（热能工程专业论文）低nox煤粉燃烧技术现状及其燃烧器性能优化.pdfVIP

山东大学硕士学位论文 摘要 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，但也因此产生了严重的环境污染 问题。随着能源短缺和环境污染的日趋严重，煤的燃烧理论和技术越来越受到人 们的重视。为了提高煤尤其是劣质煤的燃烧效率、燃烧稳定性能和降低污染物的 生成，高浓度燃烧技术和燃烧器研究成了一个重要的发展方向。 本文首先介绍煤燃烧时氮氧化物的生成机理及控制其排放的技术，包括n o x 的生成机理，n 2 0 的生成和破坏，燃烧方式对n o x 排放的影响，重点介绍一种低 n o x 燃烧技术：p m 型浓淡分离燃烧。 p m 型浓淡分离燃烧器是最早引入我国的低污染型煤粉燃烧器。其主要原理是 借助离心分离作用，将一次风粉气流分成浓淡两股。浓相气流容易着火，淡相气 流则支持后续的燃烧并补充氧气。这种浓淡分离的燃烧技术由于分离了n o x 生成 的两个基本必要条件：高氧和高温，因而可抑制燃烧产物中n o x 含量。 黄台电厂7 号炉为日本三菱公司制造的3 0 0 m w 级煤粉锅炉，燃烧方式为直流 燃烧器四角布置、切向燃烧，采用较早期的p m 浓淡分离型直流燃烧器。这是一种 典型的分级燃烧方式，然而，其浓、淡风口的风量分配悬殊较大，浓相喷口的过 大风量使其内的煤粉浓度实际上提高不多；另外也使浓喷口的一次风速偏高，不 利贫煤着火。造成的结果是锅炉低负荷稳燃能力较差，最低的不投油稳燃负荷仅 能达到6 0 6 5 ，故需对此燃烧器进行结构改造。 本文以此类燃烧器作为研究对象，在模化试验的基础上对电站锅炉p m 型煤粉 燃烧器的分离装置进行结构优化。并应用了数值模拟软件p h o n i c s ，采用常用的 k e 双方程模型等数学模型，对燃烧器不同结构进行了气固两相流流动模拟。结 果表明，燃烧器存在一个最佳结构模型。同时，k e 双方程模型可以应用于电厂 锅炉的p m 型浓淡分离燃烧器模拟，实践证明计算是成功的。 在模拟实验中，对p m 型煤粉燃烧器的分离器进行了改造调整和结构研究，就 影响浓淡比和风量分配的结构因素进行了模拟试验、确定了主要影响一次风、粉 浓度分离器的结构特点，得到了分离器在不同方向上的结构变化对风、粉浓度的 影响规律。 本研究所得出的结构组合以及优化参数已经用于3 0 0 m w 电站锅炉p i 型燃烧 器的分离装置的设计，并取得了可观的效益。 关键词： 氐n o x 控制：p m 燃烧器：浓淡分离；数值模拟：结构优化 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n ai st h el a r g e s tc o a lp r o d u c i n ga n dc o n s u m i n gc o u n t r yi nt h ew o r l d t h e r e f o r e ， s e r i o u sp o l l u t i n gp r o b l e m so f e n v i r o n m e n to c c u r w i t he n e r g ys h o r t a g ea n dg r a d u a l l y s e r i o u sp o l l u t i o no f e n v i r o n m e n t ，p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ec o a lb u r n i n gt l e o r y a n dt e c h n o l o g y i no r d e rt oi m p r o v ec o a l ，e s p e c i a l l yi n f e r i o rc o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d b u r ns t a b i l i t ya n dr e d u c et h ef o r m a t i o no f c o n t a m i n a t i o n ，t h er e s e a r c ho nh i g hd e n s i t y c o m b u s t i o nt e c h n o l o g ya n db u r n e rb e c o m e so n eo f t h em o s td e v e l o p m e n td i r e c t i o n s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ef o r m u l a t i o nm e c h a n i s ma n di t st e c h n o l