煤粉工業(yè)鍋爐預(yù)燃式低氮燃燒器試驗(yàn)研究與開發(fā)

許鑫瑋，譚厚章，王學(xué)斌，楊富鑫，劉 興，鄭海國(guó)

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

截至2012年底，我國(guó)在運(yùn)燃煤工業(yè)鍋爐約46萬(wàn)臺(tái)，占全國(guó)工業(yè)鍋爐總量的85%，其年消耗原煤約7億t，占全國(guó)煤耗總量的18%，工業(yè)鍋爐燃煤排放已成為我國(guó)第二大燃煤污染源[1-4]。但我國(guó)工業(yè)鍋爐普遍存在高排放低效能等問題，平均運(yùn)行鍋爐效率僅為70%，較美國(guó)(85%)存在較大差距[5-7]。近年來(lái)隨著燃煤排放標(biāo)準(zhǔn)日益提高，部分重點(diǎn)地區(qū)對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐開始執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)[8]。相對(duì)于粉塵和SOx，目前對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐實(shí)現(xiàn)NOx超低排放仍存在巨大挑戰(zhàn)：煙氣脫硝技術(shù)如選擇性催化還原技術(shù)(SCR)脫硝效率高，但運(yùn)行成本高且氨逃逸嚴(yán)重，難以在燃煤工業(yè)鍋爐上廣泛應(yīng)用[9-10]。低氮燃燒器和空氣分級(jí)技術(shù)因其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)更易被工業(yè)鍋爐用戶接受。

低氮燃燒技術(shù)的原理是在爐膛內(nèi)營(yíng)造一個(gè)局部富燃料的還原氣氛區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)將部分生成的NO還原成N2以控制NOx排放。迄今為止，我國(guó)在大型電站煤粉鍋爐低氮燃燒技術(shù)方面取得了很多開創(chuàng)性的成果，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徑向濃淡旋流煤粉燃燒器，清華大學(xué)的富集型燃燒器，浙江大學(xué)的文丘里低氮燃燒器，東南大學(xué)的花瓣形低氮燃燒器等[11-12]。然而，相比煤粉電站鍋爐，煤粉工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)更具挑戰(zhàn)性：由于煤粉工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊，爐膛容積小，大多只能采用旋流燃燒器進(jìn)行燃燒，而不易進(jìn)行深度分級(jí)燃燒。為解決煤粉工業(yè)鍋爐穩(wěn)燃和低氮難題，近年來(lái)預(yù)燃式燃燒技術(shù)逐漸應(yīng)用于煤粉工業(yè)鍋爐領(lǐng)域。煤粉預(yù)燃技術(shù)是在煤粉進(jìn)入燃燒器前先經(jīng)過(guò)一絕熱的預(yù)燃室(預(yù)燃室內(nèi)為還原性氣氛)，煤粉在預(yù)燃室內(nèi)熱解并釋放出大量揮發(fā)分，在還原性氣氛下HCN等NOx前驅(qū)物可以將NO還原成N2，以降低總體燃煤NOx排放[13-17]。

本文開發(fā)了一種用于煤粉工業(yè)鍋爐的新型預(yù)燃式低氮燃燒器：旋流二次風(fēng)卷吸高溫?zé)煔鈱?duì)一次風(fēng)粉氣流進(jìn)行加熱，二次風(fēng)分三級(jí)(內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和燃盡風(fēng))送入爐膛，其中內(nèi)二次風(fēng)送入預(yù)燃室內(nèi)部，外二次風(fēng)從預(yù)燃室端部送入爐膛，燃盡風(fēng)(OFA)則從爐膛以切圓的形式送入。該型燃燒器在某25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐全尺寸平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究了一次風(fēng)率、二次風(fēng)配比、旋流葉片角度、循環(huán)風(fēng)率及燃盡風(fēng)率對(duì)NOx排放和燃燒效率的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)及參數(shù)

