郝江平，王菁，婁慧如，高士秋

(1.山西三合盛節(jié)能環(huán)保技術(shù)股份有限公司，太原　030006；2.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，太原　030006；3.拉瑪大學(xué)，德克薩斯州 博蒙特　77710；4.中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100190)

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煤粉解耦燃燒器的開發(fā)

郝江平1，王菁2，婁慧如3，高士秋4

(1.山西三合盛節(jié)能環(huán)保技術(shù)股份有限公司，太原030006；2.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，太原030006；3.拉瑪大學(xué)，德克薩斯州 博蒙特77710；4.中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190)

分析了煤粉燃燒初期降低NOx排放的機(jī)制，介紹了一種適用于低揮發(fā)分難燃煤的直流解耦燃燒器，該燃燒器采用水平濃淡多級(jí)分級(jí)燃燒形式，通過集粉穩(wěn)焰器等進(jìn)行濃測(cè)煤粉氣流的再次濃淡分離，并強(qiáng)化了向火側(cè)超濃氣流的加熱，在提高穩(wěn)燃能力的同時(shí)，有效利用煤自身熱解氣化產(chǎn)物，深化微觀空氣分級(jí)燃燒，減少了NOx的生成。對(duì)1 025 t/h鍋爐解耦燃燒器進(jìn)行模擬計(jì)算和冷、熱態(tài)試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了煤粉解耦燃燒器的設(shè)計(jì)思路。

煤粉燃燒器；解耦燃燒；NOx；燃燒效率；穩(wěn)燃

0　引言

煤粉燃燒過程中存在NOx排放與燃燒效率之間的耦合關(guān)系：采用低溫低氧燃燒有利于降低NOx的排放質(zhì)量濃度，但會(huì)使燃燒效率下降；反之，采用高溫富氧燃燒可提高燃燒效率，但會(huì)使NOx的排放質(zhì)量濃度增大。對(duì)于燃用揮發(fā)分低、不易燃盡燃煤的煤粉鍋爐，這一耦合問題更為突出。煤炭解耦燃燒技術(shù)[1-2]擬采用更為細(xì)致的分級(jí)轉(zhuǎn)化來(lái)解除燃燒過程中的這種不利耦合關(guān)系。煤粉解耦燃燒理論是通過強(qiáng)化較小尺度的空氣分級(jí)燃燒，提高宏觀空氣分級(jí)的燃盡能力，在降低NOx排放質(zhì)量濃度的同時(shí)確保燃燒效率[3-4]。

1　煤粉燃燒初期降低NOx質(zhì)量濃度的機(jī)制

煤粉燃燒不同階段的多相反應(yīng)組分、質(zhì)量濃度和溫度等差異較大，燃燒初期與后期的NOx轉(zhuǎn)化和抑制機(jī)理明顯不同。煤粉由燃燒器噴口進(jìn)入爐膛的燃燒初期，燃燒溫度大多低于1 100 ℃，遠(yuǎn)低于1 500 ℃，因而燃燒器附近基本沒有熱力型NOx產(chǎn)生。煤中的燃料氮分為揮發(fā)分氮和焦炭氮。煤粉燃燒初期是揮發(fā)分氮快速析出階段，焦炭氮是在燃燒中后期逐漸析出的，因而燃燒器附近以揮發(fā)分氮產(chǎn)生的NOx為主。

煤粉燃燒初期，大量揮發(fā)分氮首先通過煤的熱解轉(zhuǎn)化為HCN和NH3，HCN和NH3等組分既可被氧化為NOx，又可作為還原劑將NOx還原為N2。在還原性氣氛下燃燒，僅有部分氧氣與燃料氮接觸并反應(yīng)生成NOx。

煤粉氣流剛進(jìn)入爐膛時(shí)較為集中，質(zhì)量濃度很大，若燃燒初期處于還原性氣氛下，則煤粉熱解氣化產(chǎn)物NH3，HCN以及CmHn，CO，H2的含量很高。雖然NH3，HCN和CmHn等的體積濃度相對(duì)較低，但其本身對(duì)NOx的還原反應(yīng)活性很高[5]；而CO和H2的總體積濃度很高，其與NOx的接觸幾率較大，對(duì)NOx也具有顯著的還原作用。因而，控制燃燒初期為適當(dāng)?shù)倪€原性氣氛，可使大部分揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化為N2。