o g y d i s c h a r g e do ft h ec o n t r o lo ft h en i t r o g e no x i d ew h i l ec o a lb u r n i n g i ti n c l u d e st h e f o r m u l a t i o nm e c h a n i s mo fn o x ，f o r m u l a t i o na n dd e s t r u c t i o no fn 2 0 ，b u r n i n gm o d e s e f f e c t i o nt od i s c h a r g eo fn o x i tw o u l di n t r o d u c eak i n do fl o wn o xc o m b u s t i o n t e c h n o l o g y ：p o l l u t i o nm i n i m u mc o n c e n t r a t e dt h i ns e p e r a t i n gb u r n i n g p mc o n c e n t r a t e d - t h i ns e p e r a t i n gb u r n e ri st h em o s te a r l yl o wp o l l u t i o nc o a l b u r n e ri n t r o d u c e dt oc h i n a i t sc a r d i n a lp r i n c i p l ei sb ym e a n so fc e n t r i f u g a t i o n f u n c t i o na n daw i n dp o w d e ra i ri sd i v i d e di n t ot w os e c t i o n s t h ec o n c e n t r a t e ds e c t i o n i se a s yt oc a t c hf i r e t h et h i ns e c t i o ns u p p o r t st h ef o l l o w - u pb u r n i n ga n ds u p p l y o x y g e n t h i sc o n c e n t r a t e d - t h i ns e p e r a t i n gb u r n i n gt e c h n o l o g ys e p a r a t e st h et w ob a s i c a n de s s e n t i a lc o n d i t i o n s ：h i g hd e n s i t yo x y g e na n dh i g ht e m p e r a t u r ew h i c hl e a dt ot h e f o r m a t i o no fn o x t h e r e f o r e ，i tc o u l dr e s t r a i nt h ec o n t e n to fn o xi nt h eb u r n i n g p r o d u c t i o n n u a n g t a ip o w e rp l a n t sn o 7b o i l e ri s3 0 0 m wc o a lf i r e db o i l e rm a d e 访j a p a n e s e m i t s u b i s h ic o m p a n y i t sw a yo f b u r n i n gi sl i n e a rb u r n e rc o l l o c a t e di nf o u rc o r n e r sa n d s l i c et h ed i r e c t i o nt ob u r n i n g i ta d o p t st h ee a r l i e rp mc o n c e n t r a t e d t h i ns e p e r a t i n g b u r n e ra n dt h i si sar e p r e s e n t a t i v eb u r n i n gw a yo fs t a g e dc o m b u s t i o n b u tt h e d i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h ec o n c e n t r a t e da n dt h i nw i n de x p o r ti sg r e a td i s p a r i t y t h e o v e r - a b u n d a n c eo fw i n di nt h