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天然气燃烧过程广泛应用于化工、冶金、热力、酿造等行业中,燃烧过程中产生的主要污染物为NOx。我国工业燃气锅炉NOx排放标准要求NOx排放小于30mg/Nm~3(换算到3.5%的氧气)。目前燃气锅炉难以达到上述排放标准,因此有必要研究具有低NOx燃烧特性的燃气锅炉。本论文针对燃气锅炉中传统低氮燃烧器初始NOx排放较高、增加外烟气再循环易出现震荡,甚至熄火等问题,基于内烟气再循环设计了新型低氮燃烧器,并通过自行建立的实验系统与数值模拟相结合的方法研究了这种技术的燃烧特性。在此基础上,采用“内烟气再循环低氮燃烧器+外烟气再循环”技术对某85t/h燃气锅炉进行了改造。分析表明,内烟气再循环主要通过高速射流和炉膛内烟气压差将烟气抽至燃烧器内部,卷吸的高温烟气一方面降低了燃烧强度,使燃烧温度降低,减少了NOx的生成;另一方面预热燃烧所需要的空气,提高了燃烧稳定性。外烟气再循环通过烟气再循环风机将低温烟气送入炉膛参与燃烧,使燃烧温度降低,有效抑制了NOx的生成。基于0.8MW实验系统获得的实验结果表明,内烟气再循环燃烧器NOx初始排放为60~70mg/Nm~3,低于传统低氮燃烧器的80~120mg/Nm~3。在此基础上,当外烟气再循环率大于20%时,NOx排放浓度低于30mg/Nm~3。Fluent数值模拟计算结果表明,70%负荷条件下,当过量空气系数1.2且没有外烟气再循环的条件下,内烟气再循环燃烧器的空气与大量热烟气混合,热烟气体积占到空气体积的20%,炉膛中心火焰温度降低,减少了热力型NOx的产生。针对外烟气再循环的Fluent数值模拟计算结果表明,在相同负荷条件下,当外烟气再循环率由0增加至24%时,燃烧温度峰值由2120K下降至1860K,氧浓度峰值由21%下降至17.7%,热力型NOx的生成速率峰值由7.2mol/(m~3?s)下降至1.08mol/(m~3?s),下降约85%;快速型NOx的生成速率峰值由4.33mol/(m~3?s)下降至1.59mol/(m~3?s),下降约62%。采用Chemkin-Pro计算的生成路径结果表明,当过量空气系数小于1时,生成的NO主要为快速型NO,占总NO的43.2%;当过量空气系数大于1时,热力型NO占主导,占总NO的64.2%。采用“内烟气再循环低氮燃烧器+外烟气再循环”技术对某85t/h燃气锅炉进行了低氮改造。改造结果表明,采用内烟气再循环低氮燃烧器后,额定负荷下,不投入外烟气再循环时,NOx排放浓度为99.8mg/Nm~3;当外烟气再循环率大于15%时,NOx排放浓度低于30mg/Nm~3且稳定燃烧。