熱燃燒器具有火焰穩(wěn)定、無熄火風險、耐高溫、壽命長、調(diào)節(jié)比高、NOx排放量低及溫度均勻性高等優(yōu)點，能在現(xiàn)場場地小、風量變化大等工況下使用。

關鍵詞 低氮燃燒器 煙道加熱裝置 穩(wěn)焰板 穩(wěn)定燃燒 ANSYS CFX

中圖分類號 TQ052.7 " 文獻標志碼 A " 文章編號 0254?6094（2024）04?0609?04

工業(yè)燃燒器是工業(yè)燃油鍋爐、燃氣鍋爐上的重要設備，能夠保證燃料的穩(wěn)定著火燃燒和完全燃燒，并且還能抑制氮氧化物的生成?，F(xiàn)有技術中用于煙道加熱的燃燒器結(jié)構(gòu)復雜且體積龐大，對于操作人員來說，將這類燃燒器安裝在煙道中不僅操作困難，而且安裝后該類燃燒器的運行控制也較為復雜，后期的維護保養(yǎng)也不方便。另外，現(xiàn)有技術中用于煙道加熱的燃燒器經(jīng)常會因為煙道內(nèi)風速過大、進風量調(diào)節(jié)偏差大而導致燃燒器噴出火焰不穩(wěn)定，燃燒器局部結(jié)構(gòu)溫度異常，影響裝置的安全運行和燃燒器的燃燒效果。

隨著環(huán)保要求的日益嚴苛，對氮氧化物的排放也提出了更高要求，燃燒器不僅要在煙道內(nèi)持續(xù)穩(wěn)定的工作，而且要求具有更低的氮氧化物排放量。為此，筆者設計了一種穩(wěn)定燃燒的煙道加熱低氮燃燒器，該低氮燃燒器能夠在煙道內(nèi)穩(wěn)定地噴焰燃燒，受煙道內(nèi)空氣流速的影響較小，工作持續(xù)穩(wěn)定，同時還可以抑制氮氧化物的生成。

1 低氮燃燒器結(jié)構(gòu)

低氮燃燒器可以直接布置在煙道中并直接燃燒加熱過程空氣，該設備主要由燒嘴噴頭、穩(wěn)焰板和活接頭組成，如圖1所示。

燒嘴噴頭通過活接頭與燃料源管道連接，活接頭和燃料管道可以通過支架固定于煙道內(nèi)部，燒嘴噴頭向煙道內(nèi)噴射火焰并加熱煙道流體。穩(wěn)焰板采用“M”形橫截面設計，通過3個螺栓固定在噴頭上，可以實現(xiàn)快速拆換，便于維修更換。穩(wěn)焰板包括基板和相對設置于基板兩端的3個彎折板，其中基板固定在噴頭上，彎折板包括依次連接的第1折板、第2折板和第3折板。第1折板和第2折板上開設有通氣孔，作為助燃空氣通道；第3折板朝向噴嘴的噴氣方向延伸設置，以防止煙道中的高速氣流影響穩(wěn)焰板內(nèi)的火焰，起到穩(wěn)定火焰的作用。

2 煙道加熱裝置

低氮燃燒器通常是多個組合在一起使用的。燃料源連通設置燃料母管，燃料母管上連通設置有多個燃料子管，燃料子管垂直煙道外壁并伸入煙道內(nèi)部，煙道內(nèi)部的燃料子管上安裝有多個低氮燃燒器。同時，在每根燃料子管末端燃燒器間設置導火板，用于各排燃燒器的相互引燃。例如，每套煙道加熱裝置由6排燃料子管組成，每排燃料子管安裝8個燃燒器模塊，每套煙道加熱裝置設置單獨的燃氣供氣管路和助燃風供風管路，并設置獨立的點火系統(tǒng)，如圖2所示。該煙道加熱裝置可以根據(jù)供熱需求將多臺燃燒器模塊化后直接布置在煙道內(nèi)部，能夠盡可能地減小占地面積。同時，該煙道加熱裝置能夠在煙道內(nèi)穩(wěn)定地噴焰燃燒，不會受到煙道內(nèi)空氣流速的影響，工作持續(xù)穩(wěn)定，抑制氮氧化物生成的效果突出。

3 煙道加熱裝置燃燒模擬計算

采用ANSYS CFX計算流體動力學軟件對煙道燃燒器的燃燒情況進行數(shù)值模擬。模型大部分區(qū)域采用六面體網(wǎng)格進行劃分，過渡區(qū)域采用四面體網(wǎng)格、五面體網(wǎng)格進行連接過渡，這樣既可以保證在大部分區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格質(zhì)量較易控制，又控制了總體的網(wǎng)格數(shù)量，并且關鍵部位（如噴孔等）的網(wǎng)格數(shù)量也得到了保證，確保了計算精度［1］。單個燃燒器模塊的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

本次計算模擬了甲烷空氣非預混流動的燃燒，同時考慮了氫氣與空氣的反應，計算采用k?ε紊流模型，Methane Air WD2和Hydrogen Air反應模型，F(xiàn)inite Rate Chemistry and Eddy Dissipation燃燒模型以及Discrete Transfer輻射模型。