ec o n c e n t r a t e de x p o r tr e s u l t si nt h e n o tt o oh e i g h t e n i n go f c o a lt h i c k n e s s f u r t h e r m o r e ，t h ew i n dv e l o c i t yo fc o n c e n t r a t i o ns p o u ti sh i g h e rw h i c h d o e sh a r mt oi n f e r i o rc o a li g n i t i o n t h er e s u l ti sw h a tb o i l e r sr e l i a b l eb u r n i n gc a p a c i t y i nt h ec a s eo fl o wl o a di sp o o r ，i t sr e l i a b l eb u r n i n gc h a r g ei so n l y6 0 6 5 w h e nn o o i li sl a u n c h e d t h e r e f o r e ，r e c o n s t r u c t i n gt h i st y p eo f b u r n e ri sn e c e s s a r y 。 山东大学硕士学位论文 t h i sp a p e rw o u l ds t u d yt h i sb u r n e r ，o p t i m i z ep o w e rp l a n t sb o i l e rp mp u l v e r i z e d c o a lb u r n i n gb u r n e r sc o n s t r u c t i o no nt h eb a s i so fm o d u l a r i z i n gt r i a l t h e nn u m e r i c a l s i m u l a t i o ns o f t w a r e p h o e n i c si sa p p l i e dt om o c kt h ef l o wo ft w op h a s e s a d o p t i n g l c t w oe q u a t i o n sm o d e l ，t h ea u t h o rc o m p l e t e st h et w op h a s ef l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fd i f f e r e n tb u r n e r ss t r u c t i o n s t h er e s u l ts h o w st h a tb u r n e rh a v ea o p t i m u ms t r u c t u r em o d e l a to n et i m e ，k - et w oe q u a t i o n sm o d e lc anb ea p p l i e di np m c o n c e n t r a t e d - t h i ns e p e r a t i n gb u r n e rs i m u l a t i o no fp o w e rp l a n tb o i l e r s t h ec a l c u l a t i o n i s s u c c e s s f u l i nt h ep r o c e s so fs i m u l a t i n ge x p e r i e n c e ，p mc o n c e n t r a t e d t h i ns e p e r a t i n gb u r n e r c o n s l r u c t i o ni sm o d u l a t e da n dr e s e a r c h e da n ds i m u l a t i n ge x p e r i e n c ei sm a d eo nt h e i n f l u e n c i n gf a c t o r s o ft h ec o n c e n t r a t e d t h i nr a t i o na n dw i n dd i s t r i b u t i o n t h e c o n s t r u c t i o nw h i c hi n f l u e n c e st h ed e n s i t yo ft h ef i r s tw i n da n dp u l v e r i z e dc o a li s c e r t a i na n dd i s c i p l i n a r i a