劉鵬中，牛 芳，王鵬濤，周建明，王乃繼

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013)

0 引 言

以煤炭為基礎(chǔ)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)在我國(guó)不會(huì)發(fā)生根本性變化[1]，其中高效清潔燃燒是煤炭加工轉(zhuǎn)化的重要研究領(lǐng)域[2]。燃燒器作為煤粉鍋爐核心部件，其流動(dòng)及燃燒特性直接影響燃燒效率和NOx排放，而在體量較小的煤粉工業(yè)鍋爐中，預(yù)燃室旋流燃燒器對(duì)爐內(nèi)的燃燒組織顯得更加重要，是煤粉工業(yè)鍋爐領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的熱點(diǎn)。預(yù)燃室旋流燃燒器指在旋流燃燒器上耦合預(yù)燃室結(jié)構(gòu)后與爐膛連接，煤粉首先在預(yù)燃室內(nèi)初步著火燃燒，隨后預(yù)燃燒產(chǎn)物進(jìn)入爐內(nèi)繼續(xù)燃燒，其中預(yù)燃室結(jié)構(gòu)的蓄熱作用可實(shí)現(xiàn)煤粉快速著火穩(wěn)定燃燒。王進(jìn)卿等[3]對(duì)帶鈍體的預(yù)燃室旋流燃燒器進(jìn)行流動(dòng)特性模擬研究，發(fā)現(xiàn)預(yù)燃室及臥式爐膛內(nèi)形成較大回流區(qū)；朱霖[4]和池俊杰等[5]對(duì)該燃燒器在外二次風(fēng)改為直流后分別進(jìn)行流動(dòng)和燃燒特性模擬，同樣發(fā)現(xiàn)具備較大回流區(qū)且NOx排放最低可至331 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況下)。而一款中心煤粉逆噴的雙錐形預(yù)燃室旋流燃燒器首先被紀(jì)任山模擬研究[6]，通過(guò)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化煤粉工業(yè)鍋爐燃燒效率，姜思源等[7]則模擬研究該燃燒器使用中等揮發(fā)分煙煤時(shí)的燃燒特性；郭猛猛等[8]和SONG等[9]分別對(duì)該燃燒器在鈍體改造后進(jìn)行試驗(yàn)和模擬研究，煤粉燃燒效率均得到提升。賈楠等[10]則對(duì)新的預(yù)燃室逆噴旋流燃燒器進(jìn)行流動(dòng)特性及燃燒特性的研究，揭示了逆噴耦合軸向旋流的穩(wěn)燃低氮特性。龔彥豪和許鑫瑋等[11-13]分別對(duì)不同預(yù)燃室低氮旋流燃燒器的NOx排放進(jìn)行研究，前者試驗(yàn)結(jié)果表明搭配爐膛燃盡風(fēng)的合理運(yùn)行工況下NOx可低至231 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況下)，而后者試驗(yàn)結(jié)果表明NOx排放降低為178 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)工況下)同時(shí)鍋爐熱效率可達(dá)91.7%。上述研究均表明煤粉工業(yè)鍋爐采用的預(yù)燃室旋流燃燒器可實(shí)現(xiàn)煤粉高效低氮燃燒，促進(jìn)煤炭節(jié)能環(huán)保轉(zhuǎn)化利用。但煤粉工業(yè)鍋爐的實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)中，長(zhǎng)期存在低負(fù)荷運(yùn)行及頻繁啟停情況[14]，對(duì)鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行、燃燒效率及NOx排放提出不同挑戰(zhàn)，而預(yù)燃室結(jié)構(gòu)除蓄熱作用外，還可減緩旋轉(zhuǎn)氣流衰減[15]達(dá)到強(qiáng)化回流目的以及構(gòu)建低速流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行穩(wěn)燃穩(wěn)焰，可直接實(shí)現(xiàn)煤粉工業(yè)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行。但預(yù)燃室旋流燃燒器低負(fù)荷下燃燒特性的研究較為缺失，無(wú)法對(duì)其穩(wěn)燃低氮等作用機(jī)理提供理論分析及數(shù)據(jù)支撐。

因此，筆者以一款預(yù)燃室多通道旋流燃燒器為研究對(duì)象，通過(guò)預(yù)燃室內(nèi)燃燒特性及預(yù)燃室外火焰特性對(duì)其低負(fù)荷運(yùn)行的燃燒特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并分析其關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的影響，為煤粉工業(yè)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行燃燒優(yōu)化提供理論指導(dǎo)及數(shù)據(jù)支撐。

1 煤粉燃燒試驗(yàn)

