多通道逆噴旋流煤粉燃燒特性及NOx排放試驗(yàn)研究

牛 芳，劉鵬中,3，王鵬濤，王學(xué)文，于 碩，王乃繼

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

0 引 言

2020年12月國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》中強(qiáng)調(diào)，要推進(jìn)能源全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展，煤炭作為保障能源供應(yīng)的基礎(chǔ)能源，必須推進(jìn)煤炭的清潔高效利用[1-2]。煤粉工業(yè)鍋爐以其高效節(jié)能、潔凈排放和低運(yùn)行成本等優(yōu)勢(shì)，已被成功應(yīng)用于礦區(qū)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、市政的供熱、供蒸汽等多類(lèi)工業(yè)生產(chǎn)中。煤粉燃燒器是煤粉工業(yè)鍋爐核心技術(shù)之一，其燃燒組織特性對(duì)點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒、爐內(nèi)燃燒組織以及污染物排放等具有重要影響，也是實(shí)現(xiàn)煤炭在工業(yè)鍋爐領(lǐng)域清潔高效利用的關(guān)鍵。

煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司作為我國(guó)煤粉工業(yè)鍋爐產(chǎn)業(yè)的排頭兵，最先引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的工業(yè)鍋爐技術(shù)，開(kāi)發(fā)了1套高效煤粉工業(yè)鍋爐關(guān)鍵技術(shù)與裝備，并率先在我國(guó)建立了首個(gè)煤粉工業(yè)鍋爐示范項(xiàng)目，現(xiàn)已將高效煤粉工業(yè)鍋爐推廣應(yīng)用于我國(guó)多個(gè)城市市政供熱和礦區(qū)采暖中[3]?；谥行哪鎳姷碾p錐旋流煤粉燃燒器是其核心技術(shù)之一，已經(jīng)得到了大量的試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究。紀(jì)任山等[4]首先對(duì)雙錐逆噴旋流煤粉燃燒器開(kāi)展了數(shù)值計(jì)算研究，并對(duì)燃燒器的運(yùn)行條件進(jìn)行了優(yōu)化；姜思源、莫日根等[5-9]針對(duì)中等揮發(fā)分煙煤、水煤漿、污泥水煤漿等燃料在雙錐燃燒器上的適用性及燃燒特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算研究，實(shí)現(xiàn)了多種燃料在雙錐逆噴旋流煤粉燃燒器中的穩(wěn)定燃燒。王永英等[10]進(jìn)一步研究了雙錐燃燒器預(yù)燃室改造后燃燒器燃燒特性；張?chǎng)蔚萚11]研究了加裝中心風(fēng)對(duì)燃燒特性的影響，進(jìn)一步提高了煤粉的燃燒效率。在逆向射流理論研究方面，賈楠等[12]綜述了逆向射流燃燒技術(shù)；羅偉[13]首先對(duì)逆向射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值計(jì)算研究，揭示了主流與逆向射流之間的關(guān)系，為逆向射流煤粉燃燒提供了理論支撐。

基于上述雙錐逆噴旋流煤粉燃燒器技術(shù)以及相關(guān)研究，為進(jìn)一步提高煤粉燃燒效率，降低NOx排放，優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用先進(jìn)的燃燒器內(nèi)空氣分級(jí)技術(shù)[14]，耦合逆向射流與旋轉(zhuǎn)射流技術(shù)，開(kāi)發(fā)了多通道逆噴旋流煤粉燃燒器，在實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)低氮燃燒的同時(shí)，降低了預(yù)燃室壁面溫度，避免了預(yù)燃室內(nèi)腐蝕、結(jié)渣的問(wèn)題。賈楠等[15]針對(duì)多通道逆噴旋流燃燒器的流動(dòng)及燃燒特性開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，闡明了內(nèi)、外二次風(fēng)比例變化對(duì)預(yù)燃室內(nèi)回流區(qū)寬度、回流區(qū)長(zhǎng)度以及相對(duì)回流量的影響機(jī)制，并給出了雙通道逆噴旋流燃燒器運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)范圍。劉鵬中等[16-18]針對(duì)多通道逆噴旋流燃燒器開(kāi)展了熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)，研究了內(nèi)、外二次風(fēng)比例、旋流強(qiáng)度、過(guò)量空氣系數(shù)、負(fù)荷等因素對(duì)燃燒特性的影響。但是，目前針對(duì)該燃燒器在煤粉工業(yè)鍋爐上的燃燒效率及NOx初始排放尚不明確。

