燃气-空气双分级低氮燃烧器数值模拟

侯翠翠， 朱禹洲， 海明璋， 张青鹏

(北京市公用事业科学研究所， 北京 100011)

1 概述

近年来，雾霾已成为危害公共健康的罪魁祸首，数据表明，PM2.5是形成雾霾的主要原因之一，当重污染发生时，PM2.5与氮氧化物(NOx)的环境质量浓度变化呈现强相关、同步变化的特征[1]。鉴于如此严重的环境危机，城市内气体燃料燃烧产生的NOx逐渐成为国家环保部门关注的焦点，GB 13271—2014《锅炉大气污染物排放标准》规定了更为严格的燃气锅炉NOx排放标准。对于能源工作者来说，如何改善燃气燃烧特性，降低NOx排放水平，提高空气环境质量是其所面对的重要任务，也具有重要的现实与研究意义。

目前国内外采用较多的低氮燃烧技术主要包括分段燃烧、浓淡燃烧、烟气内循环、烟气外循环等多项内容[1-7]。为了获得更低的氮氧化物排放，本文主要对采用燃气-空气双分级的分段燃烧及烟气内循环技术开发设计的一种新型低氮燃烧器，应用FLUENT数值模拟分析方法研究燃气-空气双分级设计对燃烧器的燃烧和NOx生成特性的影响，为优化设计燃烧器提供参考依据。

2 设计与研究方法

① 新型低氮燃烧器结构设计

新型低氮燃烧器的设计主要依托分级燃烧的低氮燃烧技术，采用燃气-空气双分级的设计方案，燃烧器头部结构见图1。燃气在前后轴向方向进行两级分配，两级燃气分别以不同方向喷射(见图1)。一级燃气沿中心燃气管径向方向高速射入，燃气与流经此处的一级空气混合，经点火器点燃，燃烧形成的火焰所处的区域称为一级燃烧区；二级燃气喷孔以一定距离围绕中心燃气管以环型布置，燃气沿主流轴向射入，与外围直流风(二级空气)混合，二级混合气由一级燃烧区产生的火焰或高温烟气引燃，从而形成二级燃烧区。燃烧器设计有空气分配板结构，将空气进行分级。空气分配板内部设计布置着一定角度的叶片，形成第一级流道，叶片给流经的空气施加一个径向流速，形成旋流风，降低一级燃气在轴向方向的流速，更好地与一级燃气混合形成旋流区，达到稳定火焰的作用。绝大部分空气流经空气分配板的外缘射入，形成二级空气，为燃气完全燃烧提供充足的助燃剂。空气分配板上设计有内筒结构，主要是用于进一步划分一级空气与一级燃气，形成明确、稳定的一级燃烧区。

图1 燃烧器头部结构

② 研究方法

燃烧器结构复杂，制造成本高，实验平台投入大，需耗费大量的人力物力，CFD在燃烧器的辅助设计[8]138-154，505-514[9]83-147具有其独特的优势，逐渐成为设计研发的有力工具。本文采用CFD软件FLUENT对低氮燃烧器进行全尺寸三维数值模拟，整体三维模型见图2。为保证网格计算的合理性，采用网格无关性分析确定合适的网格数量。燃烧器的燃烧模型的主要参数列表见表1。x轴由燃气入口中心垂直指向纸面向内，为水平方向。

图2 低氮燃烧器整体三维模型

表1 主要参数列表

③ 模型验证

为提高数值模拟模型预测数据的准确性，应用现场实测数据对数值模型进行对比验证。验证试验以1.4 MW卧式三回程锅炉配套的新型设计低氮燃气燃烧器为验证对象，模拟结果与试验结果对比见图3。满负荷下，随着过剩空气系数的增大，NOx质量浓度降低，模拟结果与实验结果变化趋势一致。在相同条件下，两者的平均相对误差较小，模拟结果与实测结果吻合较好，此数值模型能够较为准确地预测NOx生成量变化趋势。

图3 模拟结果与试验结果对比

3 燃气-空气双分级技术分析

3.1 燃气配比对炉膛温度及NOx质量分数的影响

燃烧器的一级燃烧区处于燃烧器头部附近，具有稳燃火焰及分级的双重作用，为了形成稳定的分区火焰，且避免一级燃烧区产生局部高温，一级燃气占总燃气量的体积比(以下简称一级燃气配比)不应过大。考虑到以上情况，选取一级燃气配比分别为10%、20%、30%进行模拟，研究一级燃气配比对于炉膛内部燃烧与NOx生成特性的影响，具体模拟工况见表2(表2中，燃气流量均为压力101.325 kPa，温度20 ℃标准工况下的流量)。模拟时，一级空气占总空气量的体积比为10%，内筒的直径为140 mm。工况1：一级燃气配比为10%时，一级过剩空气系数为1.3；一级燃气配比为20%时，一级过剩空气系数为0.65；一级燃气配比为30%时，一级过剩空气系数为0.43。工况2：一级燃气配比为10%时，一级过剩空气系数为1.2；一级燃气配比为20%时，一级过剩空气系数为0.6；一级燃气配比为30%时，一级过剩空气系数为0.4。工况3：一级燃气配比为10%时，一级过剩空气系数为1.3；一级燃气配比为20%时，一级过剩空气系数为0.65；一级燃气配比为30%时，一级过剩空气系数为0.43。当一级燃气配比变化，喷口燃气速度及燃烧状态会有所区别，一级燃气火焰燃烧的位置有前后区别。由于火焰燃烧将产生高温，故在模拟中，采用温度来描述火焰所处区域。

