徑向濃淡旋流生物質燃燒機直流二次風對流場及NOx排放的影響

摘要針對徑向濃淡旋流生物質燃燒機直流_次風對出口冷態(tài)流動特性的影響進行了試驗研究，并在一臺220t／h鍋爐和一臺670t／h鍋爐上進行了工業(yè)性試驗．冷模試驗表明，直流二次風對旋流燃燒器出口氣流的流動和混合特性有重要影響它可改變氣流的旋流強度、中心回流區(qū)的大小，調節(jié)一、二次風之間混合的強弱．熱態(tài)工業(yè)性試驗研究了直流二次風對燃燒器出口區(qū)域的氣氛場的影響，得出了直流二次風開度對燃燒器區(qū)NO，、鍋爐排煙中NO，及燃燒效率的影響規(guī)律．

    茌我國電站鍋爐中，多采用煤粉燃燒方式，燃用的煤質多為劣質煤，而且煤質經常變動，所以現(xiàn)在電力工業(yè)的一個重要任務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，

    研究表明，煤燃燒過程中形成的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，隨煙氣溫度的降低，熱力型NO。生成量減小，氧濃度（化學當量比）對它影響很小，燃料型NO。主要與氧濃度有關，在很大的范圍內幾乎與溫度無關，當火焰中的氣氛處于缺氧條件下，含氮的基團和NO、H反應生成分子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”國家重點科技攻關資助項目4期    孫銳等：徑向濃淡旋流生物質燃燒機直流二次風對流場及NO。排放的影響    369要措施是降低火焰中的氧濃度，增強還原性氣氛，延長含氮基團在還原性氣氛中的停留時間，從而降低燃料氮向燃料型NOx的轉化率，旋流生物質燃燒機卷吸周圍的流體形成中心回流區(qū)，利用回流的高溫煙氣加熱、引燃風粉混合物，具有很強的火焰穩(wěn)定能力；同時氣粉分離（或煤粉濃縮）和二次風分級配風技術可以使燃燒過程得以穩(wěn)定和強化，并同時實現(xiàn)低N0。排蒯a．文獻[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燃燒機，結構見圖1．由于新型旋流燃燒器同時具有穩(wěn)燃、高效、防結渣、低NO。放等優(yōu)良性能，日益得到廣泛應用[4]，文獻[ 5-7]研究了噴口結構、配風條件對新型旋流燃燒器流動及燃燒特性的影響，直流二次風對燃燒器出口空氣動力特性的作用直接影響到一次風風粉混合物的著火、燃盡及污染物的排放，所以本文針對直流二次風與旋流二次風的不同配比條件下，對燃燒器的出口冷態(tài)流場及熱態(tài)NO。排放特性進行了綜合試驗研究．

1冷態(tài)試驗風

1.1  冷態(tài)試驗設備和方法

    試驗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針對燃燒器出口旋轉射流的時均速度進行測量，試驗中保證一、二次風和濃、淡一次風出口動量比及總風量不變調整直流、旋流二次風的風量分配來改變直流二次風風率，試驗工況參數(shù)見表1．

    工況1、3燃燒器出口速度和靜壓分布的測量結果見圖2．在直流二次風風率很小（Q。-0）的工況下，二次風出口截面位噩（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出口（r一36-67 mm）位置，數(shù)值是二次風出口***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構，***大切向速度處于二次風環(huán)形噴口中心位置，可見對于整個射流出口截面的流動結構起主導作用的是二次風環(huán)形射流，在射流出口中心線附近可測量到軸向反向流動的回流區(qū)，其邊界位置存在較370大的速度梯度，具有較強的湍流輸運能力，有利于一次風氣流與回流區(qū)內的流體及二次風氣流之間進行熱質交換，直流二次風風率較大（Q：一30%）時，二次風出口截面軸向速度剖面出現(xiàn)超過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噴口的位置(r一92-100 mm)，這是由于較大的直流二次風動量引起的，這一股直流氣流減小了射流的旋轉動量，使射流的旋流強度‘8]降低，限制了射流的擴展，將射流向中心壓縮，使中心回流區(qū)減小并很快封閉，隨直流二次風率的增加，回流區(qū)尺寸迅速減小，回流區(qū)長度由工況1的400 mm縮小到工況4的200mm，***大直徑從280mm減小到160 mm，射流擴展角由74.0”變到56.3。，

