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        煤粉工業(yè)鍋爐預(yù)燃式低氮燃燒器試驗研究與開發(fā)

        2020-11-18 02:14:46許鑫瑋譚厚章王學(xué)斌楊富鑫鄭海國
        潔凈煤技術(shù) 2020年5期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)率工業(yè)鍋爐飛灰

        許鑫瑋,譚厚章,王學(xué)斌,楊富鑫,劉 興,鄭海國

        (1.西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,陜西 西安 710049;2.西安格瑞電力科技有限公司,陜西 西安 710065)

        0 引 言

        截至2012年底,我國在運燃煤工業(yè)鍋爐約46萬臺,占全國工業(yè)鍋爐總量的85%,其年消耗原煤約7億t,占全國煤耗總量的18%,工業(yè)鍋爐燃煤排放已成為我國第二大燃煤污染源[1-4]。但我國工業(yè)鍋爐普遍存在高排放低效能等問題,平均運行鍋爐效率僅為70%,較美國(85%)存在較大差距[5-7]。近年來隨著燃煤排放標(biāo)準(zhǔn)日益提高,部分重點地區(qū)對燃煤工業(yè)鍋爐開始執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)[8]。相對于粉塵和SOx,目前對燃煤工業(yè)鍋爐實現(xiàn)NOx超低排放仍存在巨大挑戰(zhàn):煙氣脫硝技術(shù)如選擇性催化還原技術(shù)(SCR)脫硝效率高,但運行成本高且氨逃逸嚴(yán)重,難以在燃煤工業(yè)鍋爐上廣泛應(yīng)用[9-10]。低氮燃燒器和空氣分級技術(shù)因其經(jīng)濟性優(yōu)勢更易被工業(yè)鍋爐用戶接受。

        低氮燃燒技術(shù)的原理是在爐膛內(nèi)營造一個局部富燃料的還原氣氛區(qū)域,在該區(qū)域內(nèi)將部分生成的NO還原成N2以控制NOx排放。迄今為止,我國在大型電站煤粉鍋爐低氮燃燒技術(shù)方面取得了很多開創(chuàng)性的成果,如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徑向濃淡旋流煤粉燃燒器,清華大學(xué)的富集型燃燒器,浙江大學(xué)的文丘里低氮燃燒器,東南大學(xué)的花瓣形低氮燃燒器等[11-12]。然而,相比煤粉電站鍋爐,煤粉工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)更具挑戰(zhàn)性:由于煤粉工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)緊湊,爐膛容積小,大多只能采用旋流燃燒器進行燃燒,而不易進行深度分級燃燒。為解決煤粉工業(yè)鍋爐穩(wěn)燃和低氮難題,近年來預(yù)燃式燃燒技術(shù)逐漸應(yīng)用于煤粉工業(yè)鍋爐領(lǐng)域。煤粉預(yù)燃技術(shù)是在煤粉進入燃燒器前先經(jīng)過一絕熱的預(yù)燃室(預(yù)燃室內(nèi)為還原性氣氛),煤粉在預(yù)燃室內(nèi)熱解并釋放出大量揮發(fā)分,在還原性氣氛下HCN等NOx前驅(qū)物可以將NO還原成N2,以降低總體燃煤NOx排放[13-17]。

        本文開發(fā)了一種用于煤粉工業(yè)鍋爐的新型預(yù)燃式低氮燃燒器:旋流二次風(fēng)卷吸高溫?zé)煔鈱σ淮物L(fēng)粉氣流進行加熱,二次風(fēng)分三級(內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和燃盡風(fēng))送入爐膛,其中內(nèi)二次風(fēng)送入預(yù)燃室內(nèi)部,外二次風(fēng)從預(yù)燃室端部送入爐膛,燃盡風(fēng)(OFA)則從爐膛以切圓的形式送入。該型燃燒器在某25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐全尺寸平臺上進行試驗,研究了一次風(fēng)率、二次風(fēng)配比、旋流葉片角度、循環(huán)風(fēng)率及燃盡風(fēng)率對NOx排放和燃燒效率的影響。