1.1 煤粉燃燒試驗(yàn)裝置

采用已搭建14 MW煤粉燃燒系統(tǒng)，如圖1a所示，主要由風(fēng)機(jī)、供料、點(diǎn)火、測(cè)量裝置、燃燒器等組成，其詳細(xì)介紹見(jiàn)先前工作[16-17]。預(yù)燃室旋流燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1b所示，由一次風(fēng)、內(nèi)外二次風(fēng)、三次風(fēng)通道等組成，其中一次風(fēng)通道安裝穩(wěn)燃齒，加劇煤粉在一次風(fēng)通道出口擾動(dòng)促進(jìn)煤粉快速著火穩(wěn)定燃燒；內(nèi)二次風(fēng)通道內(nèi)安置軸向旋流葉片，氣流經(jīng)過(guò)葉片后在通道出口以強(qiáng)旋流形式進(jìn)入預(yù)燃室，其中旋流數(shù)S被用來(lái)表示氣流旋轉(zhuǎn)能力的大小，計(jì)算公式[18]如下，即

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)及燃燒器結(jié)構(gòu)[14]Fig.1 Diagram of experiment system and burner structure[14]

(1)

其中:di為旋流葉片內(nèi)徑，mm；do為旋流葉片外徑，mm；θ為旋流葉片角度，(°)。外二次風(fēng)以直流形式同內(nèi)二次風(fēng)一同進(jìn)入預(yù)燃室，形成低溫空氣層避免預(yù)燃室內(nèi)壁面高溫腐蝕變形情況；三次風(fēng)包裹在預(yù)燃室外壁進(jìn)入爐內(nèi)進(jìn)行后續(xù)燃燒。

1.2 試驗(yàn)工況及測(cè)量參數(shù)

試驗(yàn)過(guò)程中，儲(chǔ)罐內(nèi)煤粉在助燃油穩(wěn)定燃燒后由一次風(fēng)攜帶進(jìn)入燃燒器，燃燒穩(wěn)定后關(guān)閉助燃油并開(kāi)始測(cè)量，各管路所需風(fēng)量在點(diǎn)火前完成調(diào)節(jié)。其中煤種采用神府優(yōu)質(zhì)煙煤特征見(jiàn)表1；低負(fù)荷下煤粉供料裝置穩(wěn)定性較差及流場(chǎng)難以組織，因此試驗(yàn)在46%負(fù)荷、過(guò)量空氣系數(shù)1.63、內(nèi)二次風(fēng)旋流數(shù)S=1.6下進(jìn)行，主要運(yùn)行參數(shù)內(nèi)外二次風(fēng)量比為變量工況，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 試驗(yàn)煤種煤質(zhì)特性Table 1 Characteristics of experimental coal

表2 試驗(yàn)變量及工況參數(shù)Table 2 Experimental operation conditions and parameters

測(cè)量對(duì)象為預(yù)燃室內(nèi)的溫度分布、組分體積分?jǐn)?shù)分布及預(yù)燃室外的火焰特性。其中組分測(cè)量包括水冷取樣槍、過(guò)濾裝置、煙氣分析儀等裝置，高溫?zé)煔饧懊航乖谒淙訕屩斜谎杆倮鋮s，通過(guò)過(guò)濾裝置分離，煙氣進(jìn)入煙氣分析儀進(jìn)行測(cè)量；水冷取樣槍[16]內(nèi)管抽取高溫?zé)煔?，中間鋼管進(jìn)水冷卻及外管流出循環(huán)水，保障煙氣組分不發(fā)生變化；煙氣分析儀采用德國(guó)約克公司的增強(qiáng)型煙氣分析儀(MRU VARIO PLUS)進(jìn)行測(cè)量，誤差小于±2%，每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行120 s 共60組數(shù)據(jù)測(cè)量，選取30 s穩(wěn)定數(shù)據(jù)取均值作為該點(diǎn)煙氣組分值。溫度測(cè)量采用0～1 000 ℃、0～1 300 ℃不銹鋼K型熱電偶，搭配信號(hào)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)顯示；記錄溫度穩(wěn)定后波動(dòng)范圍在±10 ℃ 的數(shù)值作為測(cè)量值。