nw h i c hs e p a r a t o r sv a r i e dc o n s t r u c t i o ni n f l u e n c e st h ed e n s i t y o f t h ew i n da n dp u l v e r i z e dc o a li na l ld i r e c t i o n si sa c q u i r e d t h ec o m b i n e dc o n s t r u c t i o n sa n do p t i m u mp a r a m e t e r sd r a w nf r o me x p e r i e n c e s h a v em a d eu s eo fi nt h ed e s i g no f3 0 0m wp mb u r n e rs e p a r a t o ri np o w e rp l a n ta n d c o n s i d e r a b l eb e n e f i ti so b t a i n e d k e y w o r d s ：l o wn o xc o n t r o l ；p mb u r n e r ；c o n c e n t r a t e d t h i ns e p e r a t i n g ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o ms t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 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为了满足这些要求必须发展新型的煤粉燃烧技术和相应的煤粉燃烧器。近 年来国内外许多科研机构、大学和锅炉制造公司丌发了各种新型的煤粉燃烧器， 其中重要的一类是浓淡型煤粉燃烧器。浓淡燃烧技术是近几年来国内外采用的一 种新型燃烧技术。这种技术是通过一些措施把一次风煤粉气流分成2 股含煤粉量 山东大学硕士学位论文 不同的气流，即含煤粉多的浓气流和含煤粉少的淡气流，分别送入炉内燃烧。 常规煤粉燃烧器是通过一、二次风间接控制煤粉的总体浓度，投运后也不从 控制浓度角度考虑组织燃烧，浓淡煤粉燃烧技术则完全不同。浓淡煤粉燃烧技术 是指将一次风粉混合物经过浓缩形成浓淡两股气流，从而保证在着火区形成高浓 度燃烧。风粉气流中煤粉浓度的提高和空气份额的降低，使得煤粉气流着火热减 少，着火温度降低，火焰传播速度提高。煤粉吸收的辐射热量增加，这些都有利 于着火和稳燃：并且由于煤粉气流中氧量不足，因此在燃烧初期形成还原性气氛， 使得n o ，的生成量减少。因此这种燃烧技术同时具有低n 0 、和强化稳燃两大优点。 美国c e 公司、f w 公司，英国的拔伯葛公司以及德国m a n 公司在解决劣质煤， 特别是低挥发份无烟煤稳燃问题时，倾向于应用w 型和u 型火焰燃烧技术。根据 他们的运行经验，当煤的挥发份小于1 1 1 4 时，就应使一次风中煤粉浓度增 加，以保证煤粉气流着火稳定”1 。原苏联也曾采用提高次风中煤粉浓度的方法 来改善着火，但需要采用高浓度输粉系统。日本三菱重工( m h i ) 开发的p m 型燃 烧器是污染最小型( p o l l u t i o nm i n i m u m ) 燃烧器的简称。p m 型直流燃烧器的关键 部件是煤粉适配器，它由一次风管弯头、浓煤粉喷口和淡煤粉喷口组成，次风 粉气流流经弯头时在离心力的作用下进行惯性分离，浓粉气流进入上喷口，淡粉 气流进入下喷口，从而实现煤粉浓淡偏差燃烧。后来在运行中发现，这种燃烧 器不仅n o , 的排放量少，而且燃烧稳定性明显加强”1 。 1 2 课题概述 黄台电厂7 号炉为日本三菱公司制造的3 0 0 m w 煤粉锅炉，燃烧方式为直流燃 烧器四角布置、切向燃烧，采用较早期的p m 浓淡分离型直流燃烧器。该型燃烧 器将一次风粉在进入炉膛之前靠弯头的离心作用和分离块的引导，将一次风粉分 成浓相和淡相两股，分别从高低两个喷口( 高为浓喷口、低为淡喷口) 射入炉内。 这是一种典型的分级燃烧方式，由于首先着火的浓相为贫风富燃料，因而着火条 件优越，n o 。产量很少，为低负荷稳燃和污染物控制创造了良好的条件。 然而，7 号炉在运行中存在一些问题，其中最值得重视的，就是锅炉低负荷 稳燃能力较差，最低的不投油稳燃负荷仅能达到6 0 6 5 ，稳燃性能还不及使用 w r 型燃烧器的c e 锅炉。而从三菱的炉膛设计看，其炉膛容积偏小，炉膛的容积 热负荷高，稳燃能力本应优于其它炉型。究其原因，除了炉膛强风环直径偏小外， 它的风粉分离效果不明显。现场数据显示，燃烧器高、低喷口的风量分配悬殊较 山东大学硕士学位论文 大，高喷口的风量过大使其内的煤粉浓度实际上提高不多，也使浓喷口的次风 速偏高，不利贫煤着火。