試驗(yàn)在25 t/h全尺寸煤粉工業(yè)鍋爐試驗(yàn)臺(tái)[18]上進(jìn)行，鍋爐額定壓力1.65 MPa，額定溫度205.7 ℃。燃燒系統(tǒng)如圖1所示，爐膛呈L型結(jié)構(gòu)，爐膛當(dāng)量直徑2.8 m，水平燃燒段長(zhǎng)3.7 m，垂直燃燒段長(zhǎng)5.8 m；預(yù)燃室出口直徑1.15 m，預(yù)燃室深度0.7 m。該燃燒系統(tǒng)設(shè)有煙氣再循環(huán)風(fēng)機(jī)，尾部煙氣通過(guò)再循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)入二次風(fēng)母管混入二次風(fēng)。在尾部煙道用德圖350煙氣分析儀測(cè)量NOx和O2，同時(shí)在該處對(duì)飛灰進(jìn)行取樣用于飛灰含碳測(cè)量，并計(jì)算鍋爐效率(排煙溫度按130 ℃估算)。鍋爐效率計(jì)算參考GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》。

圖1 25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic of the 25 t/h industrial boiler system

新型煤粉工業(yè)鍋爐預(yù)燃式低氮燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。燃燒器從內(nèi)到外依次為中心風(fēng)管、一次風(fēng)管及內(nèi)二次風(fēng)管；通過(guò)與預(yù)燃室相連通的外二次風(fēng)室，將外二次風(fēng)(直流)通過(guò)預(yù)燃室端面布置的二次風(fēng)嘴送入爐膛；內(nèi)二次風(fēng)為旋流，內(nèi)二次風(fēng)管內(nèi)布置角度可調(diào)軸向葉片以調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度。

圖2 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)Fig.2 Pre-combustion chamber

試驗(yàn)運(yùn)行負(fù)荷穩(wěn)定在約16 MW，爐膛出口過(guò)量空氣系數(shù)約1.2，爐膛出口NOx排放值均折算至9% O2。試驗(yàn)用煤的元素及工業(yè)分析見表1。煤粉工業(yè)鍋爐對(duì)煤粉細(xì)度要求較高，本文煤粉的R200為10%。

表1 試驗(yàn)用煤粉的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of test coal

1.2 試驗(yàn)工況

定義內(nèi)外二次風(fēng)比KS為內(nèi)二次風(fēng)量QSI與外二次風(fēng)量QSO的比值，則

KS=QSI/QSO。

(1)

旋流燃燒器煤粉燃燒效率和NOx排放的主要影響因素包括一次風(fēng)率、內(nèi)外二次風(fēng)配比、旋流葉片角度、燃盡風(fēng)(OFA)率及再循環(huán)煙氣風(fēng)(FGR)率，其對(duì)旋流煤粉火焰有重要影響，且呈高度非線性，因此分別對(duì)以上因素的影響特性開展了變工況試驗(yàn)，每個(gè)影響因素的變化均不低于4個(gè)水平，以確定最佳運(yùn)行工況。具體工況見表2。

表2 25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐工況Table 2 Case setup of the test on the 25 t/h pulverized industrial boiler

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 爐膛出口氧量的影響

不同爐膛出口氧量條件下的NOx排放和飛灰含碳量如圖3所示?？芍S著爐膛出口氧量降低，燃煤NOx排放顯著下降。爐膛出口氧量從5%降至3%時(shí)，NOx排放從230 mg/m3降至182 mg/m3，降幅約20%，NOx減排效果顯著；但相應(yīng)飛灰含碳量從11.7%升到18.5%，煤粉燃盡率顯著下降，說(shuō)明過(guò)低氧量條件下的著火和煤焦燃盡惡化。本文氧量影響試驗(yàn)結(jié)果與本課題組前期對(duì)某預(yù)燃式燃燒器的測(cè)試結(jié)果相近：即隨著爐膛出口氧量降低，NOx排放總體呈近線性規(guī)律下降。這主要是因?yàn)闋t膛內(nèi)整體氧氣濃度降低導(dǎo)致還原性氣氛增強(qiáng)，煤粉火焰早期形成的NOx在還原性氣氛下更易被還原為N2，使總體NOx排放降低。同時(shí)，低氧氣濃度下焦炭的氧化速率降低，且爐膛內(nèi)總體風(fēng)速的降低也使得爐膛內(nèi)的湍流強(qiáng)度降低，從而導(dǎo)致燃燒效率下降[19]。