大量試驗(yàn)表明，在各種低NOx燃燒方式中，煤種不同，降低NOx排放質(zhì)量濃度的程度不同。煤的揮發(fā)分越高，在低NOx燃燒方式下，燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化率就越低[6]。顯然，揮發(fā)分在煤的低氮燃燒中起著重要的作用。

試驗(yàn)還表明：對(duì)不同煤種進(jìn)行高溫、快速加熱，均可增加揮發(fā)分的析出速度，增大揮發(fā)分氮的比例；不同煤種的揮發(fā)分氮的比例和組成均有差異，低揮發(fā)分和高灰分難燃煤的揮發(fā)分氮比例較低[2,7]。

2　煤粉燃燒器的性能影響

煤粉鍋爐通過二次風(fēng)和燃盡風(fēng)的配置，主要抑制焦炭氮產(chǎn)生的NOx以及熱力型NOx，但設(shè)置燃盡風(fēng)會(huì)使煤粉的燃盡階段推后。

煤粉燃燒器是鍋爐組織配風(fēng)燃燒的基礎(chǔ)，燃燒器的性能對(duì)燃燒穩(wěn)定性、水冷壁結(jié)焦、高溫腐蝕、NOx排放質(zhì)量濃度和煤粉燃盡等均有重要影響。

燃燒器一次風(fēng)率主要受制粉系統(tǒng)和穩(wěn)定燃燒要求的限制，一般隨煤種揮發(fā)分的減小而減小。煤燃燒初期主要是煤中揮發(fā)分的析出燃燒，隨著大量焦炭的燃燒，耗氧量才會(huì)增多。大多數(shù)煤種在燃燒初期的一次風(fēng)所含氧量都大于著火所需，因而目前燃燒器普遍采用濃淡燃燒方式實(shí)現(xiàn)微觀空氣分級(jí)，以降低燃燒初期產(chǎn)生的NOx。

濃淡燃燒方式因?yàn)闇p少了濃側(cè)煤粉氣流點(diǎn)火時(shí)多余的空氣量，降低了煤粉著火熱，因而可提高煤粉的穩(wěn)燃能力；切圓燃燒方式采用水平濃淡燃燒器，可形成“風(fēng)包粉”，有利于提高下爐膛整體為還原性氣氛時(shí)的防結(jié)焦和防高溫腐蝕能力。

低揮發(fā)分煤不僅揮發(fā)分少，而且析出速度較慢，因而采用傳統(tǒng)煤粉濃縮方式后，一次風(fēng)著火階段空氣仍過量，對(duì)燃燒器的穩(wěn)燃和低氮燃燒性能都不利。下層一次風(fēng)噴口集中布置可一定程度彌補(bǔ)煤粉濃縮的不足，但主要是減少了二次風(fēng)對(duì)一次風(fēng)著火的干擾，并對(duì)抑制焦炭氮產(chǎn)生NOx具有影響。

一次風(fēng)進(jìn)入爐膛著火的階段，是燃燒器性能產(chǎn)生重要影響的階段。對(duì)于采用直流燃燒器的切圓燃燒煤粉爐，主要靠一次風(fēng)卷吸爐膛上游高溫?zé)煔鈦?lái)實(shí)現(xiàn)加熱點(diǎn)火，一次風(fēng)的煤粉濃縮和噴口的卷吸加熱能力對(duì)燃燒性能十分重要，對(duì)低揮發(fā)分難燃煤則更為關(guān)鍵。

3　解耦燃燒器的結(jié)構(gòu)形式

采用解耦燃燒方式有利于提高煤粉燃燒器的性能。直流煤粉解耦燃燒器的設(shè)計(jì)思路是：強(qiáng)化一次風(fēng)的煤粉濃淡分離和卷吸加熱能力，在提高穩(wěn)燃能力的同時(shí)，有效利用煤自身熱解氣化產(chǎn)物的強(qiáng)還原性，深化較小尺度的微觀空氣分級(jí)燃燒，以抑制揮發(fā)分氮向NOx的轉(zhuǎn)化，減少燃料型NOx的生成，為優(yōu)化二次風(fēng)和燃盡風(fēng)的配置打好基礎(chǔ)。

