孫劉濤，閆永宏，陳登科，彭政康，孫銳

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150001）

0 引言

半焦作為煤熱解的副產(chǎn)品，具有熱值高和產(chǎn)量巨大的優(yōu)點(diǎn)，將其作為高品位清潔燃料進(jìn)行發(fā)電，是實(shí)現(xiàn)煤炭資源高效梯級(jí)利用的重要途徑之一［1］。半焦與其他揮發(fā)分較高的煤種摻混燃燒是改善電站鍋爐中半焦燃燒特性的有效方法，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的關(guān)注。但半焦存在著火難、燃盡率低、揮發(fā)分低、NOx排放高等問(wèn)題，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，威脅人類健康，減少半焦與煤種摻燒過(guò)程中的NOx排放是電廠面臨的挑戰(zhàn)之一。

近年來(lái)，有關(guān)半焦與煙煤以及不同煤種之間摻燒的研究逐漸興起。Yao 等［2］用熱重分析法研究了富氧氣氛下半焦/煙煤共混物的燃燒特性和動(dòng)力學(xué)行為，在熱重分析儀上進(jìn)行了摻燒試驗(yàn)，研究表明：隨著煙煤在共混物中所占比例的增加，燃燒特性有顯著變化。Zhang 等［3］通過(guò)熱重分析和降管爐試驗(yàn)研究了煙煤與半焦摻燒過(guò)程中的燃燒特性和NO 生成特性，結(jié)果表明，80%的煙煤摻混比例對(duì)燃盡率有良好的促進(jìn)作用，對(duì)NO 的形成有明顯的抑制作用。Ikeda 等［4］在煤粉燃燒試驗(yàn)爐上研究了煙煤和次煙煤組成混煤燃燒時(shí)NOx的排放特性，結(jié)果表明：混煤燃燒后的NOx排放質(zhì)量濃度可以用組分煤?jiǎn)为?dú)燃燒時(shí)NOx排放質(zhì)量濃度按摻混質(zhì)量比進(jìn)行加權(quán)平均估算；當(dāng)混煤中次煙煤比例增加時(shí)，NOx排放質(zhì)量濃度向次煙煤?jiǎn)为?dú)燃燒時(shí)靠近。Cheoreon 等［5］在15 kW煤粉爐中進(jìn)行了低階煤、褐煤的共燃試驗(yàn)，研究了煙煤、褐煤及其共混物的燃燒與排放特性，評(píng)價(jià)了分級(jí)配風(fēng)、一次風(fēng)比、煤種、煙煤與褐煤摻混比對(duì)NOx排放和顆粒燃盡的影響：對(duì)于煙煤，隨著一次風(fēng)比的減小和分級(jí)配風(fēng)與燃燒器出口距離的增大，NOx排放量略有下降；在一次風(fēng)比和分級(jí)配風(fēng)位置不變的情況下，含氮量較低的煤NOx排放量較小。王長(zhǎng)安等［6］對(duì)混煤摻燒特性和燃燒特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，混合煤的工業(yè)分析、元素分析和熱值分析可采用單個(gè)煤種的質(zhì)量加權(quán)平均值的方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算；熱重試驗(yàn)結(jié)果表明，混煤的強(qiáng)燃燒階段與單個(gè)煤種有較大差異，混合煤的熱重曲線介于不同煤的熱重曲線之間，但表現(xiàn)出非疊加行為。

隨著半焦摻混比例的增加，降低NOx排放面臨很大挑戰(zhàn)。目前，在電站四角切圓燃燒鍋爐中大比例摻混半焦是一種有效的摻燒技術(shù)，優(yōu)化燃燒條件是降低NOx排放的主要措施之一［7］，特別是低NOx切向燃燒器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)改善半焦的著火和燃燒特性、抑制NOx生成起著至關(guān)重要的作用。

在一次風(fēng)粉管道出口設(shè)置鈍體，由于鈍體的阻礙和擾動(dòng)，在它后面會(huì)形成一定的回流區(qū)域，燃燒室高溫?zé)煔饩淼絿娍诟浇瑥?qiáng)化著火和穩(wěn)燃。煤粉氣流從離開(kāi)燃燒器噴口到著火點(diǎn)的時(shí)間很短，無(wú)法吸收大量的輻射熱量，大部分依靠高溫?zé)煔饣亓饕约吧淞魍饩壍木砦鼇?lái)達(dá)到著火溫度，所以鈍體燃燒器能夠強(qiáng)化燃燒的初始階段。鈍體穩(wěn)燃技術(shù)可通過(guò)改變?nèi)紵諊鷣?lái)降低NOx排放［8］，具有較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保研究?jī)r(jià)值。

