西安交通大学谭厚章教授团队：煤粉工业锅炉预燃式低氮燃烧器试验研究与开发

截至2012年底，我国在运燃煤工业锅炉约46万台，占全国工业锅炉总量的85%，工业锅炉年消耗原煤约7亿t，占全国煤耗总量的18%，工业锅炉燃煤排

截至2012年底，我国在运燃煤工业锅炉约46万台，占全国工业锅炉总量的85%，工业锅炉年消耗原煤约7亿t，占全国煤耗总量的18%，工业锅炉燃煤排放已成为我国第二大燃煤污染源。然而，我国工业锅炉普遍存在高排放低效能等问题，平均运行锅炉效率仅为70%，较美国运行效率（85%）仍存在较大差距。此外，近年来随着燃煤排放标准日益提高，部分重点地区对燃煤工业锅炉也开始执行超低排放标准。相对于粉尘和SOx，目前对燃煤工业锅炉实现NOx超低排放仍存在巨大挑战：目前的烟气脱硝技术如选择性催化还原技术(SCR)脱硝效率高，但运行成本高且氨逃逸十分严重，难以在燃煤工业锅炉上广泛应用。相比而言，低氮燃烧器和空气分级技术因其经济性优势更易于被工业锅炉用户所接受。
迄今为止，我国在大型电站煤粉锅炉低氮燃烧技术方面取得了很多开创性的成果。然而，相比煤粉电站锅炉，煤粉工业锅炉低氮燃烧技术更具挑战性：由于煤粉工业锅炉结构紧凑，炉膛容积小，大多只能采用旋流燃烧器进行燃烧，而不易进行深度分级燃烧。为解决煤粉工业锅炉稳燃和低氮难题，近年来预燃式燃烧技术逐渐应用于煤粉工业锅炉领域。
本文开发了一种用于煤粉工业锅炉的新型预燃式低氮燃烧器：旋流二次风卷吸高温烟气对一次风粉气流进行加热，二次风分三级(内二次风、外二次风和燃尽风)送入炉膛，其中内二次风送入预燃室内部，外二次风从预燃室端部送入炉膛，燃尽风(OFA)则从炉膛以切圆的形式送入。该型燃烧器在某25 t/h煤粉工业锅炉全尺寸平台上进行试验，研究了一次风率、二次风配比、旋流叶片角度、循环风率及燃尽风率对NOx排放和燃烧效率的影响。

1 试验系统

图 1 25 t/h煤粉工业锅炉燃烧试验系统

图 2 预燃室结构
2 试验结果与讨论

随着炉膛出口氧量的降低，燃煤NOx排放显著下降，NOx减排效果显著；但相应飞灰含碳数值则从11.7%升高到18.5%，煤粉燃尽率显著下降，说明过低氧量条件下的着火和煤焦燃尽恶化。这主要是因为炉膛内整体氧气浓度降低导致还原性气氛增强，煤粉火焰早期形成的NOx在还原性气氛下更容易被还原为N2，从而导致总体的NOx排放降低。与此同时，低氧气浓度下焦炭的氧化速率降低，且炉膛内总体风速的降低也使得炉膛内的湍流强度降低，从而导致燃烧效率下降。

图3 炉膛出口氧量对NOx排放及飞灰含碳的影响
在维持炉膛出口总氧量和锅炉运行负荷不变的条件下，将一次风率从8.5%逐渐降低到7.8%，NOx排放从215 mg/m3(9% O2)降低到182 mg/m3(9% O2)，而飞灰含碳值则从13.4%升高到17.1%。该燃烧器设计的一个关键特征是增大了一次风与内二次风的径向距离，推迟二次风与一次风的混合以保持预燃室内的还原性气氛，从而控制燃烧初期NOx的生成。因此，降低一次风率时，预燃室内的氧量降低导致其还原性气氛增强，从而降低了燃烧初期燃料氮向NOx的转化，导致NOx排放降低。同时，一次风率的降低也导致煤粉气流总体着火过程推迟，加之试验所用25 t/h煤粉工业锅炉的炉膛设计偏小，更加剧了总体燃尽率恶化的问题，最终导致飞灰含碳量升高。

图4 一次风率对NOx排放及飞灰含碳的影响
内外二次风比从0.67提高到1.32，NOx排放从188 mg/m3(9% O2)增大到199 mg/m3(9% O2)，飞灰含碳则从18.1%降低至15.0%。说明提高旋流的内二次风量有利于煤粉燃尽，但一定程度上增大了NOx排放。主要是由于增大旋流内二次风的比例，可以增大炉膛内回流区面积，同时提高了燃烧初期的氧量，强化火焰初期的燃烧，使得飞灰含碳量降低。但相对的，旋流内二次风增大削弱了预燃室内的还原性气氛，预燃室内氧气浓度升高使得NOx前驱物更易被氧化成NOx。在试验范围内减小内二次风量能降低NOx排放，但将劣化煤粉燃尽率，内外二次风比率在0.9~1.0时，NOx排放较低且未有显著的飞灰含碳增大，因此建议该型燃烧器运行时将内外二次风率控制在0.9~1.0。

