陳 隆，王乃繼

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

0 引 言

針對(duì)煤炭燃燒過(guò)程中形成的氮氧化物(NOx)，按生成機(jī)理不同將其分為快速型、熱力型和燃料型3種類型。對(duì)于煤粉爐而言，NOx的排放主要來(lái)自于燃料氮的轉(zhuǎn)化，燃料型NOx約占NOx排放的75%～95%，熱力型NOx不足20%。目前熱力型NOx主要采取控制溫度的方法策略；燃料型 NOx的控制策略主要依賴過(guò)量空氣系數(shù)并保持主燃區(qū)欠氧，具體實(shí)現(xiàn)方式包括空氣分級(jí)、低NOx燃燒器、再燃、共燃、煙氣再循環(huán)等爐內(nèi)燃燒過(guò)程中的氮氧化物控制和SCR、SNCR等燃燒后的氮氧化物控制[1]。燃料燃燒過(guò)程中存在著污染物排放與燃燒效率之間的耦合關(guān)系，貧氧低溫燃燒雖有利于抑制 NOx的生成，但煤粉不易燃盡，燃燒效率下降[2]。解耦燃燒技術(shù)擬采用更為細(xì)致的分級(jí)轉(zhuǎn)化來(lái)解除燃燒過(guò)程中此種不利的耦合關(guān)系[3-4]，該技術(shù)的核心在于利用少量的一次風(fēng)供煤粉中的揮發(fā)分熱解、析出、燃燒及升溫，引燃煤粉中的半焦，剩余的半焦和可燃?xì)怏w與二次風(fēng)及時(shí)接觸，在富氧環(huán)境中繼續(xù)燃燒，從而實(shí)現(xiàn)燃燒效率和氮氧化物的統(tǒng)一。

煤粉解耦燃燒研究較為豐富，分為煤粉預(yù)熱燃燒技術(shù)和預(yù)燃室燃燒技術(shù)研究。俄國(guó)、美國(guó)以天然氣作為預(yù)燃熱源對(duì)煤粉進(jìn)行熱解[5-6]，中科院工程熱物理研究所呂清剛研究員團(tuán)隊(duì)采用循環(huán)流化床預(yù)熱燃燒工藝[7]，煤科院王乃繼研究員團(tuán)隊(duì)在高速煤粉燃燒器的基礎(chǔ)上采用深度空氣分級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)解耦燃燒[8-9]，西安交通大學(xué)譚厚章教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)新型預(yù)燃室燃燒器以實(shí)現(xiàn)低氮燃燒[10]，山西大學(xué)程芳琴教授團(tuán)隊(duì)在燃用貧煤的煤粉爐上實(shí)現(xiàn)解耦燃燒[11]。此外，西安熱工院研究人員和西安交通大學(xué)車得福教授團(tuán)隊(duì)合作通過(guò)研究煤氮轉(zhuǎn)化機(jī)理[12]，采用旋風(fēng)燃燒技術(shù)在旋風(fēng)筒中營(yíng)造高溫還原性的環(huán)境來(lái)降低氮氧化物排放，此也為1種解耦燃燒的拓展方式，即通過(guò)調(diào)節(jié)旋風(fēng)筒中的過(guò)量空氣系數(shù)，旋風(fēng)筒氮氧化物出口可達(dá)到50 mg/m3以下[13-14]。從實(shí)際情況剖析，除采用旋風(fēng)燃燒之外，解耦燃燒也存在著飛灰殘?zhí)茧S著過(guò)量空氣系數(shù)降低而升高的現(xiàn)象，當(dāng)?shù)趸锱欧趴刂圃?150 ～250) mg/m3，煤粉燃燒效率控制在97%～98%，使用普通三類煙煤飛灰殘?zhí)汲^(guò)10%，使用難燃煤殘?zhí)几哌_(dá)40%以上，旋風(fēng)液態(tài)排渣燃燒方式飛灰殘?zhí)伎傻?%以下，因此筆者以7 MW高速煤粉燃燒器為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬的方法，著重研究二次風(fēng)溫度、旋流強(qiáng)度、二次風(fēng)量及一次風(fēng)量對(duì)燃燒器內(nèi)燃燒的影響，拓展解耦燃燒的應(yīng)用范圍。