溫度及組分體積分?jǐn)?shù)測(cè)點(diǎn)布置如圖1b所示，以燃燒器出口截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X為距離燃燒器出口軸向距離，R為距離燃燒器中心軸線徑向距離建立坐標(biāo)系，測(cè)量截面及測(cè)點(diǎn)布置如圖1b所示，選取X=268、536、670和804 mm截面，各截面中心軸線為測(cè)點(diǎn)1，距離預(yù)燃室壁面10 mm為最終測(cè)點(diǎn)7，其中測(cè)點(diǎn)1～2之間距離隨截面不同而變化，測(cè)點(diǎn)2～7則采取相同間隔50 mm反映沿徑向方向的燃燒過(guò)程；同時(shí)預(yù)燃室內(nèi)氣流分布均勻且剛性較強(qiáng)燃燒穩(wěn)定[10]且出口火焰呈穩(wěn)定水平形態(tài)，因此單側(cè)測(cè)點(diǎn)即可表示預(yù)燃室內(nèi)整體溫度及組分體積分?jǐn)?shù)分布。火焰特性通過(guò)型號(hào)為PHANTOM C110的高速攝像機(jī)，在PCC 3.1軟件中選取分辨率為1 080×504、曝光時(shí)間為200 μs、采樣率為1 700 fps等相機(jī)參數(shù)進(jìn)行火焰形態(tài)捕集，共計(jì)獲取8 337張火焰圖像。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果分為預(yù)燃室內(nèi)溫度分布、組分體積分?jǐn)?shù)分布和火焰形態(tài)尺寸3部分內(nèi)容討論預(yù)燃室旋流燃燒器低負(fù)荷燃燒特性和運(yùn)行參數(shù)內(nèi)外二次風(fēng)量比的影響。

2.1 預(yù)燃室內(nèi)溫度分布

不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下預(yù)燃室內(nèi)溫度分布如圖2所示，溫度從預(yù)燃室邊壁到中心軸線的變化趨勢(shì)在各測(cè)量截面保持一致，均為先升高后降低趨勢(shì)，在區(qū)域半徑R=50～100 mm區(qū)域內(nèi)存在溫度峰值，表明煤粉及可燃組分在此區(qū)域發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)釋放熱量，而預(yù)燃室壁面至該區(qū)域的溫度上升過(guò)程是由二次風(fēng)接受輻射傳熱及逐步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所造成，該區(qū)域至中心軸線的下降過(guò)程歸結(jié)于煤粉不完全燃燒且自身顆粒升溫吸熱，屬于“火包粉”燃燒狀態(tài)；沿軸向方向溫度峰值變化較小，略微遠(yuǎn)離中心軸線且維持在1 000～1 200 ℃，煤粉隨一次風(fēng)逐漸徑向發(fā)散但依舊受二次風(fēng)混合限制燃燒強(qiáng)度是溫度峰值沿軸向變化較小的主要原因；同時(shí)，距預(yù)燃室內(nèi)壁面10 mm測(cè)點(diǎn)溫度均低于400 ℃，預(yù)燃室結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中可避免高溫腐蝕變形現(xiàn)象發(fā)生，其原因?yàn)閯×曳磻?yīng)的溫度峰值區(qū)域距離此處較遠(yuǎn)且外二次風(fēng)在預(yù)燃室內(nèi)的貼壁冷卻作用進(jìn)一步避免溫度升高；而在中心軸線上X=536～670 mm區(qū)域溫度明顯較低，分析認(rèn)為此區(qū)域之前一次風(fēng)中O2被完全消耗，煤粉隨一次風(fēng)發(fā)散較弱，二次風(fēng)中徑向擴(kuò)散的O2在外圍被完全消耗，中心軸線煤粉顆粒在“火包粉”燃燒狀態(tài)下不斷升溫吸熱，最終導(dǎo)致煙氣溫度較低，此區(qū)域之后該現(xiàn)象在中心軸線上逐漸減弱。

圖2 預(yù)燃室內(nèi)溫度分布Fig.2 Temperature distribution in precombustion chamber

對(duì)比不同內(nèi)外二次風(fēng)量比的溫度分布發(fā)現(xiàn)，在近軸線高溫區(qū)域，X=268 mm截面溫度峰值差異較小，其原因?yàn)檫^(guò)渡通道圓柱形鈍體回流作用在燃燒器出口附近較強(qiáng)導(dǎo)致溫度差異較小；X=536截面上，2∶1工況的溫度峰值低于其他兩工況，預(yù)燃室內(nèi)除回流作用外，一次風(fēng)粉及可燃組分依次與旋流內(nèi)二次風(fēng)和直流外二次風(fēng)接觸，其中內(nèi)二次風(fēng)以混合燃燒為主，外二次風(fēng)以冷卻預(yù)燃室壁面為主[14]，旋流內(nèi)二次風(fēng)的回流以及本身徑向發(fā)散作用使劇烈燃燒反應(yīng)過(guò)程沿徑向方向拉長(zhǎng)但燃燒強(qiáng)度下降，同時(shí)低負(fù)荷運(yùn)行下煤粉體積分?jǐn)?shù)較低過(guò)量空氣系數(shù)較大，旋流內(nèi)二次風(fēng)與直流外二次風(fēng)風(fēng)量的差異會(huì)被低體積分?jǐn)?shù)煤粉燃燒過(guò)程所限制，導(dǎo)致溫度峰值差異較??；X=804 mm截面上，1∶1工況的溫度峰值低于其他工況，表明旋流或直流為主流時(shí)在預(yù)燃室下游截面趨向與向邊壁區(qū)域運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致與可燃組分及煤粉混合較弱，燃燒強(qiáng)度下降使溫度峰值降低。

