超低nox大量程煤粉燃烧器的开发

超低超低NOxNOx大量程煤粉燃烧器的开发大量程煤粉燃烧器的开发 近年来 由于环保要求 对燃煤发电厂期望能将NOx SOx 粉尘等环境污染物质的排 出量降低到同燃油火电相同的水平 特别是期望进一步降低NOX的生成量 同时 还期望确 立适应电力需要的 同燃油火电一样的低负荷运行性能 日本电力中央研究所与石川岛播磨重工业公司共同开发了可使灰中未燃分增加而将 煤粉燃烧时发生的NOx降低30 以上的超低NOx煤粉燃烧器 CI 燃烧器 为了提高该燃 烧器的低负荷运行性能 同通常的低NOx燃烧器改进低负荷燃烧稳定性一样 局部浓缩低负 荷时稀薄了的一次风中的煤粉浓度 是适于稳定燃烧的浓度调整的有效方法 1 1 超低超低NOxNOx煤粉燃烧器概念与低负荷稳定性煤粉燃烧器概念与低负荷稳定性 已开发的超低NOx煤粉燃烧器的概念如图1所示 为在不增加灰中未燃分的情况下大 幅度地降低NOx 在燃烧器附近的初期燃烧中采用低空气比和高温来促进煤的热分解 由 此可放出煤中的氮成分和降低残留炭 并且 生成的NOx通过后流部分中形成的还原火焰还 原 分解而得到有效降低 因此 可比以往更高地促进燃烧器附近的煤的热分解 形成高温的氛围气 在该高温还 原场中能充分确保煤粉粒的滞留时间 作为燃烧器部分的特点是 一次风管道为直管形状 二 次风管道为收缩形状 三次风管道为扩大形状 并且 一次风旋转较弱 二 三次风旋转都 很强 该燃烧器的负荷变化时的NOx 灰中未燃分的排出特性和稳定燃烧界限 如图2所示 该燃烧器不仅在额定负荷低的NOx 灰中未燃分的发生量比已有的低NOx燃烧器低 而且促 进了燃烧器附近的燃烧 由于具有增长煤粉滞留时间的构造 改善了低负荷时的燃烧稳定 性 相对于已有燃烧器最低负荷40 又降低了10 可在30 的低负荷下稳定燃烧 但是 为 了达到同燃油火电一样的最低负荷 期望能在20 负荷下稳定燃烧 着手进行了通过浓缩该 燃烧器的一次风中的煤粉进一步改善低负荷燃烧稳定性技术的开发 2 2 超低超低NOxNOx煤粉燃烧器应用的煤粉浓缩概念煤粉燃烧器应用的煤粉浓缩概念 为了局部浓缩诸如煤粉燃烧器一次风管道这样的直管中的粒状物质 使其在输送空 气中旋转 可以利用离心率将煤粉粒集中于外周部这一有效方法 将这一概念应用于原 低NOx 燃烧器中 开发了大量程燃烧器 实践证明具有同燃油火电一样的低负荷燃烧稳定性 但是 由于超低NOx煤粉燃烧器的一次风旋转较弱 因此强化其旋转时 燃烧器喷出的煤 粉易于扩散 不能形成有效的NOx还原火焰 作为应用于超低NOx煤粉燃烧器的煤粉浓缩方法 提出了如图3所示的2种方法 图 3 a 同前述的大量程燃烧器一样 采用切线流入方式加强煤粉在一次风中的旋转 并用 台形状 的可移动环将煤粉浓缩于燃烧器外周部分的方式 外周侧的浓缩器和内周侧的稀薄流采 用 中间筒分离后 为了抑制其旋转 将整流板设置为与流向平行 低负荷时 环接近燃烧器出 口 强化浓缩效果 额定负荷时 环远离燃烧器出口 减弱浓缩效果 另外 图3 b 注重于在同原来一样的弱旋转下可浓缩的环的形状 因此 可通过流线形 环将气流中的煤粉顺利地移动到外周部 与图3 a 的方法一样 低负荷时通过将浓缩环移 近燃烧器出口来增强浓缩效果 额定负荷时将浓缩环远离燃烧出口来减弱浓缩效果 以下以图3 b 所示的弱旋转流下可浓缩方式的研究结果为主 阐述评价本燃烧器的性 能 3 3 利用冷流试验探讨煤粉浓缩特性利用冷流试验探讨煤粉浓缩特性 采用图3 b 的燃烧器 设置流线形环的煤粉浓缩效果见图4 纵轴为将各测定位置的 煤粉浓度除以一次风管道内平均煤粉浓度的煤粉浓度比 在本研究中 检测了距燃烧器出 口25mm的位置设置环的情况下的燃烧器出口部分半径方向的煤粉浓度分布 