鈍體是影響混煤燃燒的重要因素之一，近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外煤粉穩(wěn)燃技術(shù)得到了充分發(fā)展。徐明厚等［9］采用三維激光粒子動(dòng)力學(xué)風(fēng)速儀對(duì)空腔鈍體燃燒器出口氣流的平均速度、脈動(dòng)速度分量和湍流特性進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)于低揮發(fā)分煤，給出了模型顆粒的選擇（密度為1.2～1.4 g/cm3，粒徑小于160 μm）、再循環(huán)區(qū)內(nèi)外顆粒直徑分布、顆粒密度分布、體積流量分布和燃燒進(jìn)程等結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果不僅說(shuō)明了鈍體燃燒器火焰穩(wěn)定的機(jī)理，而且表明了這種火焰穩(wěn)定技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用潛力。DANO 等［10］重點(diǎn)研究了燃燒器鈍體的幾何形狀對(duì)非預(yù)混火焰穩(wěn)定性的影響，使用了2 個(gè)具有不同幾何和氣動(dòng)特性的鈍體（1 個(gè)圓盤形，誘導(dǎo)擴(kuò)散流；1 個(gè)郁金香形，促使邊界層的形成），實(shí)現(xiàn)了對(duì)等溫和反應(yīng)流的可視化和氣動(dòng)熱力學(xué)描述；另外，他們還定義了基于外部氣流回流特性和中心射流發(fā)展的無(wú)量綱參數(shù)，論證了尾流區(qū)空氣動(dòng)力學(xué)的重要性及其對(duì)非預(yù)混火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀?1］。TONG 等［12］研究了甲烷-空氣擴(kuò)散火焰的類型和穩(wěn)定極限，以評(píng)價(jià)鈍體位置變化對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響，用高速攝像機(jī)觀察并記錄了再循環(huán)區(qū)火焰、穩(wěn)定擴(kuò)散火焰、劈裂火焰和上升火焰直至火焰熄滅的各種火焰形態(tài)，采用高速粒子圖像測(cè)速儀（PIV）對(duì)火焰流場(chǎng)和火焰形態(tài)特征進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在環(huán)形通道出口上方10 mm處安裝鈍體可以更好地穩(wěn)定火焰，燃燒時(shí)通過(guò)加速中心射流和擴(kuò)大外再循環(huán)帶對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生顯著影響。

為了實(shí)現(xiàn)大摻混比半焦摻燒，同時(shí)也考慮到課題的要求，本文嘗試了半焦大摻混比（45%）下的熱態(tài)試驗(yàn)，而鈍體及其擴(kuò)展角參數(shù)設(shè)置也是為了能起到更好的穩(wěn)燃和NOx減排效果。本文在300 kW 中試規(guī)模煤粉爐上進(jìn)行冷態(tài)和熱態(tài)試驗(yàn)，將半焦與煙煤混合，研究直流燃燒器鈍體擴(kuò)展角對(duì)半焦/煙煤混燃著火特性及NOx排放特性的影響，并深入研究半焦與煙煤的混合燃燒過(guò)程，為大型電站鍋爐燃用混煤提供參考。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

1.1 冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

燃燒器的冷態(tài)試驗(yàn)在300 kW 中試試驗(yàn)鍋爐上進(jìn)行，如圖1 所示。從圖1a 可以清楚地看出一次風(fēng)煤粉燃燒器裝置在爐膛頂部的布置情況，4 個(gè)不同的直流式燃燒器（同熱態(tài)使用的燃燒器相同）分別安裝具有不同擴(kuò)展角的鈍體，鈍體長(zhǎng)度L分別為12.75，15.23，17.92，21.85 mm，對(duì)應(yīng)的鈍體擴(kuò)展角α分別為25°，29°，34°，41°，阻塞比分別為0.20，0.23，0.26，0.30。每個(gè)鈍體高度均為29.31 mm，各燃燒器的一次風(fēng)出口速度在4 種工況下保持一致。配風(fēng)和出口流場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)分別由風(fēng)箱、閥門、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、風(fēng)速計(jì)和4個(gè)不同類型的燃燒器組成，測(cè)量設(shè)備位于燃燒器出口下游。

