径向浓淡旋流燃烧器NO x排放和燃尽率的试验研究

薛 山, 惠世恩, 周屈兰, 徐通模

(1.西安工业大学建筑工程学院,西安710032;2.西安交通大学 能源与动力工程学院,西安710049)

本文对国内开发的一种带有燃尽风且在燃烧器喷口的直径方向上形成内浓外淡煤粉分布的双调风低NOx旋流燃烧器进行了试验研究,得到了一些对工程设计和应用有参考价值的数据.

该燃烧器的特点是:

(1)使用了变截面的中心风管和一次风管相结合的可调煤粉浓度的浓缩器,将煤粉混合气流利用惯性分离为内浓外淡的环状气流,以实现煤粉在径向上的浓淡燃烧.在一次风管的出口处,还设置了浓缩环,当内浓外淡的环状混合气流撞击到浓缩环时,浓缩环将进一步对煤粉混合气流进行分离,使高浓度煤粉集中在一次风管的内侧,低浓度煤粉集中在一次风管的外侧.内浓外淡的构思是为了发挥中心回流区的着火优势,这一点借鉴了水平浓淡燃烧的特点[1-3].图1为燃烧器的结构示意图.

图1 燃烧器结构示意图Fig.1 Schematic of burner

(2)在带有扩口的外二次风管内,设置了整体可移动式轴向旋流器,以强化后期混合,并有效地提高燃尽效果[4].

(3)内二次风管出口为直喷口,其内部也设置了整体可移动式轴向旋流器,用于调节回流区的位置,组织前期的混合和燃烧.

(4)为实现空气分级燃烧,降低NOx的生成和排放,在主燃烧器上部设置了燃尽风(OFA),其中14.5%的风从燃尽风喷口送入.

(5)为了提高煤种的适应性,使该燃烧器能较好地实现劣质、难燃煤种的稳定燃烧,在一次风管出口处,设置了稳燃环装置[5-7].

1 试验设计及试验方法

旋流对冲燃烧的热态模化试验是在西安交通大学的一个设计热功率为1 MW的热态试验台上进行的.试验采用神华煤、河津煤和长治煤,这3种煤的基本特性见表1.根据试验煤的特性所计算得出的热态试验的基本热力参数见表2.由于影响燃烧的因素很多,所以试验中仅参考主要的影响因素,即燃尽风的相对位置、各风率的变化以及内、外二次风旋流强度的变化.

表1 试验煤种的基本性质Tab.1 Basic properties of the test coals

表2 热态试验的基本热力参数Tab.2 Basic thermal parameters of the hot test

本试验中燃烧器几何相似的比例是1:10,炉膛截面尺寸为炉深×炉宽=a×b=1 000 mm×800 mm,炉高为3 200 mm.试验时雷诺数进入第二自模化区,试验中所用燃料的浓度、密度、细度与实际相同.本次试验的炉膛截面热负荷qf(1.125 MW/m2)小于实炉运行时的截面热负荷(3～5 MW/m2).颗粒的斯托克斯数St和弗劳德数Fr满足完全相似是比较困难的,所以优先满足射流动量流率比相似以及燃料的浓度、密度和细度相似[8].

试验系统如图2所示.整个试验系统由试验炉本体、鼓引风、给粉、水冷、给油、测量等6个子系统组成.试验炉炉膛是试验台的核心主体部分,鼓引风和给粉系统提供燃烧所需的空气和煤粉,水冷系统保证各测量器具的冷却以及烟气的降温,给油系统保障点火以及熄火时投入柴油进行燃烧,测量系统主要获取研究所需的各种原始数据.

图2 试验系统Fig.2 The experimental sy stem

本次研究的主要任务是在试验工况下测量烟气的主要组分O2、CO、CO2、NO x等和飞灰可燃物含量w(CFA).在炉膛出口布置了烟气取样测孔和飞灰取样测孔,用水冷烟气取样枪和飞灰取样枪按等速取样原理对烟气和飞灰分别取样,用MSI compact烟气分析仪分析烟气成分,用重量法分析飞灰中的可燃物含量.

