煤粉預(yù)熱低NOx燃燒技術(shù)進(jìn)展

王 帥，劉 洋，劉愿武，牛艷青，朱廣慶，薛旭峰，惠世恩

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；3.西安交大思源科技股份有限公司，陜西 西安 710043)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年中國(guó)煤炭產(chǎn)量40.7億t，進(jìn)口量約3.2億t，煤炭消耗量占全國(guó)能源消費(fèi)總量的56%；其中52%的煤炭用于電站燃煤發(fā)電，32%用于工業(yè)燃煤鍋爐[1]。我國(guó)煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)以及燃燒為主的煤炭利用方式中短期內(nèi)難以改變，故控制燃煤NOx排放一直是煤炭清潔燃燒與節(jié)能環(huán)保的重要方向之一。針對(duì)工業(yè)燃煤鍋爐，GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定重點(diǎn)地區(qū)燃煤鍋爐NOx排放值要小于200 mg/m3；針對(duì)電站燃煤鍋爐，我國(guó)制定了全球最嚴(yán)格的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，重點(diǎn)地區(qū)及新建燃煤鍋爐NOx排放值要小于100 mg/m3；而國(guó)家《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃》則進(jìn)一步要求接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(<50 mg/m3)。

燃燒過(guò)程中NOx生成主要有3個(gè)來(lái)源：熱力型、快速型、燃料型。其中熱力型主要是氧化劑中的N在高溫下被氧化，進(jìn)而生成NOx，一般在溫度高于1 500 ℃時(shí)大量生成，且隨反應(yīng)溫度的升高呈指數(shù)型增加。快速型則是指燃燒時(shí)空氣中的N和燃料中的碳?xì)潆x子團(tuán)如CH等反應(yīng)生成游離的N，再進(jìn)一步與O結(jié)合生成NOx。而燃料型則是指燃料中賦存的N被氧化生成的NOx。煤粉燃燒煙氣中NOx的排放主要取決于燃料型NOx，占比達(dá)80%以上[2]，因而，降低燃料型NOx的生成潛力最大，效果最明顯。針對(duì)燃煤過(guò)程中NOx生成特性，現(xiàn)有降低NOx生成的技術(shù)手段主要有空氣分級(jí)、燃料分級(jí)、再燃、煙氣再循環(huán)、MILD燃燒等[3]。燃燒器內(nèi)空氣分級(jí)和燃料分級(jí)主要通過(guò)創(chuàng)造貧氧還原性區(qū)域，減少煤氮被氧化生成NOx的幾率，促使煤氮向N2轉(zhuǎn)化。鍋爐再燃則是在燃燒后期通入部分燃料來(lái)還原前期已經(jīng)生成的NOx。

燃煤過(guò)程中NOx的原始排放依然較高，為滿足超低NOx排放的要求，除通過(guò)優(yōu)化燃燒過(guò)程來(lái)降低NOx生成外，現(xiàn)有機(jī)組還必須借助選擇性催化還原(SCR)[4]或選擇性非催化還原(SNCR)[5]等煙氣后處理技術(shù)來(lái)降低NOx排放。但SCR和SNCR運(yùn)行過(guò)程中存在成本高、催化劑中毒、催化劑堵塞、煙道阻力增大、氨逃逸等問題造成運(yùn)行壓力[6-7]。相比而言，燃燒過(guò)程中降低NOx的經(jīng)濟(jì)性和安全性更高。因而若能在燃燒過(guò)程中進(jìn)一步減少NOx的生成，則可以減輕煙氣后處理壓力，提升經(jīng)濟(jì)性。更理想的是通過(guò)優(yōu)化燃燒過(guò)程直接將NOx的原始排放降至標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。因此，目前仍需尋求一種新式燃燒技術(shù)進(jìn)一步降低NOx原始排放。