圖1 直流燃燒器布置及測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Once-through burner layout and measurement point distribution

由于氣流場(chǎng)的對(duì)稱性，僅對(duì)半個(gè)爐膛進(jìn)行測(cè)試，徑向測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)沿2-2截面方向與中心點(diǎn)的距離r分別為0，20，40，60，80，100，120，150，200，250，300，350 mm，軸向測(cè)點(diǎn)設(shè)置在燃燒器中心線上，與燃燒器出口的距離x分別為20，180，340，500，660，820 mm，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格式測(cè)量。

1.2 300 kW中試熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 為300 kW 中試熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，燃燒室為鋼板制成的圓柱形筒體，內(nèi)徑為800 mm，長(zhǎng)5 760 mm，爐頂和爐膛內(nèi)壁襯有耐火層，耐火層和絕緣層之間有冷卻層。該系統(tǒng)的爐膛側(cè)壁上安裝了30個(gè)端口，以便測(cè)量氣體參數(shù)，爐膛側(cè)面有窗口，可通過(guò)窗口觀察火焰。試驗(yàn)裝置詳情可參考文獻(xiàn)［13-14］。本研究采用直流式燃燒器，一次、二次風(fēng)量均用轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，氣體測(cè)量系統(tǒng)由水冷式不銹鋼探頭和傅里葉紅外（FTIR）分析儀組成。測(cè)量前用標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)分析儀：φ（O2）的測(cè)量范圍為0.0%～25.0%，精度為±0.8%；ρ（CO）在2 501.0～12 500.0 mg/m3范圍內(nèi)的精度為±10.0%，在10 001.0～125 000.0 mg/m3范圍內(nèi)的精度為±15.0%；ρ（NOx）（NO，NO2）在測(cè)量范圍內(nèi)的精度為±5.0%。在0～1 600 ℃范圍內(nèi)，用S型熱電偶測(cè)量煙氣溫度，精度為±0.25%。試驗(yàn)用燃料參數(shù)見(jiàn)表1，主要運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 300 kW熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 The 300 kW thermal pilot test system

表1 試驗(yàn)用燃料參數(shù)Tab.1 Parameters of the fuels in the test

表2 試驗(yàn)工況主要運(yùn)行參數(shù)Tab.2 Main operation parameters of the test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 為不同鈍體擴(kuò)展角下氣流軸向速度變化。x=20 mm 時(shí)，一次風(fēng)速和二次風(fēng)速分別在0 mm≤r≤60 mm，150 mm≤r≤300 mm 區(qū)域出現(xiàn)明顯的峰值。隨著鈍體角度的增大，一次風(fēng)速度和峰值減小，這是由于在一次風(fēng)流量一定的情況下，隨著擴(kuò)展角的增大，射流軸向速度分量減小，而鈍體角度為41°時(shí)風(fēng)速小幅增加，可能是回流區(qū)不穩(wěn)定的原因。

由圖3 可見(jiàn)，不同擴(kuò)展角下的二次風(fēng)速峰值差距不大。在60 mm≤r≤150 mm 區(qū)域，風(fēng)速保持很低的水平，說(shuō)明一次風(fēng)和二次風(fēng)還沒(méi)有混合。當(dāng)x=180 mm 時(shí)，擴(kuò)展角為25°工況的一次風(fēng)速峰值降幅明顯，擴(kuò)展角為29°工況的峰值幾乎不變，擴(kuò)展角為34°，41°工況的峰值反而大幅升高且隨著擴(kuò)展角的增大而增大，這是湍流強(qiáng)度變大而導(dǎo)致的。二次風(fēng)速峰值只是小幅降低，說(shuō)明依然保持較好的剛性。在x=340 mm 截面，擴(kuò)展角為29°工況的一次風(fēng)速峰值從r=40 mm 處向r=0 mm 處移動(dòng)，峰值的衰減速率也較小，說(shuō)明射流經(jīng)過(guò)鈍體后再次混合，一次風(fēng)的2個(gè)峰沿爐膛中心線合并成1 個(gè)峰，射流剛性增強(qiáng)。其他角度的峰值則隨著擴(kuò)展角的增大而逐漸偏離中心，二次風(fēng)速明顯降低，一次、二次風(fēng)也開(kāi)始交匯。當(dāng)x＞500 mm時(shí)，隨著氣流向下流動(dòng)，一次風(fēng)和二次風(fēng)逐漸混合且速度保持在較低水平，在徑向上的速度也基本保持一致，此階段流場(chǎng)受鈍體擴(kuò)展角的影響較小。由此可見(jiàn)，鈍體主要影響一次風(fēng)流場(chǎng)，進(jìn)而影響著火。

