師永帥，朱建國，王婷婷，張 震

(1.中國科學院 工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國科學院大學 工程科學學院，北京 100049；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206)

煤炭在我國一次性能源生產(chǎn)和消費中均占70%左右[1]，是我國經(jīng)濟發(fā)展的能源支柱和經(jīng)濟命脈[2-4]。煤在燃燒過程中產(chǎn)生氮氧化合物 (NOx)給大氣造成環(huán)境污染，因此，煤炭清潔高效燃燒技術(shù)的不斷升級一直是國家的重大需求和迫切任務[5]。

近年來，低NOx燃燒技術(shù)，如空氣分級、燃料分級和煙氣再循環(huán)技術(shù)等[6-7]得到了充分應用和發(fā)展。數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，采用常規(guī)低NOx燃燒技術(shù)后，煤粉燃燒的NOx原始排放水平約為200～400 mg/m3，實現(xiàn)超低NOx排放必須采用爐內(nèi)非選擇性催化還原噴氨技術(shù)(SNCR)和爐外選擇性催化還原噴氨技術(shù)(SCR)相聯(lián)合的措施[8-9]，但系統(tǒng)工藝復雜，運行成本高。

中國科學院工程熱物理研究所開發(fā)的預熱燃燒技術(shù)，是將煤粉先高溫預熱、預熱燃料再入爐燃燒的新技術(shù)[10-11]。預熱燃燒技術(shù)具有煤種適應性寬、負荷調(diào)節(jié)范圍大和低或超低NOx排放優(yōu)勢[12-20]，已應用到工業(yè)鍋爐中，但工業(yè)窯爐如回轉(zhuǎn)窯、隧道窯等多為水平臥式爐膛，預熱燃燒技術(shù)具有在工業(yè)窯爐領域的廣泛應用前景，為此，實驗室建設了千瓦級煤粉預熱燃燒綜合評價實驗平臺，燃燒室為水平臥式爐膛。本文中開展預熱燃料水平噴射燃燒特性和NOx排放特性實驗研究，為預熱燃燒技術(shù)在工業(yè)窯爐的應用提供技術(shù)支撐。

1 實驗

1.1 裝置

千瓦級煤粉預熱燃燒綜合評價實驗平臺如圖1所示。由圖1可知，實驗平臺包括給料系統(tǒng)、預熱燃燒系統(tǒng)(包括預熱燃燒器和高溫預熱燃料噴口)、臥式燃燒室、煙氣冷卻器系統(tǒng)、布袋除塵器系統(tǒng)、電輔熱系統(tǒng)、測控系統(tǒng)等。臥式燃燒室的方形截面尺寸為500 mm×500 mm(長度×寬度)，燃燒室長度為2 115 mm；預熱燃燒器的爐體材質(zhì)為Cr25Ni20，提升管內(nèi)徑為81 mm，高度為1 500 mm。實驗平臺采用獨立控制的螺旋給料系統(tǒng)，煤粉首先經(jīng)過預熱燃燒器預熱到800 ℃以上進行流態(tài)化預熱改性，經(jīng)過預熱后的預熱燃料溫度已超過燃料著火溫度，通過高溫預熱燃料噴口與二次風混合，噴入臥式燃燒室內(nèi)燃燒。三次風通過分級配風的方式進入臥式燃燒室，距離預熱燃料入口1 200 mm處。高溫煙氣由臥式燃燒室底部流出，進入煙氣冷卻器，降溫后進入布袋除塵器，最后經(jīng)煙囪排出。在臥式燃燒室尾部設有尾部煙氣取樣口，利用德圖350型便攜式煙氣分析儀(Testo AG 350，德國)對臥式燃燒室尾部煙氣組分進行在線分析；在煙氣冷卻器出口配備有氧化鋯氧量分析儀，用于測量尾部煙氣氧含量。實驗平臺氣路的啟停及調(diào)節(jié)由PLC測量及控制系統(tǒng)實現(xiàn)，溫度、壓力、壓差、流量等信號集成至PLC系統(tǒng)，以數(shù)字圖形或曲線等形式顯示。

圖1 千瓦級煤粉預熱燃燒綜合評價實驗平臺Fig.1 Kilowatt pulverized coal preheating combustion comprehensive evaluation experimental platform

高溫預熱燃料噴口結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)過預熱后的預熱燃料，水平噴射至臥式燃燒室，該噴口為同軸射流噴口，從內(nèi)向外依次為中心風、預熱燃料、內(nèi)二次風和外二次風，預熱燃料、內(nèi)二次風以及外二次風均為環(huán)形噴射。為簡化噴口結(jié)構(gòu)，本文中二次風僅使用外二次風，用以研究預熱燃料水平噴射的燃燒特性和NOx排放特性。

