徑向濃淡旋流燃燒器NO x排放和燃盡率的試驗研究

薛 山, 惠世恩, 周屈蘭, 徐通模

(1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,西安710032;2.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,西安710049)

本文對國內(nèi)開發(fā)的一種帶有燃盡風(fēng)且在燃燒器噴口的直徑方向上形成內(nèi)濃外淡煤粉分布的雙調(diào)風(fēng)低NOx旋流燃燒器進行了試驗研究,得到了一些對工程設(shè)計和應(yīng)用有參考價值的數(shù)據(jù).

該燃燒器的特點是:

(1)使用了變截面的中心風(fēng)管和一次風(fēng)管相結(jié)合的可調(diào)煤粉濃度的濃縮器,將煤粉混合氣流利用慣性分離為內(nèi)濃外淡的環(huán)狀氣流,以實現(xiàn)煤粉在徑向上的濃淡燃燒.在一次風(fēng)管的出口處,還設(shè)置了濃縮環(huán),當(dāng)內(nèi)濃外淡的環(huán)狀混合氣流撞擊到濃縮環(huán)時,濃縮環(huán)將進一步對煤粉混合氣流進行分離,使高濃度煤粉集中在一次風(fēng)管的內(nèi)側(cè),低濃度煤粉集中在一次風(fēng)管的外側(cè).內(nèi)濃外淡的構(gòu)思是為了發(fā)揮中心回流區(qū)的著火優(yōu)勢,這一點借鑒了水平濃淡燃燒的特點[1-3].圖1為燃燒器的結(jié)構(gòu)示意圖.

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of burner

(2)在帶有擴口的外二次風(fēng)管內(nèi),設(shè)置了整體可移動式軸向旋流器,以強化后期混合,并有效地提高燃盡效果[4].

(3)內(nèi)二次風(fēng)管出口為直噴口,其內(nèi)部也設(shè)置了整體可移動式軸向旋流器,用于調(diào)節(jié)回流區(qū)的位置,組織前期的混合和燃燒.

(4)為實現(xiàn)空氣分級燃燒,降低NOx的生成和排放,在主燃燒器上部設(shè)置了燃盡風(fēng)(OFA),其中14.5%的風(fēng)從燃盡風(fēng)噴口送入.

(5)為了提高煤種的適應(yīng)性,使該燃燒器能較好地實現(xiàn)劣質(zhì)、難燃煤種的穩(wěn)定燃燒,在一次風(fēng)管出口處,設(shè)置了穩(wěn)燃環(huán)裝置[5-7].

1 試驗設(shè)計及試驗方法

旋流對沖燃燒的熱態(tài)模化試驗是在西安交通大學(xué)的一個設(shè)計熱功率為1 MW的熱態(tài)試驗臺上進行的.試驗采用神華煤、河津煤和長治煤,這3種煤的基本特性見表1.根據(jù)試驗煤的特性所計算得出的熱態(tài)試驗的基本熱力參數(shù)見表2.由于影響燃燒的因素很多,所以試驗中僅參考主要的影響因素,即燃盡風(fēng)的相對位置、各風(fēng)率的變化以及內(nèi)、外二次風(fēng)旋流強度的變化.

表1 試驗煤種的基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of the test coals

表2 熱態(tài)試驗的基本熱力參數(shù)Tab.2 Basic thermal parameters of the hot test

本試驗中燃燒器幾何相似的比例是1:10,爐膛截面尺寸為爐深×爐寬=a×b=1 000 mm×800 mm,爐高為3 200 mm.試驗時雷諾數(shù)進入第二自?；瘏^(qū),試驗中所用燃料的濃度、密度、細(xì)度與實際相同.本次試驗的爐膛截面熱負(fù)荷qf(1.125 MW/m2)小于實爐運行時的截面熱負(fù)荷(3～5 MW/m2).顆粒的斯托克斯數(shù)St和弗勞德數(shù)Fr滿足完全相似是比較困難的,所以優(yōu)先滿足射流動量流率比相似以及燃料的濃度、密度和細(xì)度相似[8].

試驗系統(tǒng)如圖2所示.整個試驗系統(tǒng)由試驗爐本體、鼓引風(fēng)、給粉、水冷、給油、測量等6個子系統(tǒng)組成.試驗爐爐膛是試驗臺的核心主體部分,鼓引風(fēng)和給粉系統(tǒng)提供燃燒所需的空氣和煤粉,水冷系統(tǒng)保證各測量器具的冷卻以及煙氣的降溫,給油系統(tǒng)保障點火以及熄火時投入柴油進行燃燒,測量系統(tǒng)主要獲取研究所需的各種原始數(shù)據(jù).

圖2 試驗系統(tǒng)Fig.2 The experimental sy stem

本次研究的主要任務(wù)是在試驗工況下測量煙氣的主要組分O2、CO、CO2、NO x等和飛灰可燃物含量w(CFA).在爐膛出口布置了煙氣取樣測孔和飛灰取樣測孔,用水冷煙氣取樣槍和飛灰取樣槍按等速取樣原理對煙氣和飛灰分別取樣,用MSI compact煙氣分析儀分析煙氣成分,用重量法分析飛灰中的可燃物含量.

