燃煤锅炉低NOx生物质颗粒燃烧机的研究及应用
摘要：对煤粉锅炉中常用的低NOx直流型生物质颗粒燃烧机和旋流型生物质颗粒燃烧机的结构、降低NOx排放的原理以及应用情况进行了介绍。通过对两种生物质颗粒燃烧机的综合分析和比较，提出了低NOx生物质颗粒燃烧机进一步研究的方向，以促进我国燃烧技术的进步和发展。
    找国以煤作为主要能源，全国70%～80%的电力是由燃煤火电机组产生。统计显示[1]，截至2003年底，全国发电设备容量为384.5 GW，其中火电为285.64 GW，占总容量的74.3%。近年来，由于电力生产用煤长期供应不足，同时存在煤种多变、煤质偏差等情况，我国很多锅炉的设计煤种逐渐以劣质烟煤和低挥发分昀贫煤为主。因此，选择适合不同煤种的生物质颗粒燃烧机日益受到电厂的关注。
    此外，随着我国经济的迅速发展，火电装机容量也逐年剧增，作为大气污染控制项目之一的氮氧化物(NOx)污染问题也日趋突出。因此，严格控制锅炉燃烧后NOx的排放，也是生物质颗粒燃烧机的设计和运行中应高度重视的问题之一。
    电站锅炉常用的煤粉生物质颗粒燃烧机主要有直流型煤粉燃烧器和旋流型煤粉生物质颗粒燃烧机两种。目前，我国电站锅炉中主要采用直流型生物质颗粒燃烧机，采用旋流型生物质颗粒燃烧机的锅炉只占总容量的20%。直流型煤粉生物质颗粒燃烧机通常布置在炉膛的四个角上，生物质颗粒燃烧机的射流在喷入炉膛时本身无旋转，主要依靠上下游射流的相互点火作用而稳定燃烧。旋流型煤粉生物质颗粒燃烧机可以前墙布置，也可以前后墙对冲布置，生物质颗粒燃烧机的射流在喷入炉膛时依靠射流旋转而产生的中心回流来
稳定燃烧。
1直流煤粉生物质颗粒燃烧机
1.1 PM型低NOx生物质颗粒燃烧机
主要由多组一次风煤粉喷口和二次风喷口组成，其结构如图1所示[2]。煤粉在一次风道中先经过一个弯头进行惯性分离，密度大的煤粉由于惯性大，多数进入上面的富燃料喷口，其余的随空气进入下面的贫燃料喷口。富燃料燃烧时，处于还原性气氛，有利于抑制燃料型NOx的生成；贫燃料燃烧时，由于空气过多使得火焰温度降低，有利于抑制热力型NOx的生成。
    PM型低NOx生物质颗粒燃烧机的主要特点是将炉膛的分级燃烧和生物质颗粒燃烧机的分级燃烧结合在一起。在这种生物质颗粒燃烧机中，送人主生物质颗粒燃烧机的一、二次风占总风量的80%左右。此外，由于采用分隔风箱，燃烧喷口的宽度较大，增加了出口处气流的刚性。PM型生物质颗粒燃烧机适用于燃烧可燃基挥发分V，> 24%的烟煤，具有明显的低负荷稳燃性能，能在40%负荷下不投油稳定燃烧，该技术已经成功地应用于某公司生产的黄台电厂上。
1.2 WR型低NOx生物质颗粒燃烧机
    WR型生物质颗粒燃烧机(Wide Range Burner，宽调节比燃烧器)主要由喷嘴和喷嘴体两部分组成，如图2所示。WR串加热设备型生物质颗粒燃烧机也是利用弯头的惯性分离作用，形成浓煤粉和淡煤粉，与弯头相接的管道中安装了浓、淡煤粉的分离挡板，使这两股气流从各自的管道通过。这种生物质颗粒燃烧机的喷口内安装有波形钝体，可增强煤粉与气流的搅拌并在生物质颗粒燃烧机的出口处形成一个有利于着火的稳定回流区，从而提高火焰的稳定负荷范围。
    WR型生物质颗粒燃烧机在垂直方向形成浓淡燃烧，其降低NOx排放的原理与PM生物质颗粒燃烧机相似。WR型生物质颗粒燃烧机与PM型燃烧器的不同之处在于：PM型生物质颗粒燃烧机有两个喷嘴，而WR型生物质颗粒燃烧机将浓、淡相集中在一个喷口内。因此，WR型燃烧器的上、下一次风中心距可以做得较小，这样既有利于降低整体的火焰高度、减少NOx的排放，又降低了锅炉的造价、满足了燃用劣质煤的要求。这种生物质颗粒燃烧机已在多家电厂成功应用。例如，汉川电厂采用这种生物质颗粒燃烧机取得了较好的低负荷稳燃和低NOx排放效果。
