解耦燃燒技術在煤粉工業鍋爐高速燃燒器中的應用研究

2021-08-23 06:36:12王乃繼

煤質技術 2021年4期

陳隆，王乃繼

(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.煤炭科學研究總院，北京 100013)

0 引言

針對煤炭燃燒過程中形成的氮氧化物(NOx)，按生成機理不同將其分為快速型、熱力型和燃料型3種類型。對于煤粉爐而言，NOx的排放主要來自于燃料氮的轉化，燃料型NOx約占NOx排放的75%～95%，熱力型NOx不足20%。目前熱力型NOx主要采取控制溫度的方法策略；燃料型 NOx的控制策略主要依賴過量空氣系數并保持主燃區欠氧，具體實現方式包括空氣分級、低NOx燃燒器、再燃、共燃、煙氣再循環等爐內燃燒過程中的氮氧化物控制和SCR、SNCR等燃燒后的氮氧化物控制[1]。燃料燃燒過程中存在著污染物排放與燃燒效率之間的耦合關系，貧氧低溫燃燒雖有利于抑制 NOx的生成，但煤粉不易燃盡，燃燒效率下降[2]。解耦燃燒技術擬采用更為細致的分級轉化來解除燃燒過程中此種不利的耦合關系[3-4]，該技術的核心在于利用少量的一次風供煤粉中的揮發分熱解、析出、燃燒及升溫，引燃煤粉中的半焦，剩余的半焦和可燃氣體與二次風及時接觸，在富氧環境中繼續燃燒，從而實現燃燒效率和氮氧化物的統一。

煤粉解耦燃燒研究較為豐富，分為煤粉預熱燃燒技術和預燃室燃燒技術研究。俄國、美國以天然氣作為預燃熱源對煤粉進行熱解[5-6]，中科院工程熱物理研究所呂清剛研究員團隊采用循環流化床預熱燃燒工藝[7]，煤科院王乃繼研究員團隊在高速煤粉燃燒器的基礎上采用深度空氣分級來實現解耦燃燒[8-9]，西安交通大學譚厚章教授團隊開發新型預燃室燃燒器以實現低氮燃燒[10]，山西大學程芳琴教授團隊在燃用貧煤的煤粉爐上實現解耦燃燒[11]。此外，西安熱工院研究人員和西安交通大學車得福教授團隊合作通過研究煤氮轉化機理[12]，采用旋風燃燒技術在旋風筒中營造高溫還原性的環境來降低氮氧化物排放，此也為1種解耦燃燒的拓展方式，即通過調節旋風筒中的過量空氣系數，旋風筒氮氧化物出口可達到50 mg/m3以下[13-14]。從實際情況剖析，除采用旋風燃燒之外，解耦燃燒也存在著飛灰殘碳隨著過量空氣系數降低而升高的現象，當氮氧化物排放控制在(150 ～250) mg/m3，煤粉燃燒效率控制在97%～98%，使用普通三類煙煤飛灰殘碳超過10%，使用難燃煤殘碳高達40%以上，旋風液態排渣燃燒方式飛灰殘碳可到6%以下，因此筆者以7 MW高速煤粉燃燒器為研究對象，采用數值模擬的方法，著重研究二次風溫度、旋流強度、二次風量及一次風量對燃燒器內燃燒的影響，拓展解耦燃燒的應用范圍。

