徑向濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)直流二次風(fēng)對(duì)流場(chǎng)及NOx排放的影響
摘要針對(duì)徑向濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)直流_次風(fēng)對(duì)出口冷態(tài)流動(dòng)特性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并在一臺(tái)220t／h鍋爐和一臺(tái)670t／h鍋爐上進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)．冷模試驗(yàn)表明，直流二次風(fēng)對(duì)旋流燃燒器出口氣流的流動(dòng)和混合特性有重要影響它可改變氣流的旋流強(qiáng)度、中心回流區(qū)的大小，調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)之間混合的強(qiáng)弱．熱態(tài)工業(yè)性試驗(yàn)研究了直流二次風(fēng)對(duì)燃燒器出口區(qū)域的氣氛?qǐng)龅挠绊?，得出了直流二次風(fēng)開(kāi)度對(duì)燃燒器區(qū)NO，、鍋爐排煙中NO，及燃燒效率的影響規(guī)律．
茌我國(guó)電站鍋爐中，多采用煤粉燃燒方式，燃用的煤質(zhì)多為劣質(zhì)煤，而且煤質(zhì)經(jīng)常變動(dòng)，所以現(xiàn)在電力工業(yè)的一個(gè)重要任務(wù)就是保證煤粉燃燒的高效和穩(wěn)定，另外，氮氧化物(NO。)是鍋爐排入大氣中的有害污染物之一，降低發(fā)電廣排煙中的NO。是減輕大氣污染的重要任務(wù)，
研究表明，煤燃燒過(guò)程中形成的NO。有以下3種：燃料型NO。(Fuel NO。)、熱力型NO。(Thermal NO。)、快速型NO。(Prom pt NO。)．其中，快速型NO。所占比例很小，燃燒型NO。約占75%以上，熱力型NO。約占25%以下[1]．熱力型NO。主要與煙氣溫度有關(guān)，隨煙氣溫度的降低，熱力型NO。生成量減小，氧濃度（化學(xué)當(dāng)量比）對(duì)它影響很小，燃料型NO。主要與氧濃度有關(guān)，在很大的范圍內(nèi)幾乎與溫度無(wú)關(guān)，當(dāng)火焰中的氣氛處于缺氧條件下，含氮的基團(tuán)和NO、H反應(yīng)生成分子N2，燃料型NO。的生成量將降低，因而，減少燃料型氮氧化物排放的主*本課題為“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目4期 孫銳等：徑向濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)直流二次風(fēng)對(duì)流場(chǎng)及NO。排放的影響 369要措施是降低火焰中的氧濃度，增強(qiáng)還原性氣氛，延長(zhǎng)含氮基團(tuán)在還原性氣氛中的停留時(shí)間，從而降低燃料氮向燃料型NOx的轉(zhuǎn)化率，旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)卷吸周?chē)牧黧w形成中心回流區(qū)，利用回流的高溫?zé)煔饧訜?、引燃風(fēng)粉混合物，具有很強(qiáng)的火焰穩(wěn)定能力；同時(shí)氣粉分離（或煤粉濃縮）和二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)技術(shù)可以使燃燒過(guò)程得以穩(wěn)定和強(qiáng)化，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)低N0。排蒯a．文獻(xiàn)[3]提出了將煤粉氣流分成濃淡兩股的徑向濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1．由于新型旋流燃燒器同時(shí)具有穩(wěn)燃、高效、防結(jié)渣、低NO。放等優(yōu)良性能，日益得到廣泛應(yīng)用[4]，文獻(xiàn)[ 5-7]研究了噴口結(jié)構(gòu)、配風(fēng)條件對(duì)新型旋流燃燒器流動(dòng)及燃燒特性的影響，直流二次風(fēng)對(duì)燃燒器出口空氣動(dòng)力特性的作用直接影響到一次風(fēng)風(fēng)粉混合物的著火、燃盡及污染物的排放，所以本文針對(duì)直流二次風(fēng)與旋流二次風(fēng)的不同配比條件下，對(duì)燃燒器的出口冷態(tài)流場(chǎng)及熱態(tài)NO。排放特性進(jìn)行了綜合試驗(yàn)研究．
1冷態(tài)試驗(yàn)風(fēng)
1.1 冷態(tài)試驗(yàn)設(shè)備和方法