20世紀(jì)80年代，俄羅斯全俄熱能工程研究所(All-Russian Thermal Engineering Institute，VTI)進(jìn)行了燃?xì)庵济悍垲A(yù)熱-燃燒研究，預(yù)燃溫度815 ℃ 時(shí)，NOx生成量可下降80%，且NOx脫除效率隨預(yù)燃溫度升高而增加。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)煤粉鍋爐燃燒穩(wěn)定性差與飛灰含碳量高等問題，清華大學(xué)率先開發(fā)了筒形預(yù)燃室燃燒器，一定程度上提高了鍋爐穩(wěn)燃特性及燃燒效率。近期，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開發(fā)了(流化床)預(yù)熱-(煤粉爐)燃燒技術(shù)，工業(yè)示范應(yīng)用于35 t/h煤粉爐時(shí)NOx質(zhì)量濃度可低至200 mg/m3。西安交通大學(xué)開發(fā)了(旋流燃燒器)煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)，35 kW自模化熱態(tài)沉降爐研究表明：煤粉低溫預(yù)熱(800 ℃)-分級(jí)配風(fēng)燃燒可使神木煙煤、黃陵煙煤和河津貧煤的NOx排放值分別下降74%、67%和48%，飛灰含碳相對(duì)下降67%、51%和68%；30 t/h工業(yè)煤粉爐應(yīng)用表明：燃燒煙煤NOx質(zhì)量濃度低至130 mg/m3。

煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)在降低燃煤NOx生成方面潛力巨大，因此，筆者根據(jù)煤粉預(yù)熱源與預(yù)熱裝置的不同將預(yù)熱技術(shù)分為燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)、流化床煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)、燃燒器煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)3類，并論述各技術(shù)研究進(jìn)展，以期為煤粉預(yù)熱低NOx燃燒技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1 燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)

燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱燃燒技術(shù)，通過(guò)在燃燒器入口處設(shè)置一個(gè)燃?xì)?如甲烷)燃燒輔熱的預(yù)熱室，預(yù)熱室處于缺氧強(qiáng)還原性氣氛；煤粉進(jìn)入爐膛燃燒前在預(yù)熱室內(nèi)被快速預(yù)熱至800 ℃左右，釋放出包含大量含氮化合物的揮發(fā)分，在該還原氣氛下，NOx的前驅(qū)物(以HCN和NH3為主)在形成NOx之前被還原成N2；但預(yù)熱后的氣粉混合物中還存在大量氮的中間產(chǎn)物(HCN、NH3等)，通過(guò)合理組織預(yù)熱后的氣粉混合物在爐內(nèi)的燃燒與配風(fēng)，獲得較低的NOx排放，該過(guò)程原理如圖1所示。

圖1 俄羅斯全俄熱能工程研究所燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱-燃燒示意[8-9]Fig.1 Schematic of gas fired pulverized coal preheating technology in All-Russian Thermal Engineering Institute[8-9]

俄羅斯全俄熱能工程研究所于20世紀(jì)80年代提出了天然氣輔熱式煤粉預(yù)熱-低NOx燃燒技術(shù)并率先開展了相關(guān)研究[8-9]，分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室小試、中試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室研究表明：煤粉預(yù)熱溫度815 ℃時(shí)，NOx生成量可下降80%，脫硝效率隨預(yù)熱溫度升高而增大；且煤粉預(yù)熱還提高了煤粉的著火性能，著火距離提前50%，最高溫度上升38 ℃左右。1982—1983年，1.12 MW示范爐測(cè)試表明脫硝效率為60%，未達(dá)到預(yù)期的脫硝效率(80%)，分析原因?yàn)轭A(yù)熱溫度較低，僅為590 ℃。隨后該技術(shù)應(yīng)用于60～300 MW級(jí)別鍋爐。

與此同時(shí)，美國(guó)燃?xì)饧夹g(shù)所(Gas Technology Institute，GTI)在美國(guó)能源部的支持下進(jìn)一步研究了燃?xì)廨o熱煤粉預(yù)熱-燃燒。美國(guó)燃?xì)饧夹g(shù)所與全俄熱工研究院合作[10]，在瑞利動(dòng)力有限公司(Riley Power Inc)燃燒中試基地設(shè)計(jì)、制造、安裝了一臺(tái)3 MBTU/h(0.88 MW)的測(cè)試爐。中試試驗(yàn)表明：在未采用任何空氣分級(jí)燃燒的測(cè)試條件下，燃用PRB次煙煤，NOx質(zhì)量濃度降至0.15 lb/MBtu(約154 mg/m3)以下，同時(shí)CO體積分?jǐn)?shù)控制在35×10-6～112×10-6；燃用高揮發(fā)分煙煤時(shí)，在出口氧體積分?jǐn)?shù)3%時(shí)，NOx質(zhì)量濃度在300 mg/m3左右。且NOx排放值隨煙氣出口氧體積分?jǐn)?shù)增加近似呈線性增加，如圖2所示。