考虑到7 号炉的p m 燃烧器属三菱公司较早期的产品， 结构上的进一步优化也是必要的。为此，决定对该型燃烧器进行模化优化实验， 以确定可获得最大煤粉分离效率和均匀风量的结构参数，为7 号炉低负荷稳燃的 性能改进提供依据。 本研究课题以黄台发电厂7 号炉3 0 0 m w 机组锅炉的p m 型煤粉浓淡分离燃烧 器为研究对象，应用p h o e n i c s 模拟软件对燃烧器不同结构进行模拟计算，根据 计算结果，对几种典型结构进行研究和对比，为寻求最优化的结构作了初步的尝 试，所得最优结构可用于国内同类型燃烧器的改造并为燃烧器设计提供重要依 据。 山东大学硕士学位论文 2 低n o x 煤粉燃烧技术现状 2 1n o x 的分类 煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮( n o ) 和二氧化氮( n o ：) ， 这二者统称为n o 。此外，还有少量的氧化二氮( n 2 0 ) 产生。和s 0 。的生成 机理不同，在煤燃烧过程中氮氧化物的生成量和排放量与煤燃烧方式，特别 是燃烧温度和过量空气系数等燃烧条件关系密切。 通常的燃烧温度下，煤燃烧产生的氮氧化物中，n o 占9 0 以上，n 0 ： 占5 1 0 ，而o 只占l 左右。燃用空气中的n ：是以三键氮( n ；n ) 的 形式存在，键能为9 4 5 k j m o l ；燃料中的氮则以碳氮三键( c s n ) 和单键( n c 和n h ) 存在，其键能分别为7 9 1k j m o l 和4 5 0 k j m o l ，因而燃料在 受热时，氮容易释放出来。由于氮的键能不同，以及与氮进行反应的介质成 分不同，在煤燃烧过程中，生成n o 。的途径有三个： ( 1 ) 热力型n o ，( t h e r m a ln o 。) ，它是空气中的n 。在高温下氧化而生成 的n o 。 ( 2 ) 燃料型n o 。( f u e ln o 。) ，它是燃料中含氮化合物在燃烧过程中进 行热分解继而进一步氧化而成的n 0 ：。 ( 3 ) 快速型n o 。( p r o m p tn o 。) ，它是燃料对空气中的氮和燃料中的碳 氢离子团如c h 等反应生成的n o 。 图2 1 是煤粉炉中三种类型的n o 。其各自的生成量的范围和炉膛温度的 关系1 。 图2 1 煤粉燃烧中各种类型n o 。的生成量和炉膛温度的关系 山东大学硕士学位论文 由图可见，煤粉燃烧所生成的n o ，中，燃料型n o ，是最主要的，它占n o ， 总生成量的6 0 8 0 以上；热力型n o 。的生成和燃烧温度的关系很大，在 温度足够高时，热力型n o ，的生成量可占到总量的2 0 ：快速型n 0 、在煤燃 烧中的生成量很小。 2 2n o x 的生成机理 2 2 1 热力型n o x 的生成机理 热力型n o ，是燃烧时空气中的氮( n ：) 和氧( 0 7 ) 在高温下生成的n o 和 n o ：的总和，其生成机理，遵从捷里多维奇机理( z e l d o v i c h ) 。这位f i 苏联 科学家认为，热力型n o ，是一个由氧原子引发的自由基链反应： 0 + 2 _ n o + n ( 2 1 ) + 0 2 寸n o + 0 ( 2 2 ) 因此，高温下生成n o 和n o ：的总反应式为： 2 + 0 2 营2 n o ( 2 3 ) n o + 0 2 n 0 2 ( 2 4 ) 在反应中，氮原子只能从( 2 1 ) 式中产生，而不能通过氮的分解产生。 ( 2 1 ) 式的反应活化能量高，控制着反应的速度。热力型n o 。的生成速度 和温度的关系是按照阿累乌尼斯定律进行的。当温度 径向扩散火焰，轴向扩 散火焰。 ( 2 ) 化学当量比 化学当量比对燃料型n o ，的影响体现在燃烧的过量空气系数。试验表明”1 ： 过量空气系数小于0 5 范围内，n o 。的生成量随过量空气的增大而增大；在0 5 1 0 范围内，燃料型n o 。的生成量随过量空气系数的增大而减小；在1 ，o 2 0 范围内，n o 。随过量空气系数的增大而增大。其变化规律或变化曲线的变化趋势 还与热解产物有关。过量空气系数对n o ，生成量的影响机理，尚待进一步研究。 ( 3 ) 燃烧温度 烟气温度增加，n 0 。总量增加。但对于燃料型n o ，当温度不高时，随着烟 气温度增加，其增加量不多：但温度高于2 4 0 0 k 时，烟气温度增加，其燃料型 n 0 ；明显增加“1 。 热风温度对n 0 ；的影响较复杂，研究结果的差别较大“”，但定性结论一 致：热风温度提高，n o 。排放量明显增加。有种观点解释为：热风温度提高到较 高值时，烟气温度随之提高，致使n o 。排放量增加。 ( 4 ) 煤质 煤质不同，氮氧化物的生成量不同。煤质不同，其含氮量及挥发份含量 不同。煤的含氮量高，其燃料氮的转化率低，但n 0 ，的排放量增加。一般情 况下，挥发份含量高，n o 。