試驗(yàn)用燃燒器模型是按原型燃燒器的1/5制成（模型燃燒器直徑d一200 mm），采用了彎頭五孔球型測(cè)針對(duì)燃燒器出口旋轉(zhuǎn)射流的時(shí)均速度進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)中保證一、二次風(fēng)和濃、淡一次風(fēng)出口動(dòng)量比及總風(fēng)量不變調(diào)整直流、旋流二次風(fēng)的風(fēng)量分配來(lái)改變直流二次風(fēng)風(fēng)率，試驗(yàn)工況參數(shù)見(jiàn)表1．
工況1、3燃燒器出口速度和靜壓分布的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2．在直流二次風(fēng)風(fēng)率很?。≦。-0）的工況下，二次風(fēng)出口截面位噩（r - 67 -101 mm）軸向速度剖面呈比較光順的拋物線分布，并存在軸向速度***大值，軸向出口速度的另一峰值恰好位于一次風(fēng)出口（r一36-67 mm）位置，數(shù)值是二次風(fēng)出口***大速度的一半左右，出口截面處的切向速度近似呈朗肯渦結(jié)構(gòu)，***大切向速度處于二次風(fēng)環(huán)形噴口中心位置，可見(jiàn)對(duì)于整個(gè)射流出口截面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用的是二次風(fēng)環(huán)形射流，在射流出口中心線附近可測(cè)量到軸向反向流動(dòng)的回流區(qū)，其邊界位置存在較370大的速度梯度，具有較強(qiáng)的湍流輸運(yùn)能力，有利于一次風(fēng)氣流與回流區(qū)內(nèi)的流體及二次風(fēng)氣流之間進(jìn)行熱質(zhì)交換，直流二次風(fēng)風(fēng)率較大（Q：一30%）時(shí)，二次風(fēng)出口截面軸向速度剖面出現(xiàn)超過(guò)平均速度兩倍以上的速度峰值，速度峰值的位置恰是直流二次風(fēng)噴口的位置(r一92-100 mm)，這是由于較大的直流二次風(fēng)動(dòng)量引起的，這一股直流氣流減小了射流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量，使射流的旋流強(qiáng)度‘8]降低，限制了射流的擴(kuò)展，將射流向中心壓縮，使中心回流區(qū)減小并很快封閉，隨直流二次風(fēng)率的增加，回流區(qū)尺寸迅速減小，回流區(qū)長(zhǎng)度由工況1的400 mm縮小到工況4的200mm，***大直徑從280mm減小到160 mm，射流擴(kuò)展角由74.0”變到56.3。，
1.3直流二次風(fēng)對(duì)一、二次風(fēng)混合的影響
直流二次風(fēng)風(fēng)率加大日寸，一、二次風(fēng)氣流前期混合減弱，混合速度有所降低，使?jié)饪s后煤粉氣流保持在較高濃度下，有利于在煤粉氣流著火的前期形成富燃料的還原性氣氛，減少燃料型NO。的生成；同時(shí)由于燃燒器擴(kuò)口的作用和氣流的旋轉(zhuǎn)特性，使一、二次風(fēng)后期的均勻混合并沒(méi)有受到影響，直流二次風(fēng)與旋流二次風(fēng)的相互作用使湍流脈動(dòng)加強(qiáng)，促進(jìn)了氣流的后期混合，保證了高的燃燒效率闈．
2熱態(tài)工業(yè)性試驗(yàn)
2 1試驗(yàn)鍋爐
新華電廠1號(hào)鍋爐是在220 Uh燃油鍋爐的基礎(chǔ)上改造成燃煤鍋爐（HG -220/9. 8-YM型），8只新型旋流燃燒器在前墻分上下兩層布置，兩臺(tái)中速磨煤機(jī)分別為上、下兩層燃燒器供粉，旋流二次風(fēng)及直流二次風(fēng)風(fēng)道入口處分別裝有調(diào)節(jié)檔板，可調(diào)節(jié)旋流、直流二次風(fēng)風(fēng)量比率，清河發(fā)電廠6號(hào)爐為EII- 670/140型鍋爐，16只旋流燃燒器分土、下兩層在兩側(cè)墻對(duì)沖布置，僅將下層8只燃燒器改為新型燃燒器，其余8只仍為原有燃燒器．
2 2測(cè)試儀器和試驗(yàn)方法4期 孫銳等：徑向濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)直流二次風(fēng)對(duì)流場(chǎng)及NO。排放的影響 371
NOx濃度測(cè)量采用的德國(guó)M SI電子公司MSI-C ompact型氣體分析儀，NO濃度的量程為0-2000 ppm，N02濃度的量程為0-200 ppm，NOx體積濃度的測(cè)量結(jié)果取NO和N02體積濃度之和，并折算至0 2濃度為6%條件下.CO濃度的量程為0-4000 ppm，NO。、CO儀器分辨率為1 ppm，02濃度的分辨率為Q 1%．尾部煙氣取樣是從鍋爐尾部煙道中抽取，按G B10184-88《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)秘的規(guī)定，在煙道內(nèi)采用6點(diǎn)取樣，經(jīng)混合器混合后再抽入氣體分析儀進(jìn)行測(cè)量，燃燒器區(qū)的煙氣樣通過(guò)一水冷***取出，
