燃煤鍋爐低NOx生物質顆粒燃燒機的研究及應用
摘要：對煤粉鍋爐中常用的低NOx直流型生物質顆粒燃燒機和旋流型生物質顆粒燃燒機的結構、降低NOx排放的原理以及應用情況進行了介紹。通過對兩種生物質顆粒燃燒機的綜合分析和比較，提出了低NOx生物質顆粒燃燒機進一步研究的方向，以促進我國燃燒技術的進步和發展。
找國以煤作為主要能源，全國70%～80%的電力是由燃煤火電機組產生。統計顯示[1]，截至2003年底，全國發電設備容量為384.5 GW，其中火電為285.64 GW，占總容量的74.3%。近年來，由于電力生產用煤長期供應不足，同時存在煤種多變、煤質偏差等情況，我國很多鍋爐的設計煤種逐漸以劣質煙煤和低揮發分昀貧煤為主。因此，選擇適合不同煤種的生物質顆粒燃燒機日益受到電廠的關注。
此外，隨著我國經濟的迅速發展，火電裝機容量也逐年劇增，作為大氣污染控制項目之一的氮氧化物(NOx)污染問題也日趨突出。因此，嚴格控制鍋爐燃燒后NOx的排放，也是生物質顆粒燃燒機的設計和運行中應高度重視的問題之一。
電站鍋爐常用的煤粉生物質顆粒燃燒機主要有直流型煤粉燃燒器和旋流型煤粉生物質顆粒燃燒機兩種。目前，我國電站鍋爐中主要采用直流型生物質顆粒燃燒機，采用旋流型生物質顆粒燃燒機的鍋爐只占總容量的20%。直流型煤粉生物質顆粒燃燒機通常布置在爐膛的四個角上，生物質顆粒燃燒機的射流在噴入爐膛時本身無旋轉，主要依靠上下游射流的相互點火作用而穩定燃燒。旋流型煤粉生物質顆粒燃燒機可以前墻布置，也可以前后墻對沖布置，生物質顆粒燃燒機的射流在噴入爐膛時依靠射流旋轉而產生的中心回流來
穩定燃燒。
1直流煤粉生物質顆粒燃燒機
1.1 PM型低NOx生物質顆粒燃燒機
主要由多組一次風煤粉噴口和二次風噴口組成，其結構如圖1所示[2]。煤粉在一次風道中先經過一個彎頭進行慣性分離，密度大的煤粉由于慣性大，多數進入上面的富燃料噴口，其余的隨空氣進入下面的貧燃料噴口。富燃料燃燒時，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，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生物質顆粒燃燒機的主要特點是將爐膛的分級燃燒和生物質顆粒燃燒機的分級燃燒結合在一起。在這種生物質顆粒燃燒機中，送人主生物質顆粒燃燒機的一、二次風占總風量的80%左右。此外，由于采用分隔風箱，燃燒噴口的寬度較大，增加了出口處氣流的剛性。PM型生物質顆粒燃燒機適用于燃燒可燃基揮發分V，> 24%的煙煤，具有明顯的低負荷穩燃性能，能在40%負荷下不投油穩定燃燒，該技術已經成功地應用于某公司生產的黃臺電廠上。
1.2 WR型低NOx生物質顆粒燃燒機
WR型生物質顆粒燃燒機(Wide Range Burner，寬調節比燃燒器)主要由噴嘴和噴嘴體兩部分組成，如圖2所示。WR串加熱設備型生物質顆粒燃燒機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。這種生物質顆粒燃燒機的噴口內安裝有波形鈍體，可增強煤粉與氣流的攪拌并在生物質顆粒燃燒機的出口處形成一個有利于著火的穩定回流區，從而提高火焰的穩定負荷范圍。
WR型生物質顆粒燃燒機在垂直方向形成濃淡燃燒，其降低NOx排放的原理與PM生物質顆粒燃燒機相似。WR型生物質顆粒燃燒機與PM型燃燒器的不同之處在于：PM型生物質顆粒燃燒機有兩個噴嘴，而WR型生物質顆粒燃燒機將濃、淡相集中在一個噴口內。因此，WR型燃燒器的上、下一次風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、滿足了燃用劣質煤的要求。這種生物質顆粒燃燒機已在多家電廠成功應用。例如，漢川電廠采用這種生物質顆粒燃燒機取得了較好的低負荷穩燃和低NOx排放效果。
1.3水平濃淡式生物質顆粒燃燒機