圖3 爐膛出口氧量對(duì)NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.3 Effect of O2 at exit on the NOx and UBC

2.2 一次風(fēng)率的影響

工業(yè)鍋爐煤粉氣流著火過(guò)程中一次風(fēng)率的影響尤為重要，因?yàn)樗忻悍劬ㄟ^(guò)一次風(fēng)進(jìn)行輸送，一次風(fēng)率決定了一次風(fēng)管內(nèi)的煤粉濃度以及一次風(fēng)噴口速度。根據(jù)經(jīng)典的煤粉氣流著火熱量平衡理論，煤粉濃度或一次風(fēng)率決定了煤粉氣流著火所需要通過(guò)煙氣卷吸的高溫?zé)煔鉄崃縖20]。由于煤粉工業(yè)鍋爐的一次風(fēng)流量和壓頭對(duì)鍋爐給粉的波動(dòng)性影響很大，因此僅在試驗(yàn)系統(tǒng)允許的小范圍內(nèi)對(duì)一次風(fēng)率進(jìn)行調(diào)整。在維持爐膛出口總氧量和鍋爐運(yùn)行負(fù)荷不變的條件下，將一次風(fēng)率從8.5%逐漸降到7.8%，NOx排放和飛灰含碳量如圖4所示。可知NOx排放從215 mg/m3(9% O2)降到182 mg/m3(9% O2)，而飛灰含碳量從13.4%升到17.1%。該燃燒器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵特征是增大了一次風(fēng)與內(nèi)二次風(fēng)的徑向距離，推遲二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合以保持預(yù)燃室內(nèi)的還原性氣氛，從而控制燃燒初期NOx的生成。因此，降低一次風(fēng)率時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)的氧量降低導(dǎo)致其還原性氣氛增強(qiáng)，從而降低了燃燒初期燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致NOx排放降低。同時(shí)，一次風(fēng)率的降低也導(dǎo)致煤粉氣流總體著火過(guò)程推遲，加之試驗(yàn)所用25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐的爐膛設(shè)計(jì)偏小，加劇了總體燃盡率惡化，最終導(dǎo)致飛灰含碳量升高。

圖4 一次風(fēng)率對(duì)NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.4 Effect of primary air ratio on the NOx and UBC

2.3 內(nèi)外二次風(fēng)配比的影響

內(nèi)二次風(fēng)是旋流靠近一次風(fēng)管，通過(guò)內(nèi)二次風(fēng)的旋流卷吸高溫?zé)煔鈦?lái)實(shí)現(xiàn)煤粉氣流穩(wěn)定著火；而外二次風(fēng)則是直流從預(yù)燃室末端截面送入爐膛，逐漸混入煤粉火炬，補(bǔ)充煤粉燃盡所需氧氣。因此，理論上，內(nèi)外二次風(fēng)配比對(duì)煤粉氣流及時(shí)著火以及火焰長(zhǎng)度的影響十分重要。試驗(yàn)過(guò)程中保持總二次風(fēng)量不變，調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)量占比為35.9%、42.3%、45.8% 和51.0%，分別對(duì)應(yīng)內(nèi)外二次風(fēng)配比為0.67、0.88、1.03和1.32。內(nèi)外二次風(fēng)配比對(duì)NOx排放和飛灰含碳量的影響如圖5所示。可知內(nèi)外二次風(fēng)比從0.67提到1.32，NOx排放從188 mg/m3(9% O2)增到199 mg/m3(9% O2)，飛灰含碳量從18.1%降至15.0%。說(shuō)明提高旋流的內(nèi)二次風(fēng)量有利于煤粉燃盡，但一定程度上增大了NOx排放。主要是由于增大旋流內(nèi)二次風(fēng)比例，可增大爐膛內(nèi)回流區(qū)面積，同時(shí)提高了燃燒初期的氧量，強(qiáng)化火焰初期的燃燒，使飛灰含碳量降低。但旋流內(nèi)二次風(fēng)增大削弱了預(yù)燃室內(nèi)的還原性氣氛，預(yù)燃室內(nèi)氧氣濃度升高使得NOx前驅(qū)物更易被氧化成NOx。在試驗(yàn)范圍內(nèi)減小內(nèi)二次風(fēng)量能降低NOx排放，但將劣化煤粉燃盡率，內(nèi)外二次風(fēng)比率在0.9～1.0時(shí)，NOx排放較低且飛灰含碳量未顯著增大，因此建議該型燃燒器運(yùn)行時(shí)將內(nèi)外二次風(fēng)率控制在0.9～1.0。

