三次風(fēng)擺角影響W火焰鍋爐低負(fù)荷燃燒及NOx排放特性的試驗(yàn)研究

曾令艷，李曉光，張 寧，陳智超，李爭(zhēng)起

(1.上海電機(jī)學(xué)院，上海 201306；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

我國(guó)是世界上為數(shù)不多的低揮發(fā)分煤(即貧煤和無煙煤)蘊(yùn)藏豐富的國(guó)家之一[1]，低揮發(fā)分煤在電站鍋爐燃用煤量中所占比例高達(dá)40%以上。我國(guó)自20世紀(jì)80年代末開始從國(guó)外引進(jìn)一種專為燃用無煙煤和貧煤而設(shè)計(jì)的W火焰鍋爐。這種鍋爐因?yàn)闋t內(nèi)溫度高，煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，被廣泛用于燃用難燃且廉價(jià)的無煙煤及貧煤[2-3]，但也因此存在煤粉著火晚[4]，流場(chǎng)偏斜[5]，飛灰可燃物含量高[6-9]以及NOx排放濃度偏高[10-15](NOx排放濃度高達(dá)1200～1600mg/m3，6%O2)等問題。這與我國(guó)節(jié)能減排的政策相違背[16]。研究人員進(jìn)行了較深入的研究并提出了相應(yīng)解決措施，例如在無煙煤中摻燒混煤以穩(wěn)燃[17]，調(diào)整燃燒系統(tǒng)以增強(qiáng)煤粉燃盡[18]，調(diào)整爐內(nèi)分級(jí)供風(fēng)抑制NOx排放等解決特定問題的措施[19]。李爭(zhēng)起等[20]提出了致力于綜合解決上述問題的多次引射分級(jí)燃燒技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)做了一系列的研究[20-22]。研究表明該項(xiàng)技術(shù)在提高煤粉燃盡性、穩(wěn)燃、保持爐內(nèi)火焰對(duì)稱性及降低NOx生成等方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

然而，在實(shí)際運(yùn)行中，為降低燃料成本，鍋爐實(shí)際燃用煤質(zhì)有時(shí)會(huì)比設(shè)計(jì)煤質(zhì)差，如燃燒灰分較高的劣質(zhì)煤，干燥基灰分Ad大于40%，屬于極難穩(wěn)燃、中等難燃盡的煤[23-24]。鍋爐燃用高灰分的劣質(zhì)煤時(shí)，煤粉的燃盡難以保證，飛灰燃盡度不易提高，使得飛灰和爐渣可燃物含量偏高[25-28]。降低飛灰可燃物含量不僅可以提高鍋爐效率，還能使飛灰得到有效利用，減少環(huán)境污染[29]。

本文采用工業(yè)試驗(yàn)方法，研究三次風(fēng)擺角(0°、15°和25°)變化對(duì)一臺(tái)采用多次引射分級(jí)燃燒技術(shù)的350MW超臨界W火焰鍋爐爐內(nèi)燃燒及NOx排放特性的影響。鍋爐燃用高灰分、低熱值的劣質(zhì)煤，因?qū)嶋H生產(chǎn)需要，機(jī)組鍋爐常在210MW負(fù)荷下運(yùn)行。燃煤鍋爐的最佳運(yùn)行負(fù)荷是70%～100%額定電負(fù)荷，低于這個(gè)范圍即為低負(fù)荷運(yùn)行[30-31]。本文研究鍋爐低負(fù)荷下濃煤粉氣流著火特性，下爐膛溫度分布，近燃燒器區(qū)域和近三次風(fēng)區(qū)域的煙氣組分濃度，爐膛出口飛灰可燃物含量和NOx排放濃度的變化規(guī)律，得出了最佳的三次風(fēng)擺角，為優(yōu)化燃燒系統(tǒng)和指導(dǎo)鍋爐運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法及裝置

