截至2012年底，我國在運燃煤工業鍋爐約46萬臺，占全國工業鍋爐總量的85%，工業鍋爐年消耗原煤約7億t，占全國煤耗總量的18%，工業鍋爐燃煤排

截至2012年底，我國在運燃煤工業鍋爐約46萬臺，占全國工業鍋爐總量的85%，工業鍋爐年消耗原煤約7億t，占全國煤耗總量的18%，工業鍋爐燃煤排放已成為我國第二大燃煤污染源。然而，我國工業鍋爐普遍存在高排放低效能等問題，平均運行鍋爐效率僅為70%，較美國運行效率（85%）仍存在較大差距。此外，近年來隨著燃煤排放標準日益提高，部分重點地區對燃煤工業鍋爐也開始執行超低排放標準。相對于粉塵和SOx，目前對燃煤工業鍋爐實現NOx超低排放仍存在巨大挑戰：目前的煙氣脫硝技術如選擇性催化還原技術(SCR)脫硝效率高，但運行成本高且氨逃逸十分嚴重，難以在燃煤工業鍋爐上廣泛應用。相比而言，低氮燃燒器和空氣分級技術因其經濟性優勢更易于被工業鍋爐用戶所接受。
迄今為止，我國在大型電站煤粉鍋爐低氮燃燒技術方面取得了很多開創性的成果。然而，相比煤粉電站鍋爐，煤粉工業鍋爐低氮燃燒技術更具挑戰性：由于煤粉工業鍋爐結構緊湊，爐膛容積小，大多只能采用旋流燃燒器進行燃燒，而不易進行深度分級燃燒。為解決煤粉工業鍋爐穩燃和低氮難題，近年來預燃式燃燒技術逐漸應用于煤粉工業鍋爐領域。
本文開發了一種用于煤粉工業鍋爐的新型預燃式低氮燃燒器：旋流二次風卷吸高溫煙氣對一次風粉氣流進行加熱，二次風分三級(內二次風、外二次風和燃盡風)送入爐膛，其中內二次風送入預燃室內部，外二次風從預燃室端部送入爐膛，燃盡風(OFA)則從爐膛以切圓的形式送入。該型燃燒器在某25 t/h煤粉工業鍋爐全尺寸平臺上進行試驗，研究了一次風率、二次風配比、旋流葉片角度、循環風率及燃盡風率對NOx排放和燃燒效率的影響。

1 試驗系統

圖 1 25 t/h煤粉工業鍋爐燃燒試驗系統

圖 2 預燃室結構
2 試驗結果與討論

隨著爐膛出口氧量的降低，燃煤NOx排放顯著下降，NOx減排效果顯著；但相應飛灰含碳數值則從11.7%升高到18.5%，煤粉燃盡率顯著下降，說明過低氧量條件下的著火和煤焦燃盡惡化。這主要是因為爐膛內整體氧氣濃度降低導致還原性氣氛增強，煤粉火焰早期形成的NOx在還原性氣氛下更容易被還原為N2，從而導致總體的NOx排放降低。與此同時，低氧氣濃度下焦炭的氧化速率降低，且爐膛內總體風速的降低也使得爐膛內的湍流強度降低，從而導致燃燒效率下降。

圖3 爐膛出口氧量對NOx排放及飛灰含碳的影響
在維持爐膛出口總氧量和鍋爐運行負荷不變的條件下，將一次風率從8.5%逐漸降低到7.8%，NOx排放從215 mg/m3(9% O2)降低到182 mg/m3(9% O2)，而飛灰含碳值則從13.4%升高到17.1%。該燃燒器設計的一個關鍵特征是增大了一次風與內二次風的徑向距離，推遲二次風與一次風的混合以保持預燃室內的還原性氣氛，從而控制燃燒初期NOx的生成。因此，降低一次風率時，預燃室內的氧量降低導致其還原性氣氛增強，從而降低了燃燒初期燃料氮向NOx的轉化，導致NOx排放降低。同時，一次風率的降低也導致煤粉氣流總體著火過程推遲，加之試驗所用25 t/h煤粉工業鍋爐的爐膛設計偏小，更加劇了總體燃盡率惡化的問題，最終導致飛灰含碳量升高。

圖4 一次風率對NOx排放及飛灰含碳的影響
內外二次風比從0.67提高到1.32，NOx排放從188 mg/m3(9% O2)增大到199 mg/m3(9% O2)，飛灰含碳則從18.1%降低至15.0%。說明提高旋流的內二次風量有利于煤粉燃盡，但一定程度上增大了NOx排放。主要是由于增大旋流內二次風的比例，可以增大爐膛內回流區面積，同時提高了燃燒初期的氧量，強化火焰初期的燃燒，使得飛灰含碳量降低。但相對的，旋流內二次風增大削弱了預燃室內的還原性氣氛，預燃室內氧氣濃度升高使得NOx前驅物更易被氧化成NOx。在試驗范圍內減小內二次風量能降低NOx排放，但將劣化煤粉燃盡率，內外二次風比率在0.9~1.0時，NOx排放較低且未有顯著的飛灰含碳增大，因此建議該型燃燒器運行時將內外二次風率控制在0.9~1.0。

