劉鵬中，周建明，牛 芳，王乃繼

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013 )

0 引 言

隨著我國工業(yè)及城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，熱力供應(yīng)需求急劇增加，在無電廠余熱可用的地區(qū)及生產(chǎn)中，采用煤粉工業(yè)鍋爐供熱是1種良好的解決方案[1]。相較于大型電站鍋爐，煤粉工業(yè)鍋爐在燃燒過程中具有燃燒溫度低、火焰行程短、爐內(nèi)流場不易組織等缺陷，同時(shí)還面臨啟停頻繁、大范圍負(fù)荷調(diào)節(jié)等情況，對(duì)其著火、穩(wěn)燃、低氮、經(jīng)濟(jì)性等方面提出更高要求[2]。因此，其核心燃燒裝置多采用預(yù)燃室結(jié)構(gòu)(又稱預(yù)燃室燃燒器)，一般可分為直流和旋流兩類[3]，其中預(yù)燃室旋流燃燒器被大量使用。預(yù)燃室結(jié)構(gòu)與穩(wěn)燃腔結(jié)構(gòu)作用相似，主要影響燃燒器出口的回流區(qū)及顆粒濃度[4]，進(jìn)而對(duì)穩(wěn)燃低氮等燃燒特性造成影響。因此，回顧預(yù)燃室旋流燃燒器的應(yīng)用研究現(xiàn)狀并分析其共性與個(gè)性，此舉對(duì)煤粉工業(yè)鍋爐核心燃燒裝置的后續(xù)設(shè)計(jì)開發(fā)及研究應(yīng)用很有益處。

1 預(yù)燃室旋流燃燒器的歷史及現(xiàn)狀

預(yù)燃室燃燒器作為傳統(tǒng)煤粉預(yù)熱氣化—燃燒耦合裝置已應(yīng)用于現(xiàn)場[5]，但預(yù)燃室旋流燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分類尚不明確，筆者將其分為早期和現(xiàn)有應(yīng)用進(jìn)行闡述。

1.1 早期預(yù)燃室旋流燃燒器

早期預(yù)燃室旋流燃燒器如圖1所示。如20世紀(jì)70年代，前北京鍋爐廠在SHF 20型鍋爐上使用的1款預(yù)燃室旋流燃燒器[6]如圖1(a)所示，其中一次風(fēng)攜帶煤粉以軸向旋流方式進(jìn)入預(yù)燃室，卷吸高溫?zé)煔馐姑悍壑鹑紵c一定角度的旋流二次風(fēng)在預(yù)燃室出口附近混合并送入爐膛燃盡。因此，前北京鍋爐廠設(shè)計(jì)科與清華大學(xué)熱能工程系合作，通過旋流器阻力系數(shù)、預(yù)燃室結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)其進(jìn)行冷態(tài)及熱態(tài)試驗(yàn)研究和改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)相較于孔隙旋流二次風(fēng)，環(huán)隙設(shè)計(jì)可避免預(yù)燃室內(nèi)結(jié)焦現(xiàn)象，如圖1(b)所示，同時(shí)一二次風(fēng)同向旋流燃燒效果優(yōu)于反向。20世紀(jì)80年代，此類預(yù)燃室旋流燃燒器在四川、內(nèi)蒙、上海等各省市熱電廠中其煤種和低負(fù)荷適用性以及燃燒器布置被大量研究[7-11]。在此基礎(chǔ)上，清華大學(xué)同上海吳涇電廠共同申請(qǐng)采用根部二次風(fēng)的預(yù)燃室旋流燃燒器[12]，如圖1(c)所示，其中將預(yù)燃室根部的孔隙二次風(fēng)優(yōu)化環(huán)隙二次風(fēng)，形成貼壁環(huán)形氣流，解決輔助火嘴和預(yù)燃室前端積粉和結(jié)焦問題；同時(shí)，已針對(duì)此類燃燒器預(yù)燃室內(nèi)的顆粒彌散及氣體湍流交換情況進(jìn)行更加詳細(xì)基礎(chǔ)的研究[13-14]，為了解預(yù)燃室內(nèi)流動(dòng)和燃燒特性提供理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)90年代末，前冶金工業(yè)部武漢冶金建筑研究所申請(qǐng)1款如圖1(d)所示的旋流式煤粉預(yù)燃室燃燒器[15]，特點(diǎn)是一次風(fēng)采用蝸殼旋流器進(jìn)行煤粉著火，二次風(fēng)從壁面切向進(jìn)入預(yù)燃室，補(bǔ)充空氣燃燒，并設(shè)置夾套三次風(fēng)組織爐內(nèi)燃燒，但其具體研究應(yīng)用尚不清楚。