1.3水平浓淡式生物质颗粒燃烧机
    在浓淡燃烧技术的基础上，哈尔滨工业大学经过多年的努力，提出“风包粉”煤粉燃烧的思想，开发出水平浓淡风煤粉生物质颗粒燃烧机[3]。水平浓淡可以采用两种方式来实现：第1种是采用百叶窗煤粉浓缩器，如图3所示。这种方式对煤粉管遒的布置无特殊要求，适用于工程改造；第2种是采用900弯头，这种方式需要对管道设计做特殊处理，主要适用于新机组的设计。
    水平浓淡生物质颗粒燃烧机利用浓缩器或弯头将煤粉气流分成浓淡两相，并保持水平直到喷嘴出口。含有一次风中大部分煤粉的浓相气流在向火侧切向喷入炉内，形成内侧小切圆；淡煤粉气流在背火侧切向喷入炉内，形成外侧假想大切圆。水平浓淡生物质颗粒燃烧机也属于浓淡燃烧方式，故其降低NOx排放的原理与WR型生物质颗粒燃烧机相似。此外，由于生物质颗粒燃烧机中形成了内层切圆富燃料，属还原性气氛，能进一步降低NOx的形成。
    与WR型生物质颗粒燃烧机相比，水平浓淡生物质颗粒燃烧机除具备低NOx排放的优点外，还能进一步改善着火条件，增强水冷壁附近的氧化性气氛，可防止结焦和高温腐蚀。这种燃烧器煤种适应性非常广，对于低挥发分的贫煤、无烟煤的应用效果也不错，已经成功应用在安阳等多家电厂燃烧器的改造上。
1.4双通道自稳式生物质颗粒燃烧机
    双通道生物质颗粒燃烧机不属于浓淡燃烧方式，它是预燃室型生物质颗粒燃烧机的一种特例，结构见图。
    该技术是某公司与清华大学共同研制的，其特点是在同一煤粉管道上安装2个独立的一次风喷口，2介一次风喷口之间有一钝体空间，利用这两股射流的引射作用在这一空间产生高温烟气的回流，有利于煤粉的提前着火和稳燃。由于上下壁面均受到一次风的保护，因此这种生物质颗粒燃烧机能在长时间运行后不结焦。生物质颗粒燃烧机腰部的两侧各有一股狭长的腰部二次风，通过调节二次风速来调节火焰的长度，便于在水冷壁处形成氧化性气氛，有利于防止结渣和高温腐蚀。在双通道下一次风喷口两侧的下部，设有两股高速的蒸汽喷射口。一方面，蒸汽可以把一次风中的空气和细煤粉抽走，造成大部分缺氧，使燃料／空气比增加，抑制NOx的产生。另一方面，由于NOx主要发生在挥发分析出和着火区，而蒸汽射流恰好作用在此区域，因此可以控制这一区域NOx的生成量，从而控制整个炉NOx的排放量。这种生物质颗粒燃烧机还能适应低挥发分煤粉的点火，湘潭电厂应用这种双通道生物质颗粒燃烧机对原有锅炉进行了改造，降低了NOx的排放量。
2旋流煤粉生物质颗粒燃烧机
2.1 DRB型旋流生物质颗粒燃烧机
    B&W公司20世纪70年代推出了二次风双流道均为旋流的生物质颗粒燃烧机，即DRB型生物质颗粒燃烧机(Dual Register Burner，双调风旋流生物质颗粒燃烧机)，其结构如图5所示[5]。
    DRB型生物质颗粒燃烧机一次风管外有可调的内二次风和外二次风管，风管中设有2个分别控制的调风器。内调风器的主要作用是促进着火和稳燃，外调风器的主要作用是在火焰下游供风以完成燃烧。DRB型生物质颗粒燃烧机主要通过调整内、外二次风的比例和旋流强度来调节一、二次风的混合，延迟燃烧过程、降低燃烧强度，并在生物质颗粒燃烧机出口造成很强的还原性气氛，从而降低NOx的排放量。DRB型生物质颗粒燃烧机主要适用于燃烧挥发分> 25%的烟煤。运行实践证明，采用DRB型生物质颗粒燃烧机后，距喷口1.2 m处的火焰温度由1 600℃降至1 400℃，NOx排放浓度可降低39%。
