我國預燃室旋流煤粉燃燒器研究進展

劉鵬中，周建明，牛 芳，王乃繼

(1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭科學研究總院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013 )

0 引 言

隨著我國工業(yè)及城鎮(zhèn)化進程加快，熱力供應需求急劇增加，在無電廠余熱可用的地區(qū)及生產(chǎn)中，采用煤粉工業(yè)鍋爐供熱是1種良好的解決方案[1]。相較于大型電站鍋爐，煤粉工業(yè)鍋爐在燃燒過程中具有燃燒溫度低、火焰行程短、爐內流場不易組織等缺陷，同時還面臨啟停頻繁、大范圍負荷調節(jié)等情況，對其著火、穩(wěn)燃、低氮、經(jīng)濟性等方面提出更高要求[2]。因此，其核心燃燒裝置多采用預燃室結構(又稱預燃室燃燒器)，一般可分為直流和旋流兩類[3]，其中預燃室旋流燃燒器被大量使用。預燃室結構與穩(wěn)燃腔結構作用相似，主要影響燃燒器出口的回流區(qū)及顆粒濃度[4]，進而對穩(wěn)燃低氮等燃燒特性造成影響。因此，回顧預燃室旋流燃燒器的應用研究現(xiàn)狀并分析其共性與個性，此舉對煤粉工業(yè)鍋爐核心燃燒裝置的后續(xù)設計開發(fā)及研究應用很有益處。

1 預燃室旋流燃燒器的歷史及現(xiàn)狀

預燃室燃燒器作為傳統(tǒng)煤粉預熱氣化—燃燒耦合裝置已應用于現(xiàn)場[5]，但預燃室旋流燃燒器結構復雜，分類尚不明確，筆者將其分為早期和現(xiàn)有應用進行闡述。

1.1 早期預燃室旋流燃燒器

早期預燃室旋流燃燒器如圖1所示。如20世紀70年代，前北京鍋爐廠在SHF 20型鍋爐上使用的1款預燃室旋流燃燒器[6]如圖1(a)所示，其中一次風攜帶煤粉以軸向旋流方式進入預燃室，卷吸高溫煙氣使煤粉著火燃燒，與一定角度的旋流二次風在預燃室出口附近混合并送入爐膛燃盡。因此，前北京鍋爐廠設計科與清華大學熱能工程系合作，通過旋流器阻力系數(shù)、預燃室結構兩方面對其進行冷態(tài)及熱態(tài)試驗研究和改進，發(fā)現(xiàn)相較于孔隙旋流二次風，環(huán)隙設計可避免預燃室內結焦現(xiàn)象，如圖1(b)所示，同時一二次風同向旋流燃燒效果優(yōu)于反向。20世紀80年代，此類預燃室旋流燃燒器在四川、內蒙、上海等各省市熱電廠中其煤種和低負荷適用性以及燃燒器布置被大量研究[7-11]。在此基礎上，清華大學同上海吳涇電廠共同申請采用根部二次風的預燃室旋流燃燒器[12]，如圖1(c)所示，其中將預燃室根部的孔隙二次風優(yōu)化環(huán)隙二次風，形成貼壁環(huán)形氣流，解決輔助火嘴和預燃室前端積粉和結焦問題；同時，已針對此類燃燒器預燃室內的顆粒彌散及氣體湍流交換情況進行更加詳細基礎的研究[13-14]，為了解預燃室內流動和燃燒特性提供理論基礎。

20世紀90年代末，前冶金工業(yè)部武漢冶金建筑研究所申請1款如圖1(d)所示的旋流式煤粉預燃室燃燒器[15]，特點是一次風采用蝸殼旋流器進行煤粉著火，二次風從壁面切向進入預燃室，補充空氣燃燒，并設置夾套三次風組織爐內燃燒，但其具體研究應用尚不清楚。

總體而言，早期的預燃室旋流燃燒器多采用一次風旋流、二次風分直流或旋流的方式進行燃燒，根據(jù)其在負荷、煤種等方面研究以改善穩(wěn)燃、低氮等燃燒特性并充分應用于熱電廠，為我國電力事業(yè)的初期發(fā)展做出重要貢獻。

圖1 早期預燃室旋流燃燒器[5,6,12,15]

1.2 預燃室旋流燃燒器現(xiàn)狀

隨著電站鍋爐規(guī)模擴大和煤粉穩(wěn)燃技術[16]發(fā)展，新的旋流燃燒器以擴錐等結構代替預燃室，因此，預燃室旋流燃燒器轉向體量規(guī)模較小的煤粉工業(yè)鍋爐，實現(xiàn)快速著火、啟停方便等需求。根據(jù)其采用的不同結構，其分類包括以下三大類。

