基于煤粉預燃的深度空氣分級低氮燃燒技術研究

張 鑫

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013； 3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

隨著國家對煤炭資源清潔利用和環保要求的不斷提升，燃煤鍋爐實現超低排放已成為普遍標準，如要求煙塵≤10 mg/Nm3、SO2≤35 mg/Nm3、NOx≤50 mg/Nm3，同時降低煤炭燃燒利用過程中的污染物初始排放日益成為人們關注的重點，其中低氮燃燒技術即為主要研究內容之一。資料表明，在理論上NOx生成有3種不同機理:熱力型NOx由空氣中N2高溫氧化而成；燃料NOx由燃料中的化學氮轉換而成；快速NOx由氮氫基同分子氮發生反應以及隨后原子氮又與氫氧基相互作用而形成。一般燃燒裝置中快速型NOx生成量很少，鍋爐燃燒產物中氮氧化物以NO為主，約占90%以上。其中對于燃煤鍋爐，NOx來源主要有兩類:燃燒初期生成的燃料型NOx與燃燒后期生成的熱力型NOx，前者占比超過70%～80%[1]。燃料型NOx由煤粉中含氮有機物(揮發分氮和焦炭氮)與氧氣燃燒反應生成，對其影響最大的是空氣和燃料的混合比，其次是溫度；熱力型NOx來自于高溫條件下氮氣的氧化，研究表明，溫度超過1 500 ℃時熱力型NOx大量產生；快速型NOx則由氧氣與煤粉燃燒中間產物(HCN和N)在高溫下快速反應生成[2-3]。煤粉燃燒過程中3種NOx類型所占比例見表1[4]。

表1 煤粉爐NOx比例Table1 NOx proportion of pulverized coal furnace

實踐證明，對于煤粉燃燒，通過控制燃燒過程中的過量空氣系數，即把控煤粉與助燃空氣的接觸時機，可起到大幅降低氮氧化物的效果，通常采用空氣分級低氮燃燒技術即可有效利用該原理。西安交通大學的劉興等[5]也認為，目前熱力型NOx的控制策略主要是控溫；燃料型NOx的控制策略主要采用精準調控過量空氣系數，即保持主燃區欠氧，使其處于還原性氣氛中燃燒，此為目前降低NOx排放的核心思想。在此基本思想指導下，一些不同方式的低氮燃燒技術陸續誕生，如早期日本的高溫空氣燃燒技術(High Temperature Air Combustion)[6]、德國的無焰氧化(Flameless Combustion)[7]、意大利等國的溫和燃燒(MILD Combustion)[8]等，近期在煤粉燃燒技術領域，如國電煙臺龍源電力技術股份有限公司的雙尺度超低氮燃燒技術、哈爾濱工業大學多次分級中心給粉旋流煤粉高效低氮氧化物燃燒技術、德國扎克集團CONOX UCC低氮燃燒技術等均具有一定的代表性，其NOx初始排放普遍在200 mg/Nm3左右。在循環流化床燃燒技術領域，由于燃燒溫度較低，一般可達到(100～200)mg/Nm3的NOx初始排放水平[9]，清華大學岳光溪、呂俊復團隊開發的基于爐內脫硫和低氮燃燒的超低排放循環流化床鍋爐技術已實現NOx初始排放低于50 mg/Nm3，中國科學院工程熱物理研究所研發的第二代低氧補燃技術也已達到100 mg/Nm3以下的初始排放水平。目前煤粉燃燒技術相較循環流化床燃燒在污染物初始排放方面研究進展滯后，因而對于煤粉低氮燃燒技術需進行持續的研究及創新。

張磊等[10]提出，解耦燃燒工藝是有前景的減少NOx排放的工藝之一，劉興等[5]對煤粉熱解氣化耦合燃燒超低氮燃燒技術進行了系統梳理，其中提到煤科院的中心逆噴強旋流燃燒技術。斯東波[4]、顏祝明[11]、劉敦禹等[12]均在深度空氣分級低氮燃燒方面有所研究，但主要對象為電站煤粉鍋爐四角切圓燃燒器；韓佳宸等[13]在進行無煙煤低氮燃燒實驗中指出，采用深度空氣分級，主燃區過量空氣系數為0.6和0.8，且NOx的還原效率較高；煤科院王鵬濤[14]對預燃式煤粉深度空氣分級燃燒進行了數值模擬研究，進一步證明了深度空氣分級對降低氮氧化物生成量有積極的促進作用。煤科院自2013年啟動煤粉低氮燃燒技術研究工作，在中心逆噴強旋流煤粉預燃技術基礎上采用深度空氣分級技術，已在14MWth及以上工業系統試驗中取得階段性成果，可為煤粉低氮燃燒技術發展提供借鑒。