排放量也高。 综上所述，控制燃料n o 。生成的方法主要有： ( 1 ) 使用含氮量低的燃料： ( 2 ) 采用燃料过浓燃烧： ( 3 ) 扩散燃烧时，抑制燃烧与空气的混合。 2 2 3 快速型n o x 的生成机理 快速型n o 。是1 9 7 1 年费尼莫尔( f e n i m o r e ) 通过实验发现的，即在碳 氢化合物燃料燃烧在燃料过浓时，在反应区附近会快速生成n o 、。快述，型n ( ) 和热力型和燃料型n 0 。均不同，它是燃料燃烧时产生的烃等撞击燃烧空气中 的n ：分子而生成c n 和h c n ，然后h c n 等再被氧化成n o ，。如以a = 0 7 0 8 的预混天然气进行燃烧试验，所生成的几乎全部是快速型n o 。测量发现， 生成的n 0 ，不是在火焰的下游，而是在火焰的内部。 山东大学硕士学位论文 研究表明，快速型n o 。对温度的依赖性很弱。一般情况下，对不含氮的 碳氢燃料在较低的温度燃烧时，才重点考虑快速型n 0 ，。因为当燃烧温度超 过1 5 0 0 c ，热力型n o 。将起主导作用。对燃烧设备而言，快速型n 0 、与热力 型和燃料型n o ，相比，其生成量要少得多，一般在总n o 。生成量的5 以下”。1 。 2 3 煤燃烧生成n o x 的控制 从对热力型、燃料型和快速型三种n o 。生成机理的介绍中可以看出，不 同种类的n 0 ，的生成机理是不同的，主要表现在氮的来源不同、生成的途径 不同和生成的条件不同，但它们之间又有一定的联系。因此，可以用图2 3 来描述这三种n o 。的生成和破坏机理，同时也可看出这三种n o 。生成机理的 区别和联系。 三种n o ，在煤燃烧过程中的情况很不相同。快速型n o 。所占比例不到5 ，在温度小于1 3 5 0 c 时，几乎没有热力型n 0 。，只有当燃烧温度超过1 6 0 0 ，如液态排渣煤粉炉中，热力型n o 。才可能占到2 5 3 0 。而对常规煤 燃烧设备，n o 。主要是通过燃料型的生成途径而产生的。因此，控制和减少 煤燃烧产生的n 0 。主要是控制燃料型n 0 ，的生成。 从燃料型n o ，的生成和破坏机理可知，为了减少燃料型n o 。，不仅要尽 可能得抑制n o 。的生成，而且对已生成的n o 。，则要创造条件尽可能得促使 n o 。的破坏和还原。 快鼍曩l q ( # 曩) 图2 3n o 。生成机理 山东大学硕士学位论文 图2 4 中表示还原性气氛箭头方向的，就是抑制n o 生成和促使n ( ) 。破 坏的途径。 # 曩的转换 图2 4 抑制n 0 l 的生成和促使n o 。破坏途径的示意图 在常规燃煤设备的燃烧温度1 2 0 0 1 3 5 0 的条件下，燃料n 的7 0 9 0 会转化为挥发分n 。研究表明，在 1 的贫燃料燃烧时，5 7 6 1 的 燃料型n o 。是来自挥发分n 。而在 1 的富燃料区燃烧时，由挥发分n 生成 的n o ；会大大地减少。因此，利用挥发分n 转化为n o 时对当地空气燃料 十分敏感这一特点，在煤燃烧过程的一定阶段和一定区域，设法建立o l 的富燃料区，使燃料氮在其中尽可能多地转化成挥发分n ，从而在还原性气 氛的条件下促使燃料氮转变为分子氮( n ：) 。图2 4 中中间 h 箭头所示的方 向，就是抑制n o 。生成的反应途径。根据这一原理，发展了空气分级、低过 量空气系数和烟气再循环等低n 0 。燃烧技术。 对于已经生成的n o 。，则可根据n 0 。的破坏和还原机理，利用某种燃料 作为还原剂，喷入炉膛的某一合适部位以还原燃烧产物中的n o 。图2 4 中 右边n 0 ，箭头所示的方向，就是促使还原和破坏的反应途径。根据这一原理， 发展了n 0 再燃烧或燃料分级燃烧的低n o 。燃烧技术。 可见，低n 0 。燃烧技术已经有了很大的发展。结合本课题研究对象，将 重点探讨浓淡燃烧技术。从n o 。形成机理分析，过剩空气系数a = l 时的排 放量最大。为避免这种情况，应设法使部分燃料在空气不足条什卜燃烧，即 燃料过浓燃烧：另一部分燃料在空气过剩的状态下燃烧，即燃料过淡燃烧。 无论燃烧是过浓燃烧还是过淡燃烧，燃烧时a 都不等于1 ，前者a 1 ，故此种燃烧又称为非化学当量比燃烧或浓淡偏差燃烧。 浓淡偏差燃烧时，燃料过浓，则0 。不足，燃烧温度低，使热力型降低； 燃料过稀，则空气量太大，燃烧温度同样不高，总的n o 。排放量较低。某厂 8 0 m w 锅炉试验表明，用这种燃烧方式可使n o ；降低1 2 。浓淡偏差燃烧技 术较成功的例子是煤粉的浓淡分离，主要的办法有弯管法、叶片法、挡块法 和射流分离法等。 尊 重 吾 a )f 口i 图2 5电站锅炉过剩空气系数与n 0 。排放量和锅炉经济性的关系 2 4p m 型低n o x 燃烧器 图2 6 所示为日本三菱公司的p m 型低n o ，燃烧器1 ，实际上它是一种 空气分级燃烧器。