表2 模拟工况

工况1中轴线的温度分布见图4，其中中轴线如图2所示，以原点为起点，与z轴重合。以往学者研究表明[9]55-62在1 700 K以下，热力型NOx生成量很少，当温度在1 700 K以上时，温度每增加100 K，反应速度增大6～7倍， NOx生成量迅速增加，温度对NOx的生成有决定性的影响。故选取1 700 K以上区域为高温区域，温度超过1 700 K部分温度越高，或当最高温度相同时高温范围越大，则表明反应速度增大，NOx生成量越大。由图4可知，当一级燃气配比为10%时，中轴线除燃烧器出口外，整体处于较均匀的温度水平且温度最低，只存在燃烧器出口的高温区域，具体位置为z=0.3～0.6 m的范围内，高温区域范围最小，即此时一级燃烧区分布在燃烧器出口附近。当一级燃气配比为20%时，燃气流量大，出口流速大，一级燃气火焰燃烧位置向后移动，且不完全燃烧的燃气随烟气向炉膛出口方向流动，燃烧火焰被拉长，即高温区域向后移动，使中轴线上z=0.4～1.2 m的范围处于高温状态，即一级燃烧区向后移动。一级燃气配比为30%时，几乎整体中轴线均处于高温状态，高温范围最大。由上分析可知，一级燃气配比越大，最高温度出现的位置越靠后，高温范围越大，炉膛内部整体温度水平越高。

图4 工况1中轴线的温度分布

工况1中轴线NOx质量分数分布见图5。受温度分布的影响，一级燃气配比为10%的NOx质量分数大致低于其他两种状态，其中NOx主要集中在炉膛前部最高温度的下游，随着温度的降低，NOx质量分数降低。一级燃气配比为20%时， NOx主要集中在炉膛中部，NOx质量分数整体高于一级燃气配比为10%的状态。一级燃气配比为30%时，NOx主要集中在炉膛中后部，由于其高温范围广，相应的NOx质量分数也最高。

图5 工况1中轴线NOx质量分数分布

工况2、3中轴线的温度分布、中轴线NOx质量分数分布分别见图6～9。可以看出，工况2、3中轴线的温度分布与工况1相似，工况2、3的NOx质量分数变化趋势与工况1类似，工况2的NOx质量分数相较工况1总体较高，这是由于过剩空气系数降低使得炉膛内部温度相对较高的原因。工况1、3的对比可以得出，当流量变化时，变化趋势相似，由此可见，一级燃气配比为10%的设计，在降氮方面适用于过剩空气系数及流量变化的情况。

图6 工况2中轴线的温度分布

图7 工况2中轴线NOx质量分数分布

图8 工况3中轴线的温度分布

图9 工况3中轴线NOx质量分数分布

3.2 一级过剩空气系数对温度及NOx的影响

燃烧器采用分级燃烧技术的主要目的是使燃气分散供给，同时使一、二级空气与燃气的混合比例合理，避免产生局部高温区，以此来降低NOx的生成。一级过剩空气系数决定着一、二级燃烧过程的进行状态，决定着一级燃烧过程中NOx的生成，同时对二级燃烧过程中NOx的生成也具有很大影响，所以最佳的一次过剩空气系数的选取，应既保证一级燃烧具有较低的NOx水平，又要防止二级燃烧生成大量的NOx，二者相互配合，使燃烧过程具有较好的NOx水平。

保证一级燃气配比10%不变，内筒的直径为140 mm，过剩空气系数为1.2，总燃气流量为160 m3/h时，通过一级空气比例变化调整一级过剩空气系数，燃烧区最高温度随一级过剩空气系数变化见图10。一级过剩空气系数从0.33向0.7增大时，一级燃烧区的最高温度由2 166 K降低到2 085 K；一级过剩空气系数为0.7～1.65时，温度先增大至2 100 K后降低至约2 085 K；一级过剩空气系数从0.33逐渐增大到1.65时，二级燃烧区的温度呈降低趋势，整体温度水平相较一级燃烧区较低，对于NOx生成影响作用弱于一级燃烧区，一级燃烧区的状态为本燃烧器NOx生成的主要影响因素。