總體而言，早期的預(yù)燃室旋流燃燒器多采用一次風(fēng)旋流、二次風(fēng)分直流或旋流的方式進(jìn)行燃燒，根據(jù)其在負(fù)荷、煤種等方面研究以改善穩(wěn)燃、低氮等燃燒特性并充分應(yīng)用于熱電廠，為我國電力事業(yè)的初期發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

圖1 早期預(yù)燃室旋流燃燒器[5,6,12,15]

1.2 預(yù)燃室旋流燃燒器現(xiàn)狀

隨著電站鍋爐規(guī)模擴(kuò)大和煤粉穩(wěn)燃技術(shù)[16]發(fā)展，新的旋流燃燒器以擴(kuò)錐等結(jié)構(gòu)代替預(yù)燃室，因此，預(yù)燃室旋流燃燒器轉(zhuǎn)向體量規(guī)模較小的煤粉工業(yè)鍋爐，實(shí)現(xiàn)快速著火、啟停方便等需求。根據(jù)其采用的不同結(jié)構(gòu)，其分類包括以下三大類。

1.2.1 預(yù)燃室鈍體旋流燃燒器

在預(yù)燃室旋流燃燒器內(nèi)，鈍體被安裝在一次風(fēng)管出口位置，根據(jù)鈍體后氣流壓差，形成穩(wěn)定回流和提高著火區(qū)煤粉濃度，有利于煤粉著火和穩(wěn)燃。中國計(jì)量學(xué)院開發(fā)一款采用鈍體的預(yù)燃室旋流燃燒器[17]，如圖2(a)所示，一次風(fēng)管口安裝鈍體，內(nèi)二次風(fēng)采用角度可調(diào)軸向旋流葉片形成旋流，根部外二次風(fēng)為直流，無三次風(fēng)。該鈍體燃燒器不僅在預(yù)燃室內(nèi)形成大范圍高溫回流區(qū)，同時(shí)該回流區(qū)延長至臥式爐的爐膛中部區(qū)域，如圖2(b)所示，導(dǎo)致爐內(nèi)高溫區(qū)域較大，有利于煤粉燃盡，從而實(shí)現(xiàn)高效率燃燒；高濃度顆粒聚集在熱質(zhì)交換劇烈的回流區(qū)邊界，滿足“三高”穩(wěn)燃機(jī)理，煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)至爐膛區(qū)域時(shí)，破碎變細(xì)，逐漸隨煙氣回流，增加顆粒在還原性氣氛的停留時(shí)間，有利于降低NOx含量。在該燃燒器上，一、二次風(fēng)速、旋流強(qiáng)度等操作工況和鈍體類型、阻塞率等結(jié)構(gòu)因素對(duì)流動(dòng)或燃燒特性的影響被深度研究[18-19]，其在煤粉工業(yè)鍋爐應(yīng)用中的燃燒效率可達(dá)97.43%，NOx排放為331 mg/Nm3[20]，具有良好的應(yīng)用前景。該單位后續(xù)在此燃燒器基礎(chǔ)上申請(qǐng)一款具有孔隙三次風(fēng)的預(yù)燃室鈍體燃燒器[21]，如圖2(c)所示，旨在增加預(yù)燃室可燃物進(jìn)入爐膛時(shí)與空氣的擾動(dòng)程度，促進(jìn)煤粉燃盡。

