煤粉粒徑分布對電站鍋爐低氮燃燒器性能的影響

柳秀實(shí)， 李文華， 董 宇, 杜 聰

(1. 浙江浙能溫州發(fā)電有限公司， 浙江溫州 325000； 2. 河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院， 天津 300401)

煤粉的濃淡燃燒技術(shù)是目前國內(nèi)外電站鍋爐中常用的一種低氮燃燒技術(shù)[1-2]，該技術(shù)基于煤粉顆粒粒徑的不均勻性，通過彎頭、突擴(kuò)、滑塊、隔板等各種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)煤粉的慣性分離，形成多股濃淡煤粉射流，在鍋爐內(nèi)形成濃淡燃燒，抑制局部高溫區(qū)的產(chǎn)生，從而減少NOx排放[3-4]。在切向燃燒鍋爐中較為常見的WR型低氮燃燒器(簡稱WR型燃燒器)，則是通過安裝在內(nèi)部的彎頭、隔板以及出口的擴(kuò)流錐等結(jié)構(gòu)，形成慣性分離，實(shí)現(xiàn)濃淡燃燒。但在一些WR型燃燒器的實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，鍋爐在降負(fù)荷過程及低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)選擇性催化還原(SCR)脫硝設(shè)備進(jìn)口煙氣NOx質(zhì)量濃度升高的問題[5]。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看，以往研究主要針對額定負(fù)荷下NOx的生成狀況[6-9]，對于變工況下NOx的生成狀況則鮮見報(bào)道。筆者通過對WR型燃燒器內(nèi)的分離器進(jìn)行流場建模，分析其煤粉氣流的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，為變負(fù)荷條件下NOx的控制措施提供理論參考。

1 濃淡分離器效率計(jì)算

由于濃淡兩股煤粉氣流的顆粒分級狀況直接影響低氮燃燒過程，因此濃淡分離器效率是影響NOx降低效果的關(guān)鍵因素。分離器效率不僅與分離器本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)，還與煤粉的粒徑分布有關(guān)。來自磨煤機(jī)的煤粉，其粒徑分布符合Rosin-Rammler分布[10]：

Px=100exp(-bxn)

(1)

式中：Px為分布函數(shù)；b為細(xì)度系數(shù)，與分布函數(shù)的形態(tài)有關(guān)；n為均勻性指數(shù)，n越大顆粒越均勻，n>7則相當(dāng)均勻，電站鍋爐磨煤機(jī)制備的煤粉n一般在0.8～1.2，因而是一種寬篩分的粒徑分布。

圖1為WR型燃燒器結(jié)構(gòu)圖。該燃燒器利用圓管段的直角彎結(jié)構(gòu)改變氣流方向，形成慣性分離，同時(shí)通過噴口處的鋸齒狀V形擴(kuò)流錐進(jìn)一步擴(kuò)大濃淡兩股氣流之間的夾角[9]。經(jīng)過直角彎后，氣流方向發(fā)生改變，下游的流動(dòng)結(jié)構(gòu)往往變得較為復(fù)雜，出現(xiàn)各種漩渦結(jié)構(gòu)和二次流，并與煤粉顆粒相互作用；利用數(shù)值模擬的方法[10]可以計(jì)算出流場轉(zhuǎn)變后的煤粉路徑，但由于湍流氣固兩相射流流場的復(fù)雜性，全面的路徑計(jì)算事實(shí)上相當(dāng)困難。筆者采用文獻(xiàn)[11]中提出的解析方法，對不同粒徑煤粉在經(jīng)過彎頭時(shí)的轉(zhuǎn)彎半徑Rd(d為煤粉粒徑)進(jìn)行簡化計(jì)算。計(jì)算中忽略浮力的影響，把煤粉在分離器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)簡化為以一定的初始噴射速度u0和交角α(對于直角彎為90°)射入一個(gè)均勻氣相流場內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)。煤粉顆粒轉(zhuǎn)彎后，在氣動(dòng)力的影響下，運(yùn)動(dòng)方向逐漸變得與氣流方向一致，由此可以計(jì)算出顆粒與噴射點(diǎn)之間的垂直方向距離，即轉(zhuǎn)彎半徑(見圖2)。

圖1 WR型燃燒器結(jié)構(gòu)和出口的鋸齒狀V形擴(kuò)流錐

圖2 分離器簡化模型示意圖

研究結(jié)果表明分離器工作原理為：顆粒的轉(zhuǎn)彎半徑與初始噴射速度成正比，與粒徑的平方成正比；在粒徑一定的條件下，轉(zhuǎn)彎半徑與顆粒的動(dòng)量成正比；在粉管風(fēng)速一定的條件下，各個(gè)粒徑顆粒的初始噴射速度相同，則轉(zhuǎn)彎半徑與粒徑的平方成正比。粒徑越大則轉(zhuǎn)彎半徑越大，使大顆粒集中分布在流場的上部，因此可以通過下游的平行于流動(dòng)方向的隔板將煤粉分為濃淡兩股。