图 5内外二次风比对NOx排放及飞灰含碳的影响
随着内二次风叶片角度从30°增大到60°，飞灰含碳量从15.4%增加至22.4%，NOx排放从222 mg/m3(9% O2)降低至约190 mg/m3(9% O2)。叶片角度小于45°时，飞灰含碳随角度的减小变化不显著(略有上升)，而NOx排放急剧增加；当叶片角度大于45°时，NOx排放略有增加，而飞灰含碳随着角度的增加剧烈升高。说明该型燃烧器的内二次风叶片旋流角度在45°附近存在最优值，使NOx排放较低且燃尽率较好。综合考虑燃尽效果与减排能力，该燃烧器的内二次风叶片角度应控制在45°~50°。

图 6 二次风叶片角度对NOx排放及飞灰含碳的影响
随着燃尽风率从零增大至总风量的16%，炉膛NOx排放与飞灰含碳均呈现出先降低后增加的趋势。这主要与试验台锅炉的结构及OFA位置有关，炉膛OFA送入的位置设在L型锅炉水平段中部，距离预燃室出口较近。OFA风量的增大导致通过燃烧器的内外二次风量减少，燃烧初期的氧气浓度降低，从而抑制了主燃区内NOx的生成。但OFA风量增加到一定值后，由于主燃区的整体持续后移导致该风量配比情况下主燃区的位置已推迟到OFA喷口附近，大量OFA风的及时加入为煤粉燃尽提供了充足的氧气，炉膛后部燃烧剧烈，燃尽区温度升高，高温区甚至延伸到L型炉膛的垂直段，从而导致NOx生成量反而增加。
另外试验系统中OFA以切圆方式送入炉膛内部，能够强化炉膛后部的湍动，少量OFA能强化燃烧后期的混合与燃烧，加快焦炭反应速度，降低飞灰含碳量；但随着OFA风继续增大，主燃区的燃烧恶化，火焰整体后移，导致煤焦在炉膛内的燃烧时间减少，飞灰含碳量上升。
由于试验平台的局限性，OFA的位置过于靠近主燃区，其作用更接近于传统电站锅炉的紧凑型燃尽风。根据试验结果，对于该型燃烧器及搭配的L型煤粉锅炉，推荐的优化工况为10%左右的OFA风率，此时NOx排放最低而燃尽率较高。

图 7 燃尽风率对NOx排放及飞灰含碳的影响
FGR能显著降低NOx排放，而飞灰含碳量则先降低后升高。这主要是由于FGR的加入使得二次风氧气浓度降低，且FGR的混入总体上拉低了炉膛的平均温度水平，以上因素均有利于控制炉内NOx的生成。同时，FGR的混入增大所有二次风喷口的射流速度，强化了炉膛内部的湍动，并增大高温烟气回流区，能够卷吸更多的高温烟气强化着火；但FGR烟气量过大时，炉膛内氧气浓度显著降低，反而对煤粉的燃烧过程产生抑制作用，导致飞灰含碳量升高。

图 8 循环风率对对NOx排放及飞灰含碳的影响
3 结论
1）开发了一种新型的用于煤粉工业锅炉的预燃式低氮燃烧器，并在25 t/h全尺寸试验平台上进行了试验。随着一次风率增加，NOx排放逐渐增大，一次风合理区间为8%左右。

2）内外二次风比率在0.9~1.0时，NOx排放较低且未有显著的飞灰含碳增大，因此建议该型燃烧器运行时将内外二次风率控制在0.9~1.0；随着内二次风旋流叶片角度增大，NOx排放先减少后增大，推荐的优化角度区间为45°~55°；由于燃尽风位置离主燃区太近，推荐的燃尽风率应控制在10%左右；随着再循环烟气量的增大，NOx排放值逐渐降低而飞灰含碳先降低后升高。
3）全尺寸平台试验过程中煤粉着火稳定，在最佳配风比例条件下的NOx排放可达到171~178 mg/m3(9% O2)，该工况下对应锅炉飞灰含碳14.9%，折算锅炉热效率可达91.7%。
该研究成果以《煤粉工业锅炉预燃式低氮燃烧器试验研究与开发》为题在《洁净煤技术》进行了网络首发。
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引用格式
许鑫玮,谭厚章,王学斌,等.煤粉工业锅炉预燃式低氮燃烧器的试验研究与开发[J/OL].洁净煤技术:1-8[2020-10-21]
.http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3676.TD.20200923.1128.002.html.
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