通過(guò)熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)及煤粉工業(yè)鍋爐工業(yè)試驗(yàn)，對(duì)14 MW多通道逆噴旋流燃燒器的火焰特征、NOx排放和燃燒效率展開(kāi)研究，為該燃燒器在煤粉工業(yè)鍋爐上的穩(wěn)定運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù)。

1 煤粉燃燒試驗(yàn)

1.1 多通道逆噴旋流燃燒器

圖1為多通道逆噴旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意，該燃燒器由一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)及三次風(fēng)4個(gè)通道以及預(yù)燃室組成。其中一次風(fēng)通道由一次風(fēng)管及回流帽組成；內(nèi)二次風(fēng)通道為旋流風(fēng)通道，其內(nèi)設(shè)置可動(dòng)軸向旋流葉片；外二次風(fēng)及三次風(fēng)通道均為直流風(fēng)通道。

X—軸向坐標(biāo)；R—徑向坐標(biāo)圖1 多通道逆噴旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of multichannel reverse-jet swirl burner

1.2 熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)

多通道逆噴旋流燃燒器熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)中，溫度測(cè)量采用0～1 000 ℃和0～1 600 ℃探入式高溫?zé)犭娕迹〔▌?dòng)在±10 ℃的溫度值作為測(cè)量值；煙氣組分測(cè)量采用探入式水冷取樣槍?zhuān)⒔?jīng)過(guò)圖2所示過(guò)程進(jìn)行煙氣組分取樣及分析，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量前待分析儀數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，儀器測(cè)量系統(tǒng)每隔2 s記錄1組數(shù)據(jù)，持續(xù)60 s，最后再數(shù)據(jù)分析時(shí)取均值作為該點(diǎn)測(cè)量值。試驗(yàn)所選取的測(cè)量截面及測(cè)點(diǎn)如圖1a所示，以燃燒器出口截面中心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，定義X為軸向方向，定義R為徑向方向，測(cè)量截面軸向距離分別為X=268、536、670、804 mm，各截面R方向上共有6測(cè)點(diǎn)，其中最外側(cè)的點(diǎn)距預(yù)燃室內(nèi)壁面10 mm，中間各測(cè)點(diǎn)間距50 mm，最中心的測(cè)點(diǎn)緊貼一次風(fēng)管或回流帽。

圖2 煙氣組分測(cè)量過(guò)程Fig.2 Flue gas specific measurement processing

多通道逆噴旋流燃燒器煤粉燃燒火焰特性的研究同樣在熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)上完成，其中火焰圖像捕集過(guò)程如圖3所示，通過(guò)工業(yè)高速相機(jī)(PHANTOM C110)和配套應(yīng)用軟件(PCC 3.1)，選取分辨率為1 024×480、曝光時(shí)間為400 s、采樣率為1 600 fps等相機(jī)參數(shù)，在7 s內(nèi)捕集10 810張火焰圖像。選取不同時(shí)間的火焰原始圖像，分析其火焰?zhèn)鞑ヌ匦约盎鹧娣€(wěn)定性；采用圖像處理技術(shù)[16,19]，獲取千張火焰圖像定量形態(tài)尺寸均值，定量表征火焰特征尺寸。

圖3 火焰捕集過(guò)程Fig.3 Captured flame images processing

2.3 工業(yè)爐試驗(yàn)

煤粉工業(yè)鍋爐試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。在鍋爐尾部煙道上，采用前述煙氣測(cè)量過(guò)程所使用的煙氣分析儀測(cè)量NOx排放濃度，并收集飛灰，其中飛灰取樣系統(tǒng)由真空泵飛灰收集裝置組成。通過(guò)飛灰低位發(fā)熱量定義煤粉燃燒效率為

η=(Q1-Q2/Q1)×100%

(1)

圖4 工業(yè)爐試驗(yàn)Fig.4 Industrial furnace experiment

式中：Q1為原煤低位發(fā)熱量，kJ/kg；Q2為飛灰低位發(fā)熱量，kJ/kg；η為燃燒效率，%。

1.4 煤質(zhì)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)工況

熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)及工業(yè)試驗(yàn)所用煤粉均為神府煙煤，其煤質(zhì)特性見(jiàn)表1，試驗(yàn)工況見(jiàn)表2，試驗(yàn)中內(nèi)二次風(fēng)旋流數(shù)S=1.6保持不變。