        1 試 驗

        1.1 試驗系統(tǒng)及參數(shù)

        試驗在25 t/h全尺寸煤粉工業(yè)鍋爐試驗臺[18]上進行,鍋爐額定壓力1.65 MPa,額定溫度205.7 ℃。燃燒系統(tǒng)如圖1所示,爐膛呈L型結(jié)構(gòu),爐膛當(dāng)量直徑2.8 m,水平燃燒段長3.7 m,垂直燃燒段長5.8 m;預(yù)燃室出口直徑1.15 m,預(yù)燃室深度0.7 m。該燃燒系統(tǒng)設(shè)有煙氣再循環(huán)風(fēng)機,尾部煙氣通過再循環(huán)風(fēng)機進入二次風(fēng)母管混入二次風(fēng)。在尾部煙道用德圖350煙氣分析儀測量NOx和O2,同時在該處對飛灰進行取樣用于飛灰含碳測量,并計算鍋爐效率(排煙溫度按130 ℃估算)。鍋爐效率計算參考GB/T 10184—2015《電站鍋爐性能試驗規(guī)程》。

        圖1 25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐燃燒試驗系統(tǒng)Fig.1 Schematic of the 25 t/h industrial boiler system

        新型煤粉工業(yè)鍋爐預(yù)燃式低氮燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。燃燒器從內(nèi)到外依次為中心風(fēng)管、一次風(fēng)管及內(nèi)二次風(fēng)管;通過與預(yù)燃室相連通的外二次風(fēng)室,將外二次風(fēng)(直流)通過預(yù)燃室端面布置的二次風(fēng)嘴送入爐膛;內(nèi)二次風(fēng)為旋流,內(nèi)二次風(fēng)管內(nèi)布置角度可調(diào)軸向葉片以調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)旋流強度。

        圖2 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)Fig.2 Pre-combustion chamber

        試驗運行負(fù)荷穩(wěn)定在約16 MW,爐膛出口過量空氣系數(shù)約1.2,爐膛出口NOx排放值均折算至9% O2。試驗用煤的元素及工業(yè)分析見表1。煤粉工業(yè)鍋爐對煤粉細(xì)度要求較高,本文煤粉的R200為10%。

        表1 試驗用煤粉的元素分析和工業(yè)分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of test coal

        1.2 試驗工況

        定義內(nèi)外二次風(fēng)比KS為內(nèi)二次風(fēng)量QSI與外二次風(fēng)量QSO的比值,則

        KS=QSI/QSO。

        (1)

        旋流燃燒器煤粉燃燒效率和NOx排放的主要影響因素包括一次風(fēng)率、內(nèi)外二次風(fēng)配比、旋流葉片角度、燃盡風(fēng)(OFA)率及再循環(huán)煙氣風(fēng)(FGR)率,其對旋流煤粉火焰有重要影響,且呈高度非線性,因此分別對以上因素的影響特性開展了變工況試驗,每個影響因素的變化均不低于4個水平,以確定最佳運行工況。具體工況見表2。

        表2 25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐工況Table 2 Case setup of the test on the 25 t/h pulverized industrial boiler

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 爐膛出口氧量的影響

        不同爐膛出口氧量條件下的NOx排放和飛灰含碳量如圖3所示??芍S著爐膛出口氧量降低,燃煤NOx排放顯著下降。爐膛出口氧量從5%降至3%時,NOx排放從230 mg/m3降至182 mg/m3,降幅約20%,NOx減排效果顯著;但相應(yīng)飛灰含碳量從11.7%升到18.5%,煤粉燃盡率顯著下降,說明過低氧量條件下的著火和煤焦燃盡惡化。本文氧量影響試驗結(jié)果與本課題組前期對某預(yù)燃式燃燒器的測試結(jié)果相近:即隨著爐膛出口氧量降低,NOx排放總體呈近線性規(guī)律下降。這主要是因為爐膛內(nèi)整體氧氣濃度降低導(dǎo)致還原性氣氛增強,煤粉火焰早期形成的NOx在還原性氣氛下更易被還原為N2,使總體NOx排放降低。同時,低氧氣濃度下焦炭的氧化速率降低,且爐膛內(nèi)總體風(fēng)速的降低也使得爐膛內(nèi)的湍流強度降低,從而導(dǎo)致燃燒效率下降[19]。