圖1所示為爐膛結(jié)構(gòu)及鍋爐燃燒系統(tǒng)示意圖，爐膛沿爐膛中心線對(duì)稱，圖中顯示半爐膛結(jié)構(gòu)。在前后拱上各布置8只燃燒器，每只燃燒器對(duì)應(yīng)一只旋風(fēng)筒煤粉濃縮器對(duì)一次風(fēng)煤粉氣流進(jìn)行濃淡分離，分離后的煤粉分別進(jìn)入燃燒器濃淡煤粉氣流噴口。每只燃燒器包括4個(gè)濃煤粉氣流噴口、4個(gè)淡煤粉氣流噴口、4個(gè)外二次風(fēng)噴口、4個(gè)內(nèi)二次風(fēng)噴口、2個(gè)位于濃煤粉氣流噴口兩側(cè)的邊界二次風(fēng)噴口，2個(gè)位于濃煤粉氣流噴口之間布置油槍的油二次風(fēng)噴口和1個(gè)位于淡煤粉氣流噴口之間布置火檢的二次風(fēng)噴口，而位于鍋爐四角靠近翼墻的燃燒器分別增加3個(gè)二次風(fēng)噴口。燃燒器噴口在爐膛深度方向上的布置順序?yàn)椋河汕?、后墻到爐膛中心依次布置外二次風(fēng)噴口、淡煤粉氣流噴口、內(nèi)二次風(fēng)噴口及濃煤粉氣流噴口，濃、淡煤粉氣流在下行過程中逐漸混入內(nèi)、外二次風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)、外二次風(fēng)對(duì)濃、淡煤粉氣流的逐級(jí)引射作用。在下爐膛前后墻下部等間距布置4組縫隙式三次風(fēng)噴口，三次風(fēng)噴口加裝下傾角度調(diào)節(jié)裝置，調(diào)節(jié)范圍為與水平方向成0°～30°，每隔5°可調(diào)。在上爐膛前后墻下部沿著水平方向等間距布置5組直流縫隙式燃盡風(fēng)噴口，為提高煤粉煤粉顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間，降低鍋爐飛灰中可燃物含量，上爐膛的高度相較于同級(jí)別亞臨界鍋爐[25]增加了6.931m。

工業(yè)熱態(tài)試驗(yàn)時(shí)固定二、三次風(fēng)擋板開度，OFA擋板開度等其他參數(shù)不變，調(diào)整三次風(fēng)擺角為0°、15°和25°。試驗(yàn)期間鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)列于表1。

表1 試驗(yàn)期間不同三次風(fēng)擺角下鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

在試驗(yàn)進(jìn)行前，所有的試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器，包括光學(xué)高溫計(jì)，熱電偶和煙氣分析儀，均需事先標(biāo)定以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)對(duì)集控中心表盤顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。在試驗(yàn)過程中保持煤質(zhì)穩(wěn)定(設(shè)計(jì)和實(shí)際燃用煤質(zhì)見表2)，避免進(jìn)行吹灰、排污等干擾試驗(yàn)的任何操作。

表2 煤質(zhì)參數(shù)

使用熱電偶測(cè)量濃煤粉氣流著火位置，具體測(cè)量位置見圖1。使用手持式紅外測(cè)溫儀通過分布在下爐膛翼墻上的看火孔(見圖1)測(cè)量下爐膛煙氣溫度。使用Testo 350M型煙氣分析儀測(cè)量看火孔1處和2處的煙氣組分濃度，煙氣位置為距離翼墻2.4m的燃燒器下方區(qū)域和三次風(fēng)區(qū)域，煙氣由水冷取樣槍抽出。同樣使用Testo 350M型煙氣分析儀測(cè)量爐膛出口煙氣成分。對(duì)飛灰取樣以測(cè)量飛灰可燃物含量。

圖1 350MW超臨界W火焰鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)及燃燒系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 下爐膛溫度分布

圖2所示為各排看火孔平均溫度，表示了沿爐膛高度方向上的下爐膛溫度分布。從圖2可以看出，由位于燃燒器區(qū)域的第1排測(cè)點(diǎn)開始，隨著爐膛高度降低，下爐膛溫度逐漸升高，至位于主燃區(qū)的第3排和第4排測(cè)點(diǎn)處達(dá)到最大值，隨后進(jìn)入冷灰斗區(qū)域，溫度逐漸降低。對(duì)比不同三次風(fēng)擺角下的溫度分布可見：

(1)隨著三次風(fēng)擺角由0°增大到25°，位于燃燒器區(qū)域的第1排測(cè)點(diǎn)溫度平均值由1016℃先增大到1104℃，之后減小到1010℃。

