預(yù)熱燃料水平噴射燃燒特性和NOx排放

師永帥，朱建國(guó)，王婷婷，張 震

(1.中國(guó)科學(xué)院 工程熱物理研究所，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，北京 100049；3.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

煤炭在我國(guó)一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中均占70%左右[1]，是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能源支柱和經(jīng)濟(jì)命脈[2-4]。煤在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生氮氧化合物 (NOx)給大氣造成環(huán)境污染，因此，煤炭清潔高效燃燒技術(shù)的不斷升級(jí)一直是國(guó)家的重大需求和迫切任務(wù)[5]。

近年來(lái)，低NOx燃燒技術(shù)，如空氣分級(jí)、燃料分級(jí)和煙氣再循環(huán)技術(shù)等[6-7]得到了充分應(yīng)用和發(fā)展。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，采用常規(guī)低NOx燃燒技術(shù)后，煤粉燃燒的NOx原始排放水平約為200～400 mg/m3，實(shí)現(xiàn)超低NOx排放必須采用爐內(nèi)非選擇性催化還原噴氨技術(shù)(SNCR)和爐外選擇性催化還原噴氨技術(shù)(SCR)相聯(lián)合的措施[8-9]，但系統(tǒng)工藝復(fù)雜，運(yùn)行成本高。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所開(kāi)發(fā)的預(yù)熱燃燒技術(shù)，是將煤粉先高溫預(yù)熱、預(yù)熱燃料再入爐燃燒的新技術(shù)[10-11]。預(yù)熱燃燒技術(shù)具有煤種適應(yīng)性寬、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大和低或超低NOx排放優(yōu)勢(shì)[12-20]，已應(yīng)用到工業(yè)鍋爐中，但工業(yè)窯爐如回轉(zhuǎn)窯、隧道窯等多為水平臥式爐膛，預(yù)熱燃燒技術(shù)具有在工業(yè)窯爐領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景，為此，實(shí)驗(yàn)室建設(shè)了千瓦級(jí)煤粉預(yù)熱燃燒綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，燃燒室為水平臥式爐膛。本文中開(kāi)展預(yù)熱燃料水平噴射燃燒特性和NOx排放特性實(shí)驗(yàn)研究，為預(yù)熱燃燒技術(shù)在工業(yè)窯爐的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 裝置

千瓦級(jí)煤粉預(yù)熱燃燒綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。由圖1可知，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括給料系統(tǒng)、預(yù)熱燃燒系統(tǒng)(包括預(yù)熱燃燒器和高溫預(yù)熱燃料噴口)、臥式燃燒室、煙氣冷卻器系統(tǒng)、布袋除塵器系統(tǒng)、電輔熱系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等。臥式燃燒室的方形截面尺寸為500 mm×500 mm(長(zhǎng)度×寬度)，燃燒室長(zhǎng)度為2 115 mm；預(yù)熱燃燒器的爐體材質(zhì)為Cr25Ni20，提升管內(nèi)徑為81 mm，高度為1 500 mm。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用獨(dú)立控制的螺旋給料系統(tǒng)，煤粉首先經(jīng)過(guò)預(yù)熱燃燒器預(yù)熱到800 ℃以上進(jìn)行流態(tài)化預(yù)熱改性，經(jīng)過(guò)預(yù)熱后的預(yù)熱燃料溫度已超過(guò)燃料著火溫度，通過(guò)高溫預(yù)熱燃料噴口與二次風(fēng)混合，噴入臥式燃燒室內(nèi)燃燒。三次風(fēng)通過(guò)分級(jí)配風(fēng)的方式進(jìn)入臥式燃燒室，距離預(yù)熱燃料入口1 200 mm處。高溫?zé)煔庥膳P式燃燒室底部流出，進(jìn)入煙氣冷卻器，降溫后進(jìn)入布袋除塵器，最后經(jīng)煙囪排出。在臥式燃燒室尾部設(shè)有尾部煙氣取樣口，利用德圖350型便攜式煙氣分析儀(Testo AG 350，德國(guó))對(duì)臥式燃燒室尾部煙氣組分進(jìn)行在線分析；在煙氣冷卻器出口配備有氧化鋯氧量分析儀，用于測(cè)量尾部煙氣氧含量。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)氣路的啟停及調(diào)節(jié)由PLC測(cè)量及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，溫度、壓力、壓差、流量等信號(hào)集成至PLC系統(tǒng)，以數(shù)字圖形或曲線等形式顯示。