1 技術原理

由于試驗采用中心逆噴強旋流煤粉預燃室，使燃燒系統更易于分級配風技術的應用且較易實現深度空氣分級，以達到創造還原性氣氛場、抑制NOx生成的目的。基于此點，對燃燒系統的配風策略進行優化，其深度空氣分級配風示意如圖1所示。

圖1 深度空氣分級配風示意Fig.1 Deep air staged combustion system

一次風用于將煤粉送至預燃室，并在前部著火引燃；二次風提供煤粉著火及初步燃燒所需的空氣；三次風提供煤粉在爐膛內進一步燃燒所需的空氣，通過調節二次風與三次風的比例以實現深度空氣分級燃燒。

2 試驗系統及試驗方法

2.1 試驗系統

試驗所選用燃燒器額定熱功率為7 MW，帶有煤粉預燃室，一次、二次助燃風采用常溫冷空氣。燃燒器出口連接φ1 800 mm、長度為9 000 mm的鋼制圓筒作為爐膛，在爐膛前端設置三次風。煤粉低氮燃燒試驗系統工藝流程如圖2所示，現場實物如圖3所示。

圖2 煤粉低氮燃燒試驗系統示意Fig.2 Diagram of the experiment system with low nitrogen combustion of pulverized coal

圖3 煤粉低氮燃燒試驗現場實物圖Fig.3 Physical map of the experiment with low nitrogen combustion of pulverized coal

用于助燃的二次風和三次風分別由獨立風機提供，采用螺旋式煤粉供料器，供料量調節范圍為0～1 200 kg/h，在距離爐膛入口軸線方向0.5 m、2 m、3.5 m、5.0 m、6.5 m和8.0 m的位置分別設置熱電偶用于測量爐膛內溫度分布，在爐膛出口處設置煙氣取樣管，取樣管連接德圖(testo 350)煙氣分析儀，采集的NOx數據按照O2含量9%濃度基準值折算。

三次風的配風位置分別選取在爐膛入口側壁和頂端2個位置，其中頂端、爐膛側壁均設置4個噴口，頂端配風和側壁配風通過蝶閥獨立控制。其中爐膛頂端的配風位置是在距離中心450 mm的圓周上均布4路直徑為65 mm的三次風管；爐膛側壁配風位置設在距爐膛頂端4.5 m的斷面位置，此處射流火焰溫度在1 000 ℃～1 200 ℃，幾乎沒有熱力型NOx產生，此為主燃區和燃盡區的邊界，適宜配入三次風。在爐膛圓周布置4路直徑為65 mm的三次風管，4根風管采用對角對沖和相鄰對沖2種布置方式，三次風管布置示意如圖4所示，其中圖4(a)和圖4(b)分別表示2種爐膛側壁配風方式，圖4(c)表示爐膛頂端配風。

圖4 三次風管布置模式Fig.4 The arrangement type of the tertiary air duct

2.2 試驗煤種

采用神華神東補連塔礦煙煤作為試驗煤種，該煤種揮發分含量高，著火性能好，采用深度空氣分級技術能獲得較好的低NOx初始排放效果。其初步煤質分析數據見表2，定制采購的煤粉直接送至試驗現場的煤粉倉，測得試驗煤粉的中位粒徑為:d50=40 μm。

表2 神東補連塔礦煙煤煤質分析數據Table 2 Coal quality analysis data of the Shenhua bituminous coal

2.3 試驗方法

此次熱態臺架試驗涉及煤粉給料、送風、煤粉燃燒、數據測量等重要環節，各路助燃風量由安裝于送風管道的孔板流量計實測得到，并由電動蝶閥調節風量大小，尾部煙氣分析儀可實測爐膛出口氧含量，煤粉供料量和熱負荷以總助燃空氣量和爐膛出口氧氣量為基礎計算獲得。

燃燒產生的NOx初始排放值由爐膛出口的煙氣分析儀測得，并進行相應折算。

以相同負荷未采用分級配風工況下測得的NOx初始排放值為基準，將其它工況相比基準工況數值的減少率定義為脫硝效率，折算后的NOx初始排放值與脫硝效率均可用于評價低氮燃燒效果。煙氣中CO的測量濃度值，將其用于判定燃燒是否充分。