1 高速煤粉燃燒器貧氧旋風低氮機理分析

旋風燃燒強度比煤粉爐燃燒和流化床燃燒更高，液態排渣且具有很高的捕渣率，近年主要應用于準東高堿煤的燃燒應用。車得福教授團隊研究認為，在旋風爐中創造的高溫強還原氣氛條件可大幅減少NOx的生成量[14]。其根本原因在于煤粉轉化機制中燃料型氮氧化物占總比最高，燃料型中的揮發分氮可通過熱解、貧氧燃燒等方式轉化為N2，焦炭氮則和固定碳絡合在一起，當焦炭發生氧化反應時，其中的N必然有部分一同被氧化為NO，同時少量焦炭氮與H絡合轉化為NH3和HCN等氮氧化物前驅物；當飛灰殘碳增加，留在其中的氮也會相應增加，最終表現為煙氣中氮氧化物含量降低。溫度是促進焦炭氮轉化的核心影響因素，超過600 ℃即會發生焦炭氮轉化[15]，隨著溫度的升高氮的轉化率增高，所以煤粉爐通過控溫來減少焦炭氮幾無可能。目前電站大容量鍋爐通過空氣分級燃燒動力煙煤NOx控制只能達到200 mg/m3左右，根本原因是對焦炭氮轉化為NOx控制薄弱。如何控制焦炭氮轉化為NO是煤粉低氮燃燒的關鍵，可歸為2種思路:① 減少焦炭氮的釋放，將氮固存于固定碳和飛灰之中，缺點是飛灰殘碳量增加，飛灰處理難；② 創造條件讓焦炭氮集中釋放，此時固定碳須大部分被反應消耗，釋放的氮轉化為NH3、HCN和NO，后續被還原為N2。鍋爐是有限空間，從時間上推斷，焦炭的釋放宜早不宜遲，如此可為后續的還原爭取時間；從空間上分析，焦炭氮的釋放安排在特定高溫區域內，以利于反應縮短時間，還原反應須考慮爐內煙氣沿程溫度分布。旋風燃燒按照第2種思路進行控制，在旋風筒內營造高溫環境，使得焦炭完全轉化，此種轉化在貧氧時表現為氣化反應，產生大量的CO、H2和CH4等氣體，還原由焦炭氮、揮發分氮釋放并轉化成的氮氧化物及其前驅物，從而減少NOx排放，貧氧旋風燃燒時旋風筒出口CO+H2組分可達到20%～30%。

高速煤粉燃燒器采用一次風濃相供粉并從噴口進入預燃室之中，通過一次風噴口逆噴回流到旋流葉片附近，在此過程中實現煤粉的預熱和點火。為避免常規運行中出現預燃筒燒紅、變形、結焦等問題[16]，壁面采用水冷降溫，煙氣進入后錐后壁面附近速度逐漸提高，達到噴口時其最高速度約為150 m/s，可有效減少預燃室內的結焦，高速煤粉燃燒器內碳轉化率達到30%～60%，因此提高其碳轉化率并使焦炭氮集中釋放是拓展解耦燃燒的關鍵。

2 數值模擬方法與建模

煤粉燃燒模擬是1個復雜的過程，各種商業的計算流體軟件都有模型可供選擇，計算方法選用文獻[17]中使用的方法，使用Ansys Fluent軟件，湍流模型選用k～ε模型，輻射模型選用P1模型，為了提高溫度模擬精度，使用Aspen Plus擬合出溫度和煙氣黏度的關系式。7 MW燃燒器結構模型如圖1所示，燃燒器的噴口尺寸為380 mm，葉片的寬度為300 mm，固定葉片角度，旋流強度約為1.5，前錐的角度為7°，后錐角度為15°。計算煤種采用神府三類煙煤，煤的工業和元素分析見表1，煤的低位發熱量為27.81 MJ/kg，煤粉的粒度分布符合R-R分布，中位粒徑為40 μm，燃燒器額定工況下耗煤量為0.31 kg/s，理論空氣量為6.48 Nm3/kg。對模型進行劃分網格，采用結構化網格，網格數量控制在30萬，保證計算精度的同時兼顧計算機的計算性能。7 MW燃燒器結構建模如圖2所示，其中所劃分網格的最小角度(Angle)35°>18°，歪斜比(Aspect ratio)最大值為18.5，正交性(Determinant 3×3×3)最小值為0.63。

圖1 高速煤粉燃燒器簡圖Fig.1 High speed pulverized coal burner diagram

表1 煤粉工業分析和元素分析Table 1 Pulverized coal proximate analysis and ultimate analysis %

圖2 7MW燃燒器結構建模Fig.2 Model of the 7MW burner

3 討論和分析

3.1 燃燒器內組分分布分析

燃燒器內分析截面如圖3所示，沿x軸在燃燒器上選取6個截面，重點分析6個截面上組分的變化。按照過量空氣系數a=0.6計算，此時氧碳原子比為1.4，根據旋風燃燒試驗表明，該空氣量下可以保證足夠的氧氣將固定碳轉化為CO和CO2。

圖3 燃燒器內分析截面Fig.3 The analysis profile in the burner

燃燒器截面上各組分分布如圖4所示。

圖4 燃燒器截面上各組分分布Fig.4 Component concentration distribution in the burner section

燃燒器內可燃組分和氧氣存在分布不均的現象，在濃相供粉和燃燒的條件下，中心逆噴式的燃燒方式使得中心區的焦炭和可燃組分分布較為集中，在前錐內，可燃組分如CO濃度含量在15%～30%，H2的濃度含量為3%～11%，氧氣濃度分布呈現出邊緣高、中間低的特點。各個截面氣氛濃度如圖5所示。