圖2 預(yù)燃室鈍體旋流燃燒器[17,21]

圖3 預(yù)燃室分級(jí)旋流燃燒器[22,24]

1.2.2 預(yù)燃室分級(jí)旋流燃燒器

旋流燃燒器一般采用低過量系數(shù)空氣組織燃燒，構(gòu)成還原性主燃區(qū)，降低NOx含量，再搭配爐膛燃盡風(fēng)保障煤粉燃盡，同時(shí)燃燒器本身進(jìn)行分級(jí)送風(fēng)，減緩一二次風(fēng)過早混合，并強(qiáng)化回流，合理組織主燃區(qū)燃燒。對(duì)預(yù)燃室旋流燃燒器而言，燃燒器出口分級(jí)二次風(fēng)以及預(yù)燃室出口采用三次風(fēng)、周界風(fēng)等送風(fēng)通道，進(jìn)一步對(duì)低過量系數(shù)空氣進(jìn)行分級(jí)，實(shí)現(xiàn)爐膛主燃區(qū)多次分級(jí)燃燒，抑制NOx生成的同時(shí)可提高主燃區(qū)下游燃燒溫度，促進(jìn)煤焦燃盡。近年來，哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)其中心給粉旋流燃燒器進(jìn)行工業(yè)鍋爐改造，如圖3(a)所示[22]，燃燒器出口二次風(fēng)分為內(nèi)外兩級(jí)，采用煙氣再循環(huán)，減弱燃燒初期二次風(fēng)與一次風(fēng)混合，避免NOx初期大量生成；后續(xù)內(nèi)外二次風(fēng)再次分級(jí)[23]，強(qiáng)化分級(jí)燃燒效果，降低NOx排放；同時(shí)采用擴(kuò)錐形預(yù)燃室、根部風(fēng)、周界風(fēng)等布置，維持燃燒器長期穩(wěn)定運(yùn)行，并強(qiáng)化主燃區(qū)煤焦與分級(jí)空氣混合燃燒，提高燃燒效率以滿足煤粉工業(yè)鍋爐的使用需求。西安交通大學(xué)對(duì)其預(yù)燃室旋流燃燒器的內(nèi)外二次風(fēng)進(jìn)行再次分級(jí)，如圖3(b)所示[24]，內(nèi)二次風(fēng)在燃燒器出口分為旋流與直流兩級(jí)，強(qiáng)化回流同時(shí)避免預(yù)燃室前端高溫腐蝕，外二次風(fēng)在預(yù)燃室出口處分為內(nèi)部射流和端面射流兩級(jí)，組織后續(xù)燃燒；二次風(fēng)共分為四級(jí)，實(shí)現(xiàn)預(yù)燃室及主燃區(qū)分級(jí)燃燒。在此預(yù)燃室旋流燃燒器上，各分級(jí)風(fēng)占比、爐膛空氣分級(jí)程度等因素被充分研究，在工業(yè)鍋爐上實(shí)現(xiàn)最低NOx排放為212 mg/Nm3。

1.2.3 預(yù)燃室逆噴旋流燃燒器

逆向一次風(fēng)攜帶煤粉(簡稱“逆噴”)進(jìn)入預(yù)燃室，與二次風(fēng)相遇混合后進(jìn)入爐膛，煤粉在預(yù)燃室內(nèi)停留時(shí)間較長，充分熱解氣化，具有著火、穩(wěn)燃、低氮優(yōu)勢。預(yù)燃室逆噴旋流燃燒器如圖4所示。