煙道內(nèi)的燃燒器模塊排布較密集，在燃燒時因空氣的流量較大，故需特別關注火焰是否會被空氣吹滅、燃燒器模塊的火焰形狀及火焰之間是否存在火焰干涉情況。圖4為煙道內(nèi)的火焰形狀，可以看出，火焰形狀完整，沒有熄滅、沒有火焰交叉情況，總體燃燒情況良好。

圖5為煙道內(nèi)垂直截面上的溫度分布，可以看出，火焰高溫區(qū)域集中于煙道中心區(qū)域，出口截面上的溫度呈現(xiàn)出中心區(qū)溫度高、邊緣區(qū)溫度低的分布規(guī)律。

圖6為煙道內(nèi)的流線圖，可以看到，煙道中沒有產(chǎn)生漩渦區(qū)等。圖7為煙道內(nèi)的速度云圖，可以看出，燃料的噴射效應使噴頭處出現(xiàn)了高流速區(qū)，出口處由于縮頸的原因流體流速也有一定增加。

圖8為煙道中不同截面上的CO物質(zhì)的量分數(shù)分布，可以看出，出口界面上的CO平均物質(zhì)的量分數(shù)僅為6×10-5，表明燃料已基本完全燃燒，燃燒器燃燒效果良好。

綜上，采用ANSYS CFX流體分析軟件，以模擬計算為基礎，對煙道內(nèi)加熱模組進行了較系統(tǒng)全面的計算，揭示了煙道內(nèi)的燃燒情況。模擬結(jié)果給出了煙道內(nèi)的火焰形狀、溫度分布及燃燒狀況等。從火焰形狀、溫度分布和流場來看，該煙道加熱裝置能夠充分燃燒，沒有火焰熄滅的情況，火焰燃燒情況良好。

4 燃燒器模塊燃燒試驗驗證

為了驗證燃燒器性能和燃燒穩(wěn)定性，在熱態(tài)試驗爐上進行燃燒性能試驗。試驗爐為一矩形加熱爐，燃料氣采用的是工業(yè)天然氣，組分與設計燃料相近。采用兩排天然氣支路，每排支路設置兩個燃燒器單模塊，共4個燃燒器模塊組合的方案，采用一個點火槍點火，點火成功后兼作長明燈?，F(xiàn)場配置天然氣閥組儀表（圖9）測量天然氣流量和壓力，同時采用TESTO350綜合煙氣分析儀測量煙道出口煙氣組成。

長明燈一次點火成功，在整個燃燒試驗過程中，長明燈火焰均剛直且燃燒穩(wěn)定（圖10），不熄滅。燃燒器模塊一次點火成功，在天然氣壓力從0.01 MPa到0.09 MPa變化過程中，經(jīng)風速儀測定，在平均風速9 m/s的情況下燃燒器模塊火焰均燃燒穩(wěn)定，不熄滅。經(jīng)煙氣取樣分析，煙道出口處氧氣含量均超過18%，NO含量約39.6 mg/Nm3，滿足環(huán)保要求。

5 結(jié)束語

筆者設計的低氮燃燒器是一款安全、高效、穩(wěn)定且可廣泛推廣應用的燃燒器，其優(yōu)點總結(jié)如下：

a. 火焰穩(wěn)定無熄火風險。通過采用“M”形穩(wěn)焰板，確保在任何工況下火焰都能夠穩(wěn)定燃燒，不被速度較高的空氣吹滅。采用擴散式燃燒器，避免了回火問題。經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證，火焰在極小壓力下能夠正常燃燒，正常操作工況下不存在火焰熄滅下限值。

b. 耐高溫壽命長。噴頭和穩(wěn)焰板均采用ZG45Ni35Cr26材料，具有優(yōu)異的耐高溫性能，使用溫度可達1 250 ℃，使用過程中不易損壞。

c. 調(diào)節(jié)比高。系統(tǒng)整體調(diào)節(jié)比可達10∶1，燃燒器能夠滿足不斷變化的熱量需求，同時保持熱量在煙道區(qū)域內(nèi)均勻分布。

d. NO排放量低。穩(wěn)焰板具有煙氣再循環(huán)作用，能使燃燒區(qū)的火焰溫度降低，以達到降低NO排放量的目的，使NO排放量在任何工況下均滿足國家標準要求。

e. 溫度均勻性高。筆者設計的燃燒器是一個模塊式燃燒器，采用多點燃燒技術，可以使煙氣與空氣較均勻的混合，保證加熱的空氣截面的溫度均勻性。

參 考 文 獻

［1］ 高云忠，李金科，劉韞硯，等.CFD技術在乙烯裂解爐燃燒器研發(fā)過程中的應用［J］.化工機械，2009，36（4）：355-359.

（收稿日期：2023-09-07，修回日期：2024-06-19）

A Stable Low Nitrogen Burner for the Flue Heating

SUN Jian?bing， LIU Yun?yan， LI Jin?ke，KANG Yi

（Tianhua Chemical Machinery and Automation Institute Co.， Ltd.）

Abstract " A stable low nitrogen burner for the flue heating was designed， which can be directly arranged in the flue to heat process air. Simulation result and combustion test show that， the flue heating burner boasts of "stable flame， high temperature resistance， long service life， high regulation ratio， low NOx emission and high temperature uniformity. It can be applied in working conditions of small field and large air volume.

Key words " "low nitrogen burner， flue heating device， flame?stabilizing plate， stable combustion， ANSYS CFX