预热燃料水平喷射燃烧特性和NOx排放

师永帅，朱建国，王婷婷，张 震

(1.中国科学院 工程热物理研究所，北京 100190；2.中国科学院大学 工程科学学院，北京 100049；3.华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206)

煤炭在我国一次性能源生产和消费中均占70%左右[1]，是我国经济发展的能源支柱和经济命脉[2-4]。煤在燃烧过程中产生氮氧化合物 (NOx)给大气造成环境污染，因此，煤炭清洁高效燃烧技术的不断升级一直是国家的重大需求和迫切任务[5]。

近年来，低NOx燃烧技术，如空气分级、燃料分级和烟气再循环技术等[6-7]得到了充分应用和发展。数据统计表明，采用常规低NOx燃烧技术后，煤粉燃烧的NOx原始排放水平约为200～400 mg/m3，实现超低NOx排放必须采用炉内非选择性催化还原喷氨技术(SNCR)和炉外选择性催化还原喷氨技术(SCR)相联合的措施[8-9]，但系统工艺复杂，运行成本高。

中国科学院工程热物理研究所开发的预热燃烧技术，是将煤粉先高温预热、预热燃料再入炉燃烧的新技术[10-11]。预热燃烧技术具有煤种适应性宽、负荷调节范围大和低或超低NOx排放优势[12-20]，已应用到工业锅炉中，但工业窑炉如回转窑、隧道窑等多为水平卧式炉膛，预热燃烧技术具有在工业窑炉领域的广泛应用前景，为此，实验室建设了千瓦级煤粉预热燃烧综合评价实验平台，燃烧室为水平卧式炉膛。本文中开展预热燃料水平喷射燃烧特性和NOx排放特性实验研究，为预热燃烧技术在工业窑炉的应用提供技术支撑。

1 实验

1.1 装置

千瓦级煤粉预热燃烧综合评价实验平台如图1所示。由图1可知，实验平台包括给料系统、预热燃烧系统(包括预热燃烧器和高温预热燃料喷口)、卧式燃烧室、烟气冷却器系统、布袋除尘器系统、电辅热系统、测控系统等。卧式燃烧室的方形截面尺寸为500 mm×500 mm(长度×宽度)，燃烧室长度为2 115 mm；预热燃烧器的炉体材质为Cr25Ni20，提升管内径为81 mm，高度为1 500 mm。实验平台采用独立控制的螺旋给料系统，煤粉首先经过预热燃烧器预热到800 ℃以上进行流态化预热改性，经过预热后的预热燃料温度已超过燃料着火温度，通过高温预热燃料喷口与二次风混合，喷入卧式燃烧室内燃烧。三次风通过分级配风的方式进入卧式燃烧室，距离预热燃料入口1 200 mm处。高温烟气由卧式燃烧室底部流出，进入烟气冷却器，降温后进入布袋除尘器，最后经烟囱排出。在卧式燃烧室尾部设有尾部烟气取样口，利用德图350型便携式烟气分析仪(Testo AG 350，德国)对卧式燃烧室尾部烟气组分进行在线分析；在烟气冷却器出口配备有氧化锆氧量分析仪，用于测量尾部烟气氧含量。实验平台气路的启停及调节由PLC测量及控制系统实现，温度、压力、压差、流量等信号集成至PLC系统，以数字图形或曲线等形式显示。

图1 千瓦级煤粉预热燃烧综合评价实验平台Fig.1 Kilowatt pulverized coal preheating combustion comprehensive evaluation experimental platform

高温预热燃料喷口结构示意图如图2所示。由图2可知，经过预热后的预热燃料，水平喷射至卧式燃烧室，该喷口为同轴射流喷口，从内向外依次为中心风、预热燃料、内二次风和外二次风，预热燃料、内二次风以及外二次风均为环形喷射。为简化喷口结构，本文中二次风仅使用外二次风，用以研究预热燃料水平喷射的燃烧特性和NOx排放特性。

图2 高温预热燃料喷口结构示意图Fig.2 Schematic diagram of high temperature preheating fuel nozzle structure