1 高速煤粉燃燒器貧氧旋風(fēng)低氮機(jī)理分析

旋風(fēng)燃燒強(qiáng)度比煤粉爐燃燒和流化床燃燒更高，液態(tài)排渣且具有很高的捕渣率，近年主要應(yīng)用于準(zhǔn)東高堿煤的燃燒應(yīng)用。車得福教授團(tuán)隊(duì)研究認(rèn)為，在旋風(fēng)爐中創(chuàng)造的高溫強(qiáng)還原氣氛條件可大幅減少NOx的生成量[14]。其根本原因在于煤粉轉(zhuǎn)化機(jī)制中燃料型氮氧化物占總比最高，燃料型中的揮發(fā)分氮可通過(guò)熱解、貧氧燃燒等方式轉(zhuǎn)化為N2，焦炭氮?jiǎng)t和固定碳絡(luò)合在一起，當(dāng)焦炭發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)，其中的N必然有部分一同被氧化為NO，同時(shí)少量焦炭氮與H絡(luò)合轉(zhuǎn)化為NH3和HCN等氮氧化物前驅(qū)物；當(dāng)飛灰殘?zhí)荚黾?，留在其中的氮也?huì)相應(yīng)增加，最終表現(xiàn)為煙氣中氮氧化物含量降低。溫度是促進(jìn)焦炭氮轉(zhuǎn)化的核心影響因素，超過(guò)600 ℃即會(huì)發(fā)生焦炭氮轉(zhuǎn)化[15]，隨著溫度的升高氮的轉(zhuǎn)化率增高，所以煤粉爐通過(guò)控溫來(lái)減少焦炭氮幾無(wú)可能。目前電站大容量鍋爐通過(guò)空氣分級(jí)燃燒動(dòng)力煙煤NOx控制只能達(dá)到200 mg/m3左右，根本原因是對(duì)焦炭氮轉(zhuǎn)化為NOx控制薄弱。如何控制焦炭氮轉(zhuǎn)化為NO是煤粉低氮燃燒的關(guān)鍵，可歸為2種思路:① 減少焦炭氮的釋放，將氮固存于固定碳和飛灰之中，缺點(diǎn)是飛灰殘?zhí)剂吭黾樱w灰處理難；② 創(chuàng)造條件讓焦炭氮集中釋放，此時(shí)固定碳須大部分被反應(yīng)消耗，釋放的氮轉(zhuǎn)化為NH3、HCN和NO，后續(xù)被還原為N2。鍋爐是有限空間，從時(shí)間上推斷，焦炭的釋放宜早不宜遲，如此可為后續(xù)的還原爭(zhēng)取時(shí)間；從空間上分析，焦炭氮的釋放安排在特定高溫區(qū)域內(nèi)，以利于反應(yīng)縮短時(shí)間，還原反應(yīng)須考慮爐內(nèi)煙氣沿程溫度分布。旋風(fēng)燃燒按照第2種思路進(jìn)行控制，在旋風(fēng)筒內(nèi)營(yíng)造高溫環(huán)境，使得焦炭完全轉(zhuǎn)化，此種轉(zhuǎn)化在貧氧時(shí)表現(xiàn)為氣化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的CO、H2和CH4等氣體，還原由焦炭氮、揮發(fā)分氮釋放并轉(zhuǎn)化成的氮氧化物及其前驅(qū)物，從而減少NOx排放，貧氧旋風(fēng)燃燒時(shí)旋風(fēng)筒出口CO+H2組分可達(dá)到20%～30%。

高速煤粉燃燒器采用一次風(fēng)濃相供粉并從噴口進(jìn)入預(yù)燃室之中，通過(guò)一次風(fēng)噴口逆噴回流到旋流葉片附近，在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)煤粉的預(yù)熱和點(diǎn)火。為避免常規(guī)運(yùn)行中出現(xiàn)預(yù)燃筒燒紅、變形、結(jié)焦等問(wèn)題[16]，壁面采用水冷降溫，煙氣進(jìn)入后錐后壁面附近速度逐漸提高，達(dá)到噴口時(shí)其最高速度約為150 m/s，可有效減少預(yù)燃室內(nèi)的結(jié)焦，高速煤粉燃燒器內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到30%～60%，因此提高其碳轉(zhuǎn)化率并使焦炭氮集中釋放是拓展解耦燃燒的關(guān)鍵。

2 數(shù)值模擬方法與建模

煤粉燃燒模擬是1個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，各種商業(yè)的計(jì)算流體軟件都有模型可供選擇，計(jì)算方法選用文獻(xiàn)[17]中使用的方法，使用Ansys Fluent軟件，湍流模型選用k～ε模型，輻射模型選用P1模型，為了提高溫度模擬精度，使用Aspen Plus擬合出溫度和煙氣黏度的關(guān)系式。7 MW燃燒器結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，燃燒器的噴口尺寸為380 mm，葉片的寬度為300 mm，固定葉片角度，旋流強(qiáng)度約為1.5，前錐的角度為7°，后錐角度為15°。計(jì)算煤種采用神府三類煙煤，煤的工業(yè)和元素分析見(jiàn)表1，煤的低位發(fā)熱量為27.81 MJ/kg，煤粉的粒度分布符合R-R分布，中位粒徑為40 μm，燃燒器額定工況下耗煤量為0.31 kg/s，理論空氣量為6.48 Nm3/kg。對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量控制在30萬(wàn)，保證計(jì)算精度的同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)的計(jì)算性能。7 MW燃燒器結(jié)構(gòu)建模如圖2所示，其中所劃分網(wǎng)格的最小角度(Angle)35°>18°，歪斜比(Aspect ratio)最大值為18.5，正交性(Determinant 3×3×3)最小值為0.63。

