牛 芳

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

隨著國家對燃煤工業(yè)鍋爐大氣污染物治理要求不斷提高，《2019年全國大氣污染防治工作要點(diǎn)》明確要求，65 t/h及以上燃煤鍋爐全部實(shí)施節(jié)能和超低排放改造[1-2]。因此，加快實(shí)現(xiàn)不同容量燃煤工業(yè)鍋爐環(huán)保改造勢在必行。為降低燃煤鍋爐NOx初始排放濃度，國內(nèi)外開發(fā)了多種低氮燃燒技術(shù)，包括空氣分級低氮燃燒技術(shù)[3-5]、煙氣再循環(huán)低氮燃燒技術(shù)、燃料分級低氮燃燒技術(shù)[6]、燃料再燃低氮燃燒技術(shù)[7-9]、濃淡分離低氮燃燒技術(shù)[10-11]、低氮燃燒器以及煤粉預(yù)熱低氮燃燒技術(shù)等。這些低氮燃燒技術(shù)大部分已在電站煤粉鍋爐上得到成功應(yīng)用，特別是空氣分級低氮燃燒技術(shù)。然而，受限于電站煤粉鍋爐與工業(yè)煤粉鍋爐容量、燃燒組織方式、停留時間等差異，電站煤粉鍋爐空氣分級燃燒技術(shù)對工業(yè)煤粉鍋爐空氣分級低氮燃燒指導(dǎo)價(jià)值有限。因此，有必要開展適用于工業(yè)煤粉鍋爐的空氣分級燃燒技術(shù)。王鵬濤等[12]采用數(shù)值模擬及工程試驗(yàn)相結(jié)合的方法，初步探究了空氣深度分級燃燒在煤粉工業(yè)鍋爐上的應(yīng)用。Fan等[5]在20 kW沉降爐(DFF)試驗(yàn)系統(tǒng)上，針對大同煙煤開展了深度空氣分級燃燒(主燃區(qū)過量空氣系數(shù)1.2～0.696)試驗(yàn)研究，探究了沉降爐內(nèi)還原性氣體濃度分布特性和NOx生成與還原機(jī)理。結(jié)果表明，當(dāng)主燃區(qū)過量空氣系數(shù)SR=0.696時，主燃區(qū)結(jié)束位置處CO體積分?jǐn)?shù)最高接近12%，且此時NOx含量基本接近0。主燃區(qū)極強(qiáng)的貧氧燃燒狀態(tài)，大大限制了焦炭的熱解與燃燒反應(yīng)，加強(qiáng)了焦炭的氣化反應(yīng)過程，使得還原性氣氛進(jìn)一步形成，焦炭、未氧化的碳?xì)浠衔?THC)等與已經(jīng)生成的NOx發(fā)生還原反應(yīng)，降低了NOx濃度。程曉磊[13]同樣針對空氣分級低氮燃燒開展研究，結(jié)果表明合理的空氣分級配風(fēng)技術(shù)用于煤粉工業(yè)鍋爐，可在基本不影響鍋爐效率的條件下達(dá)到降低鍋爐NOx初始排放的目標(biāo)?？諝夥旨壍偷紵脑硎峭ㄟ^將助燃空氣分級補(bǔ)充，在主燃區(qū)創(chuàng)造適宜的還原性氣氛，控制燃燒初始階段燃料型NOx的大量生成。為確保煤粉具有良好的燃盡效果，再將剩余助燃空氣作為火上風(fēng)噴入爐內(nèi)?？諝夥旨壍偷紵年P(guān)鍵是在確保主燃區(qū)良好還原效果的同時，合理組織煤粉的燃盡[14]。但當(dāng)前研究均未開展煤粉工業(yè)鍋爐爐內(nèi)不同截面、燃燒器不同位置處燃燒狀態(tài)及煙氣組分分布情況。

本文以煤科院某58 MW煤粉工業(yè)鍋爐為研究對象，采用水冷取樣槍、煙氣分析儀、耐高溫?zé)犭娕奸_展工程試驗(yàn)，研究了空氣分級工況下雙錐燃燒器、爐膛不同截面多個位置的煙氣組分及溫度分布，探究了58 MW煤粉工業(yè)鍋爐空氣分級燃燒及NOx排放特性，以期揭示空氣分級燃燒對降低煤粉工業(yè)鍋爐NOx排放的影響規(guī)律，得到適用于煤粉工業(yè)鍋爐的空氣分級低氮燃燒技術(shù)。