圖5 各組分軸向濃度Fig.5 Axial component concentration distribution

前錐是還原性氣體的發生區，同時也是消耗區。CO和H2在前錐內先升高后降低，O2在前錐內大量消耗，達到前后錐交界面x=0時濃度降至5%，在后錐的氧氣濃度從5%降至3%，CO濃度從7%降至3%，H2從1.0%降至接近0。對煤粉顆粒進行追蹤發現，燃燒器內碳轉化率約為55%。

3.2 常規參數影響

燃燒器常規參數主要包括旋流強度、二次風溫度及二次風過量空氣系數。當燃燒器結構固定，在數值模擬技術上可以調節的典型參數有過量空氣系數(a)、二次風溫度(T)及旋流強度(Ω)。筆者設計的過量空氣系數為0.5和0.6，二次風溫度分別為30 ℃、100 ℃和300 ℃；旋流強度分別為1.5、2.0和2.5，采用正交實驗的方式，選取其中的9種工況進行研究，結果詳見表2，其中工況1為基礎工況。對比工況1、2及3可知，當旋流強度從1.5提高到2.5，燃燒器內的燃燒進程提高，碳轉化率從55%提高到84%，CO、H2等還原性氣氛提高。對比工況1、5及7可知，當二次風溫度從30 ℃提高到300 ℃，碳轉化率從55%提高到85%，燃燒器出口CO、H2有所增加；對比工況1及4，可知當過量空氣系數降低，碳轉化率有所降低，而CO和H2的濃度提高幅度較大，即CO從3.58%提高到6.33%，H2從0.4%提高到0.76%。對比工況4和7，當過量空氣系數保持0.5，提高二次風溫度，碳轉化率從54%提高到85%。通過以上工況對比，認為溫度、旋流強度對碳轉化率的影響是促進作用，過量空氣系數降低對碳轉化率影響是抑制作用，但有利于更多還原性氣體產生。因此設計了工況8和工況9，當二次風溫度300 ℃、旋流強度2.5、對照過量空氣系數0.5和0.6時，發現碳轉化率分別為95%和97%，出口CO+H2的濃度達到了7.40%和4.86%。

表2 常規參數對燃燒的影響Table 2 The effect on combustion of general parameters

3.3 非常規參數之一次風量影響

煤粉濃度過高，一次風量不足以使揮發分完全燃燒，導致顆粒溫度降低，影響著火；從強化著火和燃燒的角度出發，存在最佳的煤粉濃度。幾種常見煤種的最佳濃度見表3，隨著煤粉揮發分和發熱量的升高，相應的最佳煤粉濃度降低，一次風溫度升高，煤粉最佳濃度升高，一般煙煤的最佳濃度范圍為(0.5～0.6) kg/kg，根據該理論設計的濃淡燃燒器具有著火穩定的特點，在50%負荷下濃側煤粉濃度為0.48 kg/kg，淡側煤粉濃度為0.12 kg/kg；在100%負荷下，濃側濃度、淡側濃度分別為0.96 kg/kg、0.24 kg/kg[18]。

高速煤粉燃燒器一次風占理論風量的5%，屬于煤粉特相濃點火和燃燒，如7 MW燃燒器一次風量約為600 Nm3/h，過低的一次風量續抑制后揮發分和焦炭燃燒，需要二次風來進行助燃，但二次風在一次風的外圍，二者混合時存在時間延遲，使得燃燒器前錐內焦炭燃燒受到限制。研究通過提高一次風量來提升燃燒器前錐中心區域的氧氣濃度，并結合具體結構實際將一次風量提高至1 150 Nm3/h，占理論風量的15%左右。實施的具體措施如下:擴大噴粉口的面積，環狀間隙從20 mm提高到36 mm，風速保持20 m/s不變，改造前后與工況1的對比見表4，二次風量相應減少，工況1和工況10燃燒器內總風量保持一致。從表4可看出，當提高一次風量，燃燒器內碳轉化率達到99%，相應的CO和H2濃度有所降低，但依然維持較高的還原性氣氛，說明當焦炭氮集中釋放之后可有效地將其還原為N2，但需注意火焰溫度達到1 800 ℃時應在爐膛內及時降溫，防止熱力型NOx產生。