由图10分析可得，当一级过剩空气系数为0.33时，一级混合气为特浓混合气，一级空气流量低，气流速度低，燃烧区域靠近空气分配板位置，同时旋流作用低，受内筒的作用，火道小，燃烧集中，产生局部高温，此时燃烧强度低，易产生大量的CO。一级过剩空气系数为0.7时，一级燃烧区为浓混合气，此时空气流轴向速度加大，一级燃烧区向炉膛出口方向移动，同时混合气偏离化学当量比，一级燃烧区处于未完全燃烧状态，燃烧温度最低。一级过剩空气系数为1.16～1.65时，一级燃烧区为稀混合气，此时空气流速轴向流速高，同时由于旋流作用大，减缓空气轴向的流速，一级燃烧区位置与一级过剩空气系数为0.7 相近，一级燃烧温度处于一个相对稳定的较低的水平，但一级过剩空气系数为1.16时，靠近化学当量比，燃烧温度更高，温度出现20 K小幅增长。实验证明，过剩空气系数过大时，火焰传播速度低，容易发生脱火现象，出现燃烧不稳定现象。

图10 燃烧区最高温度随一级过剩空气系数变化

一般情况下，质量分数1×10-6对应质量浓度2.05 mg/m3。取炉膛出口平均NOx质量浓度，NOx质量浓度随一级过剩空气系数变化见图11。结合图10温度变化的情况，一级过剩空气系数为0.33时，NOx质量浓度为79 mg/m3左右，一级过剩空气系数从0.7增大到1.45时，NOx质量浓度整体处于一个相对稳定的水平，NOx质量浓度在62 mg/m3上下波动，相较一级过剩空气系数为0.33时降低17 mg/m3左右，降幅明显；一级过剩空气系数为1.65时，NOx质量浓度有小幅上升，但增幅较小。一级过剩空气系数为0.7～1.45时，NOx质量浓度较为稳定，同时考虑到一级燃烧区域的稳焰作用，防止脱火现象发生，一级过剩空气系数不宜过大。

图11 NOx质量浓度随一级过剩空气系数变化

3.3 内筒对于一级分级燃烧的辅助作用

内筒结构的设计理念是将空气进行严格分区，促进一级燃气与一级空气的混合，产生明确的一级燃烧区，同时内筒与空气分配板相结合组成U形的钝体，起到稳定火焰的作用。保证一级燃气配比10%，一级空气占总空气量的10%，过剩空气系数为1.2，一级过剩空气系数为1.2，总燃气流量为160 m3/h。现取内筒直径分别为140 mm、145 mm的燃烧头为研究对象，研究内筒对于分级燃烧的辅助作用。zx截面(局部)速度云图和温度云图见图12，其中速度垂直于zx平面，采用速度来表征一级旋流范围。由图12a观察所得，由于内筒的存在，气流以内筒为边界进行旋流流动，旋流区域充满整个内筒区域。由图12b可得，燃烧区域同时以内筒为边界，呈现出漏斗的形状，形成一级燃烧区。

不同内筒直径下燃烧区最高温度和NOx质量浓度见表3，内筒直径为145 mm时，内筒直径大，一级火道直径大，相应的燃烧区与旋流区范围增大，旋流流量大，即旋流强度大，卷吸的烟气量大，稳焰效果增强。在一级燃烧区高旋流区的作用下，炉膛一级燃烧区的高温烟气温度有所降低，内筒直径为145 mm炉膛最高温度比内筒直径为140 mm时降低20 K，NOx质量浓度降低4.82 mg/m3。由此可见，增大内筒直径，可以改善一级燃烧区的燃烧状态，达到小范围的降氮及稳焰目的。

表3 不同内筒直径下燃烧区最高温度和NOx质量浓度

4 结论

研究设计了燃气-空气双分级低氮燃烧器，通过CFD软件FLUENT建立低氮燃烧器三维数值模型，并进行模型验证，模拟结果与实际情况较为吻合，能够较为准确地预测NOx生成量的变化规律。主要从燃气配比、一级过剩空气系数及内筒直径3方面对燃料-空气双分级结构进行研究，寻求燃烧特性和NOx生成规律。研究发现：

① 燃气分级对温度分布及NOx排放具有重要的影响，当一级燃气配比为10%时，火焰分配较为分散，温度低且高温区域较少，NOx质量分数较低。

② 二级燃烧区对NOx生成影响作用弱于一级燃烧区，一级燃烧区的状态为燃烧器NOx生成的主要影响因素。

图12 zx截平面(局部)速度云图与温度云图(软件截图)

③ 一级过剩空气系数宜处于0.7～1.45范围，考虑到燃烧稳定性，一级过剩空气系数应取较小值。

④ 内筒直径适量增大，可以达到改善一级燃烧状态，降低NOx排放的目的。

⑤ 新型低氮燃烧器的分级结构设计合理，具有普遍适用性，可在氮氧化物燃烧控制中广泛应用。鉴于燃烧器结构复杂，影响因素较多，燃烧过程涉及燃烧稳定性及安全性的问题，燃气配比、一级过剩空气系数及内筒设计需进一步研究。