1.2 实验条件

实验用物料选择神木烟煤，粒径分布范围为0～0.355 mm。神木烟煤的粒径分布图如图3所示。由图3可见，累积体积分数为20%、40%、60%、80%时，所对应的煤粉切割粒径分别为84、152.5、210.7、276.8 μm。神木烟煤的工业分析和元素分析结果如表1所示。

图3 神木烟煤的粒径分布图Fig.3 Particle size distribution of Shenmu bituminous coal

表1 神木烟煤的工业分析及元素分析Tab.1 Industrial analysis and elemental analysis of Shenmu bituminous coal

在处理实验结果时，CO和NOx折算成统一标态(烟气中氧气体积分数为6%，记为@6%O2)，则NOx计算公式为

(1)

式中：ρNOx为@6%O2时NOx质量浓度的折算值，mg/m3；φNOx为NOx的体积分数测量值，0.000 1%；M为摩尔质量，g/mol；Vm为气体摩尔体积；22.4 L/mol；φO2为烟气中O2的体积分数测量值，100%。

各变量参数的计算公式为

λCFB=Apr/Astioc，

(2)

λse=Ase/Astioc，

(3)

λte=Ate/Astioc，

(4)

λ=λCFB+λse+λte，

(5)

式中：λCFB为一次风当量比；Apr为一次风量，m3/h；Astioc为燃料完全燃烧所需要的理论空气量，m3/h；λse为二次风当量比；Ase为二次风量，m3/h；λte为三次风当量比；Ate为三次风量，m3/h；λ为过量空气系数。

2 结果与讨论

2.1 预热温度的影响

在研究预热温度的影响的实验中，给煤量为3.93 kg/h，过量空气系数为1.03，一次风量为10.9 m3/h，一次风当量比为0.41，二次风量为8.4 m3/h，二次风当量比为0.31，三次风量为8.4 m3/h，三次风当量比为0.31。通过调节提升管电炉辅热功率控制提升管预热温度，当预热温度分别为883、913、943 ℃时，卧式燃烧室温度随其轴向位置的变化如图4所示。由图4可知，预热温度升高，卧式燃烧室温度升高。在3种预热温度中，卧式燃烧室最高温度在轴向距离为800 mm处，此区域为预热燃料主要燃烧区；当预热温度为943 ℃时，卧式燃烧室温度最高。

图4 不同预热温度条件下卧式燃烧室温度随其轴向位置的变化Fig.4 Variation of horizontal combustion chamber temperature with its axial position under different preheating temperatures

预热温度对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响如图5所示。由图5可知，随着预热温度的升高，NOx质量浓度逐渐减小；当预热温度分别为 883、913、943 ℃时，NOx质量浓度分别为122、110、94 mg/m3，即预热温度升高60 ℃，NOx质量浓度则减小28 mg/m3。

图5 预热温度对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响Fig.5 Influence of preheating temperature on mass concentration of NOx emission at the rear of horizontal combustion chamber

2.2 二次风和三次风当量比的影响

在研究二次风和三次风当量比的影响实验中，给煤量为2.97 kg/h，过量空气系数为1.14，一次风量为8.64 m3/h，一次风当量比为0.43，二次风和三次风当量比的设定见表2。

表2 二次风和三次风当量比的设定Tab.2 Settings of equivalence ratio of secondary and tertiary air

在不同的二次风和三次当量比条件下，卧式燃烧室温度随其轴向位置的变化如图6所示。由图6可知，卧式燃烧室最高温度依然在轴向距离为800 mm处；二次风当量比越小，卧式燃烧室温度越高；当二次风和三次当量比为0.27和0.44时，卧式燃烧室温度最高。

图6 不同二次风和三次风当量比条件下卧式燃烧室温度随其轴向位置的变化Fig.6 Variation of temperature of horizontal combustion chamber with its axial position under different equivalence ratios of secondary and tertiary air

二次风和三次风当量比对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响如图7所示。由图7可以看出，随着二次风当量比的增大，NOx质量浓度逐渐减小；当二次风和三次当量比分别为0.27和0.44、0.44和0.27、0.53和0.18时，NOx质量浓度分别为293、242、62 mg/m3，即二次风当量比增大0.26(也就是三次风当量比减小0.26)，NOx质量浓度则降低231 mg/m3；二次风和三次风当量比为0.53和0.18时，NOx质量浓度最低。

