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新型低氮旋流燃烧器NOx排放特性

龚彦豪1,许鑫玮1,王登辉1,王学斌1,谭厚章1,牛艳青1,惠世恩1,李在让2,刘愿武3

(1. 西安交通大学 能源与动力工程学院 动力工程多相流国家重点实验室,陕西 西安 710049;2. 泰山集团股份有限公司,山东 泰安 271000;3. 西安交大思源科技股份有限公司,陕西 西安 710032)

摘 要:为应对燃煤工业锅炉日益严苛的排放标准,提出了一种新型低NOx旋流燃烧器,将煤粉预燃与燃烧器空气分级、炉膛空气分级进行耦合,通过改变燃烧系统的配风布置对煤粉预燃燃烧状态进行调整,研究了一次风率、内外二次风率、外二次风入射方式、循环风率和燃尽风率对NOx排放特性的影响。结果表明:在试验工况下当一次风率从15.4%提高到28.7%,预燃室内氧气浓度增大,一次风携带的氧气可直接将煤粉热解释放挥发分中含氮化合物HCN、NH3等中的N氧化为NO,NOx生成量由284.4 mg/m3逐渐增至326.7 mg/m3。当内外二次风率比由0.46增大到1.4,NOx排放浓度先下降后上升;由于内二次风量影响预燃室内过量空气系数和湍动强度,外二次风量影响炉膛内部主燃区煤粉发生燃烧反应的湍动混合强度,在二次空气配比变化的综合作用下,内外二次风率比为1.0时,NOx排放值最低为211.2 mg/m3。随着外二次风内部入射风量与端面入射风量比值由0增大到4.56,NOx生成浓度先下降后上升;由预燃室端面入射的外二次空气射流边界较长,主燃区相对较大,燃烧整体较为均衡,而从预燃室内部入射的外二次风促进了预燃室出口气粉混合物在炉膛内与助燃空气的混合;当外二次风内部、端面射流风率比为0.25时,煤粉在预燃室出口区域的湍动强度提高,在局部还原性气氛下,NOx生成浓度有最低值230.9 mg/m3。当循环风率从0增大到30.6%时,内外二次风中氧气浓度降低,预燃室和炉膛主燃区还原性气氛增强,挥发分中含氮化合物HCN、NH3等中的N迁移形成N2的概率增加,NOx排放量由250.7 mg/m3逐渐降低到221.1 mg/m3。随着燃尽风率由0提高到29%,NOx排放值先减小后增大;燃尽风率提高时二次风率随之降低,内外二次风湍动扩散能力减弱,主燃区还原性气氛增强;燃尽风率进一步提高使得主燃区氧量不足,燃尽区氧化性氛围较强,大量焦炭和含氮化合物在燃尽区发生氧化反应,导致NOx生成量增加;当燃尽风率为19.6%时,NOx生成值最低为253.5 mg/m3。整体上,当一次风率为17%~19%,内外二次风率比为0.8~1.0,外二次风由预燃室端面入射,循环风率为15%~20%,燃尽风率为19%~22%时,NOx排放值为212~231 mg/m3,相比试验工况下最大NOx排放量下降29%~35%。

关键词:工业锅炉;燃烧器;煤粉预燃;空气分级;NOx排放

中图分类号:TK223.2

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)06-0118-08

收稿日期:2019-06-06;责任编辑:白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19060601

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基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFB0603900)

作者简介:龚彦豪(1994—),男,四川乐山人,硕士研究生,研究方向为煤的清洁高效燃烧。E-mail:howie3@stu.xjtu.edu.cn。通讯作者:惠世恩,教授,博士生导师,研究方向为煤的洁净利用与污染防治。E-mail:sehui@mail.xjtu.edu.cn

引用格式:龚彦豪,许鑫玮,王登辉,等.新型低氮旋流燃烧器NOx排放特性[J].洁净煤技术,2019,25(6):118-125.

GONG Yanhao,XU Xinwei,WANG Denghui,et al.NOx emissions characteristics of a novel low-NOx swirl burner[J].Clean Coal Technology,2019,25(6):118-125.

