燃用準(zhǔn)東煤的旋風(fēng)爐空氣分級方式試驗(yàn)研究

張向宇，陸 續(xù)，張 波，向小鳳，徐宏杰

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

煤的燃燒過程中，NOx的生成量與燃燒溫度和過量空氣系數(shù)等燃燒條件密切相關(guān)?？諝夥旨壢紵夹g(shù)是將燃燒用的空氣分階段送入，降低主燃區(qū)溫度及氧量從而減少NOx排放。空氣分級低氮燃燒技術(shù)在我國已經(jīng)有不少研究和工程實(shí)踐[1-2]。周俊虎等[3]試驗(yàn)研究了空氣分級技術(shù)的NOx脫除效果以及對鍋爐效率和結(jié)渣的影響。劉福國等[4]研究了煙煤鍋爐在空氣分級燃燒時(shí)飛灰燃盡度隨主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的變化特性。

旋風(fēng)爐是一種典型的液態(tài)排渣閉式燃燒室，利用切向氣流產(chǎn)生一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的流場，加強(qiáng)風(fēng)煤混合及熱量交換[5]，具有較高的捕渣率，適用于低灰熔點(diǎn)、易結(jié)渣的煤。相關(guān)研究指出，旋風(fēng)爐能夠降低進(jìn)入爐膛尾部受熱面煙氣中的含塵濃度與氣態(tài)Na、K鹽含量，從而緩解受熱面沾污和磨損，是實(shí)現(xiàn)全燒低灰熔點(diǎn)準(zhǔn)東煤的潛在途徑[6]。由于燃燒溫度高，旋風(fēng)爐NOx排放質(zhì)量濃度可達(dá)到700~1 200 mg/m3，因此在準(zhǔn)東煤旋風(fēng)燃燒時(shí)必須考慮采用合適的低氮燃燒技術(shù)。

在旋風(fēng)爐中實(shí)施空氣分級燃燒存在2個(gè)有利的客觀條件。首先，旋風(fēng)燃燒條件下熱力型NOx占主要份額，采用空氣分級降低主燃區(qū)溫度能夠顯著減小NOx生成量[7]。其次，旋風(fēng)爐中燃燒與傳熱過程相分離，壁面渣層覆蓋在襯里表面，有效防止了空氣分級燃燒引起的高溫腐蝕和爐膛結(jié)渣問題[8]。但是，與其他煤粉爐所不同的是，除了研究NOx生成和煤粉燃盡問題，在旋風(fēng)爐中應(yīng)特別關(guān)注空氣分級對顆粒沉積和液態(tài)排渣的影響，需要建立新的空氣分配原則。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

本文將結(jié)合準(zhǔn)東煤的黏溫特性建立液態(tài)排渣模型，計(jì)算確定主燃區(qū)過量空氣系數(shù)，并在一臺旋風(fēng)爐上開展空氣分級燃燒試驗(yàn)，從而獲得最佳的空氣分級方式。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。主要由立式旋風(fēng)筒、過渡煙道、燃盡室、水平煙道、空氣預(yù)熱器、旋風(fēng)除塵器等構(gòu)成。旋風(fēng)筒設(shè)計(jì)熱容量為100 kW，高度1 100 mm，筒徑300 mm，容積熱負(fù)荷為1 286 kW/m3，斷面熱負(fù)荷為1 415 kW/m2。

煤粉和一次風(fēng)、部分二次風(fēng)由旋風(fēng)筒頂部噴入，助燃二次風(fēng)由筒壁切向、分級送入，共有5個(gè)二次風(fēng)噴口。燃盡風(fēng)（OFA）在燃盡室噴入，共有3個(gè)噴口。采用B型熱電偶測量火焰溫度，采用K型熱電偶測量沿程煙氣溫度。在旋風(fēng)筒出口和尾部煙道用煙氣分析儀測量CO、SO2、NO、NO2 和O2含量，其中氧測量為順磁法，其他氣體測量為非色散紅外吸收法。飛灰在除塵器處取樣，熔渣在旋風(fēng)筒底部取樣。

選取3種典型的準(zhǔn)東煤，煤質(zhì)數(shù)據(jù)見表1，煤灰主要成分見表2。

表1 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù) w/%Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the coal

