煤粉解耦燃烧器的开发

郝江平，王菁，娄慧如，高士秋

(1.山西三合盛节能环保技术股份有限公司，太原　030006；2.山西大学 资源与环境工程研究所，太原　030006；3.拉玛大学，德克萨斯州 博蒙特　77710；4.中国科学院过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室，北京　100190)



煤粉解耦燃烧器的开发

郝江平1，王菁2，娄慧如3，高士秋4

(1.山西三合盛节能环保技术股份有限公司，太原030006；2.山西大学 资源与环境工程研究所，太原030006；3.拉玛大学，德克萨斯州 博蒙特77710；4.中国科学院过程工程研究所 多相复杂系统国家重点实验室，北京100190)

分析了煤粉燃烧初期降低NOx排放的机制，介绍了一种适用于低挥发分难燃煤的直流解耦燃烧器，该燃烧器采用水平浓淡多级分级燃烧形式，通过集粉稳焰器等进行浓测煤粉气流的再次浓淡分离，并强化了向火侧超浓气流的加热，在提高稳燃能力的同时，有效利用煤自身热解气化产物，深化微观空气分级燃烧，减少了NOx的生成。对1 025 t/h锅炉解耦燃烧器进行模拟计算和冷、热态试验，有效验证了煤粉解耦燃烧器的设计思路。

煤粉燃烧器；解耦燃烧；NOx；燃烧效率；稳燃

0　引言

煤粉燃烧过程中存在NOx排放与燃烧效率之间的耦合关系：采用低温低氧燃烧有利于降低NOx的排放质量浓度，但会使燃烧效率下降；反之，采用高温富氧燃烧可提高燃烧效率，但会使NOx的排放质量浓度增大。对于燃用挥发分低、不易燃尽燃煤的煤粉锅炉，这一耦合问题更为突出。煤炭解耦燃烧技术[1-2]拟采用更为细致的分级转化来解除燃烧过程中的这种不利耦合关系。煤粉解耦燃烧理论是通过强化较小尺度的空气分级燃烧，提高宏观空气分级的燃尽能力，在降低NOx排放质量浓度的同时确保燃烧效率[3-4]。

1　煤粉燃烧初期降低NOx质量浓度的机制

煤粉燃烧不同阶段的多相反应组分、质量浓度和温度等差异较大，燃烧初期与后期的NOx转化和抑制机理明显不同。煤粉由燃烧器喷口进入炉膛的燃烧初期，燃烧温度大多低于1 100 ℃，远低于1 500 ℃，因而燃烧器附近基本没有热力型NOx产生。煤中的燃料氮分为挥发分氮和焦炭氮。煤粉燃烧初期是挥发分氮快速析出阶段，焦炭氮是在燃烧中后期逐渐析出的，因而燃烧器附近以挥发分氮产生的NOx为主。

煤粉燃烧初期，大量挥发分氮首先通过煤的热解转化为HCN和NH3，HCN和NH3等组分既可被氧化为NOx，又可作为还原剂将NOx还原为N2。在还原性气氛下燃烧，仅有部分氧气与燃料氮接触并反应生成NOx。

煤粉气流刚进入炉膛时较为集中，质量浓度很大，若燃烧初期处于还原性气氛下，则煤粉热解气化产物NH3，HCN以及CmHn，CO，H2的含量很高。虽然NH3，HCN和CmHn等的体积浓度相对较低，但其本身对NOx的还原反应活性很高[5]；而CO和H2的总体积浓度很高，其与NOx的接触几率较大，对NOx也具有显著的还原作用。因而，控制燃烧初期为适当的还原性气氛，可使大部分挥发分氮转化为N2。

大量试验表明，在各种低NOx燃烧方式中，煤种不同，降低NOx排放质量浓度的程度不同。煤的挥发分越高，在低NOx燃烧方式下，燃料氮向NOx的转化率就越低[6]。显然，挥发分在煤的低氮燃烧中起着重要的作用。

试验还表明：对不同煤种进行高温、快速加热，均可增加挥发分的析出速度，增大挥发分氮的比例；不同煤种的挥发分氮的比例和组成均有差异，低挥发分和高灰分难燃煤的挥发分氮比例较低[2,7]。