2.2 預(yù)燃室內(nèi)組分體積分?jǐn)?shù)分布

不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下預(yù)燃室內(nèi)組分體積分?jǐn)?shù)如圖3、圖4所示，分別是O2體積分?jǐn)?shù)分布和CO體積分?jǐn)?shù)分布。O2和CO體積分?jǐn)?shù)從預(yù)燃室邊壁到中心軸線的變化趨勢(shì)在各測(cè)量截面保持一致，其中內(nèi)外二次風(fēng)中O2體積分?jǐn)?shù)快速下降至R=100～200 mm區(qū)域接近0，圍繞中心軸線形成一定區(qū)域無(wú)氧氣氛(O2體積分?jǐn)?shù)<1%),CO體積分?jǐn)?shù)則維持較低水平后在R=200～250 mm區(qū)域開(kāi)始快速上升并在R<100 mm區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%～20%，形成強(qiáng)還原性氣氛；O2和CO體積分?jǐn)?shù)在不同區(qū)域的變化趨勢(shì)表明煤粉在中心軸線附近區(qū)域經(jīng)歷熱解及貧氧燃燒過(guò)程生成大量CO，與外圍擴(kuò)散O2混合發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)形成火焰導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)降低后被完全消耗，在徑向方向上處于一種“風(fēng)包火”、“火包粉”燃燒狀態(tài)，與前述溫度變化相符；同時(shí)圍繞中心軸線煤粉周圍的無(wú)氧強(qiáng)還原性氣氛有利于抑制燃燒初期NOx形成，甚至可對(duì)已生成NOx進(jìn)行還原，降低預(yù)燃室內(nèi)煙氣中NOx含量，這是預(yù)燃室煤粉燃燒器預(yù)燃過(guò)程可降低NOx的強(qiáng)力證據(jù)。而隨著距燃燒器出口軸向距離增加，無(wú)氧氣氛區(qū)域逐漸縮減，O2下降區(qū)域拉長(zhǎng)徑向反應(yīng)速率下降，分析認(rèn)為預(yù)燃室徑向距離增加、二次風(fēng)在下游逐漸混合、煤粉顆粒群外圍開(kāi)始焦炭異相反應(yīng)而中心依舊處于揮發(fā)分組分燃燒過(guò)程綜合作用所導(dǎo)致；還原性氣氛中CO體積分?jǐn)?shù)略微降低后升高，原因?yàn)橐淮物L(fēng)中O2被完全消耗后，二次風(fēng)混合較弱導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)下降，而下游混合則使CO體積分?jǐn)?shù)升高。據(jù)預(yù)燃室內(nèi)壁面10 mm測(cè)點(diǎn)處O2和CO體積分?jǐn)?shù)分布也進(jìn)一步表明該區(qū)域主要接受輻射傳熱且無(wú)反應(yīng)發(fā)生，可避免高溫腐蝕及結(jié)渣現(xiàn)象發(fā)生。

圖3 預(yù)燃室內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)分布Fig.3 O2 concentration distribution in precombustion chamber

圖4 預(yù)燃室內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)分布Fig.4 CO concentrations distribution in precombustion chamber

對(duì)比不同內(nèi)外二次風(fēng)量比的O2和CO體積分?jǐn)?shù)分布發(fā)現(xiàn)，2∶1工況在X=268和804 mm截面的無(wú)氧區(qū)域徑向范圍大于其他工況，而其他截面無(wú)氧區(qū)域范圍保持一致；中心軸線附近的強(qiáng)還原氣氛中1:2工況的CO體積分?jǐn)?shù)在X=268 mm截面最低，而在X=536～804 mm截面區(qū)域最高；其原因同前述溫度峰值之間差異的原因一致，沿徑向方向燃燒反應(yīng)距離延長(zhǎng)但燃燒強(qiáng)度降低，因此主流為強(qiáng)旋流時(shí)無(wú)氧區(qū)域范圍較大，而主流為直流時(shí)導(dǎo)致軸線附近的不完全燃燒過(guò)程加劇，使得CO體積分?jǐn)?shù)及溫度升高。