圖1 千瓦級(jí)煤粉預(yù)熱燃燒綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Kilowatt pulverized coal preheating combustion comprehensive evaluation experimental platform

高溫預(yù)熱燃料噴口結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。由圖2可知，經(jīng)過(guò)預(yù)熱后的預(yù)熱燃料，水平噴射至臥式燃燒室，該噴口為同軸射流噴口，從內(nèi)向外依次為中心風(fēng)、預(yù)熱燃料、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，預(yù)熱燃料、內(nèi)二次風(fēng)以及外二次風(fēng)均為環(huán)形噴射。為簡(jiǎn)化噴口結(jié)構(gòu)，本文中二次風(fēng)僅使用外二次風(fēng)，用以研究預(yù)熱燃料水平噴射的燃燒特性和NOx排放特性。

圖2 高溫預(yù)熱燃料噴口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of high temperature preheating fuel nozzle structure

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用物料選擇神木煙煤，粒徑分布范圍為0～0.355 mm。神木煙煤的粒徑分布圖如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，累積體積分?jǐn)?shù)為20%、40%、60%、80%時(shí)，所對(duì)應(yīng)的煤粉切割粒徑分別為84、152.5、210.7、276.8 μm。神木煙煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果如表1所示。

圖3 神木煙煤的粒徑分布圖Fig.3 Particle size distribution of Shenmu bituminous coal

表1 神木煙煤的工業(yè)分析及元素分析Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis of Shenmu bituminous coal

在處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，CO和NOx折算成統(tǒng)一標(biāo)態(tài)(煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為6%，記為@6%O2)，則NOx計(jì)算公式為

(1)

式中：ρNOx為@6%O2時(shí)NOx質(zhì)量濃度的折算值，mg/m3；φNOx為NOx的體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值，0.000 1%；M為摩爾質(zhì)量，g/mol；Vm為氣體摩爾體積；22.4 L/mol；φO2為煙氣中O2的體積分?jǐn)?shù)測(cè)量值，100%。

各變量參數(shù)的計(jì)算公式為

λCFB=Apr/Astioc，

(2)

λse=Ase/Astioc，

(3)

λte=Ate/Astioc，

(4)

λ=λCFB+λse+λte，

(5)

式中：λCFB為一次風(fēng)當(dāng)量比；Apr為一次風(fēng)量，m3/h；Astioc為燃料完全燃燒所需要的理論空氣量，m3/h；λse為二次風(fēng)當(dāng)量比；Ase為二次風(fēng)量，m3/h；λte為三次風(fēng)當(dāng)量比；Ate為三次風(fēng)量，m3/h；λ為過(guò)量空氣系數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)熱溫度的影響

在研究預(yù)熱溫度的影響的實(shí)驗(yàn)中，給煤量為3.93 kg/h，過(guò)量空氣系數(shù)為1.03，一次風(fēng)量為10.9 m3/h，一次風(fēng)當(dāng)量比為0.41，二次風(fēng)量為8.4 m3/h，二次風(fēng)當(dāng)量比為0.31，三次風(fēng)量為8.4 m3/h，三次風(fēng)當(dāng)量比為0.31。通過(guò)調(diào)節(jié)提升管電爐輔熱功率控制提升管預(yù)熱溫度，當(dāng)預(yù)熱溫度分別為883、913、943 ℃時(shí)，臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化如圖4所示。由圖4可知，預(yù)熱溫度升高，臥式燃燒室溫度升高。在3種預(yù)熱溫度中，臥式燃燒室最高溫度在軸向距離為800 mm處，此區(qū)域?yàn)轭A(yù)熱燃料主要燃燒區(qū)；當(dāng)預(yù)熱溫度為943 ℃時(shí)，臥式燃燒室溫度最高。