试验时选取总过量空气系数为1.2;一次风份额为12.56%、17.56%和22.56%,一次风速为12.56 m/s、16.15 m/s和20.75 m/s;内二次风份额为7.43%、9.93%、12.43%和17.43%;内二次风速为7.66 m/s、9.83 m/s、12.43 m/s和17.63 m/s,外二次风份额为43.85%、46.35%、48.85%、51.35%和53.85%,外二次风速为24.92 m/s、26.34 m/s、27.76 m/s、29.18 m/s和30.6 m/s;OFA份额为14.5%,OFA风速为59.92/24.88 m/s(直流速度/旋流速度),OFA相对位置为0.22、0.32和0.42;内二次风旋流强度为1.38、1.60和1.79;外二次风旋流强度为1.21、1.38和1.46.在上述参数下设计了31个试验工况.试验工况是在总过量空气系数不变的情况下设计的,即:当一次风率增加5%时,内、外二次风率分别减少2.5%.

2 结果与讨论

2.1 燃尽风布置的相对位置对NO x和飞灰可燃物的影响

大量研究表明,燃烧过程中NOx的生成主要来自于燃料型.在燃料型NOx中,由于挥发分N而生成的NOx占燃料型NOx的60%～80%,所以控制NOx的主要环节在于控制挥发分热解、燃烧的过程和温度.空气分级燃烧控制NO x生成的主要原理就是控制挥发分析出、燃烧时NOx的生成量,即在主燃烧区实现低氧燃烧.而为了不使低氧燃烧造成飞灰可燃物含量提高,在主燃烧区上面设置燃尽风,加强后期供氧、湍动和混合,使未完全燃烧的气体和固体实现完全燃烧.但OFA燃烧器的布置位置以及风率、风速都会影响NOx的转化和碳的燃尽[9-10].

图3给出了燃尽风的相对位置(即OFA燃烧器与主燃烧器轴心之间的距离与试验炉膛长度方向内壁之间的距离比)对NOx排放和飞灰可燃物含量的影响.由图3可见,燃尽风布置的相对位置对NOx的排放有显著影响.燃尽风布置的相对位置对三种煤的影响趋势均相同,在相对位置为0.22时,NOx的排放量较小,而燃尽风相对位置为0.32时,NOx的排放量最大,相对位置为0.42时,NOx的排放量最小.原因是当燃尽风离主燃烧器的距离较近时,在煤粉还没有达到充分着火燃烧时燃尽风就混入主气流,使气流整体温度水平和燃烧速度降低,抑制了NOx的生成和排放.当燃尽风离主燃烧器的距离较远时,主燃烧区氧量相对不足,抑制了NOx的生成,而后期的补氧可提高煤的燃尽率.燃尽风从相对位置0.32处供给时,挥发分热解基本完成,这时正处于挥发分燃烧和焦炭开始着火的阶段,局部区域形成一个合适的燃烧和N转化的氧化温度环境和气氛环境,在焦炭充分着火燃烧的同时,焦炭中N的转化率也提高,NOx的总转化率处于最高[10-11].

图3 OFA相对位置对NO x和飞灰含碳量的影响Fig.3 NO x and C FA values varying with the relative position of OFA nozzle

当燃尽风设计和布置合理时,可使飞灰含碳量显著下降.仅从降低飞灰含碳量而言,根据煤种的不同燃尽风的相对位置大约在0.33左右时,飞灰含碳量最低.燃尽风的设计主要是为后期的混合、燃烧和燃尽提供氧量.当燃尽风喷口离主燃烧器过近时,燃尽风会过早地混入燃烧气流中,此时因并不缺氧,燃尽风的混入降低了燃烧温度,使飞灰可燃物含量升高;相反,当燃尽风喷口离主燃烧器过远时,氧供给的区域整体温度水平较低,此时尽管有氧供给,但燃烧反应速度还是较慢,所以飞灰含碳量也较高.