图7 二次风和三次风当量比对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响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 卧式燃烧室温度的影响

在研究卧式燃烧室温度的影响实验中，给煤量为3.86 kg/h，过量空气系数为1.14，一次风量为9.6 m3/h，一次风当量比为0.36，二次风量为10.2 m3/h，二次风当量比为0.39，三次风量为10.2 m3/h，三次风当量比为及0.39。调整卧式燃烧室外部电炉的辅热功率，设置卧式燃烧室平均温度分别为921、980、1 040 ℃。

卧式燃烧室温度对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响如图8所示。由图8可以看出，随着卧式燃烧室温度的升高，NOx质量浓度逐渐增大；当卧式燃烧室平均温度分别为921、980、1 040 ℃时，NOx质量浓度分别为245、304、320 mg/m3，即卧式燃烧室温度增加119 ℃时，NOx质量浓度则增大75 mg/m3。

图8 卧式燃烧室温度对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响Fig.8 Influence of horizontal combustion chamber temperature on mass concentration of NOxemission at the rear of horizontal combustion chamber

2.4 过量空气系数的影响

在研究过量空气系数的影响实验中，给煤量为3.59 kg/h，一次风量为9.6 m3/h，一次风当量比为0.39，二次风量为8.3 m3/h，二次风当量比为0.34，通过改变三次风量来改变过量空气系数。过量空气系数的设定见表3。

表3 过量空气系数的设定Tab.3 Settings of excess air coefficient

在不同的过量空气系数条件下，卧式燃烧室温度随其轴向位置的变化如图9所示。由图9可见，不同过量空气系数的卧式燃烧室的主要燃烧区域相同，高温预热燃料喷口处温度变化较小，即还原区温度变化不大，燃尽区温度随着过量空气系数的增大而减小。这是因为，一次风和二次风通入量以及给料量不变，三次风通入量的变化使得燃尽区温度发生变化。

图9 不同过量空气系数条件下卧式燃烧室温度随其轴向位置的变化Fig.9 Variation of horizontal combustion chamber temperature with its axial position under different excess air coefficients

不同过量空气系数对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响如图10所示。由图10可知，随着过量空气系数的增大，NOx质量浓度逐渐增大；当过量空气系数分别为1.11、1.16、1.20时，NOx质量浓度分别为100、127、232 mg/m3。

图10 过量空气系数对卧式燃烧室尾部排放的NOx质量浓度的影响Fig.10 Influence of excess air coefficient on mass concentration of NOxemission at the rear of horizontal combustor chamber

3 结论

在千瓦级煤粉预热燃烧综合评价实验平台上，分别研究了预热温度、二次风和三次风当量比、卧式燃烧室温度及过量空气系数对燃烧特性和NOx排放的影响。

1)随着预热温度升高，卧式燃烧室温度升高，排放的NOx质量浓度减小；卧式燃烧室最高温度在轴向距离为800 mm处，此区域为预热燃料主要燃烧区；当预热温度为943℃时，卧式燃烧室温度最高，排放的NOx质量浓度最低为94 mg/m3。

2)随着二次风当量比增大，卧式燃烧室温度降低，排放的NOx质量浓度减小；当二次风和三次当量比为0.27和0.44时，卧式燃烧室温度最高；当二次风和三次当量比为0.53和0.18时，NOx质量浓度最低，为62 mg/m3。

3)随着卧式燃烧室温度的升高，排放的NOx质量浓度增大；当卧式燃烧室温度为921 ℃时，NOx排放质量浓度最低为245 mg/m3；卧式燃烧室温度增加119 ℃，排放的NOx质量浓度增大75 mg/m3。

4)随着过量空气系数的增大，卧式燃烧室还原区温度变化小，燃尽区温度降低，而排放的NOx质量浓度增大；当过量空气系数为1.11时，燃尽区温度最高，排放的NOx质量浓度最低，为100 mg/m3。