燃用低挥发分煤中心给粉旋流燃烧技术研究

摘要

我国的大气污染为典型的煤烟型污染。采用旋流燃烧器的锅炉在燃用低挥发分煤时，NOx排放较高。采用燃尽风技术降低NOx排放来满足环保要求时，难以形成中心回流区，使低挥发分煤的着火和稳燃变差，并导致水冷壁结渣及高温腐蚀、锅炉效率下降等问题。针对上述问题，本文利用IFA-300二维恒温式热线（热膜）风速仪和温度示踪装置进行了冷态单相模化试验，利用Fluent软件对炉内燃烧和NOx生成特性进行了数值模拟，开发出了深度分级条件下适用于燃用低挥发分煤的中心给粉旋流燃烧技术及参数，并将研究成果应用于5台燃用低挥发分煤的300MW锅炉，通过工业冷态空气动力场和工业热态试验，研究了燃烧器出口中心回流区及射流边界、炉内的燃烧和NOx生成特性。
　　通过冷态单相模化试验，针对燃用低挥发分煤中心给粉燃烧器，对内二次风扩口长度和内二次风旋流强度进行优化，得出了能形成中心回流区的燃烧器运行及结构参数，紧靠其出口区域均能形成一个稳定的、沿燃烧器轴线基本对称的“心”型回流区，起始点均与外二次风出口存在一定距离。在不同燃尽风量、内外二次风率比及内外二次风叶片角度下，回流区的最大长度介于燃烧器模型外二次风扩口直径的1.7～2.1倍之间，最大直径介于外二次风扩口直径的0.8～1.0倍之间，射流扩展角介于64°～93°之间。在300MW锅炉上冷态动力场工业试验表明：在不同燃尽风量及外二次风叶片角度下，回流区的最大长度介于外二次风扩口直径的1.4～1.9倍之间，最大直径介于外二次风扩口直径的0.8～1.4倍之间，射流扩展角介于67°～96°之间，可保证低挥发分煤的及时着火和稳定燃烧。
　　通过实验室单相模化试验可知：随燃尽风量、内外二次风率比和外二次风叶片角度增大，或内二次风叶片角度减小，均使得相应的旋流数降低，回流区尺寸减小，轴向、径向及切向速度峰值和相对回流率均呈减小趋势，最大相对回流率介于1.3～3.6之间。一、二次风气流的混合程度减弱，一次风浓度呈增加趋势，而最大混合速度呈减小的趋势，在沿射流方向的测量截面上，轴向最大混合速度介于0.7～1.4之间。
　　通过对某燃用无烟煤和贫煤混煤的300MW锅炉进行热态模拟，给出了锅炉负荷、燃尽风率及炉膛出口氧量对炉内燃烧和NOx生成特性的影响。模拟结果与工业试验结果吻合情况较好。采用深度分级条件下适用于燃用低挥发分煤的中心给粉燃烧器后，在合理的燃尽风量和炉膛出口氧量下，炉内燃烧稳定，NOx排放下降。300MW时当燃尽风率为17.74％和27.50%，燃烧器喷口区域温度场均较为对称，而当燃尽风率为0、7.74%和37.74%，温度场出现略微的偏斜，此时二次风率偏离了燃烧器正常运行范围。随燃尽风率减小或炉膛出口氧量增大，在燃烧后期主燃区氧气供应更为充足，浓度下降变慢，氧气浓度明显升高，一氧化碳浓度降低，NOx浓度升高；主燃区上部和燃尽区下部温度均升高。在300MW负荷下，随燃尽风率从0增大至27.50%，飞灰可燃物含量从3.87%升高至4.57%，增幅仅为0.7%，而NOx排放量从1008.8mg/m3(O2=6.0%)降低至845.1mg/m3(O2=6.0%)，降幅达19.4%。
　　采用美国巴威公司旋流燃烧技术的300MW锅炉，燃用无烟煤和贫煤混煤时NOx排放量高达1250mg/m3(O2=6.0%)以上，燃用贫煤和烟煤混煤时NOx排放量高达950mg/m3(O2=6.0%)以上，并且存在结渣。将适用于燃用低挥发分煤的中心给粉旋流燃烧技术应用于4台燃用无烟煤和贫煤混煤的300MW锅炉和1台燃用贫煤和烟煤混煤的300MW锅炉，主蒸汽压力、温度均达到设计值，NOx大幅下降、飞灰可燃物含量基本不变、结渣得到缓解。进行了工业热态试验，给出了燃尽风量、外二次风叶片角度及锅炉负荷对炉内燃烧和NOx生成特性的影响。当燃用无烟煤和贫煤为7:3混煤时，（1）300MW负荷下随燃尽风量增大或当外二次风叶片角度在25°～40°的范围内随角度减小，烟气升温速率均高达1650℃/m以上，着火点位置介于0.2≤X≤0.4m之间（X为距一次风出口截面沿燃烧器轴向方向的长度），氧气消耗速率均加快，一氧化碳浓度升高，X≥0.8m区域NOx浓度降低并趋于平缓。随燃尽风量增大，主燃区温度降低，而燃尽区温度升高；飞灰可燃物含量从5.18%升高至6.84%，NOx排放量从833.4mg/m3(O2=6.0%)降低至769.9mg/m3(O2=6.0%)，锅炉效率从91.53%略微降低至90.99%；（2）150MW负荷时，烟气升温速率高达1004℃/m，着火点位置在X=0.532m附近；飞灰可燃物含量为3.91%，NOx排放量为743.7mg/m3(O2=6.0%)，锅炉效率为91.29%；可不投油稳定运行。
　　当燃用贫煤和烟煤为1:1混煤时，300MW负荷时烟气升温速率高达1511℃/m，着火点位置在X=0.331m附近；飞灰可燃物含量为4.78%，NOx排放量为593.4mg/m3(O2=6.0%)，锅炉效率为91.81%；可在150MW负荷下不投油稳定运行。