NOx emissions characteristics of a novel low-NOx swirl burner

GONG Yanhao1,XU Xinwei1,WANG Denghui1,WANG Xuebin1,TAN Houzhang1,NIU Yanqing1,HUI Shien1,LI Zairang2,LIU Yuanwu3

(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering,School of Energy and Power Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2. Taishan Group Co.,Ltd.,Taian 271000,China;3. Xian Jiaoda Siyuan Technology Co.,Ltd.,Xian 710032,China)

Abstract:Aiming at increasingly stringent emission standards of coal-fired industrial boilers,a novel low-NOx swirl burner was proposed in this paper. The pulverized coal preheating was coupled with the air staging of burner and furnace,and the pulverized coal preheating combustion state was adjusted by changing the air distribution of the combustion system. The effects of primary air rate,inner and outer secondary air rate,outer secondary air injection method,recirculating flue gas rate and over fire air(OFA) rate on NOx emissions were studied. The results show that with the increase of primary air rate from 15.4% to 28.7% in the experimental conditions,the oxygen concentration in the preheating chamber increases,and N which is present in nitrogen-containing compounds HCN,NH3,etc. in the volatile matter from the pyrolysis of pulverized coal is directly oxidized to NO by the oxygen carried by primary air,resulting in increasing NOx formation from 284.4 mg/m3 to 326.7 mg/m3. When the ratio of internal and external secondary air increases from 0.46 to 1.4,the NOx emission concentration decreases first and then increases. The inner secondary air volume affects the excess air ratio and turbulence intensity in the preheating chamber,and the outer secondary air volume affects the turbulence intensity of pulverized coal combustion reaction in the primary combustion zone inside the furnace. Due to the combined effects of changes in secondary air distribution,the lowest NOx emission value is 211.2 mg/m3 when the ratio of inner and outer secondary air is 1.0. As the ratio of the air volume injected from the inside of the preheating chamber to injected from the end face of the preheating chamber of the outer secondary air increases from 0 to 4.56,the NOx formation concentration reduces first and then increases. The outer secondary air injected from the end face of the preheating chamber has a longer injection boundary,which makes the primary combustion zone relatively larger and the overall combustion is relatively uniform. Whereas,the outer secondary air injected from the inside of the preheating chamber promotes the mixing of preheating products at the outlet of the precombustion chamber with combustion air in the furnace. When the inside/end face injection air ratio of the outer secondary air is 0.25,the turbulence intensity of pulverized coal in the outlet area of the preheating chamber is improved,and the NOx formation has a minimum value of 230.9 mg/m3 in a partially reducing atmosphere. As the recirculating flue gas rate increases from 0 to 30.6%,the oxygen concentration in the inner and outer secondary air decreases,which makes the reducing atmosphere in the preheating chamber and the primary combustion zone enhanced. The probability that N which is present in nitrogen-containing compounds HCN,NH3,etc. in the volatile matter reacts to form N2 increases,and NOx emission gradually decreases from 250.7 mg/m3 to 221.1 mg/m3. As the OFA rate increases from 0 to 29%,the NOx emission value decreases first and then increases. With the increase of the OFA rate,the secondary air rate decreases,and the turbulence diffusion capacity of the inner and outer secondary air is weakened,meanwhile,the reducing atmosphere in the primary combustion zone is enhanced. The further increase of the OFA rate makes the oxygen content in the primary combustion zone insufficient,and the oxidizing atmosphere in the burnout zone is strong. At this time,a large amount of coke and nitrogen-containing compounds undergo oxidation reactions in the burnout zone,resulting in the increase in the NOx formation. When the OFA rate is 19.6%,the lowest NOx emission value is 253.5 mg/m3. Overall,When the primary air rate is 17%-19%,the inner and outer secondary air ratio is 0.8-1.0,the outer secondary air is injected from the end face of the preheating chamber,the recirculating flue gas rate is 15%-20%,and the OFA rate is 19%-22%,the NOx emission value is 212-231 mg/m3,which is 29%-35% lower than the maximum NOx emissions in the experimental conditions.