1.3直流二次風對一、二次風混合的影響

    直流二次風風率加大日寸，一、二次風氣流前期混合減弱，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；同時由于燃燒器擴口的作用和氣流的旋轉特性，使一、二次風后期的均勻混合并沒有受到影響，直流二次風與旋流二次風的相互作用使湍流脈動加強，促進了氣流的后期混合，保證了高的燃燒效率闈．

2熱態(tài)工業(yè)性試驗

2 1試驗鍋爐

    新華電廠1號鍋爐是在220 Uh燃油鍋爐的基礎上改造成燃煤鍋爐（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，兩臺中速磨煤機分別為上、下兩層燃燒器供粉，旋流二次風及直流二次風風道入口處分別裝有調節(jié)檔板，可調節(jié)旋流、直流二次風風量比率，清河發(fā)電廠6號爐為EII- 670/140型鍋爐，16只旋流燃燒器分土、下兩層在兩側墻對沖布置，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測試儀器和試驗方法4期    孫銳等：徑向濃淡旋流生物質燃燒機直流二次風對流場及NO。排放的影響    371

    NOx濃度測量采用的德國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體積濃度的測量結果取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《電站鍋爐性能試驗規(guī)秘的規(guī)定，在煙道內采用6點取樣，經混合器混合后再抽入氣體分析儀進行測量，燃燒器區(qū)的煙氣樣通過一水冷***取出，

    新華1號爐試驗機組負荷為50 MW，直流二次風檔板開度分別為0、50%、100%．清河6號爐試驗機組負荷穩(wěn)定在140 MW，直流二次風檔板開度分別為0、100%.試驗時燃用煤的煤質分析見表2，兩種試驗煤樣均為揮發(fā)份較高的煙煤，

2 3熱態(tài)試驗結果

2 3.1新華1號爐熱態(tài)試驗在旋流二次風風門全開，直流二次風風門全關的情況下，沿2號燃燒器中心線軸線方向(02、CO、NO。)氣氛分布如圖3，測量的位置正處于中心回流區(qū)內，因為旋流燃燒器早期混合強烈，特別是回流區(qū)內的煙氣成份基本分布均勻，所以測量的結果能夠反應煤粉氣流著火和燃燒初期的情況，在燃燒器出口附近，由于煤粉氣流還沒有著火及中心風管仍通有一定的冷卻風，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)份開始燃燒，在0. 2D-O. 5D區(qū)域是揮發(fā)份大量析出并強烈燃燒的位置，氧由于揮發(fā)份的燃燒迅速消耗，導致回流區(qū)內的氧濃度在0. 4D處達到***低點，氧濃度***低點的位置反映了煤粉氣流著火點的遠近，同時在Q 2D-0. SD區(qū)域內隨揮發(fā)分析出的含氮基團與含氧化合物反應大量生成燃料型NO。，NO。的生成量迅速增加，濃度在0.4D處達到***大值，并在其下游基本保持不變，由于旋轉射流混合作用強烈，揮發(fā)份能得到充足的氧進行反應，CO處于較低水平，隨著氣流向下游發(fā)展，由于二次風的混入，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是直流二次風風門在不同開度下燃燒器軸線方向的氣氛分布，由冷態(tài)試驗可知，隨著直流二次風風量的增大．旋流強度減弱，一次風與外層氣流混合推遲，所以直流二次風風門開大混合進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的一次風，隨著旋流強度的減小，將有更多的煤粉顆粒進入回流區(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)內的還原性氣氛得以加強，這由CO濃度大幅度增加得到證實（見圖5）．同時隨著直流二次風風率的增大，由于還原性氣氛加強，減少了含氮基團與含氧基團反應的機會，燃料型NO。的生成量減小，對于熱力型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、燃燒強烈區(qū)域NO。

3結論

(1)在噴口結構不變的情況下，直流二次風對旋流燃燒器的出口氣流特性有很強的影響，隨著直流二次風風率的增加，旋流強度減小，射流被向內側壓縮，中心回流區(qū)范圍有所減小．

(2)隨著直流二次風的增加，有利于在煤粉燃燒的初期形成還原性氣氛，在試驗的煤種和鍋爐負荷條件下，直流二次風風門由全關到全開，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，由于后期混合的加強，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燃燒機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，減小鍋爐排煙對大氣的污染，

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