圖4 不同預(yù)熱溫度條件下臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化Fig.4 Variation of horizontal combustion chamber temperature with its axial position under different preheating temperatures

預(yù)熱溫度對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖5所示。由圖5可知，隨著預(yù)熱溫度的升高，NOx質(zhì)量濃度逐漸減小；當(dāng)預(yù)熱溫度分別為 883、913、943 ℃時(shí)，NOx質(zhì)量濃度分別為122、110、94 mg/m3，即預(yù)熱溫度升高60 ℃，NOx質(zhì)量濃度則減小28 mg/m3。

圖5 預(yù)熱溫度對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.5 Influence of preheating temperature on mass concentration of NOx emission at the rear of horizontal combustion chamber

2.2 二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比的影響

在研究二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比的影響實(shí)驗(yàn)中，給煤量為2.97 kg/h，過(guò)量空氣系數(shù)為1.14，一次風(fēng)量為8.64 m3/h，一次風(fēng)當(dāng)量比為0.43，二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比的設(shè)定見(jiàn)表2。

表2 二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比的設(shè)定Tab.2 Settings of equivalence ratio of secondary and tertiary air

在不同的二次風(fēng)和三次當(dāng)量比條件下，臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化如圖6所示。由圖6可知，臥式燃燒室最高溫度依然在軸向距離為800 mm處；二次風(fēng)當(dāng)量比越小，臥式燃燒室溫度越高；當(dāng)二次風(fēng)和三次當(dāng)量比為0.27和0.44時(shí)，臥式燃燒室溫度最高。

圖6 不同二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比條件下臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化Fig.6 Variation of temperature of horizontal combustion chamber with its axial position under different equivalence ratios of secondary and tertiary air

二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖7所示。由圖7可以看出，隨著二次風(fēng)當(dāng)量比的增大，NOx質(zhì)量濃度逐漸減小；當(dāng)二次風(fēng)和三次當(dāng)量比分別為0.27和0.44、0.44和0.27、0.53和0.18時(shí)，NOx質(zhì)量濃度分別為293、242、62 mg/m3，即二次風(fēng)當(dāng)量比增大0.26(也就是三次風(fēng)當(dāng)量比減小0.26)，NOx質(zhì)量濃度則降低231 mg/m3；二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比為0.53和0.18時(shí)，NOx質(zhì)量濃度最低。

圖7 二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.7 Influence of equivalence ratio of secondary air and tertiary air on mass concentration of NOx emission at the rear of horizontal combustion chamber

2.3 臥式燃燒室溫度的影響

在研究臥式燃燒室溫度的影響實(shí)驗(yàn)中，給煤量為3.86 kg/h，過(guò)量空氣系數(shù)為1.14，一次風(fēng)量為9.6 m3/h，一次風(fēng)當(dāng)量比為0.36，二次風(fēng)量為10.2 m3/h，二次風(fēng)當(dāng)量比為0.39，三次風(fēng)量為10.2 m3/h，三次風(fēng)當(dāng)量比為及0.39。調(diào)整臥式燃燒室外部電爐的輔熱功率，設(shè)置臥式燃燒室平均溫度分別為921、980、1 040 ℃。

臥式燃燒室溫度對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖8所示。由圖8可以看出，隨著臥式燃燒室溫度的升高，NOx質(zhì)量濃度逐漸增大；當(dāng)臥式燃燒室平均溫度分別為921、980、1 040 ℃時(shí)，NOx質(zhì)量濃度分別為245、304、320 mg/m3，即臥式燃燒室溫度增加119 ℃時(shí)，NOx質(zhì)量濃度則增大75 mg/m3。