        圖3 爐膛出口氧量對NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.3 Effect of O2 at exit on the NOx and UBC

        2.2 一次風(fēng)率的影響

        工業(yè)鍋爐煤粉氣流著火過程中一次風(fēng)率的影響尤為重要,因為所有煤粉均通過一次風(fēng)進行輸送,一次風(fēng)率決定了一次風(fēng)管內(nèi)的煤粉濃度以及一次風(fēng)噴口速度。根據(jù)經(jīng)典的煤粉氣流著火熱量平衡理論,煤粉濃度或一次風(fēng)率決定了煤粉氣流著火所需要通過煙氣卷吸的高溫?zé)煔鉄崃縖20]。由于煤粉工業(yè)鍋爐的一次風(fēng)流量和壓頭對鍋爐給粉的波動性影響很大,因此僅在試驗系統(tǒng)允許的小范圍內(nèi)對一次風(fēng)率進行調(diào)整。在維持爐膛出口總氧量和鍋爐運行負(fù)荷不變的條件下,將一次風(fēng)率從8.5%逐漸降到7.8%,NOx排放和飛灰含碳量如圖4所示??芍狽Ox排放從215 mg/m3(9% O2)降到182 mg/m3(9% O2),而飛灰含碳量從13.4%升到17.1%。該燃燒器設(shè)計的一個關(guān)鍵特征是增大了一次風(fēng)與內(nèi)二次風(fēng)的徑向距離,推遲二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合以保持預(yù)燃室內(nèi)的還原性氣氛,從而控制燃燒初期NOx的生成。因此,降低一次風(fēng)率時,預(yù)燃室內(nèi)的氧量降低導(dǎo)致其還原性氣氛增強,從而降低了燃燒初期燃料氮向NOx的轉(zhuǎn)化,導(dǎo)致NOx排放降低。同時,一次風(fēng)率的降低也導(dǎo)致煤粉氣流總體著火過程推遲,加之試驗所用25 t/h煤粉工業(yè)鍋爐的爐膛設(shè)計偏小,加劇了總體燃盡率惡化,最終導(dǎo)致飛灰含碳量升高。

        圖4 一次風(fēng)率對NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.4 Effect of primary air ratio on the NOx and UBC

        2.3 內(nèi)外二次風(fēng)配比的影響

        內(nèi)二次風(fēng)是旋流靠近一次風(fēng)管,通過內(nèi)二次風(fēng)的旋流卷吸高溫?zé)煔鈦韺崿F(xiàn)煤粉氣流穩(wěn)定著火;而外二次風(fēng)則是直流從預(yù)燃室末端截面送入爐膛,逐漸混入煤粉火炬,補充煤粉燃盡所需氧氣。因此,理論上,內(nèi)外二次風(fēng)配比對煤粉氣流及時著火以及火焰長度的影響十分重要。試驗過程中保持總二次風(fēng)量不變,調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)量占比為35.9%、42.3%、45.8% 和51.0%,分別對應(yīng)內(nèi)外二次風(fēng)配比為0.67、0.88、1.03和1.32。內(nèi)外二次風(fēng)配比對NOx排放和飛灰含碳量的影響如圖5所示。可知內(nèi)外二次風(fēng)比從0.67提到1.32,NOx排放從188 mg/m3(9% O2)增到199 mg/m3(9% O2),飛灰含碳量從18.1%降至15.0%。說明提高旋流的內(nèi)二次風(fēng)量有利于煤粉燃盡,但一定程度上增大了NOx排放。主要是由于增大旋流內(nèi)二次風(fēng)比例,可增大爐膛內(nèi)回流區(qū)面積,同時提高了燃燒初期的氧量,強化火焰初期的燃燒,使飛灰含碳量降低。但旋流內(nèi)二次風(fēng)增大削弱了預(yù)燃室內(nèi)的還原性氣氛,預(yù)燃室內(nèi)氧氣濃度升高使得NOx前驅(qū)物更易被氧化成NOx。在試驗范圍內(nèi)減小內(nèi)二次風(fēng)量能降低NOx排放,但將劣化煤粉燃盡率,內(nèi)外二次風(fēng)比率在0.9~1.0時,NOx排放較低且飛灰含碳量未顯著增大,因此建議該型燃燒器運行時將內(nèi)外二次風(fēng)率控制在0.9~1.0。