1.2.1 預燃室鈍體旋流燃燒器

在預燃室旋流燃燒器內，鈍體被安裝在一次風管出口位置，根據(jù)鈍體后氣流壓差，形成穩(wěn)定回流和提高著火區(qū)煤粉濃度，有利于煤粉著火和穩(wěn)燃。中國計量學院開發(fā)一款采用鈍體的預燃室旋流燃燒器[17]，如圖2(a)所示，一次風管口安裝鈍體，內二次風采用角度可調軸向旋流葉片形成旋流，根部外二次風為直流，無三次風。該鈍體燃燒器不僅在預燃室內形成大范圍高溫回流區(qū)，同時該回流區(qū)延長至臥式爐的爐膛中部區(qū)域，如圖2(b)所示，導致爐內高溫區(qū)域較大，有利于煤粉燃盡，從而實現(xiàn)高效率燃燒；高濃度顆粒聚集在熱質交換劇烈的回流區(qū)邊界，滿足“三高”穩(wěn)燃機理，煤粉顆粒運動至爐膛區(qū)域時，破碎變細，逐漸隨煙氣回流，增加顆粒在還原性氣氛的停留時間，有利于降低NOx含量。在該燃燒器上，一、二次風速、旋流強度等操作工況和鈍體類型、阻塞率等結構因素對流動或燃燒特性的影響被深度研究[18-19]，其在煤粉工業(yè)鍋爐應用中的燃燒效率可達97.43%，NOx排放為331 mg/Nm3[20]，具有良好的應用前景。該單位后續(xù)在此燃燒器基礎上申請一款具有孔隙三次風的預燃室鈍體燃燒器[21]，如圖2(c)所示，旨在增加預燃室可燃物進入爐膛時與空氣的擾動程度，促進煤粉燃盡。

圖2 預燃室鈍體旋流燃燒器[17,21]

圖3 預燃室分級旋流燃燒器[22,24]

1.2.2 預燃室分級旋流燃燒器

旋流燃燒器一般采用低過量系數(shù)空氣組織燃燒，構成還原性主燃區(qū)，降低NOx含量，再搭配爐膛燃盡風保障煤粉燃盡，同時燃燒器本身進行分級送風，減緩一二次風過早混合，并強化回流，合理組織主燃區(qū)燃燒。對預燃室旋流燃燒器而言，燃燒器出口分級二次風以及預燃室出口采用三次風、周界風等送風通道，進一步對低過量系數(shù)空氣進行分級，實現(xiàn)爐膛主燃區(qū)多次分級燃燒，抑制NOx生成的同時可提高主燃區(qū)下游燃燒溫度，促進煤焦燃盡。近年來，哈爾濱工業(yè)大學對其中心給粉旋流燃燒器進行工業(yè)鍋爐改造，如圖3(a)所示[22]，燃燒器出口二次風分為內外兩級，采用煙氣再循環(huán)，減弱燃燒初期二次風與一次風混合，避免NOx初期大量生成；后續(xù)內外二次風再次分級[23]，強化分級燃燒效果，降低NOx排放；同時采用擴錐形預燃室、根部風、周界風等布置，維持燃燒器長期穩(wěn)定運行，并強化主燃區(qū)煤焦與分級空氣混合燃燒，提高燃燒效率以滿足煤粉工業(yè)鍋爐的使用需求。西安交通大學對其預燃室旋流燃燒器的內外二次風進行再次分級，如圖3(b)所示[24]，內二次風在燃燒器出口分為旋流與直流兩級，強化回流同時避免預燃室前端高溫腐蝕，外二次風在預燃室出口處分為內部射流和端面射流兩級，組織后續(xù)燃燒；二次風共分為四級，實現(xiàn)預燃室及主燃區(qū)分級燃燒。在此預燃室旋流燃燒器上，各分級風占比、爐膛空氣分級程度等因素被充分研究，在工業(yè)鍋爐上實現(xiàn)最低NOx排放為212 mg/Nm3。

1.2.3 預燃室逆噴旋流燃燒器

逆向一次風攜帶煤粉(簡稱“逆噴”)進入預燃室，與二次風相遇混合后進入爐膛，煤粉在預燃室內停留時間較長，充分熱解氣化，具有著火、穩(wěn)燃、低氮優(yōu)勢。預燃室逆噴旋流燃燒器如圖4所示。