2.4 二次風(fēng)旋流葉片角度的影響

內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度決定了內(nèi)二次風(fēng)旋流度，并通過(guò)影響通道阻力而影響各股風(fēng)量分配。保持內(nèi)外二次風(fēng)閥門開度不變，僅改變旋流內(nèi)二次風(fēng)葉片角度，其對(duì)NOx排放和飛灰含碳的影響如圖6所示?？芍S著內(nèi)二次風(fēng)葉片角度從30°增大到60°，飛灰含碳量從15.4%增加至22.4%，NOx排放從222 mg/m3(9% O2)降低至約190 mg/m3(9% O2)。葉片角度小于45°時(shí)，飛灰含碳隨角度的減小變化不顯著(略有上升)，而NOx排放急劇增加；當(dāng)葉片角度大于45°時(shí)，NOx排放略有增加，而飛灰含碳隨著角度的增加劇烈升高。說(shuō)明該型燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)葉片旋流角度在45°附近存在最優(yōu)值，使NOx排放較低且燃盡率較好。

圖6 二次風(fēng)葉片角度對(duì)NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.6 Effect of the vane angle of the secondary air on the NOx and UBC

NOx排放和燃盡率隨葉片角度變化的原因?yàn)椋喝~片角度大于45°時(shí)，隨著角度增加，風(fēng)管內(nèi)通流面積降低，內(nèi)二次風(fēng)管阻力增大，使旋流內(nèi)二次風(fēng)量降低，燃燒初期氧量降低，煤粉著火延遲，煤粉燃盡率降低。當(dāng)角度小于45°時(shí)，隨著葉片角度的減小，通流面積增大，內(nèi)二次風(fēng)量增大，氣流的旋轉(zhuǎn)慣性減小，直流剛性增大，導(dǎo)致二次風(fēng)混合位置提前，回流區(qū)面積減小，削弱了預(yù)燃室內(nèi)的還原性氣氛，增加了NOx生成量。由于鍋爐沒有空預(yù)器，因此二次風(fēng)為冷風(fēng)，葉片角度減小使回流區(qū)面積減小，卷吸的煙氣量降低，不利于煤粉著火。同時(shí)直流剛性較大的冷二次風(fēng)將火焰向爐膛后部壓，使煤粉燃點(diǎn)推后，燃盡率降低。綜合考慮燃盡效果與減排能力，該燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)葉片角度應(yīng)控制在45°～50°。

2.5 燃盡風(fēng)率的影響

燃盡風(fēng)(OFA)率對(duì)NOx排放和飛灰含碳的影響如圖7所示。隨著燃盡風(fēng)率從0增至16%，爐膛NOx排放與飛灰含碳均呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢(shì)：燃盡風(fēng)率從0增到9%，NOx排放從214 mg/m3(9% O2)降至196 mg/m3(9% O2)，當(dāng)燃盡風(fēng)率繼續(xù)增到16%，NOx排放則又升到209 mg/m3(9% O2)。這主要與鍋爐結(jié)構(gòu)及OFA位置有關(guān)，爐膛OFA送入位置設(shè)在L型鍋爐水平段中部，距離預(yù)燃室出口較近。OFA風(fēng)量增大導(dǎo)致通過(guò)燃燒器的內(nèi)外二次風(fēng)量減少，燃燒初期氧氣濃度降低，從而抑制了主燃區(qū)內(nèi)NOx生成。但OFA風(fēng)量增加到一定值后，由于主燃區(qū)整體持續(xù)后移導(dǎo)致該風(fēng)量配比情況下主燃區(qū)的位置已推遲到OFA噴口附近，大量OFA風(fēng)及時(shí)加入為煤粉燃盡提供了充足的氧氣，爐膛后部燃燒劇烈，燃盡區(qū)溫度升高，高溫區(qū)甚至延伸到L型爐膛的垂直段，導(dǎo)致NOx生成量增加。

