燃用准东煤的旋风炉空气分级方式试验研究

2020-12-05张向宇向小凤徐宏杰

热力发电 2020年9期

张向宇，陆续，张波，向小凤，徐宏杰

（西安热工研究院有限公司，陕西西安 710054）

煤的燃烧过程中，NOx的生成量与燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件密切相关。空气分级燃烧技术是将燃烧用的空气分阶段送入，降低主燃区温度及氧量从而减少NOx排放。空气分级低氮燃烧技术在我国已经有不少研究和工程实践[1-2]。周俊虎等[3]试验研究了空气分级技术的NOx脱除效果以及对锅炉效率和结渣的影响。刘福国等[4]研究了烟煤锅炉在空气分级燃烧时飞灰燃尽度随主燃区过量空气系数的变化特性。

旋风炉是一种典型的液态排渣闭式燃烧室，利用切向气流产生一个高速旋转的流场，加强风煤混合及热量交换[5]，具有较高的捕渣率，适用于低灰熔点、易结渣的煤。相关研究指出，旋风炉能够降低进入炉膛尾部受热面烟气中的含尘浓度与气态Na、K盐含量，从而缓解受热面沾污和磨损，是实现全烧低灰熔点准东煤的潜在途径[6]。由于燃烧温度高，旋风炉NOx排放质量浓度可达到700~1 200 mg/m3，因此在准东煤旋风燃烧时必须考虑采用合适的低氮燃烧技术。

在旋风炉中实施空气分级燃烧存在2个有利的客观条件。首先，旋风燃烧条件下热力型NOx占主要份额，采用空气分级降低主燃区温度能够显著减小NOx生成量[7]。其次，旋风炉中燃烧与传热过程相分离，壁面渣层覆盖在衬里表面，有效防止了空气分级燃烧引起的高温腐蚀和炉膛结渣问题[8]。但是，与其他煤粉炉所不同的是，除了研究NOx生成和煤粉燃尽问题，在旋风炉中应特别关注空气分级对颗粒沉积和液态排渣的影响，需要建立新的空气分配原则。

图1 试验系统Fig.1 Schematic diagram of the experimental system

本文将结合准东煤的黏温特性建立液态排渣模型，计算确定主燃区过量空气系数，并在一台旋风炉上开展空气分级燃烧试验，从而获得最佳的空气分级方式。

1 试验系统

试验系统如图1所示。主要由立式旋风筒、过渡烟道、燃尽室、水平烟道、空气预热器、旋风除尘器等构成。旋风筒设计热容量为100 kW，高度1 100 mm，筒径300 mm，容积热负荷为1 286 kW/m3，断面热负荷为1 415 kW/m2。

煤粉和一次风、部分二次风由旋风筒顶部喷入，助燃二次风由筒壁切向、分级送入，共有5个二次风喷口。燃尽风（OFA）在燃尽室喷入，共有3个喷口。采用B型热电偶测量火焰温度，采用K型热电偶测量沿程烟气温度。在旋风筒出口和尾部烟道用烟气分析仪测量CO、SO2、NO、NO2 和O2含量，其中氧测量为顺磁法，其他气体测量为非色散红外吸收法。飞灰在除尘器处取样，熔渣在旋风筒底部取样。

选取3种典型的准东煤，煤质数据见表1，煤灰主要成分见表2。

表1 煤质分析数据 w/%Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the coal

表2 煤灰主要成分 w/%Tab.2 Composition analysis of the coal ash

由表1和表2可见：准东煤挥发分高、灰分低，易着火和燃尽，是一种优良的动力用煤；准东煤富含碱金属Na，对煤灰熔融特性具有很大影响，煤灰碱酸比分别为2.37、0.79和0.84，均有严重的沾污和结渣倾向。