中科院工程熱物理研究所于1994年首先對如圖4(a)所示的逆向復式射流預燃室燃燒器進行研究[25]，一二次風正向流動，少量空氣從環(huán)上小孔逆向噴出，強化預燃室內回流區(qū)，延長煤粉停留時間，促進揮發(fā)分析出，有利于著火穩(wěn)燃，可視為預燃室逆噴燃燒器的前身，并在四角切向鍋爐進行研究應用[26]，具有良好的穩(wěn)燃效果。

煤炭科學研究總院借鑒德國如圖4(b)所示的中心強制逆噴旋流燃燒器，對其進行大量優(yōu)化研究及工業(yè)應用[27]，目前研制的預燃室逆噴旋流燃燒器結構如圖4(c)所示[28]，一次風粉通過回流帽逆噴進入預燃室，與強旋流內二次風形成耦合回流區(qū)，外二次風進行壁面冷卻降溫，延長煤粉在高溫還原性氣氛中的停留時間，促進揮發(fā)分析出，保證著火穩(wěn)燃及低氮效果，同時避免腐蝕結渣。目前該燃燒器預燃室內的流動及燃燒特性已進行相關實驗研究。

圖4 預燃室逆噴旋流燃燒器[25,27,28]

除此以外，高濃度煤粉燃燒技術也被普遍應用[29]，如增加初期揮發(fā)分析出量、降低均相著火熱，結合預燃室強化初始燃燒過程、強化回流、采用局部高溫蓄熱等穩(wěn)燃手段進一步滿足工業(yè)鍋爐啟停頻繁、著火便捷等需求。同時高濃度燃燒技術也具有一定的低氮優(yōu)勢，但煤粉濃度提高意味著氣固兩相混合變差以及燃盡較差問題加劇。因此，借鑒現(xiàn)有煤粉燃燒技術理念，優(yōu)化改進預燃室旋流燃燒器以解決煤粉工業(yè)鍋爐燃燒溫度低、火焰行程短等問題，在保障低氮燃燒的同時提高燃燒效率。

2 預燃室旋流燃燒器發(fā)展趨勢

2.1 煤粉顆粒粗細分離

在煤粉濃相輸送燃燒基礎上，依據(jù)氣流中粗細顆粒跟隨性差異，通過分離裝置實現(xiàn)燃燒器出口粗細顆粒分離；同時，煤粉粗細顆粒升溫速率不同，導致?lián)]發(fā)分析出速度及析出量不同，燃燒進程存在差異，合理組織后可促進煤粉燃盡。清華大學近期申請一款多級回流逆噴式旋流煤粉燃燒器[30]，如圖5所示，一次風管內采用濃淡分離裝置，濃相粗顆粒逆向進入預燃室內并進行充分熱解預燃，細顆粒直接進入爐膛燃燒，促進粗顆粒后續(xù)燃盡，同時部分內二次風和外二次風旋流不僅進行分級燃燒，同時形成二、三級回流穩(wěn)燃，提高粉煤在還原性回流區(qū)內停留時間，具有一定低氮效果，未來還需對其結構和運行工況優(yōu)化及長期穩(wěn)定運行進行充分研究。陳志超等[31-32]對哈工大中心給粉旋流燃燒器中煤粉濃縮環(huán)的結構尺寸及級數(shù)布置在氣固流動特性方面進行充分研究，表明濃縮環(huán)是煤粉濃淡粗細分離的重要影響因素，決定燃燒器出口顆粒流動特性和燃燒特性，但該研究限于稀相送粉燃燒中提高煤粉濃度。而目前缺乏煤粉濃相燃燒下粗細顆粒分離程度的相關研究，因此探討分離裝置下粗細顆粒的分布特性以及優(yōu)化結構參數(shù)、合理組織預燃室旋流燃燒器進行煤粉粗細燃燒，均可作為解決高濃度煤粉燃燒燃盡較差問題的思路，從而促進進一步提高煤粉工業(yè)鍋爐的燃燒效率。

圖5 多級回流逆噴式旋流煤粉燃燒器[30]

2.2 預燃室結構形狀

預燃室旋流燃燒器中預燃室的結構形狀對其內部及下游流場具有較大影響，主要體現(xiàn)在回流區(qū)位置及尺寸、回流量大小等方面，進一步影響著火及穩(wěn)燃低氮性能。