通過設(shè)定隔板位置，可以實(shí)現(xiàn)對濃淡兩股煤粉粒徑的分級控制。計(jì)算表明，在分級過程中，顆粒的轉(zhuǎn)彎半徑與噴射點(diǎn)的水平位置(x方向)無關(guān)，而主要取決于射流速度、煤粉密度及粒徑。上述模型得出分離器的理論效率η為：

(2)

式中：Rd*為分級粒徑d*(區(qū)分濃、淡煤粉的特征粒徑，大于此粒徑的煤粉進(jìn)入濃側(cè)，反之進(jìn)入淡側(cè))對應(yīng)的轉(zhuǎn)彎半徑；H為隔板高度。

分級粒徑與制粉系統(tǒng)的粒徑分布特征、磨煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)。筆者將結(jié)合此模型，進(jìn)一步探討變負(fù)荷時(shí)燃燒器的運(yùn)行狀況及其對NOx生成的影響。

2 WR型燃燒器降負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果及分析

某電廠的2號(hào)鍋爐為300 MW一次中間再熱、四角正反切圓、中速磨煤機(jī)正壓直吹式系統(tǒng)，在鍋爐大修中對燃燒器實(shí)施了低氮改造。考慮到鍋爐不投油穩(wěn)燃負(fù)荷較低(35%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)，以及煤種具有較強(qiáng)的結(jié)渣趨勢，燃燒器采用WR型燃燒器和同心反切圓燃燒系統(tǒng)。改造完成后，進(jìn)行了性能測試。試驗(yàn)期間入爐煤質(zhì)基本穩(wěn)定，煤質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 性能測試試驗(yàn)期間入爐煤質(zhì)參數(shù)

表2為上四層磨煤機(jī)(B、C、D、E)運(yùn)行時(shí)各負(fù)荷穩(wěn)定后的試驗(yàn)結(jié)果。由表2可知：在機(jī)組負(fù)荷為300 MW、270 MW、240 MW時(shí)，SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口原煙氣NOx質(zhì)量濃度的實(shí)測值均在185 mg/m3以下，其中300 MW時(shí)NOx質(zhì)量濃度平均值為176.0 mg/m3，270 MW時(shí)NOx質(zhì)量濃度平均值為161 mg/m3，240 MW時(shí)NOx質(zhì)量濃度平均值為168.5 mg/m3；在180 MW機(jī)組負(fù)荷時(shí)，SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口原煙氣的NOx質(zhì)量濃度顯著增高，平均值為210.5 mg/m3。

表2 上四層磨煤機(jī)運(yùn)行時(shí)不同機(jī)組負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

圖3、圖4為在上四層磨煤機(jī)運(yùn)行方式下，將機(jī)組負(fù)荷由300 MW降至180 MW的過程中，A側(cè)和B側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口測點(diǎn)處實(shí)測的原煙氣的NOx質(zhì)量濃度的變化趨勢。

圖3 A側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度隨機(jī)組負(fù)荷下降的變化趨勢

圖4 B側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度隨機(jī)組負(fù)荷下降的變化趨勢

由圖3、圖4可知：在300～240 MW負(fù)荷段，SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度的波動(dòng)幅度較小，其實(shí)測值基本在150～200 mg/m3，但當(dāng)機(jī)組負(fù)荷由240 MW進(jìn)一步降低至180 MW時(shí)，原煙氣的NOx質(zhì)量濃度呈明顯升高趨勢，最高達(dá)到300 mg/m3。

在300～240 MW負(fù)荷段，燃料質(zhì)量流量降低，煤粉細(xì)度降低(見圖5)，煤粉均勻性指數(shù)變化的幅度不大(見圖6)；另外，爐膛溫度隨負(fù)荷降低而下降，熱力型NOx生成質(zhì)量濃度理應(yīng)降低，同時(shí)運(yùn)行氧體積分?jǐn)?shù)未明顯升高(見表2)，SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口NOx質(zhì)量濃度的波動(dòng)幅度較小。