        2.4 二次風(fēng)旋流葉片角度的影響

        內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度決定了內(nèi)二次風(fēng)旋流度,并通過影響通道阻力而影響各股風(fēng)量分配。保持內(nèi)外二次風(fēng)閥門開度不變,僅改變旋流內(nèi)二次風(fēng)葉片角度,其對NOx排放和飛灰含碳的影響如圖6所示??芍S著內(nèi)二次風(fēng)葉片角度從30°增大到60°,飛灰含碳量從15.4%增加至22.4%,NOx排放從222 mg/m3(9% O2)降低至約190 mg/m3(9% O2)。葉片角度小于45°時,飛灰含碳隨角度的減小變化不顯著(略有上升),而NOx排放急劇增加;當(dāng)葉片角度大于45°時,NOx排放略有增加,而飛灰含碳隨著角度的增加劇烈升高。說明該型燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)葉片旋流角度在45°附近存在最優(yōu)值,使NOx排放較低且燃盡率較好。

        圖6 二次風(fēng)葉片角度對NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.6 Effect of the vane angle of the secondary air on the NOx and UBC

        NOx排放和燃盡率隨葉片角度變化的原因為:葉片角度大于45°時,隨著角度增加,風(fēng)管內(nèi)通流面積降低,內(nèi)二次風(fēng)管阻力增大,使旋流內(nèi)二次風(fēng)量降低,燃燒初期氧量降低,煤粉著火延遲,煤粉燃盡率降低。當(dāng)角度小于45°時,隨著葉片角度的減小,通流面積增大,內(nèi)二次風(fēng)量增大,氣流的旋轉(zhuǎn)慣性減小,直流剛性增大,導(dǎo)致二次風(fēng)混合位置提前,回流區(qū)面積減小,削弱了預(yù)燃室內(nèi)的還原性氣氛,增加了NOx生成量。由于鍋爐沒有空預(yù)器,因此二次風(fēng)為冷風(fēng),葉片角度減小使回流區(qū)面積減小,卷吸的煙氣量降低,不利于煤粉著火。同時直流剛性較大的冷二次風(fēng)將火焰向爐膛后部壓,使煤粉燃點推后,燃盡率降低。綜合考慮燃盡效果與減排能力,該燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)葉片角度應(yīng)控制在45°~50°。

        2.5 燃盡風(fēng)率的影響

        燃盡風(fēng)(OFA)率對NOx排放和飛灰含碳的影響如圖7所示。隨著燃盡風(fēng)率從0增至16%,爐膛NOx排放與飛灰含碳均呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢:燃盡風(fēng)率從0增到9%,NOx排放從214 mg/m3(9% O2)降至196 mg/m3(9% O2),當(dāng)燃盡風(fēng)率繼續(xù)增到16%,NOx排放則又升到209 mg/m3(9% O2)。這主要與鍋爐結(jié)構(gòu)及OFA位置有關(guān),爐膛OFA送入位置設(shè)在L型鍋爐水平段中部,距離預(yù)燃室出口較近。OFA風(fēng)量增大導(dǎo)致通過燃燒器的內(nèi)外二次風(fēng)量減少,燃燒初期氧氣濃度降低,從而抑制了主燃區(qū)內(nèi)NOx生成。但OFA風(fēng)量增加到一定值后,由于主燃區(qū)整體持續(xù)后移導(dǎo)致該風(fēng)量配比情況下主燃區(qū)的位置已推遲到OFA噴口附近,大量OFA風(fēng)及時加入為煤粉燃盡提供了充足的氧氣,爐膛后部燃燒劇烈,燃盡區(qū)溫度升高,高溫區(qū)甚至延伸到L型爐膛的垂直段,導(dǎo)致NOx生成量增加。