試驗時選取總過量空氣系數(shù)為1.2;一次風(fēng)份額為12.56%、17.56%和22.56%,一次風(fēng)速為12.56 m/s、16.15 m/s和20.75 m/s;內(nèi)二次風(fēng)份額為7.43%、9.93%、12.43%和17.43%;內(nèi)二次風(fēng)速為7.66 m/s、9.83 m/s、12.43 m/s和17.63 m/s,外二次風(fēng)份額為43.85%、46.35%、48.85%、51.35%和53.85%,外二次風(fēng)速為24.92 m/s、26.34 m/s、27.76 m/s、29.18 m/s和30.6 m/s;OFA份額為14.5%,OFA風(fēng)速為59.92/24.88 m/s(直流速度/旋流速度),OFA相對位置為0.22、0.32和0.42;內(nèi)二次風(fēng)旋流強度為1.38、1.60和1.79;外二次風(fēng)旋流強度為1.21、1.38和1.46.在上述參數(shù)下設(shè)計了31個試驗工況.試驗工況是在總過量空氣系數(shù)不變的情況下設(shè)計的,即:當(dāng)一次風(fēng)率增加5%時,內(nèi)、外二次風(fēng)率分別減少2.5%.

2 結(jié)果與討論

2.1 燃盡風(fēng)布置的相對位置對NO x和飛灰可燃物的影響

大量研究表明,燃燒過程中NOx的生成主要來自于燃料型.在燃料型NOx中,由于揮發(fā)分N而生成的NOx占燃料型NOx的60%～80%,所以控制NOx的主要環(huán)節(jié)在于控制揮發(fā)分熱解、燃燒的過程和溫度.空氣分級燃燒控制NO x生成的主要原理就是控制揮發(fā)分析出、燃燒時NOx的生成量,即在主燃燒區(qū)實現(xiàn)低氧燃燒.而為了不使低氧燃燒造成飛灰可燃物含量提高,在主燃燒區(qū)上面設(shè)置燃盡風(fēng),加強后期供氧、湍動和混合,使未完全燃燒的氣體和固體實現(xiàn)完全燃燒.但OFA燃燒器的布置位置以及風(fēng)率、風(fēng)速都會影響NOx的轉(zhuǎn)化和碳的燃盡[9-10].

圖3給出了燃盡風(fēng)的相對位置(即OFA燃燒器與主燃燒器軸心之間的距離與試驗爐膛長度方向內(nèi)壁之間的距離比)對NOx排放和飛灰可燃物含量的影響.由圖3可見,燃盡風(fēng)布置的相對位置對NOx的排放有顯著影響.燃盡風(fēng)布置的相對位置對三種煤的影響趨勢均相同,在相對位置為0.22時,NOx的排放量較小,而燃盡風(fēng)相對位置為0.32時,NOx的排放量最大,相對位置為0.42時,NOx的排放量最小.原因是當(dāng)燃盡風(fēng)離主燃燒器的距離較近時,在煤粉還沒有達到充分著火燃燒時燃盡風(fēng)就混入主氣流,使氣流整體溫度水平和燃燒速度降低,抑制了NOx的生成和排放.當(dāng)燃盡風(fēng)離主燃燒器的距離較遠(yuǎn)時,主燃燒區(qū)氧量相對不足,抑制了NOx的生成,而后期的補氧可提高煤的燃盡率.燃盡風(fēng)從相對位置0.32處供給時,揮發(fā)分熱解基本完成,這時正處于揮發(fā)分燃燒和焦炭開始著火的階段,局部區(qū)域形成一個合適的燃燒和N轉(zhuǎn)化的氧化溫度環(huán)境和氣氛環(huán)境,在焦炭充分著火燃燒的同時,焦炭中N的轉(zhuǎn)化率也提高,NOx的總轉(zhuǎn)化率處于最高[10-11].

圖3 OFA相對位置對NO x和飛灰含碳量的影響Fig.3 NO x and C FA values varying with the relative position of OFA nozzle

當(dāng)燃盡風(fēng)設(shè)計和布置合理時,可使飛灰含碳量顯著下降.僅從降低飛灰含碳量而言,根據(jù)煤種的不同燃盡風(fēng)的相對位置大約在0.33左右時,飛灰含碳量最低.燃盡風(fēng)的設(shè)計主要是為后期的混合、燃燒和燃盡提供氧量.當(dāng)燃盡風(fēng)噴口離主燃燒器過近時,燃盡風(fēng)會過早地混入燃燒氣流中,此時因并不缺氧,燃盡風(fēng)的混入降低了燃燒溫度,使飛灰可燃物含量升高;相反,當(dāng)燃盡風(fēng)噴口離主燃燒器過遠(yuǎn)時,氧供給的區(qū)域整體溫度水平較低,此時盡管有氧供給,但燃燒反應(yīng)速度還是較慢,所以飛灰含碳量也較高.