2.2 一次风率对NO x和飞灰可燃物的影响

图4给出了一次风率对NOx和飞灰含碳量的影响.因煤粉在径向实现了内浓外淡的分布,燃烧器出口高浓度的煤粉直接喷入高温回流区,当一次风率开始增加时,氧浓度也增加,适时适量的供氧创造了煤粉燃烧的良好条件,使局部温度水平提高,高温、高氧浓度促进燃烧反应速度加快,从而飞灰含碳量下降;高温、高氧浓度同时促进了NOx的生成,使NOx排放量增加.当一次风率提高到一定值后,一次风改变了回流区的大小和位置,当回流区的位置产生后移时,一次风又影响了煤粉的着火和燃烧,这时NOx的排放量开始下降,而飞灰含碳量开始增加.

2.3 内二次风率对NO x和飞灰可燃物的影响

图5给出了内二次风率对NOx和飞灰可燃物的影响.适当增加内二次风可以及时提供燃烧所需要的氧气,促进燃烧的进行,有利于飞灰含碳量的降低,但同时也造成NOx排放量的增加;当内二次风率过大且过早地混入一次风中时,就会影响正常的着火和燃烧,且会造成飞灰含碳量升高,但此时NOx排放量却下降.

图4 一次风率变化对NO x和飞灰含碳量的影响Fig.4 NO x and C FA values varying with the ratio of primary air

图5 内二次风率变化对NO x和飞灰含碳量的影响Fig.5 NO x and C FA values varying with inner secondary air ratio

2.4 外二次风率对NO x和飞灰可燃物的影响

图6 外二次风率变化对NO x和飞灰含碳量的影响Fig.6 NO x and C FA values varying with outer secondary air ratio

图6 给出了外二次风率对NOx和飞灰可燃物的影响.从图6可以看出,该燃烧器的良好着火需要尽早提供外二次风.不管是神华煤、河津煤还是长治煤,适当增大外二次风率,均可有效地降低飞灰含碳量,但同时也增加了NOx的排放量.

2.5 旋流强度对NO x和飞灰可燃物的影响

从图7和图8可以看出,增加内二次风或外二次风旋流强度,都使NOx的排放浓度提高,而飞灰可燃物含量降低.内二次风、外二次风旋流强度的提高均可以增强高温烟气的回流和卷吸,加强前期的湍动混合,强化着火和挥发分的热解、燃烧,所以燃烧生成的NOx随着旋流强度的提高而增加,而飞灰含碳量则有所降低.

图7 内二次风旋流强度对NO x和飞灰含碳量的影响Fig.7 NO x and C FA values varying with outer secondary air swirling intensity

图8 外二次风旋流强度对NO x和飞灰含碳量的影响Fig.8 NO x and C FA values varying with inner secondary air swirling intensity

3 结 论

(1)旋流对冲的煤粉浓淡燃烧配合采用OFA空气分级燃烧技术,对降低NOx的生成和减少飞灰含碳量都非常有益.而OFA燃烧器布置的相对位置,对NOx的生成和飞灰含碳量的影响显著:当OFA燃烧器与主燃烧器的相对位置由近向远布置时,对三种煤的影响趋势相同,即NOx的生成量先增加后减少,而飞灰含碳量先降低后增加.即只有合理地设计和布置OFA燃烧器,才能在降低NO x生成量的同时,尽量减少飞灰含碳量.

(2)一次风率的变化对NOx的生成和飞灰含碳量影响显著.当增加一次风率时,三种煤燃烧所产生的NOx都是先增后降,而飞灰含碳量却都先减后增.这就要求一次风率的设定要合理实用,并建议对一次风通道的结构进行改进.

(3)该燃烧器具有较好的着火特性,当内二次风、外二次风和燃尽风设计合理时,NOx可以降低到400～700 mg/m3,同时具有较好的经济性.

(4)增加内、外二次风的旋流强度,显然提高了炉内的点火速度和燃烧的稳定性,使得NOx的生成量不断提高,而飞灰含碳量则是呈现降低的趋势.

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