中科院工程熱物理研究所于1994年首先對(duì)如圖4(a)所示的逆向復(fù)式射流預(yù)燃室燃燒器進(jìn)行研究[25]，一二次風(fēng)正向流動(dòng)，少量空氣從環(huán)上小孔逆向噴出，強(qiáng)化預(yù)燃室內(nèi)回流區(qū)，延長煤粉停留時(shí)間，促進(jìn)揮發(fā)分析出，有利于著火穩(wěn)燃，可視為預(yù)燃室逆噴燃燒器的前身，并在四角切向鍋爐進(jìn)行研究應(yīng)用[26]，具有良好的穩(wěn)燃效果。

煤炭科學(xué)研究總院借鑒德國如圖4(b)所示的中心強(qiáng)制逆噴旋流燃燒器，對(duì)其進(jìn)行大量優(yōu)化研究及工業(yè)應(yīng)用[27]，目前研制的預(yù)燃室逆噴旋流燃燒器結(jié)構(gòu)如圖4(c)所示[28]，一次風(fēng)粉通過回流帽逆噴進(jìn)入預(yù)燃室，與強(qiáng)旋流內(nèi)二次風(fēng)形成耦合回流區(qū)，外二次風(fēng)進(jìn)行壁面冷卻降溫，延長煤粉在高溫還原性氣氛中的停留時(shí)間，促進(jìn)揮發(fā)分析出，保證著火穩(wěn)燃及低氮效果，同時(shí)避免腐蝕結(jié)渣。目前該燃燒器預(yù)燃室內(nèi)的流動(dòng)及燃燒特性已進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

圖4 預(yù)燃室逆噴旋流燃燒器[25,27,28]

除此以外，高濃度煤粉燃燒技術(shù)也被普遍應(yīng)用[29]，如增加初期揮發(fā)分析出量、降低均相著火熱，結(jié)合預(yù)燃室強(qiáng)化初始燃燒過程、強(qiáng)化回流、采用局部高溫蓄熱等穩(wěn)燃手段進(jìn)一步滿足工業(yè)鍋爐啟停頻繁、著火便捷等需求。同時(shí)高濃度燃燒技術(shù)也具有一定的低氮優(yōu)勢，但煤粉濃度提高意味著氣固兩相混合變差以及燃盡較差問題加劇。因此，借鑒現(xiàn)有煤粉燃燒技術(shù)理念，優(yōu)化改進(jìn)預(yù)燃室旋流燃燒器以解決煤粉工業(yè)鍋爐燃燒溫度低、火焰行程短等問題，在保障低氮燃燒的同時(shí)提高燃燒效率。

2 預(yù)燃室旋流燃燒器發(fā)展趨勢

2.1 煤粉顆粒粗細(xì)分離

在煤粉濃相輸送燃燒基礎(chǔ)上，依據(jù)氣流中粗細(xì)顆粒跟隨性差異，通過分離裝置實(shí)現(xiàn)燃燒器出口粗細(xì)顆粒分離；同時(shí)，煤粉粗細(xì)顆粒升溫速率不同，導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出速度及析出量不同，燃燒進(jìn)程存在差異，合理組織后可促進(jìn)煤粉燃盡。清華大學(xué)近期申請(qǐng)一款多級(jí)回流逆噴式旋流煤粉燃燒器[30]，如圖5所示，一次風(fēng)管內(nèi)采用濃淡分離裝置，濃相粗顆粒逆向進(jìn)入預(yù)燃室內(nèi)并進(jìn)行充分熱解預(yù)燃，細(xì)顆粒直接進(jìn)入爐膛燃燒，促進(jìn)粗顆粒后續(xù)燃盡，同時(shí)部分內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)旋流不僅進(jìn)行分級(jí)燃燒，同時(shí)形成二、三級(jí)回流穩(wěn)燃，提高粉煤在還原性回流區(qū)內(nèi)停留時(shí)間，具有一定低氮效果，未來還需對(duì)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況優(yōu)化及長期穩(wěn)定運(yùn)行進(jìn)行充分研究。陳志超等[31-32]對(duì)哈工大中心給粉旋流燃燒器中煤粉濃縮環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸及級(jí)數(shù)布置在氣固流動(dòng)特性方面進(jìn)行充分研究，表明濃縮環(huán)是煤粉濃淡粗細(xì)分離的重要影響因素，決定燃燒器出口顆粒流動(dòng)特性和燃燒特性，但該研究限于稀相送粉燃燒中提高煤粉濃度。而目前缺乏煤粉濃相燃燒下粗細(xì)顆粒分離程度的相關(guān)研究，因此探討分離裝置下粗細(xì)顆粒的分布特性以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)、合理組織預(yù)燃室旋流燃燒器進(jìn)行煤粉粗細(xì)燃燒，均可作為解決高濃度煤粉燃燒燃盡較差問題的思路，從而促進(jìn)進(jìn)一步提高煤粉工業(yè)鍋爐的燃燒效率。