灰渣的流变特性一般采用黏温曲线来表征，它是灰渣熔融过程中黏度与温度的对应关系。利用旋转高温黏度计在弱还原性气氛下测定3个煤样的黏温曲线，结果如图2所示。由图2可以看出，3个煤样的灰临界温度分别为1 543、1 473、1 553 K，低温下中联煤的流变性要好于另外2个煤种。

图2 典型准东煤黏温特性Fig.2 The viscous-temperature characteristics of typical Zhundong coal

2 主燃区过量空气系数

在旋风炉中采用空气分级燃烧时，必须考虑主燃区温度降低对液态排渣的影响。液态排渣过程受炉型、煤种和燃烧组织的影响，本文将通过求解液态排渣模型来确定不同煤种主燃区过量空气系数的取值范围。

以立式旋风筒为例，建立旋风燃烧液态排渣模型（图3）。高温熔融的飞灰颗粒在炉内气流的带动下，在壁面沉积燃烧并形成液态的渣层，熔渣层在重力和烟气曳力作用下流变的同时与烟气侧发生对流和辐射换热[9]。

图3 旋风炉液态排渣模型Fig.3 The liquid slagging model of the cyclone furnace

根据集总参数模型，熔渣层的能量守恒方程为

质量守恒方程：

动量守恒方程[11]:

黏温方程：

式中：ρ为灰渣密度，kg/m3；L为炉膛高度，m；B为给煤量，kg/h；war(A)为灰分质量分数，%；Η为捕渣率，%，这里定义捕渣率为旋风筒中捕集的灰渣占燃料煤总灰量的份额；V为渣层流动速度，m/s；u为液渣黏度，Pa·s；u0为熔渣临界温度下的黏度；uz为熔渣表面温度对应的黏度；φ为无量纲数。

联立求解可得到熔渣流动层温度。为实现稳定液态排渣，须保证流动层温度大于液渣黏度25 Pa·s对应的温度Tu=25[12]。

设计捕渣率为60%的情况下，计算了3个煤种在不同主燃区过量空气系数下的排渣温度，结果如图4所示。由图4可以看出：不同煤种的稳定液态排渣边界条件存在较大差别；对于天池和特变煤，在低负荷下主燃区过量空气系数必须大于0.9；而燃用流变性好的中联煤时，主燃区过量空气系数可以减小到0.8。

图4 不同煤种主燃区过量空气系数下的排渣温度Fig.4 The range of excess air coefficients in main combustion zone of different coals

3 试验结果及分析

选择中联煤作为试验煤种，在旋风炉上开展空气分级燃烧试验。设定一次风风率为15%，设计风速为14 m/s。燃烧器二次风风率为25%（本文中风率均以理论空气量为基准），旋流叶片角度57°。调节筒壁二次风风率以实现不同的主燃区过量空气系数，切向二次风设计风速65 m/s（空气未分级，过量空气系数为1.0）。燃烧温度测量结果如图5所示。由图5可以看出：当主燃区过量空气系数减小时，燃烧温度降低，这将有利于减少NOx生成；出口烟温和排渣口熔渣温度随过量空气系数减小而降低，当主燃区过量空气系数减小到0.8时，熔渣温度仍然高于排渣限值，能够稳定液态排渣。

图5 过量空气系数对排渣温度的影响Fig.5 The influence of excess air coefficient on slagging temperature

采用旋风筒出口CO体积分数和NOx质量浓度测量值来表征主燃区燃烧状况，结果如图6所示。

图6 NOx质量浓度和CO体积分数随过量空气系数变化Fig.6 The variations of NOx mass concentration and CO volume fraction with excess air coefficient

由图6可以看出：随着主燃区过量空气系数减小，NOx生成质量浓度由662.0 mg/m3降低到461.9 mg/m3，CO生成体积分数由1 512 μL/L增加到15 797 μL/L，这表明空气分级条件下主燃区呈还原性气氛，CO的存在使NO快速减少。在高浓度CO存在的强还原性气氛中，H2S、SO3等气体会与金属管壁发生反应引起高温腐蚀，因此常规煤粉炉中需要控制主燃区CO体积分数及分布。但在旋风炉中，由于壁面被熔渣层覆盖，高温腐蚀问题得到缓解，此时主燃区CO体积分数主要受燃尽过程限制。

