58 MW煤粉工業鍋爐空氣分級燃燒試驗研究

牛 芳

(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

隨著國家對燃煤工業鍋爐大氣污染物治理要求不斷提高，《2019年全國大氣污染防治工作要點》明確要求，65 t/h及以上燃煤鍋爐全部實施節能和超低排放改造[1-2]。因此，加快實現不同容量燃煤工業鍋爐環保改造勢在必行。為降低燃煤鍋爐NOx初始排放濃度，國內外開發了多種低氮燃燒技術，包括空氣分級低氮燃燒技術[3-5]、煙氣再循環低氮燃燒技術、燃料分級低氮燃燒技術[6]、燃料再燃低氮燃燒技術[7-9]、濃淡分離低氮燃燒技術[10-11]、低氮燃燒器以及煤粉預熱低氮燃燒技術等。這些低氮燃燒技術大部分已在電站煤粉鍋爐上得到成功應用，特別是空氣分級低氮燃燒技術。然而，受限于電站煤粉鍋爐與工業煤粉鍋爐容量、燃燒組織方式、停留時間等差異，電站煤粉鍋爐空氣分級燃燒技術對工業煤粉鍋爐空氣分級低氮燃燒指導價值有限。因此，有必要開展適用于工業煤粉鍋爐的空氣分級燃燒技術。王鵬濤等[12]采用數值模擬及工程試驗相結合的方法，初步探究了空氣深度分級燃燒在煤粉工業鍋爐上的應用。Fan等[5]在20 kW沉降爐(DFF)試驗系統上，針對大同煙煤開展了深度空氣分級燃燒(主燃區過量空氣系數1.2～0.696)試驗研究，探究了沉降爐內還原性氣體濃度分布特性和NOx生成與還原機理。結果表明，當主燃區過量空氣系數SR=0.696時，主燃區結束位置處CO體積分數最高接近12%，且此時NOx含量基本接近0。主燃區極強的貧氧燃燒狀態，大大限制了焦炭的熱解與燃燒反應，加強了焦炭的氣化反應過程，使得還原性氣氛進一步形成，焦炭、未氧化的碳氫化合物(THC)等與已經生成的NOx發生還原反應，降低了NOx濃度。程曉磊[13]同樣針對空氣分級低氮燃燒開展研究，結果表明合理的空氣分級配風技術用于煤粉工業鍋爐，可在基本不影響鍋爐效率的條件下達到降低鍋爐NOx初始排放的目標。空氣分級低氮燃燒的原理是通過將助燃空氣分級補充，在主燃區創造適宜的還原性氣氛，控制燃燒初始階段燃料型NOx的大量生成。為確保煤粉具有良好的燃盡效果，再將剩余助燃空氣作為火上風噴入爐內。空氣分級低氮燃燒的關鍵是在確保主燃區良好還原效果的同時，合理組織煤粉的燃盡[14]。但當前研究均未開展煤粉工業鍋爐爐內不同截面、燃燒器不同位置處燃燒狀態及煙氣組分分布情況。

本文以煤科院某58 MW煤粉工業鍋爐為研究對象，采用水冷取樣槍、煙氣分析儀、耐高溫熱電偶開展工程試驗，研究了空氣分級工況下雙錐燃燒器、爐膛不同截面多個位置的煙氣組分及溫度分布，探究了58 MW煤粉工業鍋爐空氣分級燃燒及NOx排放特性，以期揭示空氣分級燃燒對降低煤粉工業鍋爐NOx排放的影響規律，得到適用于煤粉工業鍋爐的空氣分級低氮燃燒技術。

1 鍋爐參數及試驗測點

1.1 鍋爐結構

試驗在煤科院某58 MW低壓熱水煤粉工業鍋爐上開展，燃燒器使用煤科院自主研發的頂置雙錐燃燒器。鍋爐為單鍋筒橫置式立式水管鍋爐，爐膛采用全膜式水冷壁結構。頂置2個28 MW雙錐燃燒器向下高速噴射火焰，高溫煙氣及未燃盡的可燃物進一步在爐膛內完成燃燒以及換熱，燃燒完的煙氣再經二回程煙道換熱后，進入高溫受熱面進一步換熱，再進入SCR脫硝反應裝置，最后經低溫換熱面及省煤器后，進入脫硫除塵凈化系統。該鍋爐頂部設置有4個豎直向下的三次風噴口，但未設置獨立風機，而是從二次風管道上分出來一部分空氣作為三次風，由于可調風量受限，且距離燃燒器出口太近，低氮效果不顯著。鍋爐運行中的實際燃用煤工業及元素分析見表1。