圖3 不同擴(kuò)展角下氣流軸向速度變化Fig.3 Air flow vertical velocities varying with extensive angles

2.2 熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 鈍體擴(kuò)展角對(duì)著火溫度和著火距離的影響

對(duì)于半焦/煙煤混合燃料，本文通過(guò)測(cè)量爐膛軸向溫度變化來(lái)研究其著火特性［15-16］，圖4 為沿爐膛中心線的軸向溫度分布。對(duì)于不同的工況，溫度變化趨勢(shì)一致。0 mm＜x＜100 mm 時(shí)，由于低溫煤粉射流從燃燒器射入高溫爐膛，被爐壁輻射加熱，溫度驟然上升。100 mm＜x＜400 mm 時(shí)，溫度持續(xù)上升，這是由于2股射流混合之后，混合燃料不斷卷吸周圍高溫?zé)煔膺M(jìn)行強(qiáng)烈的對(duì)流換熱，同時(shí)吸收爐膛內(nèi)壁的輻射傳熱。分析認(rèn)為：不同擴(kuò)展角下混合射流著火距離區(qū)間為100～400 mm。x＞400 mm 時(shí)，溫度達(dá)到峰值，燃燒已基本穩(wěn)定，不同擴(kuò)展角軸向溫度均較高且變得平穩(wěn)。擴(kuò)展角為29°工況的溫度始終較高，而擴(kuò)展角為41°工況的溫度始終較低。從冷態(tài)的試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，擴(kuò)展角為29°工況射流經(jīng)過(guò)鈍體后形成對(duì)稱的雙峰，而后在爐膛中心線上再次混合疊加，最終形成單峰，單峰意味著更多的高溫?zé)煔獗痪砦?、更多的煤粉被輸送到中心線，煤粉和氣流充分混合有利于著火。而擴(kuò)展角過(guò)大，射流偏轉(zhuǎn)撓度偏大，煤粉過(guò)于分散，反而不利于著火。

根據(jù)謝苗諾夫熱自燃理論中的著火臨界條件，將軸向溫度上升速率最快的位置定義為著火點(diǎn)，即圖4 中曲線的某個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)（d2t/dx2=0）［17-19］，同時(shí)結(jié)合著火距離區(qū)間排除不合理位置，對(duì)應(yīng)點(diǎn)的軸向距離即為著火距離。對(duì)圖4 中擴(kuò)展角為25°工況的溫度曲線求二階導(dǎo)數(shù)可得其著火距離（如圖5 所示），其他擴(kuò)展角均采用該方法，然后在圖5 中找到著火距離所對(duì)應(yīng)的溫度，即為著火溫度，見(jiàn)表3?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著擴(kuò)展角的增大，著火距離逐漸減小，減幅高達(dá)39.4%，這是因?yàn)殡S著擴(kuò)展角的增大，煤粉射流豎直方向的速度逐漸減小，而火焰?zhèn)鞑ニ俣炔蛔?，?dǎo)致著火距離提前。但擴(kuò)展角為41°工況的著火距離過(guò)于靠近燃燒器出口，容易造成掛焦，甚至燒損燃燒器噴口。當(dāng)然，鈍體擴(kuò)展角過(guò)小時(shí)，著火距離過(guò)大，煤粉容易熄滅，從而導(dǎo)致著火不穩(wěn)定。

圖4 軸向溫度分布Fig.4 Temperature distribution along the axial direction

圖5 擴(kuò)展角為25°時(shí)的著火距離Fig.5 Ignition distance with extensive angle of 25°

表3 不同擴(kuò)展角下混合燃料射流的著火距離和著火溫度Tab.3 Ignition distance and ignition temperature of the blended fuel jet flow at different extensive angle