圖2 美國(guó)燃?xì)饧夹g(shù)所燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱-燃燒中試結(jié)果[10]Fig.2 NOx emission results of gas fired pulverized coal preheating technology in pilot scale[10]

最近，西安交通大學(xué)惠世恩課題組在35 kW一維管式爐上也進(jìn)行了輔熱式煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)研究[11-13]，如圖3所示(F代表各飛灰測(cè)點(diǎn)；T代表各溫度測(cè)點(diǎn))。通過(guò)設(shè)置單獨(dú)的預(yù)熱室，液化丙烷和部分揮發(fā)分的燃燒提供維持預(yù)熱室溫度的熱量，其中液化丙烷供給熱量占總輸入熱量的4%左右。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)熱室內(nèi)溫度可以穩(wěn)定維持在900 ℃，使得揮發(fā)分在貧氧強(qiáng)還原性氣氛下發(fā)生轉(zhuǎn)化。并且針對(duì)預(yù)熱產(chǎn)物的燃燒優(yōu)化，設(shè)計(jì)了不同的燃燒器，結(jié)合燃燒室的分級(jí)配風(fēng)，在優(yōu)化工況下采用神木煙煤(SM)、黃陵煙煤和河津貧煤(HJ)的NOx排放值分別下降74%、67%和48%，飛灰含碳量相對(duì)下降67%、51%和68%。再次證明煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)在降低NOx同時(shí)還可以提高燃燒效率。

圖3 西安交通大學(xué)煤粉預(yù)熱燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)(35 kW)[11-13]Fig.3 Pulverized coal preheating-combustion test rig in Xi′an Jiaotong University (35 kW)[11-13]

圖4為該課題組劉長(zhǎng)春等[14]試驗(yàn)對(duì)比預(yù)熱-燃燒技術(shù)和配風(fēng)方法對(duì)低NOx燃燒潛力以及各技術(shù)的協(xié)同作用。結(jié)果表明：?jiǎn)渭儾捎妹悍垲A(yù)熱或無(wú)焰燃燒技術(shù)對(duì)NOx的生成并無(wú)明顯改善，但通過(guò)煤粉預(yù)熱與分級(jí)配風(fēng)組織可明顯降低NOx，進(jìn)一步結(jié)合無(wú)焰燃燒，最終NOx降低效率可以達(dá)到74%(神木煙煤)，NOx質(zhì)量濃度低至110 mg/m3；而揮發(fā)分較低的河津貧煤，NOx降低效率依然可達(dá)48%。說(shuō)明燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)在降低NOx生成方面潛力巨大，證實(shí)了煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)需與空氣分級(jí)等技術(shù)協(xié)同使用，進(jìn)一步降低燃煤過(guò)程N(yùn)Ox生成。

圖4 XJTU煤粉預(yù)熱-燃燒NOx排放試驗(yàn)結(jié)果(6% O2)[11-13]Fig.4 NOx emission during preheating-combustion of pulverized coal at XJTU(6% O2)[11-13]

2 流化床煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)

流化床煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)如圖5所示。煤粉首先在CFB中以低過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)行部分燃燒，釋放熱量來(lái)維持CFB中溫度并加熱新煤粉，而后預(yù)熱產(chǎn)物經(jīng)旋風(fēng)分離器后在沉降爐進(jìn)行燃燒組織。該技術(shù)借鑒了CFB燃料適應(yīng)性廣、燃燒穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)需外部熱源，單純依靠預(yù)熱時(shí)部分燃料燃燒釋放的熱量來(lái)維持預(yù)熱過(guò)程的穩(wěn)定性。該技術(shù)與燃?xì)廨o助式預(yù)熱-燃燒技術(shù)均為分段式燃燒，并在第1級(jí)燃燒中產(chǎn)生高溫煤氣與煤焦。區(qū)別在于燃?xì)廨o助式預(yù)熱-燃燒技術(shù)需要燃燒一定量的可燃?xì)怏w提供預(yù)熱煤粉所需部分熱量，而該技術(shù)則是自熱式，無(wú)需外部熱源。另外，基于CFB的特性，煤粉顆粒在預(yù)熱階段停留時(shí)間明顯較長(zhǎng)，更有利于N的析出和向N2轉(zhuǎn)化。另外，煤粉預(yù)熱時(shí)除溫度升高外，自身結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著的物理化學(xué)變化，從而影響燃燒過(guò)程中N的轉(zhuǎn)化與NO的生成，這是與高溫空氣燃燒最本質(zhì)的區(qū)別。