Key words:industrial boiler;burner;pulverized coal preheating;air staging;NOx emissions

0 引  言

煤炭是我国能源的主体消费形式,而燃烧是煤炭的最主要消耗方式。煤炭燃烧是NOx的主要来源,NOx是光化学烟雾的主要成因,同时也是形成酸雨的主要因素,近年来作为PM2.5的成因之一更是受到了广泛关注[1-2]。目前,我国投用的燃煤工业锅炉约50万台,是世界上燃煤工业锅炉最多的国家,工业锅炉煤炭消耗量约占能源消费总量的20%,其排放的NOx占全国NOx排放总量的12%左右,仅次于电站锅炉[3-4]。然而,煤粉工业锅炉普遍存在燃烧技术落后、锅炉能耗高、热效率低、污染物排放高等问题,在环保要求日益严峻的今天受到了广泛关注。

NOx减排的控制技术主要有低氮燃烧器、空气分级燃烧、燃料再燃、烟气再循环(FGR)、选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)等方法。燃煤工业锅炉燃烧后烟气脱硝成本较高,因此通过低氮燃烧器和空气分级等技术的应用,使煤粉在炉内进行清洁高效燃烧,是最直接经济的NOx脱除手段。目前我国投用的典型低NOx燃烧器包括美国B&W公司的DRB/XCL燃烧器[5]、日立-Babcock公司的HT-NR燃烧器[6]、美国FW公司的CF/SF燃烧器[7]、三井-Babcock公司的LNASB燃烧器[8]、德国Steinmuller公司的MSM燃烧器[9]、美国CE公司的WR燃烧器[10]、德国SAACKE公司的SSB燃烧器、日本三菱公司的PM燃烧器[11]和SGR燃烧器[12]等。同时,我国科研人员开发的低NOx燃烧器如哈尔滨工业大学的径向浓淡旋流燃烧器[13]、东南大学的花瓣式旋流燃烧器[14]、浙江大学的文丘里浓淡燃烧器[15]、清华大学的富集型浓淡燃烧器[16]等也得到了规模应用。

空气分级一般是将总风量的5%~20%以燃尽风(OFA)的方式送入炉膛,使主燃区的过量空气系数接近或小于1,呈现低氧或还原性气氛[17-19]。煤粉进入炉膛后快速热解,释放的挥发分中含有大量HCN和NH3等氮的中间产物,这些含氮化合物会与O2和NO进行竞争反应。采用空气分级后,主燃区氧气浓度下降,HCN和NH3等中间产物和O2发生反应的概率降低,和NO反应生成N2的概率增加,从而抑制NOx的生成。根据燃尽风与主燃区的相对距离可以将燃尽风分为紧凑型燃尽风(CCOFA)和分离型燃尽风(SOFA)[20]。Daood等[21]在热功率50 kW的沉降燃烧试验系统上研究煤粉的燃烧特性,发现沿炉膛方向的空气分级燃烧使得NOx生成量明显下降。Wang等[22]研究了空气分级燃烧技术对煤粉燃烧NOx排放特性的影响,结果表明NOx排放量随着燃尽空气喷口位置和煤粉燃烧器喷嘴之间距离的增加而减少。Fan等[23]利用一维电加热沉降炉进行了煤粉燃烧空气分级试验,结果显示随着空气分级程度的增加,NOx排放值的降低量增大,且具有适当燃尽空气位置的空气分级燃烧对锅炉整体燃烧效率几乎没有影响。

