径向浓淡旋流生物质燃烧机直流二次风对流场及NOx排放的影响
摘要针对径向浓淡旋流生物质燃烧机直流_次风对出口冷态流动特性的影响进行了试验研究，并在一台220t／h锅炉和一台670t／h锅炉上进行了工业性试验．冷模试验表明，直流二次风对旋流燃烧器出口气流的流动和混合特性有重要影响它可改变气流的旋流强度、中心回流区的大小，调节一、二次风之间混合的强弱．热态工业性试验研究了直流二次风对燃烧器出口区域的气氛场的影响，得出了直流二次风开度对燃烧器区NO，、锅炉排烟中NO，及燃烧效率的影响规律．
茌我国电站锅炉中，多采用煤粉燃烧方式，燃用的煤质多为劣质煤，而且煤质经常变动，所以现在电力工业的一个重要任务就是保证煤粉燃烧的高效和稳定，另外，氮氧化物(NO。)是锅炉排入大气中的有害污染物之一，降低发电广排烟中的NO。是减轻大气污染的重要任务，
研究表明，煤燃烧过程中形成的NO。有以下3种：燃料型NO。(Fuel NO。)、热力型NO。(Thermal NO。)、快速型NO。(Prom pt NO。)．其中，快速型NO。所占比例很小，燃烧型NO。约占75%以上，热力型NO。约占25%以下[1]．热力型NO。主要与烟气温度有关，随烟气温度的降低，热力型NO。生成量减小，氧浓度（化学当量比）对它影响很小，燃料型NO。主要与氧浓度有关，在很大的范围内几乎与温度无关，当火焰中的气氛处于缺氧条件下，含氮的基团和NO、H反应生成分子N2，燃料型NO。的生成量将降低，因而，减少燃料型氮氧化物排放的主*本课题为“九五”国家重点科技攻关资助项目4期 孙锐等：径向浓淡旋流生物质燃烧机直流二次风对流场及NO。排放的影响 369要措施是降低火焰中的氧浓度，增强还原性气氛，延长含氮基团在还原性气氛中的停留时间，从而降低燃料氮向燃料型NOx的转化率，旋流生物质燃烧机卷吸周围的流体形成中心回流区，利用回流的高温烟气加热、引燃风粉混合物，具有很强的火焰稳定能力；同时气粉分离（或煤粉浓缩）和二次风分级配风技术可以使燃烧过程得以稳定和强化，并同时实现低N0。排蒯a．文献[3]提出了将煤粉气流分成浓淡两股的径向浓淡旋流生物质燃烧机，结构见图1．由于新型旋流燃烧器同时具有稳燃、高效、防结渣、低NO。放等优良性能，日益得到广泛应用[4]，文献[ 5-7]研究了喷口结构、配风条件对新型旋流燃烧器流动及燃烧特性的影响，直流二次风对燃烧器出口空气动力特性的作用直接影响到一次风风粉混合物的着火、燃尽及污染物的排放，所以本文针对直流二次风与旋流二次风的不同配比条件下，对燃烧器的出口冷态流场及热态NO。排放特性进行了综合试验研究．
1冷态试验风
1.1 冷态试验设备和方法
试验用燃烧器模型是按原型燃烧器的1/5制成（模型燃烧器直径d一200 mm），采用了弯头五孔球型测针对燃烧器出口旋转射流的时均速度进行测量，试验中保证一、二次风和浓、淡一次风出口动量比及总风量不变调整直流、旋流二次风的风量分配来改变直流二次风风率，试验工况参数见表1．
工况1、3燃烧器出口速度和静压分布的测量结果见图2．在直流二次风风率很小（Q。-0）的工况下，二次风出口截面位噩（r - 67 -101 mm）轴向速度剖面呈比较光顺的抛物线分布，并存在轴向速度***大值，轴向出口速度的另一峰值恰好位于一次风出口（r一36-67 mm）位置，数值是二次风出口***大速度的一半左右，出口截面处的切向速度近似呈朗肯涡结构，***大切向速度处于二次风环形喷口中心位置，可见对于整个射流出口截面的流动结构起主导作用的是二次风环形射流，在射流出口中心线附近可测量到轴向反向流动的回流区，其边界位置存在较370大的速度梯度，具有较强的湍流输运能力，有利于一次风气流与回流区内的流体及二次风气流之间进行热质交换，直流二次风风率较大（Q：一30%）时，二次风出口截面轴向速度剖面出现超过平均速度两倍以上的速度峰值，速度峰值的位置恰是直流二次风喷口的位置(r一92-100 mm)，这是由于较大的直流二次风动量引起的，这一股直流气流减小了射流的旋转动量，使射流的旋流强度‘8]降低，限制了射流的扩展，将射流向中心压缩，使中心回流区减小并很快封闭，随直流二次风率的增加，回流区尺寸迅速减小，回流区长度由工况1的400 mm缩小到工况4的200mm，***大直径从280mm减小到160 mm，射流扩展角由74.0”变到56.3。，
1.3直流二次风对一、二次风混合的影响
直流二次风风率加大日寸，一、二次风气流前期混合减弱，混合速度有所降低，使浓缩后煤粉气流保持在较高浓度下，有利于在煤粉气流着火的前期形成富燃料的还原性气氛，减少燃料型NO。的生成；同时由于燃烧器扩口的作用和气流的旋转特性，使一、二次风后期的均匀混合并没有受到影响，直流二次风与旋流二次风的相互作用使湍流脉动加强，促进了气流的后期混合，保证了高的燃烧效率闱．