對分級配風比例、爐膛頂端及爐膛側壁2個三次風配風位置對低氮燃燒效果的影響進行試驗考察，通過爐膛溫度的輔助判斷，確定了爐膛側壁配風的最佳位置，因此未選取多組爐膛側壁三次風配入位置進行試驗。

3 試驗結果與討論

3.1 分級配風對比未分級配風

在供粉量和總風量基本保持不變(即負荷不變)的條件下，工況1未實施分級配風；工況2和工況3三次風由爐膛前端(以下簡稱爐頭)配入，其中工況2、工況3的風管出口風速分別為28 m/s、62 m/s，配風方式如圖4(c)所示；工況4三次風由爐膛側壁配入，三次風相鄰對沖布置，配風方式如圖4(a)所示；工況5三次風由爐膛側壁配入，三次風對角對沖布置，焦點為爐膛中心，配風方式如圖4(b)所示。

根據公開資料，電站煤粉鍋爐燃盡風設計風量一般不超過總風量的30%，采用相對較淺的空氣分級，主燃區空氣過量系數一般控制在0.9～1.0[15]，此次深度空氣分級試驗為了獲得較好的低氮效果，將主燃區過量空氣系數控制在0.74～1.0[16]，三次風所占比例一般大于總風量的28%，配風參數和測試數據見表3。

由表3可知，相比未分級配風工況，采用空氣分級配風后的脫硝效率在14.3%～50.7%。對比工況2與工況3，當三次風配風比例由28.7%提高至31.8%時，NOx初始排放由671 mg/m3降至578 mg/m3，同時爐膛出口CO含量顯著降低，燃燒效率提高。分析其原因可能由于爐頭配入的三次風風速過低時，三次風與主燃區火焰較早混合且混合不均勻；風速提高后，在慣性力作用下，三次風與主燃區混合位置推后，避開了火焰高溫區，提高了低氮效果，同時混合更加均勻，利于后續充分燃燒。對比工況3與工況4可知，兩工況三次風配風量相近，但工況4的脫硝效率高于工況3，究其原因可能因為爐膛側壁配風在三次風與火焰混合方面其控制更精準，并保證了爐膛前部充足的還原氣氛區，更加有利于抑制氮氧化物的生成。工況5與工況4的配風位置相同，但其三次風配風量有所提高，因此NOx排放進一步降低。對比工況3、4、5，工況3三次風爐內停留時間最長，混合更為充分，因此出口CO濃度較低；工況4與工況5三次風爐內停留時間相同，工況5三次風速提高，與煤粉接觸時間增加，NOx初始排放和CO濃度均有所降低。

表3 三次風量對NOx的影響Table 3 The effect of the tertiary air on NOx

3.2 三次風比例對NOx的影響

調節三次風配風比例主要包涵2種方式:①保持總風量不變，即爐膛出口氧含量基本不變，調節三次風量與二次風量；②保持三次風量不變，調節二次風量，進而爐膛出口氧含量隨之變化。以下針對上述2種方式分別闡述。

3.2.1維持總風量不變

總風量基本不變時，不同二次風與三次風比例的2種工況對NOx影響對比見表4。

表4 三次風比例對NOx影響(總風量不變)Table 4 The effect of tertiary air proportion on NOx (keep the total air volume constant)

對比工況6與工況7，當三次風配風比例由36.8%增至43.5%時，爐膛出口NOx濃度由322 mg/m3降至228 mg/m3，降幅約30%，但當三次風比例較大時，出口CO濃度也逐漸提高，可能原因是三次風的風量過大而導致火焰溫度先降低后升高，反應速率、煤粉燃燒效率均降低。同時發現在相同配風量下兩工況的氧含量相差較大，分析原因可能由于供料出現波動時兩工況的實際供料量存在差異，也可能存在取樣斷面氧含量分布不均勻問題。

3.2.2維持三次風量不變

保持三次風量基本不變，同時降低二次風配風量，即三次風配風比例相應提高。三次風量不變時其風量比例對NOx影響如圖5所示。其中，側壁配風方式1、方式2分別如圖4(a)、圖4(b)所示。

圖5 三次風比例對NOx影響(三次風量不變)Fig.5 The effect of proportion of tertiary air on NOx (keep the third air volume constant)