作为低NOx燃烧技术的代表之一,煤粉预燃技术近几年得到了快速发展。煤粉进入燃烧器前,先经过由外热源加热的预燃室。由于一次风携带的氧气含量低于煤粉完全燃烧所需氧气量,预燃室内呈现还原性气氛。煤粉在预燃室内受热快速分解,释放出大量挥发分,同时伴随大量含氮化合物以气态形式析出。挥发分部分燃烧,为预燃室提供热量。在还原性气氛下,HCN、NH3等含氮中间产物可以将NO还原成N2,显著降低NOx生成[24]。Zhu等[25]研究了循环流化床预燃后的煤粉燃烧NOx排放特性,结果发现预燃阶段煤粉中N元素有41.4%转化为N2,显著降低了炉内NOx生成。Liu等[26]通过燃气加热预燃煤粉的方式研究了NOx生成,结果显示燃烧器结构特性和配风方式对预燃产物在炉膛内的燃烧有重要影响。Ouyang等[27]在0.2 MW预燃燃烧试验台上研究了煤粉燃烧的NOx排放特性,结果表明在合理配置三次风喷嘴的条件下,预燃产物在炉内燃烧生成的NOx得到进一步控制。

然而,常规的煤粉预燃需在燃烧器前单独设置通过外部热源加热的预燃室,锅炉负荷较低时,需要燃烧外部燃料或使用换热器为预燃室加热来维持系统正常运行,使整个燃烧系统变得复杂;同时,常规的低NOx燃烧器与空气分级技术对NOx生成的抑制作用有限,在不进行炉膛空气分级的条件下,NOx原始排放通常在380 mg/m3以上[28]。因此,本文提出了一种新型低NOx燃烧器,该燃烧器带有煤粉预燃室,在燃烧器空气分级条件下,预燃室内部呈现还原性气氛,在煤粉热解过程中可以有效抑制NOx生成。通过改变燃烧系统的配风布置,将煤粉预燃与燃烧器空气分级、炉膛空气分级进行耦合发挥协同脱硝效应,研究其对NOx排放特性的影响。

1 试  验

1.1 试验系统

试验在热功率29 MW的煤粉蒸汽锅炉上进行,试验系统如图1所示。整个系统由试验炉本体、给粉系统、送风系统、给水系统和点火系统等5个子系统组成。单只新型低NOx旋流燃烧器安装在试验炉炉膛前部,给粉系统和鼓引风系统提供燃烧所需煤粉和空气,给水系统保证试验过程中连续稳定的蒸发量,点火系统保障试验正常点火和稳定燃烧。炉膛中部左右两侧墙分别对称开设有2个燃尽风喷口,4个燃尽风喷口靠近炉膛截面的4个交角处对称分布并形成相应入射角度,使燃尽风以四角切圆方式沿炉膛截面射入,切圆旋转方向与燃烧器旋流风同向。烟气成分测点位于对流受热面出口水平烟道,同时,在对流受热面出口水平烟道对烟气中的飞灰进行在线取样,分析飞灰可燃物含量。

图1 试验系统示意
Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

1.2 燃烧器结构

新型低NOx旋流燃烧器结构如图2所示。燃烧器旋流内二次风套筒外围连接有预燃室,预燃室壳体外侧连接有外二次风套筒,预燃室壳体末端内侧及外缘沿燃烧器出口轴线周向分别对称开设有若干外二次风内部喷口及端面喷口。预燃室入口处由内至外依次为中心管、一次风套筒、直流内二次风套筒和旋流内二次风套筒。一次风套筒靠近喷口处的内壁上有煤粉浓缩环,喷口处有齿型稳焰器,直流内二次风喷口处有扩口,旋流内二次风通道内有切向旋流叶片。

图2 新型低NOx旋流燃烧器结构
Fig.2 Diagram of the novel low-NOx swirl burner structure

燃烧器内外二次风和燃尽风通过鼓风机送风,沿主空气管道从上游至下游依次连接燃尽风管道、内二次风管道和外二次风管道。循环烟气经循环风管道注入主空气通道内,注入位置位于燃尽风管道下游,内外二次风管道上游,故循环风同时掺入内二次风和外二次风中。试验过程中,锅炉实际热功率为12.5 MW,燃烧反应的过量空气系数保持在1.2左右,NOx排放值在9%氧气浓度基础上进行计算。试验用煤的元素分析及工业分析见表1。

表1 煤的工业分析和元素分析

Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal

工业分析/%MadAadVadFCad元素分析/%CdafHdafOdafNdafSdaf4.269.2233.8652.6681.185.1611.741.050.87

