近年来随着国家“退城进园”和“退二进三”政策的实施,污染土壤修复工作在各地大量开展。直接热脱附技术以其高效、快速、适应性强等特点被作为主要的土壤修复技术。现有直接热脱附回转窑和二燃室的燃气燃烧器普遍不具备低氮设计,在土壤修复过程中存在NOx排放浓度高的问题,部分设备排放浓度超过200 mg/m~3,严重危害大气环境。由于土壤直接热脱附行业起步晚,缺乏针对性的大气污染物排放标准,本文以锅炉和工业窑炉最新的全国《大气污染物排放标准》为参考自主研发适用于污染土壤直接热脱附装置的NOx排放浓度低于50 mg/m~3的低NOx燃气燃烧器。此措施可以改善国内直接热脱附燃烧器依赖进口的现状,降低直接热脱附尾气处理单元的工作量,避免土壤修复过程中产生的二次污染,具有重要意义。本文对比了直接热脱附回转窑、二燃室与传统蒸汽锅炉在结构和用途上的不同,明确了不同工作环境下燃烧器设计思路的区别,提出了直接热脱附低NOx燃气燃烧器的设计目标。对直接热脱附系统进行热平衡计算求出燃烧器基本工况,对现有低氮燃烧技术进行总结和优化,探明直接热脱附低NOx燃气燃烧器设计的技术要点,以空气分级技术、燃气分级技术、旋流燃烧技术为基础,设计出适用于污染土壤处理量为10 t/h直接热脱附装置的低NOx燃气燃烧器,提出了燃烧器结构的优化方案。本文对设计完成后的燃烧器进行了数值模拟计算。通过数值计算的方法对燃烧器四个几何结构变量:燃气喷嘴喷射角度、燃气支管数量、旋流板开孔尺寸、导流片倾角,进行关于低氮性能的影响分析,得到几何结构变量对燃烧特性的影响趋势,确定最佳燃气喷嘴结构为三向燃气喷嘴、燃气喷管最佳数量为4、旋流板最佳开孔尺寸为15×30 mm、导流片最佳倾角为30°。对优化后结构最优的燃烧器进行燃烧模拟,NOx排放浓度为46.6 mg/m~3,满足设计目标。对结构最优的燃烧器进行负荷适应性模拟。结果表明:该燃烧器在30%至100%负荷区间内燃烧稳定,NOx排放浓度始终低于50 mg/m~3,负荷适应性强,满足燃烧器的设计目标。本文对经过数值模拟结构优化后的直接热脱附低NOx燃气燃烧器进行验证试验。开展针对燃烧器的过量空气系数的试验研究。测量燃烧室内温度分布、速度分布和NOx生成情况,对试验测量数据和数值模拟计算结果进行对比验证。进行多负荷工况的烟气氧浓度和NOx排放浓度测试,验证燃烧器负荷适应性。结果表明:最佳过量空气系数为1.1。试验数据和模拟数据结果基本吻合,误差低于10%,验证了数值模拟计算结果的准确性。在30%至100%负荷区间内,燃烧器燃烧稳定,烟气氧浓度低于4%,NOx排放浓度低于50 mg/m~3。综上所述,燃烧器可稳定高效低氮燃烧,负荷适应性强,满足燃烧器设计目标。本次设计将燃烧器NOx排放浓度从现有直接热脱附燃气设备的100mg/m~3以上降低至50mg/m~3,减排效果显著。