为了使煤粉的着火过程形成富燃料燃烧，以控制n o ；的生 成，一次风煤粉混合物在进入燃烧器之前，先经过一个弯头，由于煤粉比重 大，在弯头处拐弯时由于惯性而多数进入上面的富燃料喷口，少量煤粉随空 气进入下面贫燃料喷口。 从富燃料喷口进入炉膛的煤粉是在a l 的条件下着火燃烧的，因此，又称其为燃料浓淡燃烧。 浓煤粉气流是富燃料燃烧，着火稳定性得到改善，挥发份析出速度加快，且 造成挥发份析出区缺氧，使已形成的n 0 ；与n h 反应生成n = ，并使n h ，相互反 应，从而达到降低n o 。排放的目的。另外，由于贫氧燃烧，燃烧温度低，也 降低了热力型n o 。的生成量。淡煤粉气流是贫燃料燃烧，由于空气过多使火 焰温度降低，有利于抑制热力型n o 。的生成。同时，贫燃料燃烧火焰稳定， 有利于稳定着火过程。这样，在燃烧器区域燃料的贫、富燃烧同时进行，然 后再混合上升并与最上面的“火上风”混合，在燃烬区完成整个燃烧过程。 山东大学硕士学位论文 图2 ，6 日本三菱公司的p m 型低n o 。燃烧器 采用燃料浓淡燃烧的空气分级燃烧器，能够达到比一般空气分级燃烧器 更低的n o 。排放值。图2 7 所示为p m 型燃烧器的n o 。生成特性曲线”。 1 占 j 壁 的火焰 0 q 岛3 4 岛7 8 一次风的空气与蔗糟之比w o 取曲锄 图2 7p m 直流煤粉燃烧器的n o 。生成特性曲线 由上图可见，上面的一条曲线是由普通燃烧器形成的火焰中n o ，的生成 浓度和一次风中空气和煤粉重量比a c 的关系。显然，a c 越大说明火 焰中含氧量越高，则n o 。的生成量越大。下面的一条曲线为一般的低n ( ) 。燃 烧器( 包括p m 型燃烧器) 形成的n o 。浓度和a c 的关系。在a c = 3 4 时，其空气量相当于某些类型煤种( 如v d n i = 2 4 的烟煤) 的挥发份完企燃 烧时所需的理论空气量。在a c = 7 8 时，其空气量相当于煤完全燃烧时 所需的理论空气量。因此，当a c 3 4 时，相当于分级燃烧的富燃料燃烧 区内的情况，a c 越小，n o 。的生成量越低。当( 3 4 ) a c ( 7 8 ) 时， 挥发份已经燃烬，焦炭已经开始燃烧，但空气量达不到焦炭完全燃烧的要求， 山东大学硕士学位论文 这不仅抑制了焦炭n o ，的生成，而且还原性气氛还有利于已生成的n o 、的还 原，使n o 。的浓度减少。从图2 7 下面的曲线随a c 的变化趋势可见，在a c 7 8 时，燃烧处于氧化性气氛中，n 0 。的浓度又随着 a c 的增加而增加。 从图2 7 上还可以看出，如果从一次风煤粉输送管来的空气煤粉混合物 的a c = c 。对普通燃烧器来说，火焰中生成的n o 。浓度为( n o 。) 对于一 般的低n 0 ，燃烧器，火焰中的n o 。的浓度为( n o 。) 。而对于具有贫、富燃烧 功能的p m 型燃烧器，因为它能将浓度为a c = c 。的煤粉气流分成两股，其 中一股a c = c 。( c 。 3 4 ) 。从富燃料喷口送入 炉膛，此时富燃料火焰中的n o ，浓度为( n o ；) 。：。因而，p m 型燃烧器在燃烧 区中所生成总n 0 ，浓度按重量平均为( n o 。) ，。显然，( n o 、) 。比( n o 、) 。 小的多。 图2 8 为在燃烧不同煤种时普通直流煤粉燃烧器、s g r 型燃烧器( 一种 烟气再循环的低n o 。燃烧器) 和p m 型燃烧器其n o ，的排放浓度和燃烧器的“火 上风”所占份额的关系卟1 。 孑 誉 i e 呈 p f 如 l jb 。h誓 ，n l 、 j k f 让 r 、 。 q 警jr 弋 峰 、，、 毒潲 q 。 、 t ， ， 一 、jp ，lti ll l i| l 、l 凄 蹼 日 十 南t 土固 刺 亚 非 、， 堪 燃 正 堪 一窖 j 户 l 试鞋炉v o 第二一：挠空气c o f ) g r 至p m 室2 0 卜j 鲤堕l 翠! 丝竺丝 图2 8p m 型燃烧器的n 0 。排放值与其它几种燃烧器的比较 山东大学硕士学位论文 由图可见，在空气分级的基础上当一次风采用贫、富燃料燃烧后，n o ， 的排放值还可以再降低5 0 l o o p p m ，使其最终n o 。排放值为1 4 0 6 5 p p m 。 2 5p m 型燃烧器的关键技术 要使燃烧同时达到高效、稳燃、低污染、防止结渣和高温腐蚀的目的， 必须解决水平浓淡燃烧方式中的关键技术。这就是合适的浓缩比和浓淡一次 风的合理混合。这两方面是互相紧密关联的，在燃烧器的设计中必须综合考 虑这2 个因素的影响。 2 5 1 浓缩比 浓缩比是指一次风经过浓缩器被浓缩后，分成的两股浓淡一次风气流中 煤粉浓度之比。若以c ，表示浓煤粉气流中的煤粉浓度，c 。表示淡煤粉气流 中的煤粉浓度，c ；。表示未浓缩前一次风中的煤粉浓度，则浓缩比r 。= c 。，c 。 同时，与浓缩比相关的量还有浓淡风比和浓缩效率。