圖5 中科院CFB煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)系統(tǒng)[15]Fig.5 Schematic of the CFB preheating-combustion technology developed by Institute of Engineering Thermophysics[15]

流化床煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)最初由中國(guó)科學(xué)院呂清剛課題組提出并展開詳細(xì)研究[15]。圖5為呂清剛課題組開發(fā)的循環(huán)流化床煤粉預(yù)熱-燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)示意。系統(tǒng)總功率30 kW，循環(huán)流化床提升管徑90 mm，高1 500 mm，下行燃燒室內(nèi)徑260 mm，高3 000 mm。煤進(jìn)入爐膛燃燒前，首先進(jìn)入一個(gè)循環(huán)流化床預(yù)熱室，循環(huán)流化床內(nèi)的過(guò)剩空氣系數(shù)遠(yuǎn)小于1，煤在循環(huán)流化床內(nèi)熱解并部分燃燒，粒徑間隙、比表面積增大、孔隙率增大，循環(huán)流化床預(yù)熱后的氣粉混合物被送入爐膛，在合理的組織下繼續(xù)燃燒。

為探究流化床預(yù)熱技術(shù)的低NOx潛力以及對(duì)燃料種類的適應(yīng)性，尤其是燃料種類變化時(shí)流化床預(yù)熱-燃燒系統(tǒng)能否持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行以及燃用不同燃料時(shí)NOx的排放特性，呂清剛課題組在該試驗(yàn)平臺(tái)上針對(duì)不同種類燃料的預(yù)熱特性和燃燒特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。呂清剛等[15]首先以大同煙煤為原料，驗(yàn)證了流化床預(yù)熱的可行性和穩(wěn)定性。CFB中過(guò)量空氣系數(shù)保持在0.4，預(yù)熱溫度可達(dá)800 ℃以上，燃燒效率達(dá)99%，保證燃燒效率的同時(shí)NOx排放值可以降至399 mg/m3。而后WANG等[16-17]對(duì)無(wú)煙煤(Vad=6.74%)進(jìn)行預(yù)熱，CFB中空氣當(dāng)量比低于0.3時(shí)，低揮發(fā)分煤種也可穩(wěn)定預(yù)熱-燃燒，且煤粉預(yù)熱后的燃燒更加穩(wěn)定；減小無(wú)煙煤粒徑，有利于提高其燃燒特性；還原區(qū)過(guò)量空氣越小，停留時(shí)間越長(zhǎng)，NOx排放值越小。預(yù)熱溫度和總過(guò)量空氣系數(shù)在適當(dāng)范圍內(nèi)對(duì)燃料的燃燒特性以及NOx的排放影響不大。當(dāng)預(yù)熱-燃燒與空氣分級(jí)進(jìn)一步耦合時(shí)，NOx質(zhì)量濃度降低到200 mg/m3，其中最優(yōu)工況可為103 mg/m3[18-22]。YAO等[23-24]進(jìn)一步驗(yàn)證了神木半焦(Vdaf=7.31%)預(yù)熱低NOx燃燒可行性。

隨后，ZHU等[25-30]將流化床預(yù)熱與富氧燃燒相結(jié)合，探究了O2/CO2氣氛下煤N在預(yù)熱過(guò)程中的遷移轉(zhuǎn)化特性。煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)結(jié)合，在提高燃燒熱效率的同時(shí)保證較低的NOx排放。LIU等[31-35]進(jìn)一步將流化床預(yù)熱與無(wú)焰燃燒技術(shù)相結(jié)合，證明了預(yù)熱產(chǎn)物更易形成無(wú)焰燃燒。且與預(yù)熱產(chǎn)物有焰燃燒的組織方式相比，通過(guò)無(wú)焰燃燒對(duì)預(yù)熱產(chǎn)物進(jìn)行燃燒組織可使NOx排放降低一半甚至更多，NOx初始質(zhì)量濃度降至50 mg/m3。在最優(yōu)化工況下煤粉燃燒產(chǎn)生的煙氣無(wú)需處理直接滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