(2)三次風(fēng)擺角為0°時(shí)，各排測(cè)點(diǎn)平均溫度最大值出現(xiàn)在第3排，為1216℃，隨著爐膛高度降低，平均溫度逐漸降低，第5排測(cè)點(diǎn)平均溫度降至1079℃；三次風(fēng)擺角為15°時(shí)，各排測(cè)點(diǎn)平均溫度最大值出現(xiàn)在第3排，為1213℃，第5排測(cè)點(diǎn)平均溫度降至1127℃。與工況0°相比，工況15°的爐膛溫度峰值沒有太大變化，但下爐膛整體溫度升高，這是由于三次風(fēng)擺角增大后濃煤粉氣流達(dá)到三次風(fēng)位置后被帶到爐膛的更深處，煤粉在下爐膛的停留時(shí)間延長(zhǎng)，煤粉在下爐膛燃燒更充分，下爐膛火焰充滿度和溫度升高。三次風(fēng)擺角為25°時(shí)，各排測(cè)點(diǎn)平均溫度最大值出現(xiàn)在第4排，為1161℃，而第3排測(cè)點(diǎn)和第5排測(cè)點(diǎn)平均溫度分別為1159℃和1160℃，第3、4、5排溫度接近，說明本工況爐膛火焰中心位置較0°和15°下移。

圖2 各排測(cè)點(diǎn)溫度平均值

2.2 濃煤粉氣流升溫及著火溫度

圖3為濃煤粉氣流升溫過程曲線。由于調(diào)整爐內(nèi)配風(fēng)參數(shù)會(huì)不同程度上影響到燃燒器區(qū)域的煤粉濃度及煤粉在拱下的停留時(shí)間，使不同工況下的濃煤粉氣流著火所需的著火熱受到影響，相應(yīng)著火溫度存在一定差異。本文中將統(tǒng)一選取900℃做為具有較高煤粉濃度的濃煤粉氣流著火溫度，從而定量的對(duì)比調(diào)整三次風(fēng)擺角對(duì)濃煤粉氣流升溫及著火的影響。由圖3可見：

(1)隨著三次風(fēng)擺角由0°增大到15°，不同負(fù)荷下濃煤粉氣流升溫速度均逐漸加快，濃煤粉氣流著火距離由2.40m縮短至2.07m。這是因?yàn)?，隨著三次風(fēng)擺角的增大，下爐膛溫度整體升高(見圖2)，拱下回流區(qū)卷吸到濃煤粉氣流根部的高溫?zé)煔鉁囟壬撸龠M(jìn)濃煤粉氣流的著火。

(2)隨著三次風(fēng)擺角由15°增大到25°，不同負(fù)荷下的濃煤粉氣流升溫速度減慢，著火距離延長(zhǎng)至2.48m。由前面溫度場(chǎng)的分析結(jié)果可知，三次風(fēng)擺角由15°增大到25°時(shí)，下爐膛高溫區(qū)域位置下移，燃燒器區(qū)域的高溫回流煙氣溫度降低，濃煤粉氣流受到高溫回流煙氣加熱的熱量減少，不利于濃煤粉氣流著火。此外，由于三次風(fēng)擺角的大小是通過三次風(fēng)道內(nèi)的擺角擋板調(diào)節(jié)，三次風(fēng)擺角增大至25°后，擋板傾斜角度較大，三次風(fēng)在擋板處的局部阻力增大。二次風(fēng)、三次風(fēng)以及OFA均來自主二次風(fēng)道，三次風(fēng)噴口處的局部阻力增大后，二次風(fēng)及OFA的風(fēng)量均不同程度的增加。濃煤粉氣流要達(dá)到著火溫度，需要濃煤粉氣流和相鄰的內(nèi)二次風(fēng)一起加熱至煤粉著火溫度，這兩股氣流被加熱到著火溫度所需要的熱量，定義為著火熱。拱上二次風(fēng)風(fēng)量增大后，所需著火熱增多，煤粉氣流升溫變慢，則煤粉氣流著火較晚。

圖3 濃煤粉氣流升溫過程曲線

2.3 煙氣組分濃度分布

圖4為看火孔1和看火孔2處的煙氣組分濃度?？椿鹂?位于近燃燒器區(qū)域，看火孔2位于三次風(fēng)區(qū)域(看火孔位置見圖1)。在燃燒器下方區(qū)域，隨著三次風(fēng)擺角由0°增大到25°，O2濃度先減小后增大，CO濃度和NO濃度先增大后減小。三次風(fēng)擺角為15°工況下，O2濃度低至8.5%，而CO濃度高達(dá)2619μL/L，NO濃度達(dá)到452μL/L。與其他兩個(gè)工況相比，三次風(fēng)擺角為15°時(shí)燃燒器下方區(qū)域各氣體組分濃度變化明顯。這是因?yàn)槿物L(fēng)擺角為15°時(shí)，煤粉氣流著火較早(見圖3)，煤粉燃燒時(shí)消耗大量O2，而產(chǎn)生CO和NO等產(chǎn)物。在三次風(fēng)區(qū)域內(nèi)，當(dāng)三次風(fēng)擺角為0°時(shí)O2濃度較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)三次風(fēng)水平噴入爐膛，而看火孔2位于與三次風(fēng)噴口同一水平高度上，受三次風(fēng)的影響該工況下O2濃度較大。隨著三次風(fēng)擺角逐漸增大，O2濃度逐漸減小，這是因?yàn)殡S著三次風(fēng)擺角增大，三次風(fēng)逐漸下傾。各工況下CO濃度處于較低水平。隨著三次風(fēng)擺角由0°增大到25°，看火孔2處的NO濃度先減小后增大。這是因?yàn)樵摴r下，煤粉氣流著火較晚(見圖3)，未燃盡的煤粉顆粒在混入三次風(fēng)后，在富氧情況下迅速燃燒，因而產(chǎn)生部分NO。