2.2.2 鈍體擴(kuò)展角對(duì)徑向溫度分布的影響

除了軸向溫度分布，爐膛徑向溫度分布也可以反映混合燃料的著火燃燒過(guò)程［16，20］。

如圖6所示，4組擴(kuò)展角工況下，隨著軸向距離x的增加，徑向溫度均呈逐漸上升的趨勢(shì)，但x＞820 mm 后，所有徑向溫度基本不再增加，說(shuō)明燃燒已達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。x=180 mm 截面，所有工況下從r=40 mm 處到中心的溫度均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，這是因?yàn)殁g體下的回流區(qū)煤粉質(zhì)量濃度較高，停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，燃燒強(qiáng)度高。r＞50 mm 后，溫度下降平緩且保持較低水平。x=340 mm 截面，在靠近中心的區(qū)域，隨著煤粉向下和向外的擴(kuò)散，迅速上升溫度的徑向距離由40 mm 增加到60 mm，且溫度上升速率變大，擴(kuò)展角為25°，29°工況的溫度分別達(dá)到峰值1 309 ℃和1 325 ℃。此時(shí)，二次風(fēng)與一次風(fēng)開(kāi)始混合參與氧化反應(yīng)，O2的增加促使燃燒強(qiáng)度增加，溫度升高。r＞60 mm 后，溫度緩慢下降，但仍維持在1 200 ℃以上。x=500～980 mm 范圍，隨著燃燒的進(jìn)行，靠近中心區(qū)域（r=0～60 mm 范圍）的溫度隨著x的增大逐漸變得平緩且保持在很高的值。r＞60 mm 后，隨著x的增加，溫度降幅逐漸變小，整體維持在1 250 ℃以上。

圖6 不同擴(kuò)展角下徑向溫度分布Fig.6 Radial distribution of temperature with different extensive angles

在整個(gè)x截面，擴(kuò)展角為29°工況的溫度始終大于其他工況的溫度，擴(kuò)展角為41°工況的溫度始終最低。但隨著x的增加，擴(kuò)展角為25°，29°，34°工況的溫度差逐漸縮小，這種溫差只在x=340 mm之前比較顯著，這和冷態(tài)試驗(yàn)結(jié)果一致，說(shuō)明鈍體對(duì)初期著火影響較大，進(jìn)而影響主燃區(qū)的溫度。

2.2.3 鈍體擴(kuò)展角對(duì)徑向煙氣分布的影響

燃燒區(qū)徑向φ（O2），ρ（CO）的分布可反映混合燃料的著火過(guò)程，如圖7、圖8 所示。x=180 mm 截面，中心處φ（O2）較高，主要原因是靠近一次風(fēng)噴口和煤粉燃燒強(qiáng)度較弱。隨后，在x=60 mm 處φ（O2）出現(xiàn)一個(gè)峰，峰兩側(cè)φ（O2）較低且右側(cè)數(shù)值明顯低于中心軸線的數(shù)值，這是因?yàn)閯倧娜紵鲊娍谏涑龅拿悍圪|(zhì)量濃度較高，先從外圍著火，而右側(cè)靠近二次風(fēng)，氧氣豐富，燃燒較左側(cè)劇烈，以至于r=100 mm處φ（O2）出現(xiàn)一個(gè)谷，ρ（CO）出現(xiàn)一個(gè)峰。特別是擴(kuò)展角從25°增加至29°時(shí)，徑向ρ（CO）明顯升高，峰值增幅顯著且峰的位置向外側(cè)移動(dòng)。從以上著火距離的結(jié)果看：相對(duì)于其他工況，擴(kuò)展角為25°工況煤粉的著火還未完全開(kāi)始，此時(shí)ρ（CO）較??；而擴(kuò)展角為29°工況中心處φ（O2）保持較高的水平，這為下游中心區(qū)域的強(qiáng)烈燃燒反應(yīng)提供了一定量的O2。

圖7 不同擴(kuò)展角下徑向φ（O2）分布Fig.7 Radial distribution of φ（O2）with different extensive angles