2.3 預(yù)燃室外火焰特性

采用前述測(cè)量方法得到原始火焰圖像，利用圖像處理方法獲取火焰形態(tài)尺寸[19]，研究?jī)?nèi)外二次風(fēng)量比對(duì)預(yù)燃室外火焰特性的影響。如圖5a所示，首先給出不同工況下捕獲的火焰原始圖像，發(fā)現(xiàn)煤粉燃燒火焰穩(wěn)定，表面呈褶皺形態(tài)，有利于熱量質(zhì)量交換及火焰?zhèn)鞑ィ砻鲙ьA(yù)燃室的旋流燃燒器在低負(fù)荷下燃燒穩(wěn)定；對(duì)比不同內(nèi)外二次風(fēng)量比發(fā)現(xiàn)，火焰發(fā)散傳播存在一定差異，對(duì)其形態(tài)尺寸造成影響，原因?yàn)轭A(yù)燃室內(nèi)燃燒特性及出口氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。為量化運(yùn)行參數(shù)的影響，利用圖像處理手段選取原始火焰圖像，如圖5b所示，灰度處理后得到不同像素點(diǎn)上的灰度值，隨機(jī)選擇穿過(guò)火焰的若干條垂線，對(duì)其灰度值進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，選取可體現(xiàn)火焰全部形態(tài)的灰度限定值，如圖5c、圖5d所示，最后通過(guò)限定值將灰度圖像轉(zhuǎn)化為0-1分布的黑白圖像，其中1為白色代表火焰形態(tài)，根據(jù)白色占據(jù)的像素區(qū)域，得到火焰的像素長(zhǎng)度和直徑及發(fā)散角度[20]，如圖5e所示。對(duì)比參考標(biāo)尺在火焰圖像中的像素長(zhǎng)度及高度，得到火焰實(shí)際長(zhǎng)度和直徑及發(fā)散角度。

圖6為不同內(nèi)外二次風(fēng)量比的實(shí)際火焰長(zhǎng)度、直徑及發(fā)散角。隨內(nèi)外二次風(fēng)量比減小，火焰長(zhǎng)度在3 500～4 500 mm區(qū)域逐漸增加，發(fā)散角在5°～15°之間逐漸縮小，兩者呈相反趨勢(shì)，火焰直徑則穩(wěn)定維持在500 mm左右。分析原因發(fā)現(xiàn)隨著旋流內(nèi)二次風(fēng)逐漸減小，直流外二次風(fēng)逐漸增大，導(dǎo)致二次風(fēng)整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)從旋流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?，氣流旋轉(zhuǎn)能力下降剛性加強(qiáng)發(fā)散能力減弱，使預(yù)燃室外煤粉燃燒時(shí)火焰呈現(xiàn)長(zhǎng)度增加發(fā)散角縮減現(xiàn)象；預(yù)燃室出口火焰直徑較為穩(wěn)定，表明內(nèi)外二次風(fēng)量比對(duì)其影響較小，旋流燃燒器預(yù)燃室出口在該操作條件下不會(huì)發(fā)生燒毀變形等高溫腐蝕現(xiàn)象，可長(zhǎng)期低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 不同內(nèi)外二次風(fēng)量比的實(shí)際火焰形態(tài)尺寸Fig.6 Practical flame shape size with different ratios of inner and outer secondary air

3 結(jié) 論

1)煤粉在預(yù)燃室內(nèi)呈現(xiàn)“風(fēng)包火、火包粉”燃燒狀態(tài)，中心形成高溫?zé)o氧強(qiáng)還原氣氛，邊壁形成低溫空氣層，保障預(yù)燃室旋流燃燒器低負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行同時(shí)抑制NOx生成。

2)煤粉在預(yù)燃室外呈現(xiàn)穩(wěn)定燃燒火焰形態(tài)，其褶皺火焰鋒面及火焰長(zhǎng)度可實(shí)現(xiàn)煤粉在爐膛進(jìn)一步燃盡度，保障煤粉燃燒效率和鍋爐熱效率。

3)預(yù)燃室旋流燃燒器在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，內(nèi)外二次風(fēng)量比為1∶2工況的溫度峰值及強(qiáng)還原氣氛中CO體積分?jǐn)?shù)較高分別為1 122 ℃和13.713 0%，同時(shí)預(yù)燃室外火焰行程最長(zhǎng)為4 473 mm，有利于提高煤粉燃盡度和降低NOx初始排放。