大速差射流型双通道自稳式生物质燃烧机的高效低NOx燃烧特性分析

摘要:研究了双通道自稳式生物质燃烧机高效低NOx排放特性,定量得出双通道自稳式生物质燃烧机具有降低NOx排放的效果。试验和运行表明:双通道生物质燃烧机与其它生物质燃烧机配套使用,具有燃烧稳定性好、锅炉效率高、NOx排放低等特点。

1  犬速差射流型双通道自稳式生物质燃烧机特点

    大速差射流型双通道自稳式生物质燃烧机由清华大学工程力学系等单位研制。图1所示的是大速差射流型双通道自稳式生物质燃烧机原理。

    大速差射流型双通道生物质燃烧机的主要特点是:①它具有2个一次风通道,即在同一喷口上开上下2个一次风喷口,即在1个生物质燃烧机的上下侧各开1个~次风口1和2,使上下一次风粉都受到前加热和着火,又使上下壁都长期不结渣运行。由于2股一次风是以贴壁射流形式进入一突扩燃烧器,亦即在2股一次风射流之间设有一回流空间,试验表明,这种采取贴壁射流所产生的高温烟气回流量要远大于对称布置或偏置射流产生的回流量,其回流量接近大速差射流产生的回流量,因而有利于煤粉的提前着火和稳定燃烧,也就是一次风射流自身将产生一个强烈的回流区,利用高温烟气回流加热一次风粉使煤粉稳定燃烧。②该生物质燃烧机采用2个调节手段,一是在生物质燃烧机的两侧壁的腰部设置1股狭长的腰部二次风,以调节火焰和防止结渣;另1个是在双通道的下一次风口设高速蒸汽喷射管,其流速可在零至音速之间调节。

    腰部风不仅用来保护两侧壁,而且可以调节煤粉着火点,因为投入腰部风,会阻碍高温烟气回流,使烟气回流在下一次风口的两侧各装有1个q)15 mm的高速蒸汽射流喷嘴,其流速可在0~音速之间变化,它也会产生一强回流,并与下一次风射流产生的烟气回流相重合,会进一步强化下一次风粉的加热与着火,这在燃用难燃煤种时是必要的,在一般情况下,可以将高速射流关闭,仅靠上下两股一次风射流产生的高温烟气回流足以使一次风粉加热着火。

1、2- -次风通道;3-突扩室;4-高速蒸汽射流喷嘴;5-腰部风喷口

    图1大速差射流型双通道生物质燃烧机原理

2  大速差射流型双通道自稳式生物质燃烧机的高效低NOx燃烧特性

    煤粉的热解试验(图2,图3)证明,越是挥发分高的煤,其热解时释放的挥发分越多,与挥发分一样,煤中的燃料氮释出率也随温度的升高而增加,对于低挥发分煤,则需要在高温下才释出较多的燃料氮,除了热解温度外,在高温区的停留时间、煤粉细度、一次风速等也会影响挥发分氮的份额。如果煤粉细,停留时间长,则挥发分氮也多,焦碳中氮则相应减少。煤粉炉中煤粉加热速率为104 k/s,大部分煤粉热解需要30-50 ms,现一次风速为22 m/s,故热解区延伸长度为660-1  100mm,即挥发分及挥发分氮就在生物质燃烧机附近流场中便己释放,而且,挥发分中氮(V-N)与02也很容易生成NOx,向NOx的转变率高达60 %-70%,因此,煤粉气流在炉膛辐射热及高温烟气回流的情况下,由于加热速度高,在喷口出口处便有NOx生成,如图4中A区域所示。

    由于产生烟气回流区,回流区卷吸高温烟气,故回流区温度升高。而且,氧浓度减少,挥发分中的碳氢化合物(CmH。),H2,00,焦油等在回流区内锅炉制造高温缺氧条件下分解生成碳氢基团(a_li),如CH、C2等。而且,回流区增大,烟气中的氧浓度会进一步降低,温度进一步升高,使煤粉挥发分析出量增加,这时,挥发分中碳氢化合物能地更多地分解成CHi(由于氧浓度降低,故CHi、NCO被氧化的比率减少,并与NO生成氰类(CN)与胺类(NHi),计算中,我们将挥发分以CH4为代表。生物质燃烧机轴方向距离