圖4 看火孔1和2處煙氣組分濃度

2.4 爐膛出口參數(shù)

表3給出了不同三次風(fēng)擺角下的爐膛出口參數(shù)。由表3可以看出，爐膛出口O2濃度在5.07%～5.14%之間，NOx排放濃度在660～681mg/m3(6%O2)之間，三次風(fēng)擺角變化對(duì)爐膛出口O2濃度和NOx排放濃度影響不大。三次風(fēng)擺角由0°增大到15°時(shí)，飛灰可燃物含量由4.96%降低至4.83%；三次風(fēng)擺角由15°增大到25°時(shí)，飛灰可燃物含量由4.83%升高至5.72%。三次風(fēng)擺角為15°時(shí)，飛灰可燃物含量最低，這是因?yàn)椋?/p>

表3 爐膛出口參數(shù)

(1)三次風(fēng)擺角為15°時(shí)濃煤粉著火距離相對(duì)于其他工況較短(見圖3)，濃煤粉氣流的著火得到改善。

(2)與工況0°相比，工況15°時(shí)煤粉氣流達(dá)到三次風(fēng)位置后被帶到爐膛的更深處(見圖2)，煤粉在下爐膛的停留時(shí)間延長(zhǎng)，煤粉在下爐膛燃燒更充分。而工況25°時(shí)，雖然煤粉氣流燃燒行程延長(zhǎng)，但該工況下濃煤粉氣流著火較晚(見圖3)，且下爐膛溫度較低(見圖2)，不利于煤粉顆粒的燃盡。

此外，對(duì)于三次風(fēng)擺角為15°的工況，還進(jìn)行了230MW負(fù)荷下的爐膛出口參數(shù)測(cè)量以作為對(duì)比，鍋爐燃用相近的煤質(zhì)。測(cè)量結(jié)果表明：爐膛出口O2濃度為4.4%，飛灰可燃物含量為4.73%，NOx排放濃度為684mg/m3(6%O2)。相比于210MW負(fù)荷下三次風(fēng)擺角為15°時(shí)的參數(shù)，飛灰可燃物含量略有降低，而NOx排放濃度略有升高?？偟膩碚f，鍋爐在低負(fù)荷下三次風(fēng)擺角為15°工況時(shí)表現(xiàn)出了較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保性能。

3 結(jié)論

本文采用工業(yè)試驗(yàn)方法，研究三次風(fēng)擺角(0°、15°和25°)變化對(duì)一臺(tái)采用多次引射分級(jí)燃燒技術(shù)的中國(guó)首臺(tái)350MW超臨界機(jī)組W火焰鍋爐低負(fù)荷下燃燒及NOx排放特性的影響。得到結(jié)論如下：

(1)三次風(fēng)擺角由0°增大到15°時(shí)，下爐膛火焰溫度及燃燒器區(qū)域溫度升高；濃煤粉氣流著火距離由2.40m縮短至2.07m；靠近燃燒器區(qū)域O2濃度減小，CO和NO濃度增大；靠近三次風(fēng)區(qū)域NO濃度減小。三次風(fēng)擺角為15°時(shí)，在靠近燃燒器區(qū)域，O2濃度最低至8.5%，而CO濃度則高達(dá)2619μL/L，NO濃度達(dá)到452μL/L；飛灰可燃物含量最低，為4.83%。

(2)三次風(fēng)擺角由15°增大到25°時(shí)，下爐膛火焰中心降低，冷灰斗區(qū)域溫度升高；飛灰可燃物含量明顯升高，達(dá)到5.72%。

(3)試驗(yàn)期間不同工況NOx排放濃度在660～681mg/m3(6%O2)之間，三次風(fēng)擺角變化對(duì)NOx排放濃度影響較小。綜合考慮煤粉著火、燃燒和NOx排放特性，推薦最佳三次風(fēng)擺角為15°。