表1 試驗(yàn)用煤煤質(zhì)特性

表2 熱態(tài)臺(tái)架及工業(yè)爐試驗(yàn)工況

2 結(jié)果與討論

2.1 基于熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)的燃燒特性

預(yù)燃室內(nèi)4個(gè)截面煤粉燃燒溫度分布、O2濃度分布、CO濃度分布和NOx濃度分布如圖5所示，由溫度分布可知，一次風(fēng)攜帶煤粉逆向進(jìn)入預(yù)燃室后，內(nèi)二次風(fēng)強(qiáng)旋流促使高溫?zé)煔饣亓鲗?duì)煤粉氣流進(jìn)行加熱，隨后煤粉熱解揮發(fā)分析出率先實(shí)現(xiàn)均相著火，隨溫度上升同時(shí)部分焦炭也實(shí)現(xiàn)著火，形成初級(jí)火焰，在X=670～536 mm的一次風(fēng)管附近形成溫度為932～773 ℃、O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1%、CO質(zhì)量濃度為188 650～146 969 mg/L的高溫?zé)o氧強(qiáng)還原性氣氛區(qū)域，此時(shí)NOx質(zhì)量濃度在411～310 mg/Nm3。在X=268 mm截面，未完全燃燒的高溫煤焦及可燃組分同大量常溫內(nèi)二次風(fēng)混合燃燒，溫度、CO、NOx均存在一個(gè)最高值，依次為742 ℃、55 750 mg/L和383 mg/Nm3。在X=536～670 mm截面，O2濃度沿徑向方向快速下降，預(yù)燃室內(nèi)溫度最高接近1 200 ℃，與此同時(shí)CO質(zhì)量濃度超過(guò)100 000 mg/L。X=804 mm截面，回流的高溫?zé)煔庠诨亓髅备浇鼌^(qū)域形成1 175 ℃高溫，以及低CO和低NOx的濃度區(qū)域，而NOx濃度出現(xiàn)峰值的區(qū)域正是旋流內(nèi)二次風(fēng)與一次風(fēng)粉和高溫回流煙氣的混合位置，這是因?yàn)樾鲀?nèi)二次風(fēng)氧含量高，破壞了中心燃燒區(qū)的貧氧富燃?xì)夥?，使CO被迅速氧化而迅速減少，未反應(yīng)的含氮中間體也被氧化為NO等氮的氧化物，造成了NOx濃度的上升。直流外二次風(fēng)緊貼預(yù)燃室壁面，在X=268～804 mm截面形成75～440 ℃的低溫空氣層，有效的降低了壁面溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了預(yù)燃室內(nèi)的空氣分級(jí)燃燒，對(duì)于降低NOx排放具有重要意義。

圖5 預(yù)燃室內(nèi)燃燒特性Fig.5 Combustion characteristic in pre-combustion chamber

多通道逆噴旋流煤粉燃燒器所采用的逆向射流技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)定的燃燒，初級(jí)火焰區(qū)域的高溫低氧強(qiáng)還原性氣氛有利于抑制NOx的生成；旋流內(nèi)二次風(fēng)在預(yù)燃室內(nèi)形成大量的高溫?zé)煔饣亓?，?duì)于煤粉穩(wěn)燃及強(qiáng)還原性氣氛的形成具有重要作用；由直流外二次風(fēng)形成的預(yù)燃室壁面低溫空氣層可以降低預(yù)燃室壁面溫度，避免高溫腐蝕。

2.2 基于熱態(tài)臺(tái)架試驗(yàn)的火焰特性

表3為預(yù)燃室外煤粉燃燒火焰形態(tài)，由表3可知預(yù)燃室外煤粉火焰形態(tài)穩(wěn)定，火焰明亮且具有一定的旋轉(zhuǎn)剛性。由于預(yù)燃室的存在，旋流外二次風(fēng)的徑向發(fā)展受到限制，氣流在軸向與徑向方向上的衰減過(guò)程非常迅速[20]，因此造成火焰在軸向上的長(zhǎng)度較短。在預(yù)燃室內(nèi)較強(qiáng)的高溫?zé)煔饣亓魈岣吡巳紵齾^(qū)溫度，強(qiáng)化了燃燒反應(yīng)過(guò)程，增強(qiáng)了燃燒強(qiáng)度[16]，確保了預(yù)燃室出口火焰的穩(wěn)定。隨外二次風(fēng)及三次風(fēng)的衰減以及煤粉燃燒過(guò)程的進(jìn)行，可燃組分含量逐漸降低，燃燒強(qiáng)度也逐漸減小，明亮的火焰形貌逐漸消失。由表3可見(jiàn)，火焰向下游傳播過(guò)程中，其上、下鋒面均存在明顯的褶皺及倒刺形態(tài)，這是由于燃燒器出口高溫氣固混合氣流的強(qiáng)烈湍動(dòng)強(qiáng)化了火焰鋒面上的熱質(zhì)交換過(guò)程，其對(duì)于火焰穩(wěn)定及煤焦燃盡具有重要意義。對(duì)火焰圖像進(jìn)行處理后得到的火焰形態(tài)特征尺寸如圖6所示。結(jié)果表明，火焰長(zhǎng)度均值、預(yù)燃室出口火焰直徑及發(fā)散角度依次為2 680 mm、770 mm和27.97°，呈現(xiàn)穩(wěn)定的粗短旋流火焰形態(tài)，這與前述燃燒器結(jié)構(gòu)及預(yù)燃室內(nèi)燃燒組織的特點(diǎn)密切相關(guān)。