1 鍋爐參數(shù)及試驗(yàn)測點(diǎn)

1.1 鍋爐結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)在煤科院某58 MW低壓熱水煤粉工業(yè)鍋爐上開展，燃燒器使用煤科院自主研發(fā)的頂置雙錐燃燒器。鍋爐為單鍋筒橫置式立式水管鍋爐，爐膛采用全膜式水冷壁結(jié)構(gòu)。頂置2個28 MW雙錐燃燒器向下高速噴射火焰，高溫?zé)煔饧拔慈急M的可燃物進(jìn)一步在爐膛內(nèi)完成燃燒以及換熱，燃燒完的煙氣再經(jīng)二回程煙道換熱后，進(jìn)入高溫受熱面進(jìn)一步換熱，再進(jìn)入SCR脫硝反應(yīng)裝置，最后經(jīng)低溫?fù)Q熱面及省煤器后，進(jìn)入脫硫除塵凈化系統(tǒng)。該鍋爐頂部設(shè)置有4個豎直向下的三次風(fēng)噴口，但未設(shè)置獨(dú)立風(fēng)機(jī)，而是從二次風(fēng)管道上分出來一部分空氣作為三次風(fēng)，由于可調(diào)風(fēng)量受限，且距離燃燒器出口太近，低氮效果不顯著。鍋爐運(yùn)行中的實(shí)際燃用煤工業(yè)及元素分析見表1。

表1 燃用煤工業(yè)及元素分析

1.2 火上風(fēng)布置方式

煤科院58 MW煤粉工業(yè)鍋爐在爐膛前墻、左墻和右墻同一高度布置一層火上風(fēng)，火上風(fēng)噴口距爐頂中心線距離為4.5 m，每側(cè)墻布置2個火上風(fēng)噴口，兩噴口分別距所在墻兩側(cè)0.5 m，且各噴口與相鄰側(cè)墻銳角夾角為45°。根據(jù)前人研究成果，為了確?；鹕巷L(fēng)在爐內(nèi)具有良好的摻混效果，火上風(fēng)噴口最佳氣速為40～50 m/s，本文研究對象火上風(fēng)噴口設(shè)計(jì)氣速為50 m/s，若按照6個噴口全開，總風(fēng)量為12 000 m3/h。該煤粉鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時，總過量空氣系數(shù)約為1.2時，總助燃空氣量約為55 000 m3/h。

1.3 試驗(yàn)測點(diǎn)及方法

58 MW煤粉工業(yè)鍋爐燃燒器及爐膛測點(diǎn)示意如圖1所示。該鍋爐采用雙燃燒器頂置的方式組織煤粉燃燒，本文以一側(cè)燃燒器及爐膛作為測試對象。其中，雙錐燃燒器內(nèi)煙氣溫度及組分測量是通過將測量設(shè)備沿著油槍所在位置垂直向下深入燃燒器內(nèi)，分別測量6個位置，測量總長度0.9 m。具體測量點(diǎn)分布位置及測量間距如圖1所示(左上)。爐內(nèi)不同高度處測量截面分別位于該鍋爐3層熱電偶所在的位置，由上向下依次測量3個截面，分別記為A1、A2和A3截面，每個截面距離爐膛頂部的距離如圖1所示。每個截面由外向里一共測量10個點(diǎn)，測量總長度為1.1 m，測點(diǎn)位置及分布情況如圖1所示(左下)。

為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)采樣，專門設(shè)計(jì)了適用于現(xiàn)場測量孔的水冷取樣槍，該水冷取樣槍采用多層水冷強(qiáng)制循環(huán)工藝，并配有真空泵和流量計(jì)，在實(shí)現(xiàn)煙氣驟冷的同時，也實(shí)現(xiàn)了等速取樣。該水冷取樣槍與德國MRU公司生產(chǎn)的VARIO PLUS增強(qiáng)型煙氣分析儀聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)對煙氣組分的可靠測量，特別是在強(qiáng)還原性氣氛下采用紅外測量方式，實(shí)現(xiàn)了煙氣組分的準(zhǔn)確測量。另外，雙錐燃燒器及爐內(nèi)溫度場采用耐高溫?zé)犭娕歼M(jìn)行直接測量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 運(yùn)行工況