在三次風配風比例低于40%左右時，三次風配風比例的提高均有利于抑制NOx生成。3種配風方式下，低氮最佳效果均為NOx初始排放200 mg/m3左右。其中側壁配風方式2的低氮效果最佳，最佳工況爐膛出口平均NOx排放值為189 mg/m3。但三次風配風比例并非越高越好，在2種側壁配風方式試驗中，當配風比例大于42%時，NOx排放值反而隨三次風比例增加而增加。與此類似，Spliethoff H[17]研究表明，當主燃區過量空氣系數低于0.7時，繼續降低主燃區過量空氣系數不能降低NOx排放。原因可能是二次風量過低時，爐膛前部火焰(熱煙氣)噴射速度偏低，反應進程提高，溫度升高，造成熱力型NOx升高。

3.3 不同配風位置對NOx的影響

對于采用爐頭配風和爐膛側壁配風的2種方式，低氮燃燒最優工況見表5。爐頭配風NOx平均排放量為204 mg/m3，爐膛側壁配風NOx平均排放量為189 mg/m3。分析試驗數據，爐膛側壁配風氧含量波動較小，其原因可能由于側壁配風速度以徑向速度為主、爐頭配風速度以軸向速度為主，在爐膛出口截面上側壁配風新鮮空氣徑向分布更均勻。

表5 不同三次風位置對NOx影響Table 5 The effect of the different tertiary air locations on NOx

爐膛壁面溫度分布對比如圖6所示。對于爐頭配風方式，由于爐膛前段配風充足，局部燃燒所需空氣相對過量，空氣的冷卻作用大于助燃作用，導致前段爐膛溫度較低。而采用爐膛側壁配風方式時，三次風配入后，過量的助燃空氣冷卻降溫效果顯現，爐膛中后部溫度較低。

圖6 爐膛壁面溫度分布Fig.6 The temperature distribution of the furnace wall

總體而言，采用爐膛側壁配風爐膛溫度分布更均勻。

3.4 爐膛出口氧含量分布

此次試驗還對爐膛出口氧含量分布進行初步考察，典型工況的爐膛出口截面氧含量分布詳見表6。

表6 爐膛出口截面O2含量分布Table 6 The cross section O2 distribution of the furnace outlet

采用爐頭配風方式時，爐膛出口截面氧含量呈現中心高、壁面低的特點；而采用爐膛側壁配風方式時，出口截面氧含量相對均勻，且中心氧含量低于壁面氧含量。出口截面氧含量分布不同，主要受配風方式影響，爐膛側面配入的橫向三次風更易使助燃風與高溫煙氣混合，利于提高燃燒效率，使斷面氧氣分布均勻；爐頭配入的平行三次風擴散及與高溫煙氣的混合較遲緩。

爐膛側壁配風位置后的結焦情況也證實了上述觀點。爐頭配風方式爐膛前部結焦情況較輕，后部結焦情況較嚴重；爐膛側壁配風情況與之相反，前部結焦情況嚴重，配風位置后結焦較少，且之前所結焦粒隨燃燒進行而消失。同時，采用爐膛壁面配風時在配風位置后1.5 m～3.0 m的位置出現了逆向生長的灰分，表明在該位置壁面處出現了高溫煙氣的回流區。

4 結 論

(1)對于帶煤粉預燃室的深度空氣分級低氮燃燒技術，三次風占總助燃風量比例不高于40%時，所占比例越高，NOx排放值越低；當三次風所占比例超過40%后，NOx排放有升高趨勢；實驗過程同時考察了CO排放濃度，折算值多數在150 mg/Nm3以內，處于較低水平；NOx排放最優工況約200 mg/m3，最優工況的選擇應結合燃燒效率綜合考慮。

(2)由配風位置比較可知，采用爐膛側壁配風方式，其低氮效果優于采用爐頭配風方式，當三次風入口速度較低時尤為明顯；采用爐頭配風方式時，需提高入口風速，以保證三次風在主燃區不會過度混合；采用爐膛側壁配風方式，可實現較精準的三次風配風控制，延長煤粉在還原區停留時間。

(3)對于爐膛側壁配風方式而言，三次風管對角對沖于爐膛中心布置有利于及時混合，低氮效果優于相鄰三次風管對沖布置。

(4)爐頭配風與爐膛側壁配風2種方式會導致爐膛溫度分布和爐膛內氧量分布差異較大。當采用爐頭配風方式時，爐膛前段3.5 m內的溫度低于爐膛側壁配風時的情況，爐膛后端3.5 m～8.0 m位置處的溫度相反，爐膛側壁配風時，爐膛溫度分布更均勻；采用爐頭配風方式時，爐膛出口截面氧氣分布為中心高、四周低；當采用爐膛側墻配風時，出口氧含量分布較均勻。