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摘要：本文介绍了空气分级低氮燃烧器采用生物质气燃料的燃烧特点，结构参数，设计计算，低氮燃烧形式及在燃气锅炉中的运用情况。
关键词：生物质；燃烧器；低氮；分级；混合；旋流
1 概述
生物质气燃料是利用秸秆、木屑等废弃的农作物，经粉碎混合挤压烘干气化等工艺，最后制成颗粒状或者高温气体燃料。在我国的原材料分布广泛，加工工艺先进，生物质能燃料是一种洁净能源。作为锅炉的燃料，强化燃烧炉膛温度高，而且经济实惠，属再生能源，可循环利用，可代替木材、煤、天然气。而且运行成本低。燃用生物质气燃料的改造锅炉或新建锅炉要求燃烧器能够降低NOx的排放，排放标准严格执行国家环保部门制定的《锅炉大气污染物排放标准》，有力的推进了环保事业的发展，是中国新能源战略的重要部分。
2 生物质燃气燃烧器的燃烧特点及低氮燃烧说明
生物质燃气燃烧器的燃烧过程在扩散区进行，将生物质气燃料和燃烧所需要的空气分别送入炉膛进行燃烧，燃料和空气在进入炉膛之前不预先混合，由于生物质气含有一定量的焦油，为了减少燃烧器出口处结焦堵塞，生物质气采用直流的方式。燃料气和空气一边混合一边燃烧，燃烧速度的大小主要取决于混合速度，为实现完全燃烧、快速燃烧，空气旋流进入炉膛，在燃烧器出口处于生物质气强烈混合、预热和化学反应，形成一股短而宽的火炬。
在燃烧过程中，氮的浓度基本上是不变的，影响NOx的生成主要因素是燃烧温度、氧气浓度和烟气在高温区的停留时间，空气强烈旋转高速喷出与生物质气混合可增大反应速度，为控制燃烧温度，燃烧器采用空气分级供给方式，一定比例的空气量使燃料先缺氧、后富氧条件下燃烧，避开因高温及过剩空气系数在NOx生成区处于较高的区域，使炉膛温度控制在1100℃—1200℃左右，燃烧器将空气分成两段供给，燃气与一部分空气进行混合燃烧，在燃烧后期再提供一部分燃尽风，使燃气燃尽，空气的分级降低燃烧中心的燃烧温度，二次燃气与一次燃烧生成的烟气中残存的氧气进行二次燃烧，虽然二次燃烧温度比较高，但由于大量烟气的冲淡使氧气浓度降低，有效的减少了热力型NOx的生成。燃料中的氮分解生成的大量的中间产物相互复合抑制了燃料型NOx。同时所有空气的4~6%作为中心风降低燃烧火焰中心的温度，保证NOx的排放值控制在标准范围内。
3 生物质气燃烧器的结构特点
上图为生物质气燃烧器的典型结构，根据运行实践的经验得出，助燃风分三级分别与料
气扩散混合燃烧，最大限度的降低了燃烧温度，一般情况下，中心风占总风量的百分之五，一次风占总风量的百分之五十，二次风占总风量的百分之四十，三股风分开调节，可以增大燃烧器的调节比，过量空气系数可根据氮氧化物的排放值灵活调节。根据燃烧器运行调试的经验可以找出最佳的氮氧化物排放值对应的风门开度，从而计算出最佳的过量空气系数。一定量的中心风不仅可以降低火焰的中心温度，而且可以作为点火用助燃风，使得点火成功率大大提高。生物质燃料多多少少的含有一定量的焦油，为了防止燃料喷口处结焦，燃料气喷管采用直流，直流燃气在喷口处与高速旋流的燃气一边混合一边燃烧，减少回火及爆炸的危险。
4 生物质气燃烧器的计算
4.1 燃烧器主要设计参数
4.1.1 设计所需要的条件参数有生物质燃料气气量、燃料温度、燃料压力、燃料热值、点火燃料（为了点火的有效性，一般采用高热值的液化气或天然气作为点火燃料，点火用气量大约30～50Nm³/h，可自动点火）。
4.1.2 根据设计条件参数可计算：
a、由燃料成分或经验公式计算理论空气量V0Nm³/h；
b、由过量空气系数计算实际空气量V=（1.05～1.1）×V0Nm³/h；
c、中心风一般取5%V，风速取20～30m/s，由此可计算中心风管直径D1=50V0/9π/（D12-D2)mm；
d、一次风一般取60%V，风速取20～30m/s，由此可计算一次风管直径D2=2000V0/3π/（D22-D12）mm；
e、二次风一般取40%V，风速取20～30m/s，由此可计算一次风管直径D3=4000V0/9π/（D32-D22）mm。
4.2 旋流器计算
旋流器的作用是使助燃风旋转，加强燃料与氧的混合，促进燃烧。旋流器是由轴向叶片构成的，叶片的入口端有一段直段，直段长度可取15～20mm，叶片的遮盖度一般取1.1～1.25，叶片数目的选取参考表1
表1
5 空气分级低氮燃烧器在生物质气锅炉中的应用
某厂生物质气化项目，锅炉额定负荷为15t/h，锅炉燃料采用生物质气，生物质气主要成分为碳氢化合物、水、硫化氢、灰尘、氧气、焦油等，生物质气的低位热值一般为900~1200kcal/Nm³。锅炉设置三台燃烧器，每台燃烧器的生物质气燃料量为3800Nm³/h，燃烧器采用天然气或者液化石油气进行点火，点火枪先点燃天然气，再由天然气小气枪的小火点燃生物质气，生物质气完全燃烧所需要的空气量为4300Nm³/h，空气分成三股进入燃烧器，其中中心风占百分之五，一次风占百分之六十，二次风占百分之四十，生物质气燃料和空气从燃烧器喷口以一定速度喷出，空气旋流，燃料气直流，三股空气分开调节，灵活的控制燃烧温度，有效的控制热力型氮氧化物的生成，同时保证燃料完全燃烧。生物质气中的焦油随燃气进入锅炉，由于焦油的着火温度为600℃~700℃，所有焦油进入炉膛之后能够快速的着火燃尽。
6 结束语
6.1 生物质气含有焦油、灰尘的情况下，气枪采用直流的方式，避免喷口出结焦堵塞。若有先进技术可以将生物质气化处理为洁净的燃料气，则气枪可采用旋流式，可使燃烧火焰减短，燃烧速度增大。
6.2 助燃空气采用分级式，各级所占比例可以根据运行经验进行调整，一定量的中心风是必要的，不仅可以提供一定量的燃烧所需的氧，还可以降低火焰中心的温度，对降低氮氧化物的排放有重要的作用。
6.3 生物质气的热值不高，直接点火不易点着，需采用热值比较高的燃料进行点火，天然气或者液化石油气等。
参考文献
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4.岑可法.姚强.骆仲泱.李绚天.高等燃烧学 2003.12
论文作者:黄艳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/27
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