表2 煤灰主要成分 w/%Tab.2 Composition analysis of the coal ash

由表1和表2可見：準(zhǔn)東煤揮發(fā)分高、灰分低，易著火和燃盡，是一種優(yōu)良的動力用煤；準(zhǔn)東煤富含堿金屬Na，對煤灰熔融特性具有很大影響，煤灰堿酸比分別為2.37、0.79和0.84，均有嚴(yán)重的沾污和結(jié)渣傾向。

灰渣的流變特性一般采用黏溫曲線來表征，它是灰渣熔融過程中黏度與溫度的對應(yīng)關(guān)系。利用旋轉(zhuǎn)高溫黏度計(jì)在弱還原性氣氛下測定3個(gè)煤樣的黏溫曲線，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，3個(gè)煤樣的灰臨界溫度分別為1 543、1 473、1 553 K，低溫下中聯(lián)煤的流變性要好于另外2個(gè)煤種。

圖2 典型準(zhǔn)東煤黏溫特性Fig.2 The viscous-temperature characteristics of typical Zhundong coal

2 主燃區(qū)過量空氣系數(shù)

在旋風(fēng)爐中采用空氣分級燃燒時(shí)，必須考慮主燃區(qū)溫度降低對液態(tài)排渣的影響。液態(tài)排渣過程受爐型、煤種和燃燒組織的影響，本文將通過求解液態(tài)排渣模型來確定不同煤種主燃區(qū)過量空氣系數(shù)的取值范圍。

以立式旋風(fēng)筒為例，建立旋風(fēng)燃燒液態(tài)排渣模型（圖3）。高溫熔融的飛灰顆粒在爐內(nèi)氣流的帶動下，在壁面沉積燃燒并形成液態(tài)的渣層，熔渣層在重力和煙氣曳力作用下流變的同時(shí)與煙氣側(cè)發(fā)生對流和輻射換熱[9]。

圖3 旋風(fēng)爐液態(tài)排渣模型Fig.3 The liquid slagging model of the cyclone furnace

根據(jù)集總參數(shù)模型，熔渣層的能量守恒方程為

質(zhì)量守恒方程：

動量守恒方程[11]:

黏溫方程：

式中：ρ為灰渣密度，kg/m3；L為爐膛高度，m；B為給煤量，kg/h；war(A)為灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Η為捕渣率，%，這里定義捕渣率為旋風(fēng)筒中捕集的灰渣占燃料煤總灰量的份額；V為渣層流動速度，m/s；u為液渣黏度，Pa·s；u0為熔渣臨界溫度下的黏度；uz為熔渣表面溫度對應(yīng)的黏度；φ為無量綱數(shù)。

聯(lián)立求解可得到熔渣流動層溫度。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定液態(tài)排渣，須保證流動層溫度大于液渣黏度25 Pa·s對應(yīng)的溫度Tu=25[12]。

設(shè)計(jì)捕渣率為60%的情況下，計(jì)算了3個(gè)煤種在不同主燃區(qū)過量空氣系數(shù)下的排渣溫度，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：不同煤種的穩(wěn)定液態(tài)排渣邊界條件存在較大差別；對于天池和特變煤，在低負(fù)荷下主燃區(qū)過量空氣系數(shù)必須大于0.9；而燃用流變性好的中聯(lián)煤時(shí)，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)可以減小到0.8。

圖4 不同煤種主燃區(qū)過量空氣系數(shù)下的排渣溫度Fig.4 The range of excess air coefficients in main combustion zone of different coals

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

選擇中聯(lián)煤作為試驗(yàn)煤種，在旋風(fēng)爐上開展空氣分級燃燒試驗(yàn)。設(shè)定一次風(fēng)風(fēng)率為15%，設(shè)計(jì)風(fēng)速為14 m/s。燃燒器二次風(fēng)風(fēng)率為25%（本文中風(fēng)率均以理論空氣量為基準(zhǔn)），旋流葉片角度57°。調(diào)節(jié)筒壁二次風(fēng)風(fēng)率以實(shí)現(xiàn)不同的主燃區(qū)過量空氣系數(shù)，切向二次風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速65 m/s（空氣未分級，過量空氣系數(shù)為1.0）。燃燒溫度測量結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出：當(dāng)主燃區(qū)過量空氣系數(shù)減小時(shí)，燃燒溫度降低，這將有利于減少NOx生成；出口煙溫和排渣口熔渣溫度隨過量空氣系數(shù)減小而降低，當(dāng)主燃區(qū)過量空氣系數(shù)減小到0.8時(shí)，熔渣溫度仍然高于排渣限值，能夠穩(wěn)定液態(tài)排渣。