对筒壁切向二次风采用多级配风，以实现深度的空气分级燃烧。比较了不同切向二次风分级方式对NOx质量浓度和CO体积分数的影响，结果如图7所示。切向二次风分别由一、二、三级喷口送入，选择了4种风率分配方式。由图7可以看出，将切向二次风下引时，NOx生成质量浓度降低，而CO体积分数升高；当一、二、三级喷口风率分别为20%、10%和10%时，NOx生成质量浓度达到最小值432.0 mg/m3。

图7 切向二次风分级方式对NOx质量浓度和CO体积分数的影响Fig.7 The influence of staging mode of tangential secondary air on NOx mass concentration and CO volume fraction

切向二次风分级会改变炉内流场，并对颗粒沉积产生影响。采用结渣探针在筒壁6个温度测点处捕集飞灰，称重后得到沿程飞灰沉积速率分布，结果如图8所示。

图8 切向二次风分级方式对捕渣率的影响Fig.8 The influence of staging mode of tangential secondary air on slag capture ratio

由图8可以看出，当喷口风率较大时，对应区域飞灰沉积速率显著升高。由于炉膛上部未燃煤粉较多，应减小上部二次风率以防止煤粉沉积堵塞二次风喷口。同时，将切向二次风下引能够提高炉膛下部飞灰沉积速率，从而提高整体捕渣率。

图9给出了不同切向二次风分级方式下的熔渣温度和熔渣中未燃尽碳含量。由图9可以看出：当3个喷口风率分别为20%-0-20%时，熔渣温度低于排渣限值，其他3种配风方式能够保证稳定液态排渣；当切向二次风下移时，熔渣温度降低，而熔渣中含碳量上升。这主要是由于准东煤着火距离短，当上部燃烧区氧量不足时，火焰温度降低，焦炭不完全燃烧，未烧完的焦炭被熔渣覆盖，引起渣中未燃尽碳含量上升。因此，旋风炉燃用着火性能好的准东煤时，应适当增大上部二次风量，切向二次风可采用三级配风，风率分配遵循“上大下小”原则。

图9 切向二次风分级方式对液态排渣的影响Fig.9 The influence of staging mode of tangential secondary air on liquid slagging

OFA喷入位置和风率对CO燃尽有很大影响。试验比较了3个OFA喷入位置对NOx和CO排放的影响，结果如图10所示。

图10 OFA布置位置对NOx质量浓度和CO体积分数的影响Fig.10 The influence of OFA arrangement on NOx mass concentration and CO volume fraction

CO体积分数和NOx质量浓度测点位于除尘器尾部，OFA风率为40%，3个喷口对应的烟气停留时间分别为0.50、0.62、1.20 s。由图10可以看出：燃尽风后移，CO体积分数升高，而NOx质量浓度降低；当烟气停留时间大于0.62 s时，改变燃尽风喷口位置对NOx质量浓度影响很小，这表明焦炭N已反应完全[13]。因此，选择燃尽风喷口时应确保烟气停留时间大于0.62 s。

燃尽风由喷口2送入，改变燃尽风风率并测量除尘器出口CO体积分数和飞灰含碳量，结果如图11所示。由图11可以看出：随着燃尽风率增加，CO体积分数逐渐降低；当燃尽风率大于35%后，CO排放体积分数基本不变；飞灰含碳量受燃尽风影响较小，这主要与旋风炉的燃烧方式有关[14]。在旋风炉中粗煤粉颗粒贴壁燃烧，细颗粒随烟气绕流，停留时间延长，尾部飞灰粒径小且燃尽度高，飞灰含碳量受空气分级影响较小。从燃烧经济性考虑，燃尽风率选择30%~35%，炉膛总过量空气系数为1.10~1.15。