为了比较 图 中一并绘出了将图3 a 所示的台形环应用于旋转弱的流场时的结果 采用任一种环的情 况下 燃烧器外周部分的煤粉浓度都很高 管道内的煤粉集中于元环的外周部分 但是 在 采用流线形环的情况下 具有越是外用部分浓度越高的单一倾向 而采用台形环时 内周 部分浓度也有一定增大 且有外周部分浓缩特性减弱的倾向 流场数值计算表明 在采用 台形环的情况下 惯性力很大的粉粒在环中发生冲撞后 又在一次风管道外周部分发生冲 撞 其结果 产生了反弹内周侧的现象 从而使内周侧的浓度增大 另一方面 流线形环将 气流平稳地移 至外周部分 粉粒也就能顺利地集中于外周侧 从而抑制了采用台形环时发生的粉粒反弹 图4 燃烧器出口部分半径方向的煤粉浓度分布 注 1环位置 流线型环为从燃烧器顶端到环顶部的距离 台形环为从燃烧器顶端到环上弦的靠近燃烧器出口端部的距离 现象 根据这些结果 在旋转弱的流场中仅靠浓缩环的作用来浓缩粉粒时 采用流线形环 应当是最佳方案 设置流线形环时 燃烧器出口到环设置位置的距离 从燃烧器顶端到环顶部的距离 与 燃烧器外周及内周部分的煤粉浓度之间的关系 如图5所示 环越接近燃烧器出口 外周部 分的浓度越高 由环造成的浓缩效果越强 当环位置距燃烧器出口25mm时 外周部分的浓 度约为管道内平均浓度的1 8倍 另一方面 随着环位置远离燃烧器出口 浓缩效果减弱 达80mm时降低到1 5倍 即在额定负荷下不必浓缩时 可将环远离燃烧器 4 4 超低超低NOxNOx大量程燃烧器性能评价大量程燃烧器性能评价 由上部分所述可以明确用流线形环可有效地浓缩低负荷时的煤粉流 因此 进行了在 实际的燃烧物中其低负荷时的燃烧稳定性的NOx 灰中未燃分排出特性的探讨 在以后的 试验中 采用了如图6所示的在浓缩环和燃烧器出口间设置为将外周部分的浓缩流和内周 侧的稀薄流分离喷出的中间筒 将浓缩分离后的气体流发散后燃烧的燃烧器 在这种情 况下 环位置为中间筒的靠近环的端部与环顶部间的距离 试验采用了电力中央研究所的 燃煤量为100kg h的小型燃烧试验炉 图7 该试验炉为钢板制横置圆筒型水冷炉 内径1m 长 8m 但是 由于炉内内衬是75mm厚的耐火材料 实质上内径为0 85m 并且 二段燃烧用空 气在流入方向上有14处进口 进口位置可变 在燃烧时的空气比为1 24 排烟中的过剩氧 浓度为4 二段燃烧率为30 的条件下进行试验 试验中将表1所示特性的纽兰茨煤粉碎 成浮径约40 m 200号筛筛出粒度占75 的煤粉供试 图7 煤粉燃烧试验炉 表1 供试煤粉 纽兰茨煤 特性 项 目指 标 水分 2 6 灰分 15 2 挥发分 28 4 固定碳 56 4 高位发热量 29183kJ kg 工业分析 低位发热量 28209kJ kg 燃 量 比 2 0 碳 71 8 氢 4 5 氮 1 6 氧 6 4 燃烧性硫 0 5 元素分析 不燃性硫 0 06 4 14 1 低负荷时的燃烧稳定性低负荷时的燃烧稳定性 在不具有浓缩功能的超低NOx燃烧器 CI 燃烧器 中设置流线形环 这种具有浓 缩效果的燃烧器和不具有浓缩环的CI 燃烧器的负荷与燃烧效率的关系见图8 任一种 燃 烧器在50 以上负荷时都显示出高的燃烧效率 相应于负荷从50 开始降低 燃烧效率也降 低 特别是不具有浓缩功能的CI 燃烧器急剧降低 到30 负荷时已不能保持稳定燃烧 图8 燃烧器负荷与燃烧效率的关系 相对于此 设置了流线形环的燃烧器 燃烧效率虽然也降低 但比CI 燃烧器降低倾向较 弱 通过浓缩使着火稳定 改善了低负荷时的燃烧特性 由于该效果 使燃烧器的低负荷更 为降低 同燃油燃烧器一样可在20 的低负荷下稳定燃烧 另外 在50 以上高负荷时 任一种燃烧器都具有高的燃烧效率 