2.2 一次風(fēng)率對NO x和飛灰可燃物的影響

圖4給出了一次風(fēng)率對NOx和飛灰含碳量的影響.因煤粉在徑向?qū)崿F(xiàn)了內(nèi)濃外淡的分布,燃燒器出口高濃度的煤粉直接噴入高溫回流區(qū),當(dāng)一次風(fēng)率開始增加時,氧濃度也增加,適時適量的供氧創(chuàng)造了煤粉燃燒的良好條件,使局部溫度水平提高,高溫、高氧濃度促進燃燒反應(yīng)速度加快,從而飛灰含碳量下降;高溫、高氧濃度同時促進了NOx的生成,使NOx排放量增加.當(dāng)一次風(fēng)率提高到一定值后,一次風(fēng)改變了回流區(qū)的大小和位置,當(dāng)回流區(qū)的位置產(chǎn)生后移時,一次風(fēng)又影響了煤粉的著火和燃燒,這時NOx的排放量開始下降,而飛灰含碳量開始增加.

2.3 內(nèi)二次風(fēng)率對NO x和飛灰可燃物的影響

圖5給出了內(nèi)二次風(fēng)率對NOx和飛灰可燃物的影響.適當(dāng)增加內(nèi)二次風(fēng)可以及時提供燃燒所需要的氧氣,促進燃燒的進行,有利于飛灰含碳量的降低,但同時也造成NOx排放量的增加;當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)率過大且過早地混入一次風(fēng)中時,就會影響正常的著火和燃燒,且會造成飛灰含碳量升高,但此時NOx排放量卻下降.

圖4 一次風(fēng)率變化對NO x和飛灰含碳量的影響Fig.4 NO x and C FA values varying with the ratio of primary air

圖5 內(nèi)二次風(fēng)率變化對NO x和飛灰含碳量的影響Fig.5 NO x and C FA values varying with inner secondary air ratio

2.4 外二次風(fēng)率對NO x和飛灰可燃物的影響

圖6 外二次風(fēng)率變化對NO x和飛灰含碳量的影響Fig.6 NO x and C FA values varying with outer secondary air ratio

圖6 給出了外二次風(fēng)率對NOx和飛灰可燃物的影響.從圖6可以看出,該燃燒器的良好著火需要盡早提供外二次風(fēng).不管是神華煤、河津煤還是長治煤,適當(dāng)增大外二次風(fēng)率,均可有效地降低飛灰含碳量,但同時也增加了NOx的排放量.

2.5 旋流強度對NO x和飛灰可燃物的影響

從圖7和圖8可以看出,增加內(nèi)二次風(fēng)或外二次風(fēng)旋流強度,都使NOx的排放濃度提高,而飛灰可燃物含量降低.內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)旋流強度的提高均可以增強高溫?zé)煔獾幕亓骱途砦?加強前期的湍動混合,強化著火和揮發(fā)分的熱解、燃燒,所以燃燒生成的NOx隨著旋流強度的提高而增加,而飛灰含碳量則有所降低.

圖7 內(nèi)二次風(fēng)旋流強度對NO x和飛灰含碳量的影響Fig.7 NO x and C FA values varying with outer secondary air swirling intensity

圖8 外二次風(fēng)旋流強度對NO x和飛灰含碳量的影響Fig.8 NO x and C FA values varying with inner secondary air swirling intensity

3 結(jié) 論

(1)旋流對沖的煤粉濃淡燃燒配合采用OFA空氣分級燃燒技術(shù),對降低NOx的生成和減少飛灰含碳量都非常有益.而OFA燃燒器布置的相對位置,對NOx的生成和飛灰含碳量的影響顯著:當(dāng)OFA燃燒器與主燃燒器的相對位置由近向遠(yuǎn)布置時,對三種煤的影響趨勢相同,即NOx的生成量先增加后減少,而飛灰含碳量先降低后增加.即只有合理地設(shè)計和布置OFA燃燒器,才能在降低NO x生成量的同時,盡量減少飛灰含碳量.

(2)一次風(fēng)率的變化對NOx的生成和飛灰含碳量影響顯著.當(dāng)增加一次風(fēng)率時,三種煤燃燒所產(chǎn)生的NOx都是先增后降,而飛灰含碳量卻都先減后增.這就要求一次風(fēng)率的設(shè)定要合理實用,并建議對一次風(fēng)通道的結(jié)構(gòu)進行改進.

(3)該燃燒器具有較好的著火特性,當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和燃盡風(fēng)設(shè)計合理時,NOx可以降低到400～700 mg/m3,同時具有較好的經(jīng)濟性.

(4)增加內(nèi)、外二次風(fēng)的旋流強度,顯然提高了爐內(nèi)的點火速度和燃燒的穩(wěn)定性,使得NOx的生成量不斷提高,而飛灰含碳量則是呈現(xiàn)降低的趨勢.

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