圖7 燃盡風(fēng)率對(duì)NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.7 Effect of the OFA ratio on the NOx and UBC

OFA以切圓方式送入爐膛內(nèi)，能強(qiáng)化爐膛后部的湍動(dòng)，少量OFA能強(qiáng)化燃燒后期的混合與燃燒，加快焦炭反應(yīng)速度，降低飛灰含碳量；但隨著OFA風(fēng)繼續(xù)增大，主燃區(qū)燃燒惡化，火焰整體后移，使煤焦在爐膛內(nèi)的燃燒時(shí)間減少，飛灰含碳量上升。

由于試驗(yàn)平臺(tái)的局限性，OFA位置過(guò)于靠近主燃區(qū)，其作用更接近傳統(tǒng)電站鍋爐的緊湊型燃盡風(fēng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于該型燃燒器及搭配的L型煤粉鍋爐，優(yōu)化工況為10%左右的OFA風(fēng)率。

2.6 再循環(huán)煙氣量的影響

再循環(huán)煙氣(FGR)是由尾部煙道抽取并送入二次風(fēng)母管中，但試驗(yàn)中受循環(huán)風(fēng)機(jī)頻率限制，F(xiàn)GR風(fēng)率最大僅為10%。NOx排放和飛灰含碳隨再循環(huán)煙氣風(fēng)率的變化如圖8所示。FGR能顯著降低NOx排放，隨著FGR風(fēng)率從0提到10%，NOx排放從208 mg/m3(9% O2)降至184 mg/m3(9% O2)。飛灰含碳量先降低后升高，這主要是由于FGR的加入使二次風(fēng)氧氣濃度降低，且FGR的混入總體上拉低了爐膛的平均溫度，有利于控制NOx的生成。同時(shí)，F(xiàn)GR的混入增大所有二次風(fēng)噴口的射流速度，強(qiáng)化了爐膛內(nèi)部的湍動(dòng)，增大高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，能卷吸更多的高溫?zé)煔鈴?qiáng)化著火；但FGR煙氣量過(guò)大時(shí)，爐膛內(nèi)氧氣濃度降低，對(duì)煤粉燃燒產(chǎn)生抑制作用，導(dǎo)致飛灰含碳量升高。

圖8 循環(huán)風(fēng)率對(duì)NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.8 Effect of the FGR ratio on the NOx and UBC

3 結(jié) 論

1)開發(fā)了一種新型的用于煤粉工業(yè)鍋爐的預(yù)燃式低氮燃燒器，并在25 t/h全尺寸試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)。隨著一次風(fēng)率增加，NOx排放逐漸增大，一次風(fēng)合理區(qū)間為8%左右。

2)內(nèi)外二次風(fēng)比率在0.9～1.0時(shí)，NOx排放較低且飛灰含碳未顯著增大，因此建議該型燃燒器運(yùn)行時(shí)將內(nèi)外二次風(fēng)率控制在0.9～1.0；隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度增大，NOx排放先減少后增大，推薦的優(yōu)化角度區(qū)間為45°～55°；由于燃盡風(fēng)位置離主燃區(qū)太近，推薦的燃盡風(fēng)率應(yīng)控制在10%左右；隨著再循環(huán)煙氣量的增大，NOx排放值逐漸降低而飛灰含碳先降低后升高。

3)全尺寸平臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中煤粉著火穩(wěn)定，在最佳配風(fēng)比例條件下的NOx排放可達(dá)到171～178 mg/m3(9% O2)，該工況下對(duì)應(yīng)鍋爐飛灰含碳14.9%，折算鍋爐熱效率可達(dá)91.7%。