新華1號(hào)爐試驗(yàn)機(jī)組負(fù)荷為50 MW，直流二次風(fēng)檔板開(kāi)度分別為0、50%、100%．清河6號(hào)爐試驗(yàn)機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定在140 MW，直流二次風(fēng)檔板開(kāi)度分別為0、100%.試驗(yàn)時(shí)燃用煤的煤質(zhì)分析見(jiàn)表2，兩種試驗(yàn)煤樣均為揮發(fā)份較高的煙煤，
2 3熱態(tài)試驗(yàn)結(jié)果
2 3.1新華1號(hào)爐熱態(tài)試驗(yàn)在旋流二次風(fēng)風(fēng)門(mén)全開(kāi)，直流二次風(fēng)風(fēng)門(mén)全關(guān)的情況下，沿2號(hào)燃燒器中心線軸線方向(02、CO、NO。)氣氛分布如圖3，測(cè)量的位置正處于中心回流區(qū)內(nèi)，因?yàn)樾魅紵髟缙诨旌蠌?qiáng)烈，特別是回流區(qū)內(nèi)的煙氣成份基本分布均勻，所以測(cè)量的結(jié)果能夠反應(yīng)煤粉氣流著火和燃燒初期的情況，在燃燒器出口附近，由于煤粉氣流還沒(méi)有著火及中心風(fēng)管仍通有一定的冷卻風(fēng)，使氧保持在接近空氣中氧濃度的高水平，隨著氣流發(fā)展，煤粉氣流受熱析出揮發(fā)份開(kāi)始燃燒，在0. 2D-O. 5D區(qū)域是揮發(fā)份大量析出并強(qiáng)烈燃燒的位置，氧由于揮發(fā)份的燃燒迅速消耗，導(dǎo)致回流區(qū)內(nèi)的氧濃度在0. 4D處達(dá)到***低點(diǎn)，氧濃度***低點(diǎn)的位置反映了煤粉氣流著火點(diǎn)的遠(yuǎn)近，同時(shí)在Q 2D-0. SD區(qū)域內(nèi)隨揮發(fā)分析出的含氮基團(tuán)與含氧化合物反應(yīng)大量生成燃料型NO。，NO。的生成量迅速增加，濃度在0.4D處達(dá)到***大值，并在其下游基本保持不變，由于旋轉(zhuǎn)射流混合作用強(qiáng)烈，揮發(fā)份能得到充足的氧進(jìn)行反應(yīng)，CO處于較低水平，隨著氣流向下游發(fā)展，由于二次風(fēng)的混入，氧濃度有所提高，這為焦炭后期充分燃盡提供了保證，圖4、5、6是直流二次風(fēng)風(fēng)門(mén)在不同開(kāi)度下燃燒器軸線方向的氣氛分布，由冷態(tài)試驗(yàn)可知，隨著直流二次風(fēng)風(fēng)量的增大．旋流強(qiáng)度減弱，一次風(fēng)與外層氣流混合推遲，所以直流二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)大混合進(jìn)入到射流中心的氧將減小，燃燒器中心線氧濃度降低（圖4）．新型旋流燃燒器采用不旋轉(zhuǎn)的一次風(fēng)，隨著旋流強(qiáng)度的減小，將有更多的煤粉顆粒進(jìn)入回流區(qū)，較高的煤粉濃度能保證著火穩(wěn)定，使燃燒器出口處回流區(qū)內(nèi)保持較高溫度水平，揮發(fā)份處于富燃料狀態(tài)下燃燒，同時(shí)焦炭也是在較低的氧濃度、富燃料狀態(tài)下燃燒，回流區(qū)內(nèi)的還原性氣氛得以加強(qiáng)，這由CO濃度大幅度增加得到證實(shí)（見(jiàn)圖5）．同時(shí)隨著直流二次風(fēng)風(fēng)率的增大，由于還原性氣氛加強(qiáng)，減少了含氮基團(tuán)與含氧基團(tuán)反應(yīng)的機(jī)會(huì)，燃料型NO。的生成量減小，對(duì)于熱力型NO。，中心回流區(qū)直徑減小，回流量減小，燃燒器區(qū)溫度有所下降q，使熱力型NO。生成量也減小，所以在煤粉氣流著火、燃燒強(qiáng)烈區(qū)域NO。
3結(jié)論
(1)在噴口結(jié)構(gòu)不變的情況下，直流二次風(fēng)對(duì)旋流燃燒器的出口氣流特性有很強(qiáng)的影響，隨著直流二次風(fēng)風(fēng)率的增加，旋流強(qiáng)度減小，射流被向內(nèi)側(cè)壓縮，中心回流區(qū)范圍有所減?。?/p>
(2)隨著直流二次風(fēng)的增加，有利于在煤粉燃燒的初期形成還原性氣氛，在試驗(yàn)的煤種和鍋爐負(fù)荷條件下，直流二次風(fēng)風(fēng)門(mén)由全關(guān)到全開(kāi)，煤粉氣流著火初期NO。的生成量降低，尾部排煙中的氮氧化物含量降低，同時(shí)，由于后期混合的加強(qiáng)，固體不完全燃燒損失下降，燃燒效率得到提高．
(3)徑向濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)由于在煤粉著火初期保持了較高的煤粉濃度，可以大幅度降低鍋爐排煙中NO。的含量，減小鍋爐排煙對(duì)大氣的污染，
生物質(zhì)燃燒機(jī)，http://www.jiegankeliji.com
生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com
服務(wù)項(xiàng)目