表1 燃用煤工業及元素分析

1.2 火上風布置方式

煤科院58 MW煤粉工業鍋爐在爐膛前墻、左墻和右墻同一高度布置一層火上風，火上風噴口距爐頂中心線距離為4.5 m，每側墻布置2個火上風噴口，兩噴口分別距所在墻兩側0.5 m，且各噴口與相鄰側墻銳角夾角為45°。根據前人研究成果，為了確保火上風在爐內具有良好的摻混效果，火上風噴口最佳氣速為40～50 m/s，本文研究對象火上風噴口設計氣速為50 m/s，若按照6個噴口全開，總風量為12 000 m3/h。該煤粉鍋爐滿負荷運行時，總過量空氣系數約為1.2時，總助燃空氣量約為55 000 m3/h。

1.3 試驗測點及方法

58 MW煤粉工業鍋爐燃燒器及爐膛測點示意如圖1所示。該鍋爐采用雙燃燒器頂置的方式組織煤粉燃燒，本文以一側燃燒器及爐膛作為測試對象。其中，雙錐燃燒器內煙氣溫度及組分測量是通過將測量設備沿著油槍所在位置垂直向下深入燃燒器內，分別測量6個位置，測量總長度0.9 m。具體測量點分布位置及測量間距如圖1所示(左上)。爐內不同高度處測量截面分別位于該鍋爐3層熱電偶所在的位置，由上向下依次測量3個截面，分別記為A1、A2和A3截面，每個截面距離爐膛頂部的距離如圖1所示。每個截面由外向里一共測量10個點，測量總長度為1.1 m，測點位置及分布情況如圖1所示(左下)。

為了實現科學采樣，專門設計了適用于現場測量孔的水冷取樣槍，該水冷取樣槍采用多層水冷強制循環工藝，并配有真空泵和流量計，在實現煙氣驟冷的同時，也實現了等速取樣。該水冷取樣槍與德國MRU公司生產的VARIO PLUS增強型煙氣分析儀聯用，實現對煙氣組分的可靠測量，特別是在強還原性氣氛下采用紅外測量方式，實現了煙氣組分的準確測量。另外，雙錐燃燒器及爐內溫度場采用耐高溫熱電偶進行直接測量。

2 試驗結果及分析

2.1 運行工況

為了對比火上風改造后煤粉燃燒狀態及低氮效果，以2種典型工況進行對比分析，分別是未采用火上風時的原工況和使用火上風時的分級工況，且均屬于滿負荷下長期穩定運行的工況。具體試驗工況見表2。

2.2 燃燒器沿程煙氣測量

分級工況下雙錐燃燒器不同測點處煙氣溫度及氧氣濃度分布如圖2所示。由圖2可知，隨著測量位置不斷下移，雙錐燃燒器內煙氣溫度總體呈升高的趨勢，特別是x=0.3 m測點后，溫度急劇升高超過1 000 ℃，并在x=0.9 m處達到最高1 250 ℃。煙氣氧含量變化趨勢與溫度相反，溫度急劇上升的階段正是氧含量急劇下降階段，這是因為x=0.3 m側點以上煤粉完成受熱、熱解、揮發分析出及部分燃燒過程，x=0.3 m側點以下，隨著周圍煙氣溫度的迅速上升，揮發分充分燃燒且焦炭顆粒開始著火、燃燒，消耗大量氧氣并釋放出大量熱量，導致溫度進一步上升、氧含量進一步下降。另外，此分級工況下雙錐燃燒器內屬于貧氧富燃料燃燒狀態，導致氧氣快速被消耗至接近0。

表2 鍋爐運行工況

圖2 雙錐燃燒器不同測點處煙氣溫度及O2含量分布Fig.2 Flue gas temperature and O2 content distribution at different measuring points of burner

分級工況下雙錐燃燒器不同測點處煙氣CO及NOx濃度分布如圖3所示。由圖3可知，燃燒器內形成了較強的還原性氣氛。這是因為強還原性氣氛下，煤粉燃燒反應速率下降，而焦炭氣化反應速率迅速增加，造成CO顯著增加。由于強還原性氣氛的形成，燃燒器內生成的NOx與還原性基團或焦炭顆粒發生還原反應，造成其顯著下降。

圖3 雙錐燃燒器不同測點處煙氣CO及NOx含量分布Fig.3 Content distribution of CO and NOx of flue gas at different measuring points of burner