圖1 高速煤粉燃燒器簡(jiǎn)圖Fig.1 High speed pulverized coal burner diagram

表1 煤粉工業(yè)分析和元素分析Table 1 Pulverized coal proximate analysis and ultimate analysis %

圖2 7MW燃燒器結(jié)構(gòu)建模Fig.2 Model of the 7MW burner

3 討論和分析

3.1 燃燒器內(nèi)組分分布分析

燃燒器內(nèi)分析截面如圖3所示，沿x軸在燃燒器上選取6個(gè)截面，重點(diǎn)分析6個(gè)截面上組分的變化。按照過(guò)量空氣系數(shù)a=0.6計(jì)算，此時(shí)氧碳原子比為1.4，根據(jù)旋風(fēng)燃燒試驗(yàn)表明，該空氣量下可以保證足夠的氧氣將固定碳轉(zhuǎn)化為CO和CO2。

圖3 燃燒器內(nèi)分析截面Fig.3 The analysis profile in the burner

燃燒器截面上各組分分布如圖4所示。

圖4 燃燒器截面上各組分分布Fig.4 Component concentration distribution in the burner section

燃燒器內(nèi)可燃組分和氧氣存在分布不均的現(xiàn)象，在濃相供粉和燃燒的條件下，中心逆噴式的燃燒方式使得中心區(qū)的焦炭和可燃組分分布較為集中，在前錐內(nèi)，可燃組分如CO濃度含量在15%～30%，H2的濃度含量為3%～11%，氧氣濃度分布呈現(xiàn)出邊緣高、中間低的特點(diǎn)。各個(gè)截面氣氛濃度如圖5所示。

圖5 各組分軸向濃度Fig.5 Axial component concentration distribution

前錐是還原性氣體的發(fā)生區(qū)，同時(shí)也是消耗區(qū)。CO和H2在前錐內(nèi)先升高后降低，O2在前錐內(nèi)大量消耗，達(dá)到前后錐交界面x=0時(shí)濃度降至5%，在后錐的氧氣濃度從5%降至3%，CO濃度從7%降至3%，H2從1.0%降至接近0。對(duì)煤粉顆粒進(jìn)行追蹤發(fā)現(xiàn)，燃燒器內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率約為55%。

3.2 常規(guī)參數(shù)影響

燃燒器常規(guī)參數(shù)主要包括旋流強(qiáng)度、二次風(fēng)溫度及二次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)。當(dāng)燃燒器結(jié)構(gòu)固定，在數(shù)值模擬技術(shù)上可以調(diào)節(jié)的典型參數(shù)有過(guò)量空氣系數(shù)(a)、二次風(fēng)溫度(T)及旋流強(qiáng)度(Ω)。筆者設(shè)計(jì)的過(guò)量空氣系數(shù)為0.5和0.6，二次風(fēng)溫度分別為30 ℃、100 ℃和300 ℃；旋流強(qiáng)度分別為1.5、2.0和2.5，采用正交實(shí)驗(yàn)的方式，選取其中的9種工況進(jìn)行研究，結(jié)果詳見(jiàn)表2，其中工況1為基礎(chǔ)工況。對(duì)比工況1、2及3可知，當(dāng)旋流強(qiáng)度從1.5提高到2.5，燃燒器內(nèi)的燃燒進(jìn)程提高，碳轉(zhuǎn)化率從55%提高到84%，CO、H2等還原性氣氛提高。對(duì)比工況1、5及7可知，當(dāng)二次風(fēng)溫度從30 ℃提高到300 ℃，碳轉(zhuǎn)化率從55%提高到85%，燃燒器出口CO、H2有所增加；對(duì)比工況1及4，可知當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)降低，碳轉(zhuǎn)化率有所降低，而CO和H2的濃度提高幅度較大，即CO從3.58%提高到6.33%，H2從0.4%提高到0.76%。對(duì)比工況4和7，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)保持0.5，提高二次風(fēng)溫度，碳轉(zhuǎn)化率從54%提高到85%。通過(guò)以上工況對(duì)比，認(rèn)為溫度、旋流強(qiáng)度對(duì)碳轉(zhuǎn)化率的影響是促進(jìn)作用，過(guò)量空氣系數(shù)降低對(duì)碳轉(zhuǎn)化率影響是抑制作用，但有利于更多還原性氣體產(chǎn)生。因此設(shè)計(jì)了工況8和工況9，當(dāng)二次風(fēng)溫度300 ℃、旋流強(qiáng)度2.5、對(duì)照過(guò)量空氣系數(shù)0.5和0.6時(shí)，發(fā)現(xiàn)碳轉(zhuǎn)化率分別為95%和97%，出口CO+H2的濃度達(dá)到了7.40%和4.86%。