2　煤粉燃烧器的性能影响

煤粉锅炉通过二次风和燃尽风的配置，主要抑制焦炭氮产生的NOx以及热力型NOx，但设置燃尽风会使煤粉的燃尽阶段推后。

煤粉燃烧器是锅炉组织配风燃烧的基础，燃烧器的性能对燃烧稳定性、水冷壁结焦、高温腐蚀、NOx排放质量浓度和煤粉燃尽等均有重要影响。

燃烧器一次风率主要受制粉系统和稳定燃烧要求的限制，一般随煤种挥发分的减小而减小。煤燃烧初期主要是煤中挥发分的析出燃烧，随着大量焦炭的燃烧，耗氧量才会增多。大多数煤种在燃烧初期的一次风所含氧量都大于着火所需，因而目前燃烧器普遍采用浓淡燃烧方式实现微观空气分级，以降低燃烧初期产生的NOx。

浓淡燃烧方式因为减少了浓侧煤粉气流点火时多余的空气量，降低了煤粉着火热，因而可提高煤粉的稳燃能力；切圆燃烧方式采用水平浓淡燃烧器，可形成“风包粉”，有利于提高下炉膛整体为还原性气氛时的防结焦和防高温腐蚀能力。

低挥发分煤不仅挥发分少，而且析出速度较慢，因而采用传统煤粉浓缩方式后，一次风着火阶段空气仍过量，对燃烧器的稳燃和低氮燃烧性能都不利。下层一次风喷口集中布置可一定程度弥补煤粉浓缩的不足，但主要是减少了二次风对一次风着火的干扰，并对抑制焦炭氮产生NOx具有影响。

一次风进入炉膛着火的阶段，是燃烧器性能产生重要影响的阶段。对于采用直流燃烧器的切圆燃烧煤粉炉，主要靠一次风卷吸炉膛上游高温烟气来实现加热点火，一次风的煤粉浓缩和喷口的卷吸加热能力对燃烧性能十分重要，对低挥发分难燃煤则更为关键。

3　解耦燃烧器的结构形式

采用解耦燃烧方式有利于提高煤粉燃烧器的性能。直流煤粉解耦燃烧器的设计思路是：强化一次风的煤粉浓淡分离和卷吸加热能力，在提高稳燃能力的同时，有效利用煤自身热解气化产物的强还原性，深化较小尺度的微观空气分级燃烧，以抑制挥发分氮向NOx的转化，减少燃料型NOx的生成，为优化二次风和燃尽风的配置打好基础。

直流煤粉解耦燃烧器喷口结构如图1所示。解耦燃烧器喷口采用水平浓淡的形式，由浓淡隔离钝体分隔为浓、淡两侧，分别与外置煤粉浓淡分离装置的浓、淡侧风道联接。在喷口浓侧通道内的向火侧设置有1对上下布置的集粉稳焰器，集粉稳焰器采用多级不同的斜面收集煤粉，靠近向火侧的斜面行程最大。每个集粉斜面的背火侧设置有分流堰，受斜面挤压的部分气流从上、下分流堰之间偏转，流向背火侧，因惯性汇集在集粉稳焰器斜面的煤粉则被分流堰隔离收集在喷口的向火侧。

图1　直流煤粉解耦燃烧器喷口结构

通过上、下集粉稳焰器的分流作用，解耦燃烧器喷口又使浓侧煤粉气流的向火侧进行了二次浓缩。靠近向火侧的气流被挤压得最多，煤粉达到超浓，超浓煤粉气流着火热最小，单位截面积的周界长度、回流空间和动量最大，卷吸高温烟气的能力最强，因而十分有利于煤粉的快速热解气化和稳定燃烧。超浓煤粉气流首先着火后，背火侧煤粉质量浓度、卷吸加热能力逐级降低的气流也被逐级快速点燃。由浓到淡逐级着火的过程也是焦炭燃烧量快速增大的过程，火焰温度急速升高，耗氧量急剧增大，可使一次风气流在燃烧初期形成更大范围的强还原性气氛。

集粉稳焰器以及分流堰的高度和倾角等结构设计对喷口的二级气粉分离效果有重要影响，外置一级浓淡分离装置的特性对集粉稳焰器的设计也有影响。

4　解耦燃烧器的数值模拟和冷、热态试验

通过进行1 025 t/h煤粉锅炉一次风解耦燃烧器喷口的全尺寸模拟计算、冷态试验和热态调试运行，有效验证了煤粉解耦燃烧器的设计思路。

数值模拟和冷态测试的结果十分接近。由图2a可以看出，受集粉稳焰器挤压和导流作用的影响，煤粉质量浓度最高且直行(偏转较小)的向火侧气流静压最高。由图2b可以看出，集粉稳焰器间靠近淡粉侧的气流速度最大，表明向火侧气流受集粉稳焰器挤压，大量偏转向淡火侧，使得向火侧的空气与煤粉的质量比降低，煤粉得到浓缩。由图2c可以看出，向火侧煤粉质量浓度显著高于背火侧，最高处集中在向火侧集粉稳焰器的分流堰附近，反映了分流堰的横向集粉效果。