圖2 高溫預熱燃料噴口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high temperature preheating fuel nozzle structure

1.2 實驗條件

實驗用物料選擇神木煙煤，粒徑分布范圍為0～0.355 mm。神木煙煤的粒徑分布圖如圖3所示。由圖3可見，累積體積分數(shù)為20%、40%、60%、80%時，所對應的煤粉切割粒徑分別為84、152.5、210.7、276.8 μm。神木煙煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表1所示。

圖3 神木煙煤的粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of Shenmu bituminous coal

表1 神木煙煤的工業(yè)分析及元素分析Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis of Shenmu bituminous coal

在處理實驗結(jié)果時，CO和NOx折算成統(tǒng)一標態(tài)(煙氣中氧氣體積分數(shù)為6%，記為@6%O2)，則NOx計算公式為

(1)

式中：ρNOx為@6%O2時NOx質(zhì)量濃度的折算值，mg/m3；φNOx為NOx的體積分數(shù)測量值，0.000 1%；M為摩爾質(zhì)量，g/mol；Vm為氣體摩爾體積；22.4 L/mol；φO2為煙氣中O2的體積分數(shù)測量值，100%。

各變量參數(shù)的計算公式為

λCFB=Apr/Astioc，

(2)

λse=Ase/Astioc，

(3)

λte=Ate/Astioc，

(4)

λ=λCFB+λse+λte，

(5)

式中：λCFB為一次風當量比；Apr為一次風量，m3/h；Astioc為燃料完全燃燒所需要的理論空氣量，m3/h；λse為二次風當量比；Ase為二次風量，m3/h；λte為三次風當量比；Ate為三次風量，m3/h；λ為過量空氣系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 預熱溫度的影響

在研究預熱溫度的影響的實驗中，給煤量為3.93 kg/h，過量空氣系數(shù)為1.03，一次風量為10.9 m3/h，一次風當量比為0.41，二次風量為8.4 m3/h，二次風當量比為0.31，三次風量為8.4 m3/h，三次風當量比為0.31。通過調(diào)節(jié)提升管電爐輔熱功率控制提升管預熱溫度，當預熱溫度分別為883、913、943 ℃時，臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化如圖4所示。由圖4可知，預熱溫度升高，臥式燃燒室溫度升高。在3種預熱溫度中，臥式燃燒室最高溫度在軸向距離為800 mm處，此區(qū)域為預熱燃料主要燃燒區(qū)；當預熱溫度為943 ℃時，臥式燃燒室溫度最高。

圖4 不同預熱溫度條件下臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化Fig.4 Variation of horizontal combustion chamber temperature with its axial position under different preheating temperatures

預熱溫度對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著預熱溫度的升高，NOx質(zhì)量濃度逐漸減??；當預熱溫度分別為 883、913、943 ℃時，NOx質(zhì)量濃度分別為122、110、94 mg/m3，即預熱溫度升高60 ℃，NOx質(zhì)量濃度則減小28 mg/m3。

圖5 預熱溫度對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Influence of preheating temperature on mass concentration of NOx emission at the rear of horizontal combustion chamber

2.2 二次風和三次風當量比的影響

在研究二次風和三次風當量比的影響實驗中，給煤量為2.97 kg/h，過量空氣系數(shù)為1.14，一次風量為8.64 m3/h，一次風當量比為0.43，二次風和三次風當量比的設定見表2。

表2 二次風和三次風當量比的設定Tab.2 Settings of equivalence ratio of secondary and tertiary air

在不同的二次風和三次當量比條件下，臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化如圖6所示。由圖6可知，臥式燃燒室最高溫度依然在軸向距離為800 mm處；二次風當量比越小，臥式燃燒室溫度越高；當二次風和三次當量比為0.27和0.44時，臥式燃燒室溫度最高。

圖6 不同二次風和三次風當量比條件下臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化Fig.6 Variation of temperature of horizontal combustion chamber with its axial position under different equivalence ratios of secondary and tertiary air

二次風和三次風當量比對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖7所示。由圖7可以看出，隨著二次風當量比的增大，NOx質(zhì)量濃度逐漸減?。划敹物L和三次當量比分別為0.27和0.44、0.44和0.27、0.53和0.18時，NOx質(zhì)量濃度分別為293、242、62 mg/m3，即二次風當量比增大0.26(也就是三次風當量比減小0.26)，NOx質(zhì)量濃度則降低231 mg/m3；二次風和三次風當量比為0.53和0.18時，NOx質(zhì)量濃度最低。