2热态工业性试验
2 1试验锅炉
新华电厂1号锅炉是在220 Uh燃油锅炉的基础上改造成燃煤锅炉（HG -220/9. 8-YM型），8只新型旋流燃烧器在前墙分上下两层布置，两台中速磨煤机分别为上、下两层燃烧器供粉，旋流二次风及直流二次风风道入口处分别装有调节档板，可调节旋流、直流二次风风量比率，清河发电厂6号炉为EII- 670/140型锅炉，16只旋流燃烧器分土、下两层在两侧墙对冲布置，仅将下层8只燃烧器改为新型燃烧器，其余8只仍为原有燃烧器．
2 2测试仪器和试验方法4期 孙锐等：径向浓淡旋流生物质燃烧机直流二次风对流场及NO。排放的影响 371
NOx浓度测量采用的德国M SI电子公司MSI-C ompact型气体分析仪，NO浓度的量程为0-2000 ppm，N02浓度的量程为0-200 ppm，NOx体积浓度的测量结果取NO和N02体积浓度之和，并折算至0 2浓度为6%条件下.CO浓度的量程为0-4000 ppm，NO。、CO仪器分辨率为1 ppm，02浓度的分辨率为Q 1%．尾部烟气取样是从锅炉尾部烟道中抽取，按G B10184-88《电站锅炉性能试验规秘的规定，在烟道内采用6点取样，经混合器混合后再抽入气体分析仪进行测量，燃烧器区的烟气样通过一水冷***取出，
新华1号炉试验机组负荷为50 MW，直流二次风档板开度分别为0、50%、100%．清河6号炉试验机组负荷稳定在140 MW，直流二次风档板开度分别为0、100%.试验时燃用煤的煤质分析见表2，两种试验煤样均为挥发份较高的烟煤，
2 3热态试验结果
2 3.1新华1号炉热态试验在旋流二次风风门全开，直流二次风风门全关的情况下，沿2号燃烧器中心线轴线方向(02、CO、NO。)气氛分布如图3，测量的位置正处于中心回流区内，因为旋流燃烧器早期混合强烈，特别是回流区内的烟气成份基本分布均匀，所以测量的结果能够反应煤粉气流着火和燃烧初期的情况，在燃烧器出口附近，由于煤粉气流还没有着火及中心风管仍通有一定的冷却风，使氧保持在接近空气中氧浓度的高水平，随着气流发展，煤粉气流受热析出挥发份开始燃烧，在0. 2D-O. 5D区域是挥发份大量析出并强烈燃烧的位置，氧由于挥发份的燃烧迅速消耗，导致回流区内的氧浓度在0. 4D处达到***低点，氧浓度***低点的位置反映了煤粉气流着火点的远近，同时在Q 2D-0. SD区域内随挥发分析出的含氮基团与含氧化合物反应大量生成燃料型NO。，NO。的生成量迅速增加，浓度在0.4D处达到***大值，并在其下游基本保持不变，由于旋转射流混合作用强烈，挥发份能得到充足的氧进行反应，CO处于较低水平，随着气流向下游发展，由于二次风的混入，氧浓度有所提高，这为焦炭后期充分燃尽提供了保证，图4、5、6是直流二次风风门在不同开度下燃烧器轴线方向的气氛分布，由冷态试验可知，随着直流二次风风量的增大．旋流强度减弱，一次风与外层气流混合推迟，所以直流二次风风门开大混合进入到射流中心的氧将减小，燃烧器中心线氧浓度降低（图4）．新型旋流燃烧器采用不旋转的一次风，随着旋流强度的减小，将有更多的煤粉颗粒进入回流区，较高的煤粉浓度能保证着火稳定，使燃烧器出口处回流区内保持较高温度水平，挥发份处于富燃料状态下燃烧，同时焦炭也是在较低的氧浓度、富燃料状态下燃烧，回流区内的还原性气氛得以加强，这由CO浓度大幅度增加得到证实（见图5）．同时随着直流二次风风率的增大，由于还原性气氛加强，减少了含氮基团与含氧基团反应的机会，燃料型NO。的生成量减小，对于热力型NO。，中心回流区直径减小，回流量减小，燃烧器区温度有所下降q，使热力型NO。生成量也减小，所以在煤粉气流着火、燃烧强烈区域NO。
3结论
(1)在喷口结构不变的情况下，直流二次风对旋流燃烧器的出口气流特性有很强的影响，随着直流二次风风率的增加，旋流强度减小，射流被向内侧压缩，中心回流区范围有所减小．
(2)随着直流二次风的增加，有利于在煤粉燃烧的初期形成还原性气氛，在试验的煤种和锅炉负荷条件下，直流二次风风门由全关到全开，煤粉气流着火初期NO。的生成量降低，尾部排烟中的氮氧化物含量降低，同时，由于后期混合的加强，固体不完全燃烧损失下降，燃烧效率得到提高．
(3)径向浓淡旋流生物质燃烧机由于在煤粉着火初期保持了较高的煤粉浓度，可以大幅度降低锅炉排烟中NO。的含量，减小锅炉排烟对大气的污染，
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