圖 5內外二次風比對NOx排放及飛灰含碳的影響
隨著內二次風葉片角度從30°增大到60°，飛灰含碳量從15.4%增加至22.4%，NOx排放從222 mg/m3(9% O2)降低至約190 mg/m3(9% O2)。葉片角度小于45°時，飛灰含碳隨角度的減小變化不顯著(略有上升)，而NOx排放急劇增加；當葉片角度大于45°時，NOx排放略有增加，而飛灰含碳隨著角度的增加劇烈升高。說明該型燃燒器的內二次風葉片旋流角度在45°附近存在最優值，使NOx排放較低且燃盡率較好。綜合考慮燃盡效果與減排能力，該燃燒器的內二次風葉片角度應控制在45°~50°。

圖 6 二次風葉片角度對NOx排放及飛灰含碳的影響
隨著燃盡風率從零增大至總風量的16%，爐膛NOx排放與飛灰含碳均呈現出先降低后增加的趨勢。這主要與試驗臺鍋爐的結構及OFA位置有關，爐膛OFA送入的位置設在L型鍋爐水平段中部，距離預燃室出口較近。OFA風量的增大導致通過燃燒器的內外二次風量減少，燃燒初期的氧氣濃度降低，從而抑制了主燃區內NOx的生成。但OFA風量增加到一定值后，由于主燃區的整體持續后移導致該風量配比情況下主燃區的位置已推遲到OFA噴口附近，大量OFA風的及時加入為煤粉燃盡提供了充足的氧氣，爐膛后部燃燒劇烈，燃盡區溫度升高，高溫區甚至延伸到L型爐膛的垂直段，從而導致NOx生成量反而增加。
另外試驗系統中OFA以切圓方式送入爐膛內部，能夠強化爐膛后部的湍動，少量OFA能強化燃燒后期的混合與燃燒，加快焦炭反應速度，降低飛灰含碳量；但隨著OFA風繼續增大，主燃區的燃燒惡化，火焰整體后移，導致煤焦在爐膛內的燃燒時間減少，飛灰含碳量上升。
由于試驗平臺的局限性，OFA的位置過于靠近主燃區，其作用更接近于傳統電站鍋爐的緊湊型燃盡風。根據試驗結果，對于該型燃燒器及搭配的L型煤粉鍋爐，推薦的優化工況為10%左右的OFA風率，此時NOx排放最低而燃盡率較高。

圖 7 燃盡風率對NOx排放及飛灰含碳的影響
FGR能顯著降低NOx排放，而飛灰含碳量則先降低后升高。這主要是由于FGR的加入使得二次風氧氣濃度降低，且FGR的混入總體上拉低了爐膛的平均溫度水平，以上因素均有利于控制爐內NOx的生成。同時，FGR的混入增大所有二次風噴口的射流速度，強化了爐膛內部的湍動，并增大高溫煙氣回流區，能夠卷吸更多的高溫煙氣強化著火；但FGR煙氣量過大時，爐膛內氧氣濃度顯著降低，反而對煤粉的燃燒過程產生抑制作用，導致飛灰含碳量升高。

圖 8 循環風率對對NOx排放及飛灰含碳的影響
3 結論
1）開發了一種新型的用于煤粉工業鍋爐的預燃式低氮燃燒器，并在25 t/h全尺寸試驗平臺上進行了試驗。隨著一次風率增加，NOx排放逐漸增大，一次風合理區間為8%左右。

2）內外二次風比率在0.9~1.0時，NOx排放較低且未有顯著的飛灰含碳增大，因此建議該型燃燒器運行時將內外二次風率控制在0.9~1.0；隨著內二次風旋流葉片角度增大，NOx排放先減少后增大，推薦的優化角度區間為45°~55°；由于燃盡風位置離主燃區太近，推薦的燃盡風率應控制在10%左右；隨著再循環煙氣量的增大，NOx排放值逐漸降低而飛灰含碳先降低后升高。
3）全尺寸平臺試驗過程中煤粉著火穩定，在最佳配風比例條件下的NOx排放可達到171~178 mg/m3(9% O2)，該工況下對應鍋爐飛灰含碳14.9%，折算鍋爐熱效率可達91.7%。
該研究成果以《煤粉工業鍋爐預燃式低氮燃燒器試驗研究與開發》為題在《潔凈煤技術》進行了網絡首發。
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引用格式
許鑫瑋,譚厚章,王學斌,等.煤粉工業鍋爐預燃式低氮燃燒器的試驗研究與開發[J/OL].潔凈煤技術:1-8[2020-10-21]
.http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3676.TD.20200923.1128.002.html.
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