在濃淡燃燒技術的基礎上，哈爾濱工業大學經過多年的努力，提出“風包粉”煤粉燃燒的思想，開發出水平濃淡風煤粉生物質顆粒燃燒機[3]。水平濃淡可以采用兩種方式來實現：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計做特殊處理，主要適用于新機組的設計。
水平濃淡生物質顆粒燃燒機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。含有一次風中大部分煤粉的濃相氣流在向火側切向噴入爐內，形成內側小切圓；淡煤粉氣流在背火側切向噴入爐內，形成外側假想大切圓。水平濃淡生物質顆粒燃燒機也屬于濃淡燃燒方式，故其降低NOx排放的原理與WR型生物質顆粒燃燒機相似。此外，由于生物質顆粒燃燒機中形成了內層切圓富燃料，屬還原性氣氛，能進一步降低NOx的形成。
與WR型生物質顆粒燃燒機相比，水平濃淡生物質顆粒燃燒機除具備低NOx排放的優點外，還能進一步改善著火條件，增強水冷壁附近的氧化性氣氛，可防止結焦和高溫腐蝕。這種燃燒器煤種適應性非常廣，對于低揮發分的貧煤、無煙煤的應用效果也不錯，已經成功應用在安陽等多家電廠燃燒器的改造上。
1.4雙通道自穩式生物質顆粒燃燒機
雙通道生物質顆粒燃燒機不屬于濃淡燃燒方式，它是預燃室型生物質顆粒燃燒機的一種特例，結構見圖。
該技術是某公司與清華大學共同研制的，其特點是在同一煤粉管道上安裝2個獨立的一次風噴口，2介一次風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生高溫煙氣的回流，有利于煤粉的提前著火和穩燃。由于上下壁面均受到一次風的保護，因此這種生物質顆粒燃燒機能在長時間運行后不結焦。生物質顆粒燃燒機腰部的兩側各有一股狹長的腰部二次風，通過調節二次風速來調節火焰的長度，便于在水冷壁處形成氧化性氣氛，有利于防止結渣和高溫腐蝕。在雙通道下一次風噴口兩側的下部，設有兩股高速的蒸汽噴射口。一方面，蒸汽可以把一次風中的空氣和細煤粉抽走，造成大部分缺氧，使燃料／空氣比增加，抑制NOx的產生。另一方面，由于NOx主要發生在揮發分析出和著火區，而蒸汽射流恰好作用在此區域，因此可以控制這一區域NOx的生成量，從而控制整個爐NOx的排放量。這種生物質顆粒燃燒機還能適應低揮發分煤粉的點火，湘潭電廠應用這種雙通道生物質顆粒燃燒機對原有鍋爐進行了改造，降低了NOx的排放量。
2旋流煤粉生物質顆粒燃燒機
2.1 DRB型旋流生物質顆粒燃燒機
B&W公司20世紀70年代推出了二次風雙流道均為旋流的生物質顆粒燃燒機，即DRB型生物質顆粒燃燒機(Dual Register Burner，雙調風旋流生物質顆粒燃燒機)，其結構如圖5所示[5]。
DRB型生物質顆粒燃燒機一次風管外有可調的內二次風和外二次風管，風管中設有2個分別控制的調風器。內調風器的主要作用是促進著火和穩燃，外調風器的主要作用是在火焰下游供風以完成燃燒。DRB型生物質顆粒燃燒機主要通過調整內、外二次風的比例和旋流強度來調節一、二次風的混合，延遲燃燒過程、降低燃燒強度，并在生物質顆粒燃燒機出口造成很強的還原性氣氛，從而降低NOx的排放量。DRB型生物質顆粒燃燒機主要適用于燃燒揮發分> 25%的煙煤。運行實踐證明，采用DRB型生物質顆粒燃燒機后，距噴口1.2 m處的火焰溫度由1 600℃降至1 400℃，NOx排放濃度可降低39%。
為了能夠適用于燃燒貧煤，B&W公司又開發了EI-DRB型生物質顆粒燃燒機（Enhanced Ignition-Dual Register Burner，增強型雙調風生物質顆粒燃燒機）。它的基本結構和原理與DRB型生物質顆粒燃燒機相同，區別是在一次風管中設有導向器和均流裝置，能保證一次風出口的煤粉分布較均勻。在降低NOx排放量方面，EI-DRB型生物質顆粒燃燒機與DRB塑生物質顆粒燃燒機能力相當。
為了便于鍋爐的改型，B&W公司于1986年又開發了XCL型生物質顆粒燃燒機。XCL型生物質顆粒燃燒機與DRB型生物質顆粒燃燒機的區別是外二次風的進風方式不同，DRB型生物質顆粒燃燒機的外二次風采用的是切向進風方式，而XCL型生物質顆粒燃燒機的外二次風采用的是軸向進風方式。XCL型生物質顆粒燃燒機的NOx排放量比DRB型生物質顆粒燃燒機約低25%。