圖8 臥式燃燒室溫度對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.8 Influence of horizontal combustion chamber temperature on mass concentration of NOxemission at the rear of horizontal combustion chamber

2.4 過(guò)量空氣系數(shù)的影響

在研究過(guò)量空氣系數(shù)的影響實(shí)驗(yàn)中，給煤量為3.59 kg/h，一次風(fēng)量為9.6 m3/h，一次風(fēng)當(dāng)量比為0.39，二次風(fēng)量為8.3 m3/h，二次風(fēng)當(dāng)量比為0.34，通過(guò)改變?nèi)物L(fēng)量來(lái)改變過(guò)量空氣系數(shù)。過(guò)量空氣系數(shù)的設(shè)定見(jiàn)表3。

表3 過(guò)量空氣系數(shù)的設(shè)定Tab.3 Settings of excess air coefficient

在不同的過(guò)量空氣系數(shù)條件下，臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，不同過(guò)量空氣系數(shù)的臥式燃燒室的主要燃燒區(qū)域相同，高溫預(yù)熱燃料噴口處溫度變化較小，即還原區(qū)溫度變化不大，燃盡區(qū)溫度隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大而減小。這是因?yàn)椋淮物L(fēng)和二次風(fēng)通入量以及給料量不變，三次風(fēng)通入量的變化使得燃盡區(qū)溫度發(fā)生變化。

圖9 不同過(guò)量空氣系數(shù)條件下臥式燃燒室溫度隨其軸向位置的變化Fig.9 Variation of horizontal combustion chamber temperature with its axial position under different excess air coefficients

不同過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響如圖10所示。由圖10可知，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，NOx質(zhì)量濃度逐漸增大；當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)分別為1.11、1.16、1.20時(shí)，NOx質(zhì)量濃度分別為100、127、232 mg/m3。

圖10 過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)臥式燃燒室尾部排放的NOx質(zhì)量濃度的影響Fig.10 Influence of excess air coefficient on mass concentration of NOxemission at the rear of horizontal combustor chamber

3 結(jié)論

在千瓦級(jí)煤粉預(yù)熱燃燒綜合評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，分別研究了預(yù)熱溫度、二次風(fēng)和三次風(fēng)當(dāng)量比、臥式燃燒室溫度及過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)燃燒特性和NOx排放的影響。

1)隨著預(yù)熱溫度升高，臥式燃燒室溫度升高，排放的NOx質(zhì)量濃度減小；臥式燃燒室最高溫度在軸向距離為800 mm處，此區(qū)域?yàn)轭A(yù)熱燃料主要燃燒區(qū)；當(dāng)預(yù)熱溫度為943℃時(shí)，臥式燃燒室溫度最高，排放的NOx質(zhì)量濃度最低為94 mg/m3。

2)隨著二次風(fēng)當(dāng)量比增大，臥式燃燒室溫度降低，排放的NOx質(zhì)量濃度減小；當(dāng)二次風(fēng)和三次當(dāng)量比為0.27和0.44時(shí)，臥式燃燒室溫度最高；當(dāng)二次風(fēng)和三次當(dāng)量比為0.53和0.18時(shí)，NOx質(zhì)量濃度最低，為62 mg/m3。

3)隨著臥式燃燒室溫度的升高，排放的NOx質(zhì)量濃度增大；當(dāng)臥式燃燒室溫度為921 ℃時(shí)，NOx排放質(zhì)量濃度最低為245 mg/m3；臥式燃燒室溫度增加119 ℃，排放的NOx質(zhì)量濃度增大75 mg/m3。

4)隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增大，臥式燃燒室還原區(qū)溫度變化小，燃盡區(qū)溫度降低，而排放的NOx質(zhì)量濃度增大；當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)為1.11時(shí)，燃盡區(qū)溫度最高，排放的NOx質(zhì)量濃度最低，為100 mg/m3。