近期，中科院還將流化床預(yù)熱技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室級(jí)別擴(kuò)展到24 MW級(jí)別的鍋爐，并單純以超低揮發(fā)分碳基燃料進(jìn)行預(yù)熱燃燒，初步測(cè)試結(jié)果表明，采用預(yù)熱技術(shù)后，NOx原始質(zhì)量濃度可低至200 mg/m3[36]。

上述研究證明流化床預(yù)熱可以降低燃煤過(guò)程中NOx生成。借助流化床煤種適應(yīng)性廣的特點(diǎn)也證實(shí)了預(yù)熱可應(yīng)用于多煤種，從揮發(fā)分高的煙煤到揮發(fā)分極低的無(wú)煙煤甚至半焦和氣化飛灰，預(yù)熱還可以與空氣分級(jí)、富氧燃燒、無(wú)焰燃燒等技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步降低燃煤過(guò)程中NOx的生成。

3 燃燒器煤粉自預(yù)熱-燃燒技術(shù)

西安交通大學(xué)惠世恩教授與牛艷青課題組在前期一維管式爐預(yù)熱-燃燒試驗(yàn)及機(jī)理研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一系列的自預(yù)熱式旋流燃燒器，將煤粉自預(yù)熱技術(shù)與徑向及軸向多級(jí)逐級(jí)配風(fēng)技術(shù)、燃料濃淡分離與分級(jí)送粉等技術(shù)有機(jī)結(jié)合。在降低燃煤NOx生成同時(shí)，實(shí)現(xiàn)煤粉的自預(yù)熱并具備防結(jié)渣、多燃料、跨負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)之上，還將具備上述技術(shù)的燃燒器與鍋爐燃燒系統(tǒng)集成耦合，實(shí)現(xiàn)了燃燒器以及爐膛燃燒組織的優(yōu)化，從源頭減少燃燒過(guò)程N(yùn)Ox的生成[37-38]。

35 kW煤粉預(yù)熱-燃燒試驗(yàn)臺(tái)如圖3所示，根據(jù)21 MW燃燒器原型按照比例20∶1設(shè)計(jì)了不同端面結(jié)構(gòu)的自預(yù)熱式旋流燃燒器(圖6)[39]，對(duì)自預(yù)熱式燃燒器燃燒特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，特別是各級(jí)配風(fēng)風(fēng)量和不同外二次風(fēng)結(jié)構(gòu)形式對(duì)燃燒特性與NOx生成特性的影響，為該燃燒器的工業(yè)應(yīng)用及其運(yùn)行優(yōu)化提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

圖6 煤粉自預(yù)熱-燃燒低NOx旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意[39]Fig.6 Schematic of self-preheating burner with multi air staging at XJTU[39]