表2 常規(guī)參數(shù)對(duì)燃燒的影響Table 2 The effect on combustion of general parameters

3.3 非常規(guī)參數(shù)之一次風(fēng)量影響

煤粉濃度過(guò)高，一次風(fēng)量不足以使揮發(fā)分完全燃燒，導(dǎo)致顆粒溫度降低，影響著火；從強(qiáng)化著火和燃燒的角度出發(fā)，存在最佳的煤粉濃度。幾種常見(jiàn)煤種的最佳濃度見(jiàn)表3，隨著煤粉揮發(fā)分和發(fā)熱量的升高，相應(yīng)的最佳煤粉濃度降低，一次風(fēng)溫度升高，煤粉最佳濃度升高，一般煙煤的最佳濃度范圍為(0.5～0.6) kg/kg，根據(jù)該理論設(shè)計(jì)的濃淡燃燒器具有著火穩(wěn)定的特點(diǎn)，在50%負(fù)荷下濃側(cè)煤粉濃度為0.48 kg/kg，淡側(cè)煤粉濃度為0.12 kg/kg；在100%負(fù)荷下，濃側(cè)濃度、淡側(cè)濃度分別為0.96 kg/kg、0.24 kg/kg[18]。

高速煤粉燃燒器一次風(fēng)占理論風(fēng)量的5%，屬于煤粉特相濃點(diǎn)火和燃燒，如7 MW燃燒器一次風(fēng)量約為600 Nm3/h，過(guò)低的一次風(fēng)量續(xù)抑制后揮發(fā)分和焦炭燃燒，需要二次風(fēng)來(lái)進(jìn)行助燃，但二次風(fēng)在一次風(fēng)的外圍，二者混合時(shí)存在時(shí)間延遲，使得燃燒器前錐內(nèi)焦炭燃燒受到限制。研究通過(guò)提高一次風(fēng)量來(lái)提升燃燒器前錐中心區(qū)域的氧氣濃度，并結(jié)合具體結(jié)構(gòu)實(shí)際將一次風(fēng)量提高至1 150 Nm3/h，占理論風(fēng)量的15%左右。實(shí)施的具體措施如下:擴(kuò)大噴粉口的面積，環(huán)狀間隙從20 mm提高到36 mm，風(fēng)速保持20 m/s不變，改造前后與工況1的對(duì)比見(jiàn)表4，二次風(fēng)量相應(yīng)減少，工況1和工況10燃燒器內(nèi)總風(fēng)量保持一致。從表4可看出，當(dāng)提高一次風(fēng)量，燃燒器內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%，相應(yīng)的CO和H2濃度有所降低，但依然維持較高的還原性氣氛，說(shuō)明當(dāng)焦炭氮集中釋放之后可有效地將其還原為N2，但需注意火焰溫度達(dá)到1 800 ℃時(shí)應(yīng)在爐膛內(nèi)及時(shí)降溫，防止熱力型NOx產(chǎn)生。

圖6 工況9燃燒器內(nèi)狀態(tài)Fig.6 The condition in the burner on condition 9

表3 常見(jiàn)煤種的最佳煤粉濃度Table 3 The best concentration of pulverized coal kg/kg

表4 一次風(fēng)量變化對(duì)燃燒影響Table 4 Influence of primary air volume on combustion

4 結(jié) 論

(1)高速煤粉燃燒器解耦燃燒需進(jìn)一步提高燃燒器內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率，從而將焦炭氮集中釋放，以利于后續(xù)還原及有效降低氮氧化物排放，從而打破低氮和飛灰殘?zhí)贾g的矛盾關(guān)系。

(2)提高燃燒器旋流強(qiáng)度、二次風(fēng)溫度均有利燃燒器內(nèi)燃燒反應(yīng)，二次風(fēng)量降低則碳轉(zhuǎn)化率降低、還原性氣體增多。當(dāng)二次風(fēng)溫度提高到300 ℃、旋流強(qiáng)度提高到2.5、過(guò)量空氣系數(shù)分別為0.5和0.6時(shí)，燃燒器內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率可提高至95%、97%。

(3)一次風(fēng)量從5%提高到15%時(shí)有利于燃燒器內(nèi)燃燒反應(yīng)快速進(jìn)行，避免了由于一次風(fēng)不足、二次風(fēng)補(bǔ)充所帶來(lái)的時(shí)間延遲，提高了燃燒器的有效利用空間，最終碳轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%，使得焦炭氮能夠集中釋放，為后續(xù)還原創(chuàng)造條件。