圖5 多級(jí)回流逆噴式旋流煤粉燃燒器[30]

2.2 預(yù)燃室結(jié)構(gòu)形狀

預(yù)燃室旋流燃燒器中預(yù)燃室的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)其內(nèi)部及下游流場具有較大影響，主要體現(xiàn)在回流區(qū)位置及尺寸、回流量大小等方面，進(jìn)一步影響著火及穩(wěn)燃低氮性能。

從上述情況發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)主要集中在大角度擴(kuò)錐加直筒、漸擴(kuò)直筒、小角度擴(kuò)錐等形狀，前兩者在預(yù)燃室內(nèi)的回流區(qū)前端飽滿且下游維持較好，如圖6(a)、(b)所示[18,33]，后者受角度影響嚴(yán)重與擴(kuò)錐形狀一致，如圖6(c)所示。回流區(qū)前端飽滿意味高溫?zé)煔饣亓髁砍渥悖勺鳛閾]發(fā)分較低煤種的穩(wěn)定著火源，但會(huì)導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)高揮發(fā)分煤種著火位置前移，預(yù)燃室內(nèi)燃燒溫度升高，增加燃燒器及預(yù)燃室出口腐蝕可能性，需增設(shè)根部風(fēng)通道；回流區(qū)前端較小意味著高溫?zé)煔饣亓鬏^弱，著火溫度低且著火點(diǎn)后移，對(duì)煤種要求較高，同時(shí)煤粉劇烈燃燒過程被推移至爐內(nèi)，少量分級(jí)二次風(fēng)在燃燒器出口作為邊壁風(fēng)，即可保證預(yù)燃室長期穩(wěn)定運(yùn)行。李建生等[34]對(duì)筒形預(yù)燃室、矩形預(yù)燃室等燃燒器燃用不同煤種時(shí)長度和直徑比、節(jié)油率、低負(fù)荷穩(wěn)燃等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行總結(jié)，設(shè)計(jì)新的單通道可調(diào)預(yù)燃室燃燒器用于電站鍋爐，具備安裝方便、45%低負(fù)荷穩(wěn)燃、飛灰殘?zhí)拷档椭?%以下明顯效果，最終長期試驗(yàn)應(yīng)用后給出合理的長高比、擋板調(diào)節(jié)范圍等設(shè)計(jì)參數(shù)；閆順林等[35]則從預(yù)燃室容量、直徑、長度、旋流器、風(fēng)速、布置6個(gè)方面詳細(xì)闡述不同結(jié)構(gòu)預(yù)燃室燃燒器的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算選取。因此，預(yù)燃室旋流燃燒器設(shè)計(jì)中，預(yù)燃室應(yīng)多采用大角度擴(kuò)錐加小段直筒結(jié)構(gòu)，提高預(yù)燃室旋流燃燒器對(duì)中低揮發(fā)分煙煤等煤種適用性，同時(shí)避免預(yù)燃室出口腐蝕結(jié)渣現(xiàn)象發(fā)生，保障燃燒器長期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖6 不同預(yù)燃室形狀的回流區(qū)結(jié)構(gòu)