結(jié)構(gòu)上，自預(yù)熱式旋流燃燒器沿徑向由內(nèi)而外依次布置中心風(fēng)、一次風(fēng)PA、緊湊型直流內(nèi)二次風(fēng)CCNSISA、緊湊型旋流內(nèi)二次風(fēng)CCSISA(旋流強(qiáng)度可調(diào)節(jié))、分離型旋流內(nèi)二次風(fēng)SSISA與分離型旋流外二次風(fēng)SSOSA(旋流強(qiáng)度可調(diào)節(jié))；沿軸向由后向前，中心風(fēng)、一次風(fēng)PA、緊湊型直流內(nèi)二次風(fēng)CCNSISA與緊湊型旋流內(nèi)二次風(fēng)CCSISA均通入預(yù)燃室后端，預(yù)燃室出口內(nèi)側(cè)壁及斷面依次布置分離型旋流內(nèi)二次風(fēng)SSISA與分離型旋流外二次風(fēng)SSOSA。一次風(fēng)PA與緊湊型旋流內(nèi)二次風(fēng)CCSISA之間設(shè)置緊湊型直流內(nèi)二次風(fēng)CCNSISA，剛性CCNSISA能夠隔絕一次風(fēng)煤粉氣流擴(kuò)散，進(jìn)而有效防止高溫灼熱焦炭顆粒在預(yù)燃室內(nèi)沖墻貼壁燃燒；緊湊型旋流內(nèi)二次風(fēng)CCSISA可有效清潔預(yù)燃室內(nèi)壁殘留灰渣及煤焦，阻止預(yù)燃室內(nèi)壁積灰結(jié)渣。SSISA與SSOSA分別由預(yù)燃室出口內(nèi)側(cè)壁與斷面旋轉(zhuǎn)射出(亦可直流)直接冷卻預(yù)燃室噴口，防止預(yù)燃室內(nèi)煤灰高溫熔融結(jié)渣；旋轉(zhuǎn)射流CCSISA、SSISA與SSOFA卷吸回流爐內(nèi)高溫?zé)煔鉃轭A(yù)燃室提供高溫?zé)嵩矗龠M(jìn)后續(xù)新燃料預(yù)熱氣化及穩(wěn)定著火，實(shí)現(xiàn)自預(yù)熱、低負(fù)荷穩(wěn)燃與低NOx燃燒。預(yù)燃室為高溫耐火結(jié)構(gòu)，吸收燃料燃燒放熱并反向輻射為新的一次風(fēng)煤粉氣流提供氣化與著火熱源，強(qiáng)化煤粉自預(yù)熱著火，并延長(zhǎng)煤粉整體燃燒停留時(shí)間，提高燃燒效率。合理調(diào)節(jié)SSOSA、SSISA與CCSISA比例，可控制高溫?zé)煔饩砦亓鲝?qiáng)度，保證煤粉及時(shí)著火的同時(shí)預(yù)燃室溫度不至過(guò)高而惡化結(jié)渣。與此同時(shí)，自預(yù)熱-低氮燃燒關(guān)鍵技術(shù)集成于燃燒器與鍋爐系統(tǒng)，通過(guò)空氣深度分級(jí)逐級(jí)配風(fēng)，延長(zhǎng)煤粉在還原性氣氛的停留時(shí)間，減少NOx生成，預(yù)燃室內(nèi)煤粉提前著火，延長(zhǎng)其燃燒時(shí)間促進(jìn)燃盡。空氣分別沿燃燒器徑向及軸向與煤粉氣流逐級(jí)混合，在時(shí)間和空間尺度上實(shí)現(xiàn)深度空氣分級(jí)，煤粉預(yù)熱、氣化、著火、燃燒依次進(jìn)行，有效控制揮發(fā)分釋放，燃燒過(guò)程HCN、NH3等含N中間絡(luò)合物中N的還原；特別是，預(yù)燃室內(nèi)煤粉在高溫低氧強(qiáng)還原性環(huán)境下發(fā)生部分氧化燃燒及氣化反應(yīng)，促進(jìn)揮發(fā)分快速釋放，HCN等含氮化合物、氣態(tài)碳?xì)浠衔锖吞繜熒桑瑥?qiáng)烈的還原性氣氛有效促進(jìn)煤N轉(zhuǎn)化為N2，減少NOx原始生成量。預(yù)熱氣化與燃燒產(chǎn)物進(jìn)入爐膛后與CCOFA和SOFA逐級(jí)混合，強(qiáng)化低NOx燃燒。