圖8 不同擴(kuò)展角下徑向ρ（CO）分布Fig.8 Radial distribution of ρ（CO）with different extensive angles

x=340 mm 截面，在中心處，擴(kuò)展角為29°工況的φ（O2）降幅最大（由15.47%降至1.40%），ρ（CO）也出現(xiàn)一個(gè)小的峰值1.87×104mg/m3，遠(yuǎn)大于其他工況，說(shuō)明經(jīng)過(guò)鈍體分開(kāi)的2 束煤粉一部分隨著風(fēng)流重新在中心混合并且著火較為強(qiáng)烈，這與圖4中29°工況軸向溫度較高的結(jié)果吻合。擴(kuò)展角為25°工況，在r=40～100 mm 的范圍內(nèi)出現(xiàn)φ（O2）超低區(qū)域，高強(qiáng)的還原性氣氛導(dǎo)致ρ（CO）峰值高至4.37×104mg/m3，此時(shí)混合射流的燃燒已十分劇烈。擴(kuò)展角大于25°時(shí)，φ（O2）超低區(qū)域向右移到r=100～150 mm范圍內(nèi)，ρ（CO）峰值小幅增加，約為5.00×104mg/m3，說(shuō)明燃燒反應(yīng)區(qū)隨著鈍體擴(kuò)展角的增大而向外側(cè)移動(dòng)，燃燒強(qiáng)度也有一定程度的增加。x=500 mm 處與x=340 mm處煙氣的分布規(guī)律一致，不再贅述。

對(duì)于各個(gè)工況，隨著燃燒的進(jìn)一步增強(qiáng)，φ（O2）整體略微降低，而ρ（CO）達(dá)到最大值63 296 mg/m3（α=25°），54 701 mg/m3（α=29°），51 540 mg/m3（α=34°），59 470 mg/m3（α=41°），但峰值差距不甚明顯。此階段燃燒反應(yīng)最為劇烈，揮發(fā)分幾乎完全析出，熱量基本來(lái)自焦炭的燃燒。

x=660 mm 截面，各工況下φ（O2）在徑向持續(xù)降低，其中擴(kuò)展角為25°工況的φ（O2）超低區(qū)域由原來(lái)的r=40～100 mm 擴(kuò)大到r=40～150 mm，這是由于隨著煤粉向下游沉降，劇烈燃燒區(qū)域擴(kuò)大外延。各工況下ρ（CO）峰值首次出現(xiàn)下降，但依然維持較高水平，這是由于高溫缺氧還原性氣氛下CO 對(duì)NOx的還原強(qiáng)度增加，即焦炭燃燒氧化反應(yīng)生成的CO 量小于CO參與還原反應(yīng)的消耗量。CO不僅能反映燃燒強(qiáng)度，還是一種在高溫缺氧環(huán)境下重要的NOx還原物質(zhì)［21-22］。

x=820 mm 截面，在r=0～150 mm 范圍內(nèi)，中心線附近擴(kuò)展角為29°工況的φ（O2）略微上升，但ρ（CO）由15 670 mg/m3降至8 677 mg/m3，說(shuō)明中心區(qū)域燃燒強(qiáng)度開(kāi)始降低。其他工況下，φ（O2）變化不大，而ρ（CO）峰值持續(xù)下降但不顯著，說(shuō)明混合燃料處于穩(wěn)定燃燒階段且反應(yīng)在還原性氣氛中進(jìn)行。在r=150～200 mm 范圍內(nèi)，各工況下φ（O2）隨燃燒的進(jìn)一步外延而降低，ρ（CO）也小幅升高，說(shuō)明煤粉燃燒范圍在慢慢擴(kuò)大。

2.2.4 鈍體擴(kuò)展角對(duì)NOx排放的影響

煤粉燃燒過(guò)程中NOx的生成類型主要是燃料型NOx，占NOx排放總量的75%以上［23］，本文主要討論燃 料 型NOx，圖9 為 不 同 擴(kuò) 展 角 的 徑 向ρ（NOx）分布。