图3、图4分别为煤粉解耦燃烧器及外置煤粉浓淡分离装置的水平中分面煤粉浓度场和煤粉解耦燃烧器浓粉向火侧垂直中分面煤粉浓度场的数值模拟计算结果。

从图中可以看出，一级浓淡分离装置使得一次风分为浓、淡两路气流，浓侧气流到达解耦燃烧器喷口后，集粉稳焰器间的部分空气偏转流向淡粉侧，惯性较大的固相颗粒大部分从相对的集粉稳焰器中间通过，从而使浓侧的向火侧气流二次增浓。

图2　解耦燃烧器喷口出口的气流压力、气流速度和煤粉浓度分布

图3　煤粉解耦燃烧器及外置煤粉浓淡分离装置的水平中分面煤粉浓度场

图4　煤粉解耦燃烧器浓粉向火侧垂直中分面煤粉浓度场

煤粉解耦燃烧器在燃用贫煤的国电太原第一热电厂#13锅炉(最大容量1 025 t/h)进行了热态试验。该锅炉同时进行了燃尽风改造，改造前NOx平均排放质量浓度大于800 mg/m3，改造后小于350 mg/m3；改造前后飞灰含碳量和炉渣含碳量未发生明显变化，由于排烟温度的降低，锅炉热效率有所提高。同期进行低氮燃烧改造的同型号的#14锅炉未安装解耦燃烧器，改造后NOx平均排放质量浓度比#13锅炉高13%以上，且因为炉膛水冷壁结焦严重多次出现锅炉灭火，而#13锅炉未出现过炉膛严重结焦现象。

5　结束语

煤粉燃烧初期产生的NOx主要由挥发分氮转化而来，通过燃烧器设计，增加煤燃烧初期的热解气化速度和还原性气氛，有利于减少燃烧过程产生的NOx。解耦燃烧器采用了水平浓淡多级分级燃烧，通过集粉稳焰器和分流堰等设计，可进一步提高一次风浓测气流向火侧的煤粉质量浓度，并增强炉膛高温烟气对超浓煤粉气流的加热，具有更好的低氮、稳燃和防结焦性能，对解决低挥发分难燃煤降低NOx排放质量浓度同时燃烧效率下降的耦合问题更为有利。

[1]李静海，许光文，杨励丹，等. 一种抑制氮氧化物的无烟燃煤方法及燃煤炉: ZL95102081.1[P].1995-03-07.

[2]何京东.煤炭解耦燃烧NO抑制机理实验研究[D].北京:中国科学院过程工程研究所, 2006.

[3]郝江平，高士秋，李静海，等.低氮氧化物排放煤粉解耦燃烧器及煤粉解耦燃烧方法: ZL201110033811.8.[P].2011-01-31.

[4]郝江平，李静海，刘新华，等. 一种多角切圆多尺度煤粉解耦燃烧装置及其解耦燃烧方法: ZL201110374539.x.[P].2011-11-22.

[5]SMOOT L D, HILL S C, XU H. NOxcontrol through reburning[J]. Progress in energy and combustion science, 1998, 24(5): 385-408.

[6]LEE B H, SONG J H, KIM R G, et al. Simulation of the influence of the coal volatile matter content on fuel NO emissions in a drop-tube furnace[J].Energy & fuels, 2010, 24(8):4333-4340.

[7]徐有宁.抑制氮氧化物无烟燃煤技术及其应用[D].北京:中国科学院化工冶金研究所,2000.

(本文责编：刘芳)

2016-03-29；

2016-06-22

国家科技支撑计划资助课题(2013BAC14B02)

TK 229.6

A

1674-1951(2016)07-0001-03

郝江平(1969—)，男，山西大同人，高级工程师，工学硕士，科技部在库专家，从事燃煤锅炉的解耦燃烧技术和节能减排技术的研究(E-mail:hjp186@aliyun.com)。

王菁(1988—)，女，山西运城人，在读博士研究生，从事高效洁净燃烧技术的研究(E-mail:786805576@qq.com)。

娄慧如(1972—)，女，河南洛阳人，过程工程实验室主任，山西大学特聘教授，美国LAMAR大学终身教授，博士生导师，从事高效洁净燃烧技术方面的研究(E-mail:1211813654@qq.com)。

高士秋(1964—)，男，黑龙江佳木斯人，过程工程学报专业副主编，研究员，博士生导师，日本群马大学工学博士，从事煤炭能源分级综合利用等方面的研究工作(E-mail:sqgao@home.ipe.ac.cn)。