1.3 试验工况

试验各工况的参数见表2。试验研究了一次风率、内外二次风率比、外二次风入射方式、循环风率和燃尽风率对NOx排放的影响,并对每种工况下的飞灰可燃物含量进行测试分析,通过对比找到新型低NOx旋流燃烧器的最佳运行参数。

表2 试验工况

Table 2 List of the experimental cases

工况一次风率/%内外二次风率比内部入射/端面入射风率比循环风率/%燃尽风率/%115.40.411.0000219.60.411.0000322.90.411.0000428.70.411.0000522.40.464.5600622.40.724.5600722.41.004.5600822.41.44.5600922.40.460001022.40.460.25001122.40.461.00001222.40.461.009.501322.40.461.0023.001422.40.461.0030.601524.50.681.00001624.50.681.0009.61724.50.681.00019.61824.50.681.00029.0

2 结果与分析

2.1 一次风率对NOx排放的影响

工况1~4研究了燃烧器一次风率对NOx排放的影响,结果如图3所示。当一次风率分别为15.4%、19.6%、22.9%和28.7%时,对应的NOx排放浓度分别为284.4、298.5、316.8和326.7 mg/m3,飞灰可燃物含量分别为20.3%、13.6%、11.2%和10.6%。

图3  一次风率对NOx排放的影响
Fig.3 Effect of primary air rate on NOx emissions

一次风率较低时,预燃室内空气当量比较小,还原性气氛较强,有利于抑制着火初期NO的形成,此时NOx排放值相对较低;煤粉着火相对推迟,焦炭燃烧反应速率较小,飞灰含碳量较高。随着一次风率提高,一次风动量提高,预燃室内氧气浓度增大,一次风携带的氧气可直接将煤粉热解释放挥发分中的含氮化合物HCN、NH3等中的N氧化为NO,导致NOx排放浓度升高;煤粉着火提前,焦炭燃烧反应速率增大,飞灰含碳量下降。

2.2 内外二次风率比对NOx排放的影响

为获得燃烧器内外二次风率比对NOx排放的影响,进行了工况5~8的试验研究,结果如图4所示。在试验条件下,直流内二次风通道阀门关闭,内二次风均由旋流内二次风通道进入,为旋转射流;外二次风为预燃室内部射流。在保持总风量一定的条件下,燃烧器内二次风量逐渐增大时,相应的外二次风量逐渐减小,内外二次风量的比值逐渐变大。当内外二次风率比分别为0.46、0.72、1.00和1.40时,NOx排放浓度分别为305.6、235.2、211.2和219.7 mg/m3;飞灰可燃物含量分别为17.1%、12.3%、16.0%和23.5%。当外二次风率最大,内二次风率最小时,外二次风动量扩散能力强,湍动强度大,提高了主燃区混合能力,有利于NO的生成,此时NOx排放值相对较高;煤粉着火相对推迟,焦炭燃烧反应时间相对较短,飞灰含碳量较高。

图4 内外二次风率比对NOx排放的影响
Fig.4 Effect of inner and outer secondary air ratio
on NOx emissions

随着外二次风率降低,内二次风率增加,煤粉在主燃区湍动强度减弱,HCN、NH3等含氮化合物中的N迁移形成N2的概率增加,NOx浓度降低;煤粉释放出的挥发分反应速率加快,煤粉着火提前,焦炭燃烧反应时间变长,飞灰含碳量有所下降。当外二次风率进一步降低,内二次风率进一步增大时,内二次风动量扩散能力强,湍动强度大,提高了预燃室内的混合能力,同时预燃室氧气浓度增大,HCN、NH3等含氮化合物中的N会迁移形成NO,导致NOx生成量的增加;煤粉在主燃区湍动强度减弱,使得焦炭燃烧反应速率降低,飞灰含碳量增大。