試驗(yàn)中，模型燃燒器中心管外徑φ=10 mm，一次風(fēng)管外徑φ=19 mm，緊湊型直流內(nèi)二次風(fēng)管外徑φ=26 mm，緊湊型旋流內(nèi)二次風(fēng)管外徑φ=33 mm。一次風(fēng)與緊湊型直流、旋流內(nèi)二次風(fēng)通道均為環(huán)形通道，緊湊型旋流內(nèi)二次風(fēng)通過(guò)8個(gè)與軸線夾角為45°的旋流葉片形成旋轉(zhuǎn)射流。根據(jù)燃燒器預(yù)燃室殼體上SSOSA噴口結(jié)構(gòu)的不同，將煤粉燃燒器分別定義為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型燃燒器(Ⅰ型燃燒器SSOSA噴口直徑φ=3.5 mm，高速直流入射；II型燃燒器SSOSA噴口直徑φ=3.5 mm，高速旋流入射，旋流角度為30°，旋轉(zhuǎn)射流方向與緊湊型旋流內(nèi)二次風(fēng)同向；Ⅲ型燃燒器SSOSA噴口直徑φ=5 mm，常規(guī)速度直流入射)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：只進(jìn)行燃燒器空氣分級(jí)而不采用爐膛空氣分級(jí)時(shí)，燃用黃陵煙煤的NOx排放值高于烏海劣質(zhì)煙煤；爐膛同時(shí)進(jìn)行CCOFA和SOFA兩級(jí)空氣分級(jí)后，燃用黃陵煙煤的NOx排放值低于烏海劣質(zhì)煙煤。高揮發(fā)分、低灰分的優(yōu)質(zhì)煙煤在燃燒過(guò)程中NOx生成對(duì)主燃區(qū)的氧氣濃度更加敏感，爐膛深度空氣分級(jí)對(duì)優(yōu)質(zhì)煙煤的脫硝潛力更大。煤粉預(yù)熱-燃燒與多級(jí)調(diào)風(fēng)耦合過(guò)程，使主燃燒區(qū)處于缺氧燃燒狀態(tài)，減少了競(jìng)爭(zhēng)氧化還原反應(yīng)生成的NOx。同時(shí)，SSOSA高速射流引誘爐內(nèi)煙氣再循環(huán)，進(jìn)一步降低氧濃度，減少NOx的生成。在爐膛空氣分級(jí)和燃燒器空氣分級(jí)的協(xié)同作用下，有進(jìn)一步降低NOx生成的潛力。

不同的燃燒器SSOSA射流結(jié)構(gòu)下煤粉預(yù)熱-燃燒NOx試驗(yàn)值，如圖7所示，在多級(jí)調(diào)風(fēng)條件下，Ⅰ型燃燒器(高速直流)的NOx排放低于Ⅱ型燃燒器(高速旋流)和III型燃燒器(常規(guī)直流)。

圖7 不同的燃燒器SSOSA射流結(jié)構(gòu)下煤粉預(yù)熱-燃燒NOx試驗(yàn)值[39]Fig.7 Experimental results of NOx emission with different SSOFA airflow for pulverized coal preheating-combustion through swirling burner[39]

燃燒器Ⅰ的分離型外二次風(fēng)，延遲了預(yù)熱燃燒產(chǎn)物的混合，燃燒區(qū)向后移動(dòng)，有利于抑制NOx的生成。在相同試驗(yàn)工況下，使用Ⅱ型燃燒器的NOx生成量比Ⅲ型燃燒器降低19%；使用Ⅰ型燃燒器的NOx生成量比Ⅱ型燃燒器降低13%。最終NOx質(zhì)量濃度可低至208 mg/m3。

隨后，借助一臺(tái)25 t/h，燃燒器前置的L型煤粉爐應(yīng)用表明：一次風(fēng)率的合理區(qū)間在16%～19%。隨著內(nèi)、外二次風(fēng)率比增大，NOx質(zhì)量濃度先下降后上升，內(nèi)、外二次風(fēng)率比的合理區(qū)間在0.8～1.0。在燃燒系統(tǒng)合理的配風(fēng)區(qū)間內(nèi)，NOx質(zhì)量濃度在212～231 mg/m3[40-41]。

該系列燃燒器煤粉自預(yù)熱-燃燒技術(shù)能長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定低NOx運(yùn)行，蘭州桃海1臺(tái)功率為4.2 MW熱水鍋爐(SZS4.2-1.0/130/70-AIII，配置1臺(tái)6 t/h煤粉燃燒器)經(jīng)環(huán)保機(jī)構(gòu)測(cè)試，運(yùn)行3 a內(nèi)NOx質(zhì)量濃度均在164～182 mg/m3；山東臨沂1臺(tái)30 t/h蒸氣鍋爐(HY-30/5.3-M，配置一臺(tái)40 t/h煤粉燃燒器)，燃燒效率為90.3%時(shí)，NOx源質(zhì)量濃度低至130 mg/m3；應(yīng)用在濟(jì)寧某70 MW鍋爐上結(jié)果表明：跨負(fù)荷運(yùn)行時(shí)NOx質(zhì)量濃度分別降至165(81.8%負(fù)荷)、155(61.2%負(fù)荷)與168 mg/m3(37.8%負(fù)荷)。目前，該燃燒器已成功應(yīng)用于全國(guó)8省21市65臺(tái)工業(yè)煤粉鍋爐，共應(yīng)用燃燒器109臺(tái)。NOx源質(zhì)量濃度<280 mg/m3，測(cè)試工況下130～182 mg/m3(基準(zhǔn)氧量9%，爐膛出口運(yùn)行氧量約3.5%)，廣泛實(shí)現(xiàn)煤氣兩用。