圖7 二次風和三次風當量比對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.7 Influence of equivalence ratio of secondary air and tertiary air on mass concentration of NOx emission at the rear of horizontal combustion chamber

2.3 臥式燃燒室溫度的影響

在研究臥式燃燒室溫度的影響實驗中，給煤量為3.86 kg/h，過量空氣系數(shù)為1.14，一次風量為9.6 m3/h，一次風當量比為0.36，二次風量為10.2 m3/h，二次風當量比為0.39，三次風量為10.2 m3/h，三次風當量比為及0.39。調(diào)整臥式燃燒室外部電爐的輔熱功率，設置臥式燃燒室平均溫度分別為921、980、1 040 ℃。

臥式燃燒室溫度對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖8所示。由圖8可以看出，隨著臥式燃燒室溫度的升高，NOx質(zhì)量濃度逐漸增大；當臥式燃燒室平均溫度分別為921、980、1 040 ℃時，NOx質(zhì)量濃度分別為245、304、320 mg/m3，即臥式燃燒室溫度增加119 ℃時，NOx質(zhì)量濃度則增大75 mg/m3。

圖8 臥式燃燒室溫度對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.8 Influence of horizontal combustion chamber temperature on mass concentration of NOxemission at the rear of horizontal combustion chamber

2.4 過量空氣系數(shù)的影響

在研究過量空氣系數(shù)的影響實驗中，給煤量為3.59 kg/h，一次風量為9.6 m3/h，一次風當量比為0.39，二次風量為8.3 m3/h，二次風當量比為0.34，通過改變?nèi)物L量來改變過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)的設定見表3。

表3 過量空氣系數(shù)的設定Tab.3 Settings of excess air coefficient

在不同的過量空氣系數(shù)條件下，臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化如圖9所示。由圖9可見，不同過量空氣系數(shù)的臥式燃燒室的主要燃燒區(qū)域相同，高溫預熱燃料噴口處溫度變化較小，即還原區(qū)溫度變化不大，燃盡區(qū)溫度隨著過量空氣系數(shù)的增大而減小。這是因為，一次風和二次風通入量以及給料量不變，三次風通入量的變化使得燃盡區(qū)溫度發(fā)生變化。

圖9 不同過量空氣系數(shù)條件下臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化Fig.9 Variation of horizontal combustion chamber temperature with its axial position under different excess air coefficients

不同過量空氣系數(shù)對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖10所示。由圖10可知，隨著過量空氣系數(shù)的增大，NOx質(zhì)量濃度逐漸增大；當過量空氣系數(shù)分別為1.11、1.16、1.20時，NOx質(zhì)量濃度分別為100、127、232 mg/m3。

圖10 過量空氣系數(shù)對臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.10 Influence of excess air coefficient on mass concentration of NOxemission at the rear of horizontal combustor chamber

3 結(jié)論

在千瓦級煤粉預熱燃燒綜合評價實驗平臺上，分別研究了預熱溫度、二次風和三次風當量比、臥式燃燒室溫度及過量空氣系數(shù)對燃燒特性和NOx排放的影響。

1)隨著預熱溫度升高，臥式燃燒室溫度升高，排放的NOx質(zhì)量濃度減?。慌P式燃燒室最高溫度在軸向距離為800 mm處，此區(qū)域為預熱燃料主要燃燒區(qū)；當預熱溫度為943℃時，臥式燃燒室溫度最高，排放的NOx質(zhì)量濃度最低為94 mg/m3。

2)隨著二次風當量比增大，臥式燃燒室溫度降低，排放的NOx質(zhì)量濃度減??；當二次風和三次當量比為0.27和0.44時，臥式燃燒室溫度最高；當二次風和三次當量比為0.53和0.18時，NOx質(zhì)量濃度最低，為62 mg/m3。

3)隨著臥式燃燒室溫度的升高，排放的NOx質(zhì)量濃度增大；當臥式燃燒室溫度為921 ℃時，NOx排放質(zhì)量濃度最低為245 mg/m3；臥式燃燒室溫度增加119 ℃，排放的NOx質(zhì)量濃度增大75 mg/m3。

4)隨著過量空氣系數(shù)的增大，臥式燃燒室還原區(qū)溫度變化小，燃盡區(qū)溫度降低，而排放的NOx質(zhì)量濃度增大；當過量空氣系數(shù)為1.11時，燃盡區(qū)溫度最高，排放的NOx質(zhì)量濃度最低，為100 mg/m3。