為了對比火上風(fēng)改造后煤粉燃燒狀態(tài)及低氮效果，以2種典型工況進(jìn)行對比分析，分別是未采用火上風(fēng)時的原工況和使用火上風(fēng)時的分級工況，且均屬于滿負(fù)荷下長期穩(wěn)定運(yùn)行的工況。具體試驗(yàn)工況見表2。

2.2 燃燒器沿程煙氣測量

分級工況下雙錐燃燒器不同測點(diǎn)處煙氣溫度及氧氣濃度分布如圖2所示。由圖2可知，隨著測量位置不斷下移，雙錐燃燒器內(nèi)煙氣溫度總體呈升高的趨勢，特別是x=0.3 m測點(diǎn)后，溫度急劇升高超過1 000 ℃，并在x=0.9 m處達(dá)到最高1 250 ℃。煙氣氧含量變化趨勢與溫度相反，溫度急劇上升的階段正是氧含量急劇下降階段，這是因?yàn)閤=0.3 m側(cè)點(diǎn)以上煤粉完成受熱、熱解、揮發(fā)分析出及部分燃燒過程，x=0.3 m側(cè)點(diǎn)以下，隨著周圍煙氣溫度的迅速上升，揮發(fā)分充分燃燒且焦炭顆粒開始著火、燃燒，消耗大量氧氣并釋放出大量熱量，導(dǎo)致溫度進(jìn)一步上升、氧含量進(jìn)一步下降。另外，此分級工況下雙錐燃燒器內(nèi)屬于貧氧富燃料燃燒狀態(tài)，導(dǎo)致氧氣快速被消耗至接近0。

表2 鍋爐運(yùn)行工況

圖2 雙錐燃燒器不同測點(diǎn)處煙氣溫度及O2含量分布Fig.2 Flue gas temperature and O2 content distribution at different measuring points of burner

分級工況下雙錐燃燒器不同測點(diǎn)處煙氣CO及NOx濃度分布如圖3所示。由圖3可知，燃燒器內(nèi)形成了較強(qiáng)的還原性氣氛。這是因?yàn)閺?qiáng)還原性氣氛下，煤粉燃燒反應(yīng)速率下降，而焦炭氣化反應(yīng)速率迅速增加，造成CO顯著增加。由于強(qiáng)還原性氣氛的形成，燃燒器內(nèi)生成的NOx與還原性基團(tuán)或焦炭顆粒發(fā)生還原反應(yīng)，造成其顯著下降。

圖3 雙錐燃燒器不同測點(diǎn)處煙氣CO及NOx含量分布Fig.3 Content distribution of CO and NOx of flue gas at different measuring points of burner

2.3 爐膛截面煙氣測量

兩工況下爐內(nèi)不同截面處各測點(diǎn)煙氣溫度分布變化趨勢如圖4所示。由圖4(a)可知，原工況A1和A2截面總體均呈先上升至某一水平后，基本保持不變的趨勢，只有A3截面最后略有上升。而分級工況各截面不同，由圖4(b)可知，A1和A3截面總體均呈先上升后下降，最后基本不變的趨勢，A2截面則表現(xiàn)為先下降后上升，最后基本不變的趨勢。這是由于分級工況A2截面距離火上風(fēng)噴口非常近，在該區(qū)域煙氣強(qiáng)烈混合，且在靠近爐壁的地方存在一定的高溫?zé)煔饣亓?，而爐膛中部由于補(bǔ)充較大量的25 ℃空氣，造成中間局部溫度偏低。原工況由于不存在爐內(nèi)火上風(fēng)，因此截面溫度變化規(guī)律與電站鍋爐相似，靠近水冷壁溫度低，爐膛中部溫度高且較為均勻。

