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燃煤鍋爐低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的研究及應(yīng)用
摘要：對煤粉鍋爐中常用的低NOx直流型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)和旋流型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)、降低NOx排放的原理以及應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。通過對兩種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的綜合分析和比較，提出了低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)進(jìn)一步研究的方向，以促進(jìn)我國燃燒技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。
  找國以煤作為主要能源，全國70%～80%的電力是由燃煤火電機(jī)組產(chǎn)生。統(tǒng)計(jì)顯示[1]，截至2003年底，全國發(fā)電設(shè)備容量為384.5GW，其中火電為285.64GW，占總?cè)萘康?4.3%。近年來，由于電力生產(chǎn)用煤長期供應(yīng)不足，同時(shí)存在煤種多變、煤質(zhì)偏差等情況，我國很多鍋爐的設(shè)計(jì)煤種逐漸以劣質(zhì)煙煤和低揮發(fā)分昀貧煤為主。因此，選擇適合不同煤種的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)日益受到電廠的關(guān)注。
  此外，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，火電裝機(jī)容量也逐年劇增，作為大氣污染控制項(xiàng)目之一的氮氧化物(NOx)污染問題也日趨突出。因此，嚴(yán)格控制鍋爐燃燒后NOx的排放，也是生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中應(yīng)高度重視的問題之一。
  電站鍋爐常用的煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)主要有直流型煤粉燃燒器和旋流型煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)兩種。目前，我國電站鍋爐中主要采用直流型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，采用旋流型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的鍋爐只占總?cè)萘康?0%。直流型煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)通常布置在爐膛的四個角上，生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的射流在噴入爐膛時(shí)本身無旋轉(zhuǎn)，主要依靠上下游射流的相互點(diǎn)火作用而穩(wěn)定燃燒。旋流型煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)可以前墻布置，也可以前后墻對沖布置，生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的射流在噴入爐膛時(shí)依靠射流旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的中心回流來
穩(wěn)定燃燒。
1直流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
1.1PM型低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
主要由多組一次風(fēng)煤粉噴口和二次風(fēng)噴口組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。煤粉在一次風(fēng)道中先經(jīng)過一個彎頭進(jìn)行慣性分離，密度大的煤粉由于慣性大，多數(shù)進(jìn)入上面的富燃料噴口，其余的隨空氣進(jìn)入下面的貧燃料噴口。富燃料燃燒時(shí)，處于還原性氣氛，有利于抑制燃料型NOx的生成；貧燃料燃燒時(shí)，由于空氣過多使得火焰溫度降低，有利于抑制熱力型NOx的生成。
  PM型低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的主要特點(diǎn)是將爐膛的分級燃燒和生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的分級燃燒結(jié)合在一起。在這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)中，送人主生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的一、二次風(fēng)占總風(fēng)量的80%左右。此外，由于采用分隔風(fēng)箱，燃燒噴口的寬度較大，增加了出口處氣流的剛性。PM型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)適用于燃燒可燃基揮發(fā)分V，>24%的煙煤，具有明顯的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能，能在40%負(fù)荷下不投油穩(wěn)定燃燒，該技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于某公司生產(chǎn)的黃臺電廠上。
1.2WR型低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
  WR型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)(WideRangeBurner，寬調(diào)節(jié)比燃燒器)主要由噴嘴和噴嘴體兩部分組成，如圖2所示。WR串加熱設(shè)備型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)也是利用彎頭的慣性分離作用，形成濃煤粉和淡煤粉，與彎頭相接的管道中安裝了濃、淡煤粉的分離擋板，使這兩股氣流從各自的管道通過。這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的噴口內(nèi)安裝有波形鈍體，可增強(qiáng)煤粉與氣流的攪拌并在生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的出口處形成一個有利于著火的穩(wěn)定回流區(qū)，從而提高火焰的穩(wěn)定負(fù)荷范圍。