        圖7 燃盡風(fēng)率對NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.7 Effect of the OFA ratio on the NOx and UBC

        OFA以切圓方式送入爐膛內(nèi),能強化爐膛后部的湍動,少量OFA能強化燃燒后期的混合與燃燒,加快焦炭反應(yīng)速度,降低飛灰含碳量;但隨著OFA風(fēng)繼續(xù)增大,主燃區(qū)燃燒惡化,火焰整體后移,使煤焦在爐膛內(nèi)的燃燒時間減少,飛灰含碳量上升。

        由于試驗平臺的局限性,OFA位置過于靠近主燃區(qū),其作用更接近傳統(tǒng)電站鍋爐的緊湊型燃盡風(fēng)。根據(jù)試驗結(jié)果,對于該型燃燒器及搭配的L型煤粉鍋爐,優(yōu)化工況為10%左右的OFA風(fēng)率。

        2.6 再循環(huán)煙氣量的影響

        再循環(huán)煙氣(FGR)是由尾部煙道抽取并送入二次風(fēng)母管中,但試驗中受循環(huán)風(fēng)機頻率限制,F(xiàn)GR風(fēng)率最大僅為10%。NOx排放和飛灰含碳隨再循環(huán)煙氣風(fēng)率的變化如圖8所示。FGR能顯著降低NOx排放,隨著FGR風(fēng)率從0提到10%,NOx排放從208 mg/m3(9% O2)降至184 mg/m3(9% O2)。飛灰含碳量先降低后升高,這主要是由于FGR的加入使二次風(fēng)氧氣濃度降低,且FGR的混入總體上拉低了爐膛的平均溫度,有利于控制NOx的生成。同時,F(xiàn)GR的混入增大所有二次風(fēng)噴口的射流速度,強化了爐膛內(nèi)部的湍動,增大高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū),能卷吸更多的高溫?zé)煔鈴娀?;但FGR煙氣量過大時,爐膛內(nèi)氧氣濃度降低,對煤粉燃燒產(chǎn)生抑制作用,導(dǎo)致飛灰含碳量升高。

        圖8 循環(huán)風(fēng)率對NOx排放及飛灰含碳的影響Fig.8 Effect of the FGR ratio on the NOx and UBC

        3 結(jié) 論

        1)開發(fā)了一種新型的用于煤粉工業(yè)鍋爐的預(yù)燃式低氮燃燒器,并在25 t/h全尺寸試驗平臺上進行了試驗。隨著一次風(fēng)率增加,NOx排放逐漸增大,一次風(fēng)合理區(qū)間為8%左右。

        2)內(nèi)外二次風(fēng)比率在0.9~1.0時,NOx排放較低且飛灰含碳未顯著增大,因此建議該型燃燒器運行時將內(nèi)外二次風(fēng)率控制在0.9~1.0;隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度增大,NOx排放先減少后增大,推薦的優(yōu)化角度區(qū)間為45°~55°;由于燃盡風(fēng)位置離主燃區(qū)太近,推薦的燃盡風(fēng)率應(yīng)控制在10%左右;隨著再循環(huán)煙氣量的增大,NOx排放值逐漸降低而飛灰含碳先降低后升高。

        3)全尺寸平臺試驗過程中煤粉著火穩(wěn)定,在最佳配風(fēng)比例條件下的NOx排放可達到171~178 mg/m3(9% O2),該工況下對應(yīng)鍋爐飛灰含碳14.9%,折算鍋爐熱效率可達91.7%。

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