不具有浓缩效果的 CI一 燃烧器燃烧效率更高 本项研究中由于是将浓缩环设置于燃烧器附近 因此 在高 负荷 图9 环位置与燃烧效率的关系 注 1 空气比1 24 2 空气比1 52 时通过环的浓缩效果 外周侧形成煤粉过浓状态 反而降低了燃烧效率 所以 高负荷时可 将浓缩环远离燃烧器出口 减弱浓缩效果 从而来改善燃烧性能 环位置与燃烧效率的关 系见图9 在25 的低负荷下 将浓缩环靠近燃烧器出口 浓缩效果越高 燃烧效率越高 在 83 以上的高负荷下 浓缩环越远离燃烧器出口 浓缩效果越弱 燃烧效率越高 即根据燃 烧器负荷调整浓缩环的位置 按相应于各负荷的近似于燃烧器喷出流最佳浓度来设定 在 从高负荷到低负荷的宽负荷带时都能保持高的燃烧效率 达到同燃油火电一样的最低负荷 根据上述结果 选定具有图3 a 和图6所示形状的2种燃烧器作为超低NOx大量程燃 烧器 以下称为CI 大量程燃烧器 CI WR燃烧器 4 24 2 NOxNOx 灰中未燃分的排出特性 灰中未燃分的排出特性 相对于负荷的CI一 燃烧器和具有流线形环造成的浓缩效果的CI WR燃烧器的 NOx 灰中未燃分排出特性见图10 这里CI WR燃烧器浓缩环的位置 按相应于各负荷 能获得最高的燃烧效率的位置来设定 在80 以上高负荷时 CI 燃烧器 CI WR燃 烧器均形成基本相同的NOx 灰中未燃分浓度 表明CI WR燃烧器 CI 燃烧器均具 有在高负荷时有效降低NOx 灰中未燃分的效果 另一方面 当负荷减少时 灰中未燃分浓 度则具有增加倾向 CI WR燃烧器比CI 燃烧器能更大地抑制其增加量 表明具有更 高的改善低负荷燃烧特性的效果 但是 对于NOx排出特性来讲 由于低负荷燃烧特性的改 善 CI WR燃烧器出现了一定增高的倾向 但是 低负荷时排烟量少 可望提高脱氮装 置的效率 同时从降低灰中未燃分比降低NOx更为重要来考虑 可以说CI WR燃烧器低 负荷时的NOx 未燃分排出特性比CI 燃烧器具有更高的性能 图10 CI WR燃烧器与CI 燃烧器的NOx 未燃分排出特性的比较 具有上述流线形环的CI WR燃烧器与具有并用图3 a 所示的旋转流和台形环浓缩 方法的CI WR燃烧器的NOx 灰中未燃分排出特性的比较见图11 任一种方式通过浓 缩效果都能达到同燃油火电一样的在20 负荷下的稳定燃烧 2种燃烧器性能在低负荷区 域产生一定差异 图6的流线形环方式比图3 a 的旋转流方式低负荷时的NOx浓度高 灰中 未燃分低 其原因为 旋转流方式基本上能抑制气流的旋转 由于是煤粉本身旋转的残余 故在燃烧器喷出后易于扩散 无需充分地热分解 图11 煤粉浓缩方式不同的CI WR燃烧器的NOx 灰中未燃分排出特性的比较 5 5 扩大燃烧器容量时的性能评价扩大燃烧器容量时的性能评价 以上阐述的都是采用燃煤量100kg h 的小型燃煤试验炉 在超低NOx燃烧器 CI 燃 烧器 中设置流线形浓缩环的超低NOx大量程燃烧器 CI WR燃烧器 的开发结果 实际 设备中 要采用多个燃煤量为10t h以内的大容量燃烧器 燃烧器容量的增大将会对环造 成的煤粉浓缩特性产生影响 同时火焰增大也会使燃烧特性产生差异 为了探讨CI WR燃烧器对实际设备的适用性 在石川岛播磨重工业公司的大型试验炉上采用了燃煤 量为1 5t h的大容量燃烧器 进行了扩大容量时的性能探讨 图12 大型燃烧试验炉概念 本项研究中所采用的大型试验炉概念见图12 燃烧器设置于图中的横置型的突出的 部分 本试验中保持空气比为1 24 二段燃烧率为30 不变 供试煤同小型试验炉一样采 用纽兰茨煤 其粒径也设定为与前节相同 5 15 1 大容量燃烧器的煤粉浓缩特性大容量燃烧器的煤粉浓缩特性 在燃烧试验之前 在非燃烧场中探讨了流线形环的煤粉浓缩特性 