2.3 預(yù)燃室內(nèi)顆粒停留時(shí)間

預(yù)燃室內(nèi)煤粉的停留時(shí)間是影響其預(yù)燃特性的關(guān)鍵因素，進(jìn)而影響預(yù)燃室旋流燃燒器著火、穩(wěn)燃、低氮及穩(wěn)定運(yùn)行性能，是預(yù)燃室旋流燃燒器優(yōu)化的重要方向。同時(shí)，不同煤種的適宜停留時(shí)間也需進(jìn)一步研究。中科院工程熱物理研究所曾對(duì)逆向復(fù)式預(yù)燃室燃燒器中顆粒停留時(shí)間進(jìn)行模擬研究[36]，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒停留時(shí)間小于粗顆粒，但兩者在預(yù)燃室內(nèi)揮發(fā)分全部析出后開始焦炭燃燒。清華大學(xué)近期對(duì)煤科院雙錐形預(yù)燃室逆噴旋流燃燒器在二次風(fēng)速及鈍體改造后進(jìn)行模擬研究[37]，從回流區(qū)、顆粒運(yùn)動(dòng)等流動(dòng)特性和溫度場、組分場等燃燒特性分析發(fā)現(xiàn)，顆粒在預(yù)燃室內(nèi)回流區(qū)的停留時(shí)間增加為0.171 s，最終降低工業(yè)鍋爐飛灰殘?zhí)恐?.55%，同時(shí)NOx排放含量降低8%。顆粒停留時(shí)間增加，其燃燒份額增加溫度升高，促進(jìn)煤粉燃盡，若顆粒在回流區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，則會(huì)進(jìn)一步降低NOx含量，但需著重考慮預(yù)燃室內(nèi)腐蝕結(jié)渣問題。因此，通過煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及環(huán)境氣氛，確定預(yù)燃室內(nèi)合理顆粒停留時(shí)間并根據(jù)不同煤種進(jìn)行調(diào)整，可作為預(yù)燃室旋流燃燒器的研究方向。

預(yù)燃室旋流燃燒器在工業(yè)鍋爐應(yīng)用推廣方面的主要發(fā)展趨勢：在采用低氮燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上，解決燃燒溫度低、火焰行程短且采用高濃度煤粉燃燒造成的燃盡較差問題，同時(shí)避免高溫腐蝕結(jié)渣現(xiàn)象。上述將其總結(jié)為高濃度煤粉下的粗細(xì)分離、不同煤種下采用的預(yù)燃室結(jié)構(gòu)及預(yù)燃室內(nèi)停留時(shí)間3個(gè)部分，以益于其未來設(shè)計(jì)開發(fā)及研究應(yīng)用。

3 結(jié) 論

通過對(duì)我國預(yù)燃室旋流煤粉燃燒器的研究歷史及現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并闡述其在煤粉工業(yè)鍋爐方面的未來發(fā)展趨勢，得到以下結(jié)論：

(1) 早期預(yù)燃室旋流燃燒器以一次風(fēng)旋流送粉為主，解決了電站鍋爐早期面對(duì)不同煤種時(shí)燃燒不穩(wěn)定等問題，并積累了部分防腐蝕結(jié)渣經(jīng)驗(yàn)。

(2) 現(xiàn)有預(yù)燃室旋流燃燒器多用于煤粉工業(yè)鍋爐，主要集中于鈍體、分級(jí)、逆噴三類結(jié)構(gòu)，均實(shí)現(xiàn)快速著火、穩(wěn)燃及低氮燃燒，且各具特色。

(3) 預(yù)燃室旋流燃燒器未來可對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)耦合后研究應(yīng)用，同時(shí)也可考慮采用粗細(xì)分離燃燒、預(yù)燃室結(jié)構(gòu)及停留時(shí)間優(yōu)化方面研究，提高煤種適應(yīng)性和燃燒效率。