2.3 外二次风入射方式对NOx排放的影响

工况5与工况9~11进行了燃烧器外二次风入射方式对NOx排放影响的研究,试验结果如图5所示。试验过程中,预燃室内部射流占总外二次风比率分别为0、20%、50%和82%时,相应的预燃室端面射流占总外二次风比率依次为100%、80%、50%和18%;外二次风内部、端面射流风率比分别为0、0.25、1.00和4.56。此时NOx排放浓度分别为252.1、230.9、250.7和305.6 mg/m3;飞灰可燃物含量分别为23.1%、25.0%、27.7%和17.1%。

当外二次风均由端面入射时,空气射流边界较长,主燃区相对较大,燃烧整体较为均衡,有利于将NO生成控制在较低水平,同时飞灰含碳量较低。随着外二次风内部入射量增加,端面入射量下降,煤粉在预燃室出口的湍动强度提高,在还原性气氛下,有利于挥发分中HCN、NH3等含氮化合物中的N迁移形成N2;然而,主燃区范围缩小,使得飞灰含碳量增大。

图5 外二次风入射方式对NOx排放的影响
Fig.5 Effect of injection method of outer secondary air on NOx emissions

外二次风内部入射量进一步增加,端面入射量进一步下降时,预燃室中的气粉混合物进入炉膛与外二次风强烈而快速混合,在局部氧气浓度较高的环境中发生燃烧反应,HCN、NH3等含氮化合物中的N会迁移形成NO,使得NOx排放值升高;煤粉在主燃区湍动强度增大,焦炭燃烧反应速率提高,飞灰含碳量减小。

2.4 循环风率对NOx排放的影响

为研究燃烧器循环风率对NOx排放的影响,进行了工况11~14的试验,结果如图6所示。由于循环烟气在主空气通道注入,注入位置位于内外二次风通道上游,故循环风同时注入内二次风和外二次风。由图6可知,循环风率分别为0、9.5%、23.0%和30.6%时,对应的NOx排放浓度分别为250.7、235.2、230.9和221.1 mg/m3;飞灰可燃物含量分别为27.7%、22.3%、23.6%和27.2%。

图6  循环风率对NOx排放的影响
Fig.6 Effect of recirculating flue gas rate on NOx emissions

当循环烟气未被通入时,预燃室和主燃区氧气浓度相对较高,HCN、NH3等含氮化合物中的N迁移形成NO的概率较大,NOx排放值相对较高;煤粉在主燃区湍动强度相对较弱,焦炭燃烧反应速率较小,飞灰含碳量较高。循环风投入使用后,随着循环风率的提高,内外二次风中氧气浓度降低,进而预燃室和炉膛主燃区氧气浓度有所下降,煤粉热解释放挥发分中的含氮化合物HCN、NH3等中的N迁移形成N2的概率增加,这时NOx排放值降低;内外二次风喷口入射气体量增大,内外二次风湍动强度增强,提高了主燃区混合能力,焦炭燃烧反应速率提高,飞灰含碳量减小。随着循环风率进一步提高,主燃区氧气浓度进一步下降,反应温度降低,使得焦炭燃烧反应速率降低,飞灰含碳量增大。

2.5 燃尽风率对NOx排放的影响

工况15~18研究了燃烧器燃尽风率对NOx排放的影响,结果如图7所示。燃尽风喷口靠近炉膛截面的4个交角处并形成相应入射角度,使燃尽风以四角切圆方式沿炉膛截面射入,切圆旋转方向与燃烧器旋流风同向。当燃尽风率分别为0、9.6%、19.6%和29.0%时,NOx排放浓度分别为270.4、264.7、253.5和281.6 mg/m3;飞灰可燃物含量分别为20.7%、25.9%、19.5%和13.0%。