在大容量CI 燃 烧器中设置流线形浓缩环的CI WR燃烧器的燃烧器出口断面的煤粉浓度分布见图13 纵轴与图4相同 为测定位置的煤粉浓度除以管道内的平均浓度 环位置越接近燃烧器出 口 内周侧与外周侧浓度比的差越大 环位置在距燃烧器出口75mm的位置时 外用部分的 浓度约为内周部分浓度的6倍 而当环远离燃烧器时 该差减小 当环位置为1m时 外周和 内周部分浓度比降低到2以下 与第3节所示的小容量燃烧器相比 小容量时外周部分浓度 最大可浓缩到平均浓度的1 8倍 而大容量燃烧器时为1 5倍 随着容量的增大 管径增大 煤粉移动距离增长 因此 减弱了浓缩效果 但是 浓缩1 5倍时即可作为20 负荷目标中的 CI一 燃烧器最低负荷 30 负荷 时的浓度 因此 将该燃烧器试用于以下的燃烧试验中 本次研究表明 在燃煤量从0 lt h到1 5t h达15倍的容量扩大中 浓缩效果只略有降低 通过该1 5t h燃烧器在实际设备中的应用 即使是再扩大4 5倍的最大容量燃烧器 根 据次此结果 浓缩性能也不会出现极端降低 图13 燃烧器出口部位半径方向的煤粉浓度分布 5 25 2 大容量超低大容量超低NOxNOx大量程燃烧器的燃烧特性大量程燃烧器的燃烧特性 相应于大容量CI 燃烧器和CI WR燃烧器各负荷的燃烧效率见图14 任一种燃 烧器当负荷从100 减少至50 时 燃烧效率都相应降低 具有浓缩环的CI WR燃烧器降 低倾向较弱 并且 在40 负荷以下的条件下 该大型试验炉相应于负荷的降低而降低空气 流量的情况下 难于对其控制 故将空气量保持为40 负荷时的量不变 因此 相应于负荷 降低 空气比上升 CI 燃烧器在该条件下出现燃烧效率降低的倾向 30 负荷以下不能 稳定燃烧 与此相反 CI WR燃烧器相应于空气比的上升 燃烧效率会出现上升倾向 20 负荷下能稳定燃烧 达到同燃油火电一样的最低负荷的目标 图14 有无煤粉浓缩环的燃烧效率比较 从高负荷到低负荷的大范围燃烧情况下 大容量CI 燃烧器与CI WR燃烧器的 NOx 灰中未燃分的排出特性见图15 100 负荷下 任一种燃烧器都形成基本相等的NOx 灰中未燃分浓度 大容量化时的CI WR燃烧器具有作为CI 燃烧器特征的高负荷时 的降低NOx 灰中未燃分效果 另外 负荷减少时 2种燃烧器形成的NOx浓度基本相等 CI WR燃烧器更能降低灰中未燃分浓度 流线形环造成的煤粉浓缩 极大地促进了燃烧 特别是该差越是低负荷时越大 环进一步形成了改善燃烧的效果 应用CI WR燃烧器 时的灰中未燃分浓度在很宽的负荷带中不产生大的差异 从灰中未燃分的观点出发 该燃 烧器能非常有效地生成均质的粉煤灰 从与小容量燃烧器的图11的同样观点出发 采用图3所示2种浓缩方法容量CI WR 燃烧器的NOx 灰中未燃分排出特性见图16 采用任一种浓缩方法 在全负荷带中都具有 基本相同NOx 灰中未燃分排出浓度 旋转流方式与流线形环方式未产生差异 图11的小 容量燃烧器研究表明 流线形环方式低负荷时灰中未燃分有一定增高 NOx将降低 旋转流 方式与其相同 这是因为小容量燃烧器旋转强所致 因此 前述的小容量燃烧器从燃烧器 喷出后的煤粉产生扩散 与流线形环方式没有差异 考虑到这些结果以及在实际设备中大 容量燃烧器的相似结果 可以认为在这种情况下旋转流方式和流线形环方式浓缩方法的性 能基本上无差异 图15 CI WR燃烧器和CI 燃烧器的NOx 灰中未燃分排出特性 图16 CI WR燃烧器煤粉浓缩方式的差对NOx 灰中未燃分排出特性的影响 可以明确 在超低NOx燃烧器 CI 燃烧器 中增加旋转流方式或流线形方式的煤粉 浓缩功能的超低NOx大量程燃烧器 CI WR燃烧器 都能同作为目标的燃油火电一样 在 20 负荷下