2.2 PAX型旋流生物質顆粒燃燒機
PAX型生物質顆粒燃燒機（Primary Air Exchange Burner，一次風交換生物質顆粒燃燒機）是B&W公司在DRB型生物質顆粒燃燒機的基礎上增設了PAX裝置及分級風管形成的。
PAX型生物質顆粒燃燒機的原理是當一次風粉氣流通過生物質顆粒燃燒機入口彎頭時，由于離心力的作用，使進入外側主生物質顆粒燃燒機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，從一次風管中抽出，將其作為三次風在生物質顆粒燃燒機周圍的三次風口噴入爐膛。一次風管中所剩的50%空氣與二次風箱引入的溫度為310～371℃的熱風混合后作為一次風噴入爐膛。這種生物質顆粒燃燒機的降低NOx原理仍是分級送風。在二次風不分級時，PAX型生物質顆粒燃燒機和EI-DRB型生物質顆粒燃燒機效果柏同；在二次風分級時，PAX型燃燒器比EI-DRB型生物質顆粒燃燒機有更好的調節性能。
2.3 WSF型生物質顆粒燃燒機和DS型生物質顆粒燃燒機
在20世紀80年代后期，德國Babcock公司開發了WSF型低NOx生物質顆粒燃燒機（擾動式雙二次風旋流式生物質顆粒燃燒機），結構如圖7所示‘7]。生物質顆粒燃燒機的中心風管與煤粉管為同心布置，中心風主要是保證油燃燒時能燃燒充分，而油槍停運時，對油槍和一次風管進行冷卻。生物質顆粒燃燒機內的中心風、二次風I、二次風II的風量都能單獨進行調整，可增強生物質顆粒燃燒機的旋流強度，加強回流區的卷吸能力，提高生物質顆粒燃燒機煤種的適應能力。WSF型低NOx生物質顆粒燃燒機通過分級送風來控制煤粉和空氣的混合，延長燃燒過程，降低局部燃燒強度及火焰峰值溫度，減少NOx生成量。我國的蒲城電廠采用了WSF型生物質顆粒燃燒機，但在燃用貧煤時NOx的排放偏高。
在WSF型生物質顆粒燃燒機的基礎上，Babcock公司于20世紀90年代開發了一種新型低NOx煤粉生物質顆粒燃燒機--DS型旋流生物質顆粒燃燒機，如圖8所示。這種生物質顆粒燃燒機從整體上看接近WSF型生物質顆粒燃燒機，但在生物質顆粒燃燒機一次風道內加裝了旋流導向葉片，在煤粉噴嘴出口加裝了齒環穩燃器，強化煤粉燃燒。一次風與內二次風噴嘴端部都設計成外擴型，以保證更強的分緞送風效果。此外，內外二次風道為切向進風渦殼式結構，保證生物質顆粒燃燒機出口斷面空氣分布均勻，優化燃燒應具備的旋流強度。因此，DS型生物質顆粒燃燒機在設計上充分考慮了減少NOx生成和由于采用低NOx燃燒措施可能出現的燃燒不良問題。它既可用于優質煙煤，也可用于劣質煙煤或貧煤。采用DS型生物質顆粒燃燒機的鍋爐，NOx排放量可以降為450 mg/m3左右，鍋爐負荷變化40%～100%。二妞設備止產生的高電壓擊穿電容[6]。 加入低壓無功補償控制器后，其作用主要體現在以
(3)先確定一相投滿，是為了充分利用電容資源，先整體投入，再根據三相有功功率是否平衡來調節電容的投入量。
(4)由于電爐的爐況不斷的變化，功率因數也在不斷的變化，電容器的投切會很頻繁，因此投切是要延時進行，一般將投切定時時間定為3 min。
(5)在投算法和切算法子程序中，投切電容的順序按照“先進先出，后進后出”原則，以實現電容的循環投切，以延長電容的壽命。
7現場調試結果及結論
通過對鐵合金礦熱爐安裝低壓無功補償控制器，電路的功率因數有了很大的提高。通過對現場生產數據的記錄，可以很明顯地看出補償前后的變化，
下幾點：
(1)提高供電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗，提高了產量。
(2)穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。
(3)低壓補償是自動進行的，自動對3個電極的電壓、電流進行調整，對爐況的穩定十分有利。
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