  WR型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在垂直方向形成濃淡燃燒，其降低NOx排放的原理與PM生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)相似。WR型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與PM型燃燒器的不同之處在于：PM型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)有兩個噴嘴，而WR型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)將濃、淡相集中在一個噴口內(nèi)。因此，WR型燃燒器的上、下一次風(fēng)中心距可以做得較小，這樣既有利于降低整體的火焰高度、減少NOx的排放，又降低了鍋爐的造價(jià)、滿足了燃用劣質(zhì)煤的要求。這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)已在多家電廠成功應(yīng)用。例如，漢川電廠采用這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)取得了較好的低負(fù)荷穩(wěn)燃和低NOx排放效果。
1.3水平濃淡式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
  在濃淡燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)經(jīng)過多年的努力，提出“風(fēng)包粉”煤粉燃燒的思想，開發(fā)出水平濃淡風(fēng)煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)[3]。水平濃淡可以采用兩種方式來實(shí)現(xiàn)：第1種是采用百葉窗煤粉濃縮器，如圖3所示。這種方式對煤粉管遒的布置無特殊要求，適用于工程改造；第2種是采用900彎頭，這種方式需要對管道設(shè)計(jì)做特殊處理，主要適用于新機(jī)組的設(shè)計(jì)。
  水平濃淡生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)利用濃縮器或彎頭將煤粉氣流分成濃淡兩相，并保持水平直到噴嘴出口。含有一次風(fēng)中大部分煤粉的濃相氣流在向火側(cè)切向噴入爐內(nèi)，形成內(nèi)側(cè)小切圓；淡煤粉氣流在背火側(cè)切向噴入爐內(nèi)，形成外側(cè)假想大切圓。水平濃淡生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)也屬于濃淡燃燒方式，故其降低NOx排放的原理與WR型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)相似。此外，由于生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)中形成了內(nèi)層切圓富燃料，屬還原性氣氛，能進(jìn)一步降低NOx的形成。
  與WR型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)相比，水平濃淡生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)除具備低NOx排放的優(yōu)點(diǎn)外，還能進(jìn)一步改善著火條件，增強(qiáng)水冷壁附近的氧化性氣氛，可防止結(jié)焦和高溫腐蝕。這種燃燒器煤種適應(yīng)性非常廣，對于低揮發(fā)分的貧煤、無煙煤的應(yīng)用效果也不錯，已經(jīng)成功應(yīng)用在安陽等多家電廠燃燒器的改造上。
1.4雙通道自穩(wěn)式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
  雙通道生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)不屬于濃淡燃燒方式，它是預(yù)燃室型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的一種特例，結(jié)構(gòu)見圖。
  該技術(shù)是某公司與清華大學(xué)共同研制的，其特點(diǎn)是在同一煤粉管道上安裝2個獨(dú)立的一次風(fēng)噴口，2介一次風(fēng)噴口之間有一鈍體空間，利用這兩股射流的引射作用在這一空間產(chǎn)生高溫?zé)煔獾幕亓?，有利于煤粉的提前著火和穩(wěn)燃。由于上下壁面均受到一次風(fēng)的保護(hù)，因此這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)能在長時(shí)間運(yùn)行后不結(jié)焦。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)腰部的兩側(cè)各有一股狹長的腰部二次風(fēng)，通過調(diào)節(jié)二次風(fēng)速來調(diào)節(jié)火焰的長度，便于在水冷壁處形成氧化性氣氛，有利于防止結(jié)渣和高溫腐蝕。在雙通道下一次風(fēng)噴口兩側(cè)的下部，設(shè)有兩股高速的蒸汽噴射口。一方面，蒸汽可以把一次風(fēng)中的空氣和細(xì)煤粉抽走，造成大部分缺氧，使燃料／空氣比增加，抑制NOx的產(chǎn)生。另一方面，由于NOx主要發(fā)生在揮發(fā)分析出和著火區(qū)，而蒸汽射流恰好作用在此區(qū)域，因此可以控制這一區(qū)域NOx的生成量，從而控制整個爐NOx的排放量。這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)還能適應(yīng)低揮發(fā)分煤粉的點(diǎn)火，湘潭電廠應(yīng)用這種雙通道生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)對原有鍋爐進(jìn)行了改造，降低了NOx的排放量。
2旋流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
2.1DRB型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
  B&W公司20世紀(jì)70年代推出了二次風(fēng)雙流道均為旋流的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，即DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)(DualRegisterBurner，雙調(diào)風(fēng)旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī))，其結(jié)構(gòu)如圖5所示[5]。
  DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)一次風(fēng)管外有可調(diào)的內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)管，風(fēng)管中設(shè)有2個分別控制的調(diào)風(fēng)器。內(nèi)調(diào)風(fēng)器的主要作用是促進(jìn)著火和穩(wěn)燃，外調(diào)風(fēng)器的主要作用是在火焰下游供風(fēng)以完成燃燒。DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)主要通過調(diào)整內(nèi)、外二次風(fēng)的比例和旋流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)一、二次風(fēng)的混合，延遲燃燒過程、降低燃燒強(qiáng)度，并在生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口造成很強(qiáng)的還原性氣氛，從而降低NOx的排放量。DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)主要適用于燃燒揮發(fā)分>25%的煙煤。運(yùn)行實(shí)踐證明，采用DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)后，距噴口1.2m處的火焰溫度由1600℃降至1400℃，NOx排放濃度可降低39%。
  為了能夠適用于燃燒貧煤，B&W公司又開發(fā)了EI-DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)（EnhancedIgnition-DualRegisterBurner，增強(qiáng)型雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)）。它的基本結(jié)構(gòu)和原理與DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)相同，區(qū)別是在一次風(fēng)管中設(shè)有導(dǎo)向器和均流裝置，能保證一次風(fēng)出口的煤粉分布較均勻。在降低NOx排放量方面，EI-DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與DRB塑生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)能力相當(dāng)。
  為了便于鍋爐的改型，B&W公司于1986年又開發(fā)了XCL型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)。XCL型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)與DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的區(qū)別是外二次風(fēng)的進(jìn)風(fēng)方式不同，DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的外二次風(fēng)采用的是切向進(jìn)風(fēng)方式，而XCL型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的外二次風(fēng)采用的是軸向進(jìn)風(fēng)方式。XCL型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的NOx排放量比DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)約低25%。
2.2PAX型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
  PAX型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)（PrimaryAirExchangeBurner，一次風(fēng)交換生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)）是B&W公司在DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)了PAX裝置及分級風(fēng)管形成的。
  PAX型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的原理是當(dāng)一次風(fēng)粉氣流通過生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)入口彎頭時(shí)，由于離心力的作用，使進(jìn)入外側(cè)主生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)噴嘴的煤粉約占總煤粉量的90%。其余約10%的煤粉和約50%的低溫乏氣，從一次風(fēng)管中抽出，將其作為三次風(fēng)在生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)周圍的三次風(fēng)口噴入爐膛。一次風(fēng)管中所剩的50%空氣與二次風(fēng)箱引入的溫度為310～371℃的熱風(fēng)混合后作為一次風(fēng)噴入爐膛。這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的降低NOx原理仍是分級送風(fēng)。在二次風(fēng)不分級時(shí)，PAX型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)和EI-DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)效果柏同；在二次風(fēng)分級時(shí)，PAX型燃燒器比EI-DRB型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)有更好的調(diào)節(jié)性能。
2.3WSF型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)和DS型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
  在20世紀(jì)80年代后期，德國Babcock公司開發(fā)了WSF型低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)（擾動式雙二次風(fēng)旋流式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)），結(jié)構(gòu)如圖7所示‘7]。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的中心風(fēng)管與煤粉管為同心布置，中心風(fēng)主要是保證油燃燒時(shí)能燃燒充分，而油槍停運(yùn)時(shí)，對油槍和一次風(fēng)管進(jìn)行冷卻。生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)內(nèi)的中心風(fēng)、二次風(fēng)I、二次風(fēng)II的風(fēng)量都能單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，可增強(qiáng)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的旋流強(qiáng)度，加強(qiáng)回流區(qū)的卷吸能力，提高