圖5 煤粉細(xì)度隨燃料質(zhì)量流量的變化趨勢

圖6 煤粉均勻性指數(shù)隨燃料質(zhì)量流量的變化趨勢

在240～180 MW負(fù)荷段，A、B側(cè)SCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)口實(shí)測氧體積分?jǐn)?shù)略有增加，但幅度并不大。在鍋爐降負(fù)荷動(dòng)態(tài)過程中，過量空氣系數(shù)增大和運(yùn)行氧體積分?jǐn)?shù)升高造成原煙氣NOx質(zhì)量濃度升高。由文獻(xiàn)[12]可知，過量空氣系數(shù)小幅度增加不應(yīng)致使煙氣NOx質(zhì)量濃度有如此大幅度升高，因此煙氣NOx質(zhì)量濃度異常升高應(yīng)另有原因。

濃淡燃燒技術(shù)中，WR型燃燒器正常運(yùn)行時(shí)，濃側(cè)煤粉粒徑大、質(zhì)量濃度高，氧體積分?jǐn)?shù)低，生成的燃料型NOx和熱力型NOx質(zhì)量濃度都比常規(guī)燃燒生成的NOx低；淡側(cè)過量空氣系數(shù)雖然大，但溫度水平較低，也不利于NOx的生成[13-15]。因此，在一定負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，能有效降低NOx排放。但上述濃淡燃燒效果能否實(shí)現(xiàn)，還取決于煤粉的濃淡分離器效率，這是由上述濃淡分離燃燒機(jī)理所決定的。事實(shí)上，任何一種濃淡分離方法(包括慣性分離、旋風(fēng)分離等)的分離器效率，都與進(jìn)入分離器的粒徑分布有關(guān)：粒徑越小、分布越不均勻，則分離效果越弱，WR型燃燒器的分離器也不能例外。由式(1)、式(2)可以看出，濃淡分離器效率與煤粉粒徑分布有關(guān)。因此，粒徑變化必然也對分離器效率以及濃淡燃燒效果產(chǎn)生影響。

對制粉系統(tǒng)進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果印證了以上結(jié)論。測量結(jié)果表明，負(fù)荷下降時(shí)燃料質(zhì)量流量降低，煤粉均勻性指數(shù)變小，同時(shí)煤粉細(xì)度變小。由圖5可知，隨燃料質(zhì)量流量的下降，煤粉細(xì)度呈下降趨勢：燃料質(zhì)量流量為28～32 t/h時(shí)，煤粉細(xì)度在15%左右；燃料質(zhì)量流量為24～28 t/h時(shí)，煤粉細(xì)度下降至10%左右。進(jìn)一步計(jì)算表明，在機(jī)組負(fù)荷降至75%額定負(fù)荷、燃料質(zhì)量流量由32 t/h降至 24 t/h時(shí)，由于煤粉細(xì)度減小、不均勻性增加，WR型燃燒器的分離器效率由96%下降至52%，導(dǎo)致NOx排放質(zhì)量濃度升高。

該電站鍋爐在降負(fù)荷運(yùn)行過程中，煤粉細(xì)度減小可以促進(jìn)著火、穩(wěn)定燃燒，但在燃燒得到強(qiáng)化的同時(shí)，也容易產(chǎn)生局部高溫區(qū)[16]。而結(jié)合制粉系統(tǒng)的測算結(jié)果表明，在低于75%額定負(fù)荷的低負(fù)荷條件下，隨著煤粉細(xì)度減小，分離器效率大為下降，部分煤粉事實(shí)上并沒有得到濃淡分離。綜上所述，低負(fù)荷條件下煤粉粒徑下降、濃淡分離失效，最終導(dǎo)致局部高溫區(qū)產(chǎn)生，NOx排放量增加。

3 結(jié)語

筆者通過對WR型燃燒器分離器的分析計(jì)算，討論了分離器效率受煤粉參數(shù)的影響規(guī)律，并結(jié)合濃淡分離器的物理模型，對某300 MW電站鍋爐在降負(fù)荷時(shí)NOx排放質(zhì)量濃度升高的原因進(jìn)行了試驗(yàn)分析。研究表明：隨燃料質(zhì)量流量變化煤粉細(xì)度相應(yīng)調(diào)整、WR型燃燒器的分離器效率下降，是NOx排放質(zhì)量濃度升高的兩個(gè)重要原因。因此，為了保證WR型燃燒器的低氮燃燒效果，在現(xiàn)有運(yùn)行條件下，建議該電廠應(yīng)盡量維持75%額定負(fù)荷以上運(yùn)行，避開濃淡分離器效率的下行區(qū)間；若要在低負(fù)荷運(yùn)行，為控制NOx排放，則須要結(jié)合制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，并對燃燒器進(jìn)一步改進(jìn)，增強(qiáng)其在低負(fù)荷工況的穩(wěn)燃和低排放特性。