圖5 過量空氣系數(shù)對排渣溫度的影響Fig.5 The influence of excess air coefficient on slagging temperature

采用旋風(fēng)筒出口CO體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度測量值來表征主燃區(qū)燃燒狀況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 NOx質(zhì)量濃度和CO體積分?jǐn)?shù)隨過量空氣系數(shù)變化Fig.6 The variations of NOx mass concentration and CO volume fraction with excess air coefficient

由圖6可以看出：隨著主燃區(qū)過量空氣系數(shù)減小，NOx生成質(zhì)量濃度由662.0 mg/m3降低到461.9 mg/m3，CO生成體積分?jǐn)?shù)由1 512 μL/L增加到15 797 μL/L，這表明空氣分級條件下主燃區(qū)呈還原性氣氛，CO的存在使NO快速減少。在高濃度CO存在的強(qiáng)還原性氣氛中，H2S、SO3等氣體會與金屬管壁發(fā)生反應(yīng)引起高溫腐蝕，因此常規(guī)煤粉爐中需要控制主燃區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)及分布。但在旋風(fēng)爐中，由于壁面被熔渣層覆蓋，高溫腐蝕問題得到緩解，此時(shí)主燃區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)主要受燃盡過程限制。

對筒壁切向二次風(fēng)采用多級配風(fēng)，以實(shí)現(xiàn)深度的空氣分級燃燒。比較了不同切向二次風(fēng)分級方式對NOx質(zhì)量濃度和CO體積分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖7所示。切向二次風(fēng)分別由一、二、三級噴口送入，選擇了4種風(fēng)率分配方式。由圖7可以看出，將切向二次風(fēng)下引時(shí)，NOx生成質(zhì)量濃度降低，而CO體積分?jǐn)?shù)升高；當(dāng)一、二、三級噴口風(fēng)率分別為20%、10%和10%時(shí)，NOx生成質(zhì)量濃度達(dá)到最小值432.0 mg/m3。

圖7 切向二次風(fēng)分級方式對NOx質(zhì)量濃度和CO體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.7 The influence of staging mode of tangential secondary air on NOx mass concentration and CO volume fraction

切向二次風(fēng)分級會改變爐內(nèi)流場，并對顆粒沉積產(chǎn)生影響。采用結(jié)渣探針在筒壁6個(gè)溫度測點(diǎn)處捕集飛灰，稱重后得到沿程飛灰沉積速率分布，結(jié)果如圖8所示。

圖8 切向二次風(fēng)分級方式對捕渣率的影響Fig.8 The influence of staging mode of tangential secondary air on slag capture ratio

由圖8可以看出，當(dāng)噴口風(fēng)率較大時(shí)，對應(yīng)區(qū)域飛灰沉積速率顯著升高。由于爐膛上部未燃煤粉較多，應(yīng)減小上部二次風(fēng)率以防止煤粉沉積堵塞二次風(fēng)噴口。同時(shí)，將切向二次風(fēng)下引能夠提高爐膛下部飛灰沉積速率，從而提高整體捕渣率。

圖9給出了不同切向二次風(fēng)分級方式下的熔渣溫度和熔渣中未燃盡碳含量。由圖9可以看出：當(dāng)3個(gè)噴口風(fēng)率分別為20%-0-20%時(shí)，熔渣溫度低于排渣限值，其他3種配風(fēng)方式能夠保證穩(wěn)定液態(tài)排渣；當(dāng)切向二次風(fēng)下移時(shí)，熔渣溫度降低，而熔渣中含碳量上升。這主要是由于準(zhǔn)東煤著火距離短，當(dāng)上部燃燒區(qū)氧量不足時(shí)，火焰溫度降低，焦炭不完全燃燒，未燒完的焦炭被熔渣覆蓋，引起渣中未燃盡碳含量上升。因此，旋風(fēng)爐燃用著火性能好的準(zhǔn)東煤時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大上部二次風(fēng)量，切向二次風(fēng)可采用三級配風(fēng)，風(fēng)率分配遵循“上大下小”原則。