图7 燃尽风率对NOx排放的影响
Fig.7 Effect of OFA rate on NOx emissions

当燃尽风率为0时,二次风率最大,气粉混合物在炉膛中会与二次风提供的相当数量氧气发生燃烧化学反应,这时除碳氢化合物、CO、H2、碳烟等可燃气体或颗粒发生燃烧反应外,还有一部分氧气会与HCN、NH3等含氮化合物发生化学反应,N会迁移形成NO,使NOx排放值较高;此时煤粉在主燃区湍动强度较强,焦炭燃烧反应速率较大,飞灰含碳量相对较低。随着燃尽风率的提高,二次风率降低,内外二次风动量扩散能力减弱,湍动强度减小,削弱了主燃区混合能力,同时主燃区还原性气氛增强,使得HCN、NH3等含氮化合物中的N迁移形成N2的概率增加,NOx排放量下降;焦炭燃烧反应速率降低,飞灰含碳量增大。当燃尽风率进一步提高时,主燃区氧量不足,大量焦炭和含氮化合物不能发生有效转化,燃尽区氧化性氛围较强,使得HCN、NH3等含氮化合物中的N迁移形成NO,导致NOx生成量增加;燃尽风以四角切圆方式射入,湍动强度较大,提高了燃尽区混合能力,焦炭燃烧反应速率增大,飞灰含碳量减小。炉膛燃尽风未投入使用时,通过煤粉预燃与燃烧器空气分级协同作用,NOx原始排放浓度在300 mg/m3以下,低于典型常规煤粉燃烧器未进行炉膛空气分级燃烧下的NOx排放[29]

试验工况下,炉膛运行负荷低于锅炉额定负荷,炉内燃烧反应温度相比额定负荷有所下降,可能导致飞灰可燃物含量偏高。研究发现,外二次风大量由预燃室内部入射时,主燃区湍动强度增大使得焦炭燃烧反应速率提高,飞灰可燃物含量有效降低,但此时NOx排放与外二次风由预燃室端面入射相比较高。因此,可将燃烧器预燃室端面外二次风喷口的切向偏转角度增大,使端面入射的外二次风旋流强度增大,提高主燃区的湍动混合强度;同时可将预燃室端面外二次风喷口截面积减小,提高外二次风进入炉膛的射流速度,在高速射流的作用下卷吸更多高温烟气回流,促进焦炭燃烧反应的进行,实现控制NOx生成的同时,降低飞灰可燃物含量。在现有燃尽风位置靠近主燃区方向增设一级燃尽风供给,形成CCOFA与SOFA两级炉膛空气分级,在维持主燃区还原性气氛进行燃烧反应的前提下,提前燃尽风进入炉膛的时间与空间尺度;同时,增大CCOFA和SOFA两级燃尽风入射的切圆混合能力,进一步提升燃尽区的局部湍动强度,使焦炭燃烧更加充分,降低飞灰可燃物含量,并将NOx控制在较低水平。在燃烧器和炉膛空气分级的基础上,通过合理的空气配比,保证NOx生成量较少的同时,有效控制飞灰可燃物含量,保证较高的锅炉热效率。

3 结  论

本文提出了一种新型低NOx旋流燃烧器,该燃烧器带有预燃室结构,预燃室将煤粉热解释放挥发分的时空尺度延长,在燃烧器多尺度空气分级的协同作用下,可在煤粉热解着火初期有效控制NOx生成。燃烧器外二次风旋转射流使燃烧区域实现较大尺度湍动燃烧,燃烧器对煤种适应性较强,低负荷稳燃能力较强。通过改变燃烧系统的配风方式,将煤粉预燃与燃烧器空气分级、炉膛空气分级进行耦合脱硝,研究其对NOx排放特性的影响。结果表明:

1)随着一次风率提高,NOx生成量逐渐增大,一次风率的合理区间为17%~19%;随着内外二次风率比增大,NOx排放浓度先下降后上升,内外二次风率比的合理区间为0.8~1.0。

2)随着外二次风内部入射风量与端面入射风量比值由0增大到4.56,NOx生成浓度先下降后上升;相比于从预燃室内部入射,外二次风由预燃室端面入射可更好地抑制NOx生成。

3)随着循环风率增大,NOx排放量逐渐下降,循环风率的合理区间为15%~20%;随着燃尽风率提高,NOx生成量先降低后升高,燃尽风率的合理区间为19%~22%。

4)在燃烧系统合理的配风区间内,NOx排放值为212~231 mg/m3,相比于试验工况下最大NOx排放量降低29%~35%。

参考文献(References):

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