    上面所生成的氰类和胺类以及碳氢化合物不完全燃烧生存的00可将已坐成的NOx还原,显然,回流区增大时,这种NOx还原反应加剧。

    由于双通道生物质燃烧机的上下二次风的引入,形成氧化区。在该区域,一方面C -N生成NO,同时,还原性物质CO、氮和胺在进入该区域后又能分解已生成的NOx,即

    由上述可知,在采用一切稳燃装置产生热烟气回流的情况下,若增大回流区尺寸和增加煤粉在回流区内的停留时间,会促使含氮组分从煤粉颗粒中释出,并通过这些组分与碳氢基团和其它中间产物对NOx进行还原反应,使NOx减少,因此虽然在有热回流的条件下着火提前,炉温升高,使热力NOx增加,但在固态排渣煤粉炉中,这部分NOx仅占NOx总量的15%左右,而燃料中氮生成的NOx要占85%左右,所以总的NOx是减少的。器进行了数值模拟计算。

3  数值模拟计算结果与比较

    3.1  生物质燃烧机出口截面的炉内温度场

    对湘潭电厂B厂300 MW锅炉的双通道燃烧

    图5(a)  双通道生物质燃烧机炉内温度分布

    图5(a)、(b)分别为双通道生物质燃烧机和直流燃烧器在炉膛横截面上的温度分布。双通道生物质燃烧机由于存在高温回流区,煤粉着火快、燃烧迅速,因此双通道生物质燃烧机炉膛横截面上的高温区明显大于直流生物质燃烧机的高温区。

    图5(b)直流生物质燃烧机炉内温度分布

    由图6(a)、(b)可知,对于双通道生物质燃烧机,由于高温回流区的存在,生物质燃烧机出口区域温度水平高,所以,在生物质燃烧机区域,温度水平较高,火焰充满程度较直流生物质燃烧机高。

图6(a)双通道生物质燃烧机炉内温度分布    图6(b)直流生物质燃烧机炉内温度分布

3.2  热力NOx分布

图7(a)双通道生物质燃烧机热力NOx分布    图7(b)直流生物质燃烧机热力NOx分布

    采用双通道生物质燃烧机后炉膛温度水平升高,同    m 3,即升高了23.44 %。时热力NOx增加;炉膛出口处热力NOx为309. 04  3.3  总的NO。分布mg/m3 (023%),而没有双通道生物质燃烧机时为    采用双通道生物质燃烧机后,虽然热力NOx增加,

236 6nlg/IT13(0 23%),两者之差为72. 44 mg/    但是燃料NOx是降低的,所以总的NOx是降低。 

4  运行实绩

    湘电厂B厂300 MW锅炉经过高效低NOx改造及调整后,目前锅炉NOx排放量仅680-720 mg/mj,锅炉效率达92%。由于采用双通道生物质燃烧机的燃料NOx由622.7 m3降至425. 66 mg/m3,减少了197. 04 mg/m3,即减少了31. 64%。

    图8(h)直流生物质燃烧机NOx分布

    从下表可看出,与国内其它电厂比较,燃用贫煤时在采用双通道生物质燃烧机、WR生物质燃烧机及分级送风条件下NOx排放比未采用双通道生物质燃烧机条件下锅炉NOx排放量明显偏低。

5  结束语    大速差射流型双通道生物质燃烧机主要根据热

    烟气回流原理,来实现既强化煤粉着火提高燃烧

    大速差射流型双通道自稳式生物质燃烧机除具    效率又降低NOx的目的。有稳定燃烧、防止结渣、煤种适应性好等特点外,还具有高效和低NOx特性;

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