圖9 不同擴(kuò)展角下徑向ρ（NOx）分布Fig.9 Radial distribution of ρ（NOx）with different extensive angles

x=180 mm 截面，擴(kuò)展角為25°工況和其他工況的ρ（NOx）峰值分別出現(xiàn)在r=60 mm 處和r=100 mm處且數(shù)值很大，說(shuō)明該截面著火初期燃燒很強(qiáng)烈，這和前面討論的煙氣規(guī)律一致。所有擴(kuò)展角工況的ρ（NOx）均在x=340 mm 截面達(dá)到峰值，在x=500 mm截面開(kāi)始迅速降低，這是因?yàn)棣眩–O）峰值在該截面也達(dá)到了最大值，氧氣匱乏，還原性氣氛強(qiáng)，極大程度抑制了NOx的形成。x=660 mm 和x=820 mm 截面，ρ（NOx）均已穩(wěn)定且均低于571 mg/m3（φ（O2）=6%），這些結(jié)果表明鈍體穩(wěn)燃技術(shù)能有效降低NOx的排放。隨著x的增加，ρ（NOx）相對(duì)較穩(wěn)定，因此可以將x=820 mm截面作為主燃區(qū)出口，各工況下該截面的ρ（NOx）平均值分別為492，456，484，518 mg/m3（φ（O2）=6%），擴(kuò)展角為29°工況ρ（NOx）最低，下降了62 mg/m3（φ（O2）=6%），這可以從前面的冷態(tài)結(jié)果解釋。由于擴(kuò)展角為29°工況中軸線上單峰的存在，部分煤粉被卷吸到爐膛中心區(qū)域，提高了煤粉的整體燃燒效率和火焰穩(wěn)定性，氧氣被充分消耗，燃燒產(chǎn)生的大量CO 對(duì)NOx的還原分解加速，使已形成的NO 與NHi反應(yīng)生成N2，并使NHi與其他的NHi反應(yīng)，從而達(dá)到低NOx排放的目的；同時(shí)，燃燒溫度升高和煤顆粒停留時(shí)間延長(zhǎng)在一定程度上促進(jìn)了NOx還原并對(duì)NOx的生成具有一定的抑制作用。

綜合考慮NOx排放水平、著火以及穩(wěn)燃等方面，推薦在試驗(yàn)范圍內(nèi)混合射流的鈍體擴(kuò)展角可取為29°，對(duì)應(yīng)的阻塞比為0.23。

3 結(jié)論

在x=0～340 mm，不同擴(kuò)展角的鈍體對(duì)一次風(fēng)流場(chǎng)的影響顯著。隨著鈍體擴(kuò)展角的增大，一次風(fēng)速度和峰值減小，不同工況下二次風(fēng)速的峰值差距不大。擴(kuò)展角為29°工況，射流表現(xiàn)出較好的剛性，衰減緩慢，一次風(fēng)速的2 個(gè)峰沿爐膛中心線合并成1個(gè)峰，射流剛性增強(qiáng)。隨著擴(kuò)展角的增大，湍流強(qiáng)度增加，速度呈先增后減的趨勢(shì)。x＞500 mm 后，一次風(fēng)和二次風(fēng)逐漸混合且速度保持在較低水平，在徑向不同位置上的速度也基本保持一致。隨著擴(kuò)展角的增大，著火距離逐漸減小，減幅達(dá)39.4%，但擴(kuò)展角為41°工況煤粉的著火過(guò)于提前，著火起始點(diǎn)過(guò)于靠近燃燒器出口，造成燃燒器出口附近結(jié)焦，甚至燒損燃燒器。在軸向（x）不同截面，擴(kuò)展角為29°工況的溫度始終大于其他工況，擴(kuò)展角為41°工況的溫度始終最低。隨著x的增加，擴(kuò)展角為25°，29°，34°工況的溫差逐漸縮小，這種溫差只在x=340 mm 之前較顯著，說(shuō)明鈍體擴(kuò)展角對(duì)初期著火影響較大。著火初期，隨著擴(kuò)展角的增大，φ（O2）的谷和ρ（CO）的峰在徑向向外側(cè)逐漸移動(dòng)，強(qiáng)還原性氣氛也逐漸外延。x=820 mm截面，各工況下ρ（NOx）平均值均較低，NOx減排效果較好，擴(kuò)展角為29°工況的ρ（NOx）最低。從冷態(tài)流場(chǎng)看，中軸線上單峰的存在使部分煤粉被卷吸到爐膛中心區(qū)域，提高了煤粉燃燒效率，溫度較高且分布均勻，氧氣充分被消耗，還原性氣氛較強(qiáng)，NOx得到抑制。綜上所述，結(jié)合軸向溫度、徑向溫度及爐膛煙氣分布3 方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推薦半焦混合燃燒的合適鈍體擴(kuò)展角為29°。