直流煤粉解耦燃燒器噴口結(jié)構(gòu)如圖1所示。解耦燃燒器噴口采用水平濃淡的形式，由濃淡隔離鈍體分隔為濃、淡兩側(cè)，分別與外置煤粉濃淡分離裝置的濃、淡側(cè)風(fēng)道聯(lián)接。在噴口濃側(cè)通道內(nèi)的向火側(cè)設(shè)置有1對(duì)上下布置的集粉穩(wěn)焰器，集粉穩(wěn)焰器采用多級(jí)不同的斜面收集煤粉，靠近向火側(cè)的斜面行程最大。每個(gè)集粉斜面的背火側(cè)設(shè)置有分流堰，受斜面擠壓的部分氣流從上、下分流堰之間偏轉(zhuǎn)，流向背火側(cè)，因慣性匯集在集粉穩(wěn)焰器斜面的煤粉則被分流堰隔離收集在噴口的向火側(cè)。

圖1　直流煤粉解耦燃燒器噴口結(jié)構(gòu)

通過上、下集粉穩(wěn)焰器的分流作用，解耦燃燒器噴口又使?jié)鈧?cè)煤粉氣流的向火側(cè)進(jìn)行了二次濃縮。靠近向火側(cè)的氣流被擠壓得最多，煤粉達(dá)到超濃，超濃煤粉氣流著火熱最小，單位截面積的周界長(zhǎng)度、回流空間和動(dòng)量最大，卷吸高溫?zé)煔獾哪芰ψ顝?qiáng)，因而十分有利于煤粉的快速熱解氣化和穩(wěn)定燃燒。超濃煤粉氣流首先著火后，背火側(cè)煤粉質(zhì)量濃度、卷吸加熱能力逐級(jí)降低的氣流也被逐級(jí)快速點(diǎn)燃。由濃到淡逐級(jí)著火的過程也是焦炭燃燒量快速增大的過程，火焰溫度急速升高，耗氧量急劇增大，可使一次風(fēng)氣流在燃燒初期形成更大范圍的強(qiáng)還原性氣氛。

集粉穩(wěn)焰器以及分流堰的高度和傾角等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)噴口的二級(jí)氣粉分離效果有重要影響，外置一級(jí)濃淡分離裝置的特性對(duì)集粉穩(wěn)焰器的設(shè)計(jì)也有影響。

4　解耦燃燒器的數(shù)值模擬和冷、熱態(tài)試驗(yàn)

通過進(jìn)行1 025 t/h煤粉鍋爐一次風(fēng)解耦燃燒器噴口的全尺寸模擬計(jì)算、冷態(tài)試驗(yàn)和熱態(tài)調(diào)試運(yùn)行，有效驗(yàn)證了煤粉解耦燃燒器的設(shè)計(jì)思路。

數(shù)值模擬和冷態(tài)測(cè)試的結(jié)果十分接近。由圖2a可以看出，受集粉穩(wěn)焰器擠壓和導(dǎo)流作用的影響，煤粉質(zhì)量濃度最高且直行(偏轉(zhuǎn)較小)的向火側(cè)氣流靜壓最高。由圖2b可以看出，集粉穩(wěn)焰器間靠近淡粉側(cè)的氣流速度最大，表明向火側(cè)氣流受集粉穩(wěn)焰器擠壓，大量偏轉(zhuǎn)向淡火側(cè)，使得向火側(cè)的空氣與煤粉的質(zhì)量比降低，煤粉得到濃縮。由圖2c可以看出，向火側(cè)煤粉質(zhì)量濃度顯著高于背火側(cè)，最高處集中在向火側(cè)集粉穩(wěn)焰器的分流堰附近，反映了分流堰的橫向集粉效果。

圖3、圖4分別為煤粉解耦燃燒器及外置煤粉濃淡分離裝置的水平中分面煤粉濃度場(chǎng)和煤粉解耦燃燒器濃粉向火側(cè)垂直中分面煤粉濃度場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。

從圖中可以看出，一級(jí)濃淡分離裝置使得一次風(fēng)分為濃、淡兩路氣流，濃側(cè)氣流到達(dá)解耦燃燒器噴口后，集粉穩(wěn)焰器間的部分空氣偏轉(zhuǎn)流向淡粉側(cè)，慣性較大的固相顆粒大部分從相對(duì)的集粉穩(wěn)焰器中間通過，從而使?jié)鈧?cè)的向火側(cè)氣流二次增濃。

圖2　解耦燃燒器噴口出口的氣流壓力、氣流速度和煤粉濃度分布

圖3　煤粉解耦燃燒器及外置煤粉濃淡分離裝置的水平中分面煤粉濃度場(chǎng)

圖4　煤粉解耦燃燒器濃粉向火側(cè)垂直中分面煤粉濃度場(chǎng)