2.3 爐膛截面煙氣測量

兩工況下爐內不同截面處各測點煙氣溫度分布變化趨勢如圖4所示。由圖4(a)可知，原工況A1和A2截面總體均呈先上升至某一水平后，基本保持不變的趨勢，只有A3截面最后略有上升。而分級工況各截面不同，由圖4(b)可知，A1和A3截面總體均呈先上升后下降，最后基本不變的趨勢，A2截面則表現為先下降后上升，最后基本不變的趨勢。這是由于分級工況A2截面距離火上風噴口非常近，在該區域煙氣強烈混合，且在靠近爐壁的地方存在一定的高溫煙氣回流，而爐膛中部由于補充較大量的25 ℃空氣，造成中間局部溫度偏低。原工況由于不存在爐內火上風，因此截面溫度變化規律與電站鍋爐相似，靠近水冷壁溫度低，爐膛中部溫度高且較為均勻。

兩工況不同截面上各個測點煙氣氧氣含量分布如圖5所示。由圖5可知，原工況靠近水冷壁處氧含量明顯高于爐膛中部，且顯著高于分級工況。分級工況各截面氧含量變化趨勢較為平穩，這是由于強烈的火上風造成爐內煙氣各組分強烈混合。原工況爐內空氣動力場主要受燃燒器高速噴射的火焰影響，在靠近爐壁區域存在回流區，該區域溫度低，燃燒反應速率慢，因此氧含量偏高。

圖4 爐膛各截面煙氣溫度分布Fig.4 Temperature distribution of flue gas at each test plane

圖5 爐膛各截面煙氣氧氣含量分布Fig.5 O2 content distribution of flue gas at each test plane

爐內不同截面上各測點煙氣CO含量變化如圖6所示。由圖6(a)可知，A1和A2截面CO濃度分布呈現由爐壁向爐膛中心不斷下降的趨勢，且A1截面CO明顯高于A2截面，而A3截面CO濃度基本接近0。這是因為，原工況雙錐燃燒器內并未形成還原性氣氛，噴入爐膛內的高溫火焰呈富氧氣氛，因此靠近爐膛中部CO濃度較低，且越靠下，CO含量越低。而空氣分級工況呈現完全相反的變化規律，靠近爐膛中部CO濃度明顯較高，這是由于雙錐燃燒器內強還原性火焰噴入爐膛，在爐膛中部保持較強的還原性狀態。對比圖6(a)、(b)可知，空氣分級工況不僅在雙錐燃燒器內形成了較強的還原性氣氛，且在爐內創造了合理的還原區，有效控制了爐內NOx生成。

圖6 爐膛各截面煙氣CO含量分布Fig.6 CO content distribution of flue gas at each test plane

爐內不同截面煙氣NOx含量分布變化如圖7所示，由圖7(a)可知，3個截面NOx含量呈現先上升后基本不變的趨勢，且3個截面NOx含量基本接近。由圖7(b)可知，空氣分級工況下，3個截面NOx含量波動較大，3個截面NOx含量呈現A1截面最低，A2、A3截面略有上升的趨勢。A1截面處于較強的還原區，整體NOx含量偏低，隨著火上風的噴入，部分未完全反應的含氮中間體被迅速氧化，造成NOx含量略有上升。第三方檢測結果表明，該分級工況下爐膛尾部NOx初始排放可降至259.8 mg/Nm3，低氮效果顯著。

圖7 爐膛各截面煙氣NOx含量分布Fig.7 NOx content distribution of flue gas at each test plane

3 結 論

1)以煤科院某58 MW煤粉工業鍋爐火上風低氮燃燒改造為研究對象，通過熱態試驗分別探究了原工況與空氣分級工況下，雙錐燃燒器沿程和爐內3個截面不同位置處煙氣溫度及組分的變化規律。空氣分級工況下，雙錐燃燒器內x=0.3 m測點后溫度急劇升高，并在x=0.9 m處達到最高1 250 ℃，且在此階段氧氣被快速消耗至接近0，CO濃度顯著上升，燃燒器內創造了較強的還原性氣氛，有效控制了初始階段NOx生成。

2)原工況爐內煙氣溫度分布整體呈燃燒器對應的射流中心高、外側低的趨勢，氧含量分布與溫度分布趨勢相反，而分級工況截面溫度波動較大，且在A2截面呈現中心偏低的現象。

3)分級工況在爐內形成明顯的還原區，且表現為燃燒器對應的射流中心CO濃度高、外側低的現象，有效降低了爐內NOx生成，第三方檢測爐膛尾部NOx初始排放可降至259.8 mg/Nm3，該火上風低氮燃燒改造具有明顯的低氮效果。