浓淡风比r 。定义为浓 淡两股气流中空气量q ，。和q ，。的比值；浓缩效率z 定义为浓煤粉气中的煤粉 量m ，与未浓缩前一次风中总煤粉量i n 。的比值。在工程上常取r u ：l ，即浓 淡两股气流中的空气量相等。这时，煤粉浓度与浓缩效率或浓缩比的关系如 图2 g 所示。 图2 9浓淡气流量相等时煤粉气流中煤粉浓度、 浓缩比和分离效率之间的关系 一般一次风中的煤粉浓度为o 5 0 6 k g k g ，即每千克空气中含有 0 5 0 6 k g 煤粉。如果取浓淡风比r o = l ，并以c 。= 0 5 k g k g 为例，则浓缩 山东大学硕士学位论文 比和浓淡一次风气流中煤粉浓度的关系如表2 1 所示。 表2 1 浓缩比与浓淡气流中煤粉浓度的关系 r 。1 ：l2 ：l3 ：l4 ：l5 ：l c r ，( k g k g ) o 50 6 70 ，7 5o ，8o 8 3 c ( k g k g ) 0 50 3 3o 2 5o 20 17 理论和实验结果都证明，一次风中的煤粉浓度对稳燃影响很大。这可以 从下面3 方面来讨论”川。 首先，浓煤粉气流的着火温度低。研究表明“”：不同煤粉浓度和不同一 次风率的着火温度可由图2 1 0 表示。 图21 0 不同煤粉浓度和一次风率下煤粉气流着火温度 随着煤粉浓度的增加，煤粉的着火温度降低，着火可以改善。浓一次风 在向火侧形成了稳定的火焰，造成高温环境，淡一次风也会随之及时着火。 其次，浓煤粉气流着火时间短。由于煤粉浓度提高以后，在其它条件不 变的情况下，由于着火温度降低，使浓一次风被加热到着火温度的时问缩短。 实际上，煤粉浓度提高后，火焰传播速度也提高了，这也使着火时i 刮缩短。 e s s e n h i g h 和c s a b a “83 的研究表明煤粉浓度越高，最小着火时间越短，而且 温度越高，浓度的影响作用越大。 再次，浓煤粉气流的着火热减少。煤粉气流着火前，需要加热到着火温 度，这部分热量叫做着火热。它由加热干煤、煤粉气流中所含水分和空气3 部分热量组成。这部分热量随煤粉浓度的变化如图2 1l 所示。可见，随着 煤粉浓度的增加，着火热将大幅度减少。 由上述分析可知，当煤粉气流中的煤粉浓度提高以后，煤粉的着火温度 降低，火焰传播速度加快，着火时删缩短，着火热减少，使煤粉7 i 流及时符 山东大学硕士学位论文 火，减少了对外来热源的依赖。在结构布置上使高煤粉浓度气流向火，由于 煤粉浓度高，向火面大，使水平浓缩煤粉燃烧器的着火稳定性提高。哈尔滨 工业大学在1 m w 的热念试验台上的试验结果也证明了这一点。 o lo ，3o 50 7mg1 1l 31 5 y 图2 11煤粉浓度和煤粉气流着火热的关系 影响结渣和高温腐蚀的一个重要的因素是水冷壁附近的气体成分在还 原性气氛下，灰渣的熔点降低。容易造成结渣。而且当燃用含硫量多的煤时， 还原性气氛下会产生h ：s 气体，造成燃烧器区水冷壁的高温腐蚀。水平浓缩 煤粉燃烧器将一次风分成浓淡2 股气流，使含煤粉很少的淡气流在背火侧， 造成水冷壁附件的氧浓度增加，而且还可以避免燃用高硫煤时的高温腐蚀。 浓缩比越高，这种作用就越强。 2 5 2 浓淡一次风的混合 浓淡一次风的合理混合是指在浓一次风着火后，淡一次风能及时地逐步 混入，保证煤粉燃烧地需要，最后再与二次风混合形成强烈的火焰。 浓淡两股一次风煤粉气流分别喷入炉膛，浓一次风处于向火侧。煤粉浓 度又高，因而首先着火。在其着火后淡一次风逐渐混入。如果淡一次风过早 地混入，等于降低了浓缩比，破坏了浓淡燃烧的效果。如果淡一次风过迟的 混入，浓一次风着火后处于缺氧状态，会使燃烧效率降低。 实验证明：单纯提高煤粉气流中的煤粉浓度，也可以达到稳燃和低n ( ) 。 排放的效果，但这要以降低燃烧效率为代价。因此，浓淡一次风的合理混合 是保证水平浓缩煤粉燃烧器性能的关键。 浓淡一次风的混合位置和混合速率由浓淡一次风的喷口间距和浓淡 次风2 股射流的夹角来控制。这2 个参数取决于燃用的煤质特性、浓缩比和 山东大学硕士学位论文 一次风速。大量的冷态实验结果已经证明”“1 ：根据煤种的要求，在一定的浓 缩比和一次风速下，浓淡一次风喷口间距和二者射流的夹角有个最佳范围， 在此范围内就可以保证浓淡一次风合理混合。 2 6 浓淡型煤粉燃烧器的技术现状 对煤粉锅炉来说，煤粉燃烧器是锅炉燃烧系统中的关键设备，不但煤粉 是通过燃烧器送入炉膛，而且煤粉燃烧所需要的空气也是通过燃烧器送入炉 膛的。煤粉气流的着火过程、炉膛中的空气动力和燃烧工况，主要是通过燃 烧器的结构及其在炉膛上的布置来组织的。因此，从燃烧的角度看，燃烧器 的性能对煤粉燃烧设备的可靠性和经济性起着重要作用。因此，通过特殊设 计的燃烧器结构，以及通过改变燃烧器的风煤比例，可以将前述的空气分级、 燃料分级和烟气再循环降低n o ，浓度的原理用于燃烧器，以尽可能地降低着 火区氧的浓度，适当降低着火区的温度，达到最大限度地抑制n