兩工況不同截面上各個測點(diǎn)煙氣氧氣含量分布如圖5所示。由圖5可知，原工況靠近水冷壁處氧含量明顯高于爐膛中部，且顯著高于分級工況。分級工況各截面氧含量變化趨勢較為平穩(wěn)，這是由于強(qiáng)烈的火上風(fēng)造成爐內(nèi)煙氣各組分強(qiáng)烈混合。原工況爐內(nèi)空氣動力場主要受燃燒器高速噴射的火焰影響，在靠近爐壁區(qū)域存在回流區(qū)，該區(qū)域溫度低，燃燒反應(yīng)速率慢，因此氧含量偏高。

圖4 爐膛各截面煙氣溫度分布Fig.4 Temperature distribution of flue gas at each test plane

圖5 爐膛各截面煙氣氧氣含量分布Fig.5 O2 content distribution of flue gas at each test plane

爐內(nèi)不同截面上各測點(diǎn)煙氣CO含量變化如圖6所示。由圖6(a)可知，A1和A2截面CO濃度分布呈現(xiàn)由爐壁向爐膛中心不斷下降的趨勢，且A1截面CO明顯高于A2截面，而A3截面CO濃度基本接近0。這是因?yàn)?，原工況雙錐燃燒器內(nèi)并未形成還原性氣氛，噴入爐膛內(nèi)的高溫火焰呈富氧氣氛，因此靠近爐膛中部CO濃度較低，且越靠下，CO含量越低。而空氣分級工況呈現(xiàn)完全相反的變化規(guī)律，靠近爐膛中部CO濃度明顯較高，這是由于雙錐燃燒器內(nèi)強(qiáng)還原性火焰噴入爐膛，在爐膛中部保持較強(qiáng)的還原性狀態(tài)。對比圖6(a)、(b)可知，空氣分級工況不僅在雙錐燃燒器內(nèi)形成了較強(qiáng)的還原性氣氛，且在爐內(nèi)創(chuàng)造了合理的還原區(qū)，有效控制了爐內(nèi)NOx生成。

圖6 爐膛各截面煙氣CO含量分布Fig.6 CO content distribution of flue gas at each test plane

爐內(nèi)不同截面煙氣NOx含量分布變化如圖7所示，由圖7(a)可知，3個截面NOx含量呈現(xiàn)先上升后基本不變的趨勢，且3個截面NOx含量基本接近。由圖7(b)可知，空氣分級工況下，3個截面NOx含量波動較大，3個截面NOx含量呈現(xiàn)A1截面最低，A2、A3截面略有上升的趨勢。A1截面處于較強(qiáng)的還原區(qū)，整體NOx含量偏低，隨著火上風(fēng)的噴入，部分未完全反應(yīng)的含氮中間體被迅速氧化，造成NOx含量略有上升。第三方檢測結(jié)果表明，該分級工況下爐膛尾部NOx初始排放可降至259.8 mg/Nm3，低氮效果顯著。

圖7 爐膛各截面煙氣NOx含量分布Fig.7 NOx content distribution of flue gas at each test plane

3 結(jié) 論

1)以煤科院某58 MW煤粉工業(yè)鍋爐火上風(fēng)低氮燃燒改造為研究對象，通過熱態(tài)試驗(yàn)分別探究了原工況與空氣分級工況下，雙錐燃燒器沿程和爐內(nèi)3個截面不同位置處煙氣溫度及組分的變化規(guī)律。空氣分級工況下，雙錐燃燒器內(nèi)x=0.3 m測點(diǎn)后溫度急劇升高，并在x=0.9 m處達(dá)到最高1 250 ℃，且在此階段氧氣被快速消耗至接近0，CO濃度顯著上升，燃燒器內(nèi)創(chuàng)造了較強(qiáng)的還原性氣氛，有效控制了初始階段NOx生成。

2)原工況爐內(nèi)煙氣溫度分布整體呈燃燒器對應(yīng)的射流中心高、外側(cè)低的趨勢，氧含量分布與溫度分布趨勢相反，而分級工況截面溫度波動較大，且在A2截面呈現(xiàn)中心偏低的現(xiàn)象。

3)分級工況在爐內(nèi)形成明顯的還原區(qū)，且表現(xiàn)為燃燒器對應(yīng)的射流中心CO濃度高、外側(cè)低的現(xiàn)象，有效降低了爐內(nèi)NOx生成，第三方檢測爐膛尾部NOx初始排放可降至259.8 mg/Nm3，該火上風(fēng)低氮燃燒改造具有明顯的低氮效果。