此外，ZHANG等[42-43]提出PRP(Primary air enrichment and preheating)燃燒器，如圖8所示。該燃燒器設(shè)置有預(yù)熱腔室，通過(guò)偏置一次風(fēng)形成再循環(huán)煙氣的流場(chǎng)提供熱源，預(yù)熱一次風(fēng)粉混合物，同時(shí)在熱室內(nèi)外形成兩級(jí)高溫?zé)煔庠傺h(huán)。12 MW工業(yè)鍋爐應(yīng)用表明：可實(shí)現(xiàn)無(wú)煙煤(Vdaf=7.8%)和石油焦(Vdaf=11.6%)的無(wú)油穩(wěn)定燃燒，其中石油焦的NOx質(zhì)量濃度可控制在245 mg/m3以內(nèi)(6% O2)，無(wú)煙煤燃燒可控制在306～490 mg/m3(6% O2)。

圖8 PRP燃燒器工作原理[42-43]Fig.8 Operating principle of PRP burner[42-43]

同時(shí)，煤炭科學(xué)研究總院[44]提出中心內(nèi)噴強(qiáng)制回流雙錐穩(wěn)燃室如圖9所示。通過(guò)對(duì)一次風(fēng)回流帽的特殊設(shè)計(jì)，有利于在一、二次風(fēng)混合前充分預(yù)熱煤粉和一次風(fēng)，顯著延長(zhǎng)煤粉在雙錐穩(wěn)燃室內(nèi)的停留時(shí)間。結(jié)果表明：使用該燃燒器的爐膛出口NOx質(zhì)量濃度在175～350 mg/m3。

圖9 中心內(nèi)噴強(qiáng)制回流雙錐穩(wěn)燃室燃燒器[44]Fig.9 Burner with central injection forced reflux double cone preheating chamber burner[44]

4 結(jié)語(yǔ)與展望

作為一種新型的低NOx燃燒技術(shù)，煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)在燃燒前通過(guò)煤粉預(yù)熱保證揮發(fā)分N的釋放和貧氧強(qiáng)還原性氣氛下的轉(zhuǎn)化，可有效降低NOx的生成。現(xiàn)有燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)、流化床煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)、燃燒器煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)均可有效降低NOx生成，同時(shí)保證較高的煤粉燃燒效率。

相較而言，燃?xì)廨o熱式煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)需要額外的燃?xì)鈦?lái)提供煤粉預(yù)熱所需的部分熱量，流化床煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)需額外的流化床實(shí)現(xiàn)煤粉的預(yù)熱功能，需進(jìn)一步綜合平衡燃燒系統(tǒng)的投資與運(yùn)行費(fèi)用；燃燒器煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易對(duì)現(xiàn)有鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造。但燃燒器煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)存在不足，如煤種適應(yīng)性需進(jìn)一步強(qiáng)化。對(duì)于煤粉預(yù)熱-低NOx燃燒技術(shù)研究成果以及遇到的挑戰(zhàn)，提出以下發(fā)展建議：

1)通過(guò)試驗(yàn)和理論分析進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步拓寬燃燒器煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)的使用范圍和工作性能。對(duì)燃燒器煤粉預(yù)熱-燃燒技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)以拓寬煤種適用性是研究重點(diǎn)之一。

2)鍋爐設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行預(yù)熱式燃燒器以及爐膛集成設(shè)計(jì)，保證燃燒器以及爐膛的優(yōu)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)燃燒器及鍋爐爐膛燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的改進(jìn)。

3)設(shè)計(jì)預(yù)熱式煤/氣/生物質(zhì)等多燃料燃燒器，進(jìn)行蘭炭末、氣化灰/渣等固廢與煤的解耦燃燒，達(dá)到固廢處理與資源化利用是該預(yù)熱-燃燒技術(shù)的研究方向之一。