圖9 切向二次風(fēng)分級方式對液態(tài)排渣的影響Fig.9 The influence of staging mode of tangential secondary air on liquid slagging

OFA噴入位置和風(fēng)率對CO燃盡有很大影響。試驗(yàn)比較了3個(gè)OFA噴入位置對NOx和CO排放的影響，結(jié)果如圖10所示。

圖10 OFA布置位置對NOx質(zhì)量濃度和CO體積分?jǐn)?shù)的影響Fig.10 The influence of OFA arrangement on NOx mass concentration and CO volume fraction

CO體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度測點(diǎn)位于除塵器尾部，OFA風(fēng)率為40%，3個(gè)噴口對應(yīng)的煙氣停留時(shí)間分別為0.50、0.62、1.20 s。由圖10可以看出：燃盡風(fēng)后移，CO體積分?jǐn)?shù)升高，而NOx質(zhì)量濃度降低；當(dāng)煙氣停留時(shí)間大于0.62 s時(shí)，改變?nèi)急M風(fēng)噴口位置對NOx質(zhì)量濃度影響很小，這表明焦炭N已反應(yīng)完全[13]。因此，選擇燃盡風(fēng)噴口時(shí)應(yīng)確保煙氣停留時(shí)間大于0.62 s。

燃盡風(fēng)由噴口2送入，改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)率并測量除塵器出口CO體積分?jǐn)?shù)和飛灰含碳量，結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出：隨著燃盡風(fēng)率增加，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸降低；當(dāng)燃盡風(fēng)率大于35%后，CO排放體積分?jǐn)?shù)基本不變；飛灰含碳量受燃盡風(fēng)影響較小，這主要與旋風(fēng)爐的燃燒方式有關(guān)[14]。在旋風(fēng)爐中粗煤粉顆粒貼壁燃燒，細(xì)顆粒隨煙氣繞流，停留時(shí)間延長，尾部飛灰粒徑小且燃盡度高，飛灰含碳量受空氣分級影響較小。從燃燒經(jīng)濟(jì)性考慮，燃盡風(fēng)率選擇30%~35%，爐膛總過量空氣系數(shù)為1.10~1.15。

圖11 OFA風(fēng)率對CO體積分?jǐn)?shù)和飛灰含碳量的影響Fig.11 The influence of OFA ratio on unburned carbon content in fly ash and CO volume fraction

表1給出了空氣分級和未分級燃燒的結(jié)果對比。由表1可見：NOx排放質(zhì)量濃度由662.3 mg/m3降低到432.0 mg/m3（折算到NO2，φ(O2)=6%），減少約30%；CO排放體積分?jǐn)?shù)和飛灰含碳量略有增加，渣中未燃盡碳含量增加2.19百分點(diǎn)，折合未完全燃燒熱損失增加0.22%。

表3 空氣分級與未分級燃燒對比Tab.3 Comparison between staged air combustion and unstaged air combustion

熔渣中的碳會與氧化亞鐵發(fā)生還原反應(yīng)而析出液態(tài)的鐵，鐵水容易侵入爐底縫隙而損壞爐底結(jié)構(gòu)，另外析出的鐵會與水反應(yīng)生成氫氣產(chǎn)生爆炸事故[15-17]。因此在工業(yè)旋風(fēng)爐中采用空氣分級燃燒時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注渣中未燃盡碳含量。

4 結(jié) 論

1）旋風(fēng)爐燃用流變性好的準(zhǔn)東煤時(shí)，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)可降低到0.8，燃燒溫度能夠保證穩(wěn)定液態(tài)排渣。

2）切向二次風(fēng)下移有利于提高捕渣率和降低NOx生成，但會引起渣中含碳量上升，可采用“上大下小”三級配風(fēng)，風(fēng)率依次為20%、10%和10%。

3）主燃區(qū)到燃盡風(fēng)噴口的停留時(shí)間應(yīng)大于0.62 s，燃盡風(fēng)率為30%~35%，爐膛總過量空氣系數(shù)為1.10~1.15。

4）準(zhǔn)東煤旋風(fēng)燃燒采用分級配風(fēng)可降低NOx生成量30%以上，飛灰含碳量略有增加，渣中含碳量上升2.19百分點(diǎn)，鍋爐熱效率下降0.22%。