表3 試驗(yàn)拍攝火焰形態(tài)

圖6 火焰形態(tài)尺寸Fig.6 Scales of flame shape

2.3 NOx排放情況

圖7為多通道逆噴旋流燃燒器預(yù)燃室內(nèi)NOx濃度分布及工業(yè)試驗(yàn)NOx初始排放情況。由圖7可知，預(yù)燃室內(nèi)4個(gè)測(cè)量截面的NOx平均質(zhì)量濃度為233～285 mg/Nm3(O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%)，這與一次風(fēng)粉逆向射流形成的低氧強(qiáng)還原性氣氛密切相關(guān)，同時(shí)，旋流外二次風(fēng)與一次風(fēng)粉的混合位置較遠(yuǎn)，延緩了二次風(fēng)對(duì)CO和含氮中間體的氧化，抑制了NOx的大量生成[21]。工業(yè)試驗(yàn)爐尾NOx初始排放質(zhì)量濃度為384 mg/Nm3(O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%)，這是由于煤焦及可燃組分在外二次風(fēng)及三次風(fēng)混合作用下在爐內(nèi)進(jìn)一步燃燒，由于缺乏強(qiáng)還原氣氛，進(jìn)一步析出的以及未反應(yīng)的含氮中間體被氧化，導(dǎo)致NOx含量升高，因此在工業(yè)爐內(nèi)進(jìn)一步采取低氮燃燒措施對(duì)于降低爐尾NOx濃度同樣重要。在煤粉燃燒過(guò)程中，在爐內(nèi)采用選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)可有效的降低NOx排放。結(jié)果表明，當(dāng)采用SNCR技術(shù)時(shí)，NOx質(zhì)量濃度可降至164 mg/Nm3(O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%)，可輕松滿足200 mg/Nm3(O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%)的環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)。飛灰發(fā)熱量及煤粉燃燒效率如圖8所示，結(jié)果表明，爐尾煙道飛灰低位發(fā)熱量為540 kJ/kg，按公式(1)計(jì)算得煤粉燃燒效率為97.92%，即多通道逆噴旋流煤粉燃燒器在14 MW高效煤粉工業(yè)鍋爐上可以實(shí)現(xiàn)煤粉的高效燃燒。

圖7 預(yù)燃室內(nèi)NOx濃度分布及工業(yè)試驗(yàn)NOx初始排放值Fig.7 NOx emission in pre combustion chamber and industrial test

圖8 發(fā)熱量及燃燒效率Fig.8 Calorific value and combustion efficiency

3 結(jié) 論

1)逆向射流、旋轉(zhuǎn)射流及預(yù)燃室技術(shù)的耦合，在預(yù)燃室內(nèi)初級(jí)火焰區(qū)創(chuàng)造了高溫(>1 200 ℃)、低氧(<1%)、高CO(>50 000 mg/L)和低NOx(<300 mg/Nm3)的強(qiáng)還原區(qū)，實(shí)現(xiàn)了煤粉在預(yù)燃室內(nèi)的低氮、穩(wěn)燃。

2)預(yù)燃室外燃燒火焰長(zhǎng)度約為2 680 mm，火焰直徑接近770 mm，火焰發(fā)散角為27.97°，火焰形態(tài)穩(wěn)定、色澤明亮且具有一定的旋轉(zhuǎn)剛性?；鹧驿h面上存在明顯的褶皺，表明火焰鋒面上的熱質(zhì)交換較為強(qiáng)烈，燃燒強(qiáng)度較為劇烈。

3)工業(yè)試驗(yàn)爐尾NOx初始排放質(zhì)量濃度為384 mg/Nm3(O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%條件下)，結(jié)合SNCR技術(shù)可降至164 mg/Nm3(O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%條件下)，與此同時(shí)煤粉燃燒效率為97.92%，即該燃燒器具備低氮、高效的燃燒特性。