煤粉解耦燃燒器在燃用貧煤的國(guó)電太原第一熱電廠#13鍋爐(最大容量1 025 t/h)進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)。該鍋爐同時(shí)進(jìn)行了燃盡風(fēng)改造，改造前NOx平均排放質(zhì)量濃度大于800 mg/m3，改造后小于350 mg/m3；改造前后飛灰含碳量和爐渣含碳量未發(fā)生明顯變化，由于排煙溫度的降低，鍋爐熱效率有所提高。同期進(jìn)行低氮燃燒改造的同型號(hào)的#14鍋爐未安裝解耦燃燒器，改造后NOx平均排放質(zhì)量濃度比#13鍋爐高13%以上，且因?yàn)闋t膛水冷壁結(jié)焦嚴(yán)重多次出現(xiàn)鍋爐滅火，而#13鍋爐未出現(xiàn)過爐膛嚴(yán)重結(jié)焦現(xiàn)象。

5　結(jié)束語(yǔ)

煤粉燃燒初期產(chǎn)生的NOx主要由揮發(fā)分氮轉(zhuǎn)化而來(lái)，通過燃燒器設(shè)計(jì)，增加煤燃燒初期的熱解氣化速度和還原性氣氛，有利于減少燃燒過程產(chǎn)生的NOx。解耦燃燒器采用了水平濃淡多級(jí)分級(jí)燃燒，通過集粉穩(wěn)焰器和分流堰等設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高一次風(fēng)濃測(cè)氣流向火側(cè)的煤粉質(zhì)量濃度，并增強(qiáng)爐膛高溫?zé)煔鈱?duì)超濃煤粉氣流的加熱，具有更好的低氮、穩(wěn)燃和防結(jié)焦性能，對(duì)解決低揮發(fā)分難燃煤降低NOx排放質(zhì)量濃度同時(shí)燃燒效率下降的耦合問題更為有利。

[1]李靜海，許光文，楊勵(lì)丹，等. 一種抑制氮氧化物的無(wú)煙燃煤方法及燃煤爐: ZL95102081.1[P].1995-03-07.

[2]何京東.煤炭解耦燃燒NO抑制機(jī)理實(shí)驗(yàn)研究[D].北京:中國(guó)科學(xué)院過程工程研究所, 2006.

[3]郝江平，高士秋，李靜海，等.低氮氧化物排放煤粉解耦燃燒器及煤粉解耦燃燒方法: ZL201110033811.8.[P].2011-01-31.

[4]郝江平，李靜海，劉新華，等. 一種多角切圓多尺度煤粉解耦燃燒裝置及其解耦燃燒方法: ZL201110374539.x.[P].2011-11-22.

[5]SMOOT L D, HILL S C, XU H. NOxcontrol through reburning[J]. Progress in energy and combustion science, 1998, 24(5): 385-408.

[6]LEE B H, SONG J H, KIM R G, et al. Simulation of the influence of the coal volatile matter content on fuel NO emissions in a drop-tube furnace[J].Energy & fuels, 2010, 24(8):4333-4340.

[7]徐有寧.抑制氮氧化物無(wú)煙燃煤技術(shù)及其應(yīng)用[D].北京:中國(guó)科學(xué)院化工冶金研究所,2000.

(本文責(zé)編：劉芳)

2016-03-29；

2016-06-22

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助課題(2013BAC14B02)

TK 229.6

A

1674-1951(2016)07-0001-03

郝江平(1969—)，男，山西大同人，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士，科技部在庫(kù)專家，從事燃煤鍋爐的解耦燃燒技術(shù)和節(jié)能減排技術(shù)的研究(E-mail:hjp186@aliyun.com)。

王菁(1988—)，女，山西運(yùn)城人，在讀博士研究生，從事高效潔凈燃燒技術(shù)的研究(E-mail:786805576@qq.com)。

婁慧如(1972—)，女，河南洛陽(yáng)人，過程工程實(shí)驗(yàn)室主任，山西大學(xué)特聘教授，美國(guó)LAMAR大學(xué)終身教授，博士生導(dǎo)師，從事高效潔凈燃燒技術(shù)方面的研究(E-mail:1211813654@qq.com)。

高士秋(1964—)，男，黑龍江佳木斯人，過程工程學(xué)報(bào)專業(yè)副主編，研究員，博士生導(dǎo)師，日本群馬大學(xué)工學(xué)博士，從事煤炭能源分級(jí)綜合利用等方面的研究工作(E-mail:sqgao@home.ipe.ac.cn)。