從上述情況發(fā)現(xiàn)，結構主要集中在大角度擴錐加直筒、漸擴直筒、小角度擴錐等形狀，前兩者在預燃室內的回流區(qū)前端飽滿且下游維持較好，如圖6(a)、(b)所示[18,33]，后者受角度影響嚴重與擴錐形狀一致，如圖6(c)所示。回流區(qū)前端飽滿意味高溫煙氣回流量充足，可作為揮發(fā)分較低煤種的穩(wěn)定著火源，但會導致優(yōu)質高揮發(fā)分煤種著火位置前移，預燃室內燃燒溫度升高，增加燃燒器及預燃室出口腐蝕可能性，需增設根部風通道；回流區(qū)前端較小意味著高溫煙氣回流較弱，著火溫度低且著火點后移，對煤種要求較高，同時煤粉劇烈燃燒過程被推移至爐內，少量分級二次風在燃燒器出口作為邊壁風，即可保證預燃室長期穩(wěn)定運行。李建生等[34]對筒形預燃室、矩形預燃室等燃燒器燃用不同煤種時長度和直徑比、節(jié)油率、低負荷穩(wěn)燃等結構設計及運行進行總結，設計新的單通道可調預燃室燃燒器用于電站鍋爐，具備安裝方便、45%低負荷穩(wěn)燃、飛灰殘?zhí)拷档椭?%以下明顯效果，最終長期試驗應用后給出合理的長高比、擋板調節(jié)范圍等設計參數(shù)；閆順林等[35]則從預燃室容量、直徑、長度、旋流器、風速、布置6個方面詳細闡述不同結構預燃室燃燒器的設計參數(shù)計算選取。因此，預燃室旋流燃燒器設計中，預燃室應多采用大角度擴錐加小段直筒結構，提高預燃室旋流燃燒器對中低揮發(fā)分煙煤等煤種適用性，同時避免預燃室出口腐蝕結渣現(xiàn)象發(fā)生，保障燃燒器長期穩(wěn)定運行。

圖6 不同預燃室形狀的回流區(qū)結構

2.3 預燃室內顆粒停留時間

預燃室內煤粉的停留時間是影響其預燃特性的關鍵因素，進而影響預燃室旋流燃燒器著火、穩(wěn)燃、低氮及穩(wěn)定運行性能，是預燃室旋流燃燒器優(yōu)化的重要方向。同時，不同煤種的適宜停留時間也需進一步研究。中科院工程熱物理研究所曾對逆向復式預燃室燃燒器中顆粒停留時間進行模擬研究[36]，發(fā)現(xiàn)細顆粒停留時間小于粗顆粒，但兩者在預燃室內揮發(fā)分全部析出后開始焦炭燃燒。清華大學近期對煤科院雙錐形預燃室逆噴旋流燃燒器在二次風速及鈍體改造后進行模擬研究[37]，從回流區(qū)、顆粒運動等流動特性和溫度場、組分場等燃燒特性分析發(fā)現(xiàn)，顆粒在預燃室內回流區(qū)的停留時間增加為0.171 s，最終降低工業(yè)鍋爐飛灰殘?zhí)恐?.55%，同時NOx排放含量降低8%。顆粒停留時間增加，其燃燒份額增加溫度升高，促進煤粉燃盡，若顆粒在回流區(qū)內運動，則會進一步降低NOx含量，但需著重考慮預燃室內腐蝕結渣問題。因此，通過煤粉顆粒運動軌跡及環(huán)境氣氛，確定預燃室內合理顆粒停留時間并根據(jù)不同煤種進行調整，可作為預燃室旋流燃燒器的研究方向。

預燃室旋流燃燒器在工業(yè)鍋爐應用推廣方面的主要發(fā)展趨勢：在采用低氮燃燒技術基礎上，解決燃燒溫度低、火焰行程短且采用高濃度煤粉燃燒造成的燃盡較差問題，同時避免高溫腐蝕結渣現(xiàn)象。上述將其總結為高濃度煤粉下的粗細分離、不同煤種下采用的預燃室結構及預燃室內停留時間3個部分，以益于其未來設計開發(fā)及研究應用。

3 結 論

通過對我國預燃室旋流煤粉燃燒器的研究歷史及現(xiàn)狀進行總結，并闡述其在煤粉工業(yè)鍋爐方面的未來發(fā)展趨勢，得到以下結論：

(1) 早期預燃室旋流燃燒器以一次風旋流送粉為主，解決了電站鍋爐早期面對不同煤種時燃燒不穩(wěn)定等問題，并積累了部分防腐蝕結渣經(jīng)驗。

(2) 現(xiàn)有預燃室旋流燃燒器多用于煤粉工業(yè)鍋爐，主要集中于鈍體、分級、逆噴三類結構，均實現(xiàn)快速著火、穩(wěn)燃及低氮燃燒，且各具特色。

(3) 預燃室旋流燃燒器未來可對現(xiàn)有結構耦合后研究應用，同時也可考慮采用粗細分離燃燒、預燃室結構及停留時間優(yōu)化方面研究，提高煤種適應性和燃燒效率。