    为了能够适用于燃烧贫煤，B&W公司又开发了EI-DRB型生物质颗粒燃烧机（Enhanced Ignition-Dual Register Burner，增强型双调风生物质颗粒燃烧机）。它的基本结构和原理与DRB型生物质颗粒燃烧机相同，区别是在一次风管中设有导向器和均流装置，能保证一次风出口的煤粉分布较均匀。在降低NOx排放量方面，EI-DRB型生物质颗粒燃烧机与DRB塑生物质颗粒燃烧机能力相当。
    为了便于锅炉的改型，B&W公司于1986年又开发了XCL型生物质颗粒燃烧机。XCL型生物质颗粒燃烧机与DRB型生物质颗粒燃烧机的区别是外二次风的进风方式不同，DRB型生物质颗粒燃烧机的外二次风采用的是切向进风方式，而XCL型生物质颗粒燃烧机的外二次风采用的是轴向进风方式。XCL型生物质颗粒燃烧机的NOx排放量比DRB型生物质颗粒燃烧机约低25%。
2.2 PAX型旋流生物质颗粒燃烧机
    PAX型生物质颗粒燃烧机（Primary Air Exchange Burner，一次风交换生物质颗粒燃烧机）是B&W公司在DRB型生物质颗粒燃烧机的基础上增设了PAX装置及分级风管形成的。
    PAX型生物质颗粒燃烧机的原理是当一次风粉气流通过生物质颗粒燃烧机入口弯头时，由于离心力的作用，使进入外侧主生物质颗粒燃烧机喷嘴的煤粉约占总煤粉量的90%。其余约10%的煤粉和约50%的低温乏气，从一次风管中抽出，将其作为三次风在生物质颗粒燃烧机周围的三次风口喷入炉膛。一次风管中所剩的50%空气与二次风箱引入的温度为310～371℃的热风混合后作为一次风喷入炉膛。这种生物质颗粒燃烧机的降低NOx原理仍是分级送风。在二次风不分级时，PAX型生物质颗粒燃烧机和EI-DRB型生物质颗粒燃烧机效果柏同；在二次风分级时，PAX型燃烧器比EI-DRB型生物质颗粒燃烧机有更好的调节性能。
2.3 WSF型生物质颗粒燃烧机和DS型生物质颗粒燃烧机
    在20世纪80年代后期，德国Babcock公司开发了WSF型低NOx生物质颗粒燃烧机（扰动式双二次风旋流式生物质颗粒燃烧机），结构如图7所示‘7]。生物质颗粒燃烧机的中心风管与煤粉管为同心布置，中心风主要是保证油燃烧时能燃烧充分，而油枪停运时，对油枪和一次风管进行冷却。生物质颗粒燃烧机内的中心风、二次风I、二次风II的风量都能单独进行调整，可增强生物质颗粒燃烧机的旋流强度，加强回流区的卷吸能力，提高生物质颗粒燃烧机煤种的适应能力。WSF型低NOx生物质颗粒燃烧机通过分级送风来控制煤粉和空气的混合，延长燃烧过程，降低局部燃烧强度及火焰峰值温度，减少NOx生成量。我国的蒲城电厂采用了WSF型生物质颗粒燃烧机，但在燃用贫煤时NOx的排放偏高。
    在WSF型生物质颗粒燃烧机的基础上，Babcock公司于20世纪90年代开发了一种新型低NOx煤粉生物质颗粒燃烧机--DS型旋流生物质颗粒燃烧机，如图8所示。这种生物质颗粒燃烧机从整体上看接近WSF型生物质颗粒燃烧机，但在生物质颗粒燃烧机一次风道内加装了旋流导向叶片，在煤粉喷嘴出口加装了齿环稳燃器，强化煤粉燃烧。一次风与内二次风喷嘴端部都设计成外扩型，以保证更强的分缎送风效果。此外，内外二次风道为切向进风涡壳式结构，保证生物质颗粒燃烧机出口断面空气分布均匀，优化燃烧应具备的旋流强度。因此，DS型生物质颗粒燃烧机在设计上充分考虑了减少NOx生成和由于采用低NOx燃烧措施可能出现的燃烧不良问题。它既可用于优质烟煤，也可用于劣质烟煤或贫煤。采用DS型生物质颗粒燃烧机的锅炉，NOx排放量可以降为450 mg/m3左右，锅炉负荷变化40%～100%。二妞设备止产生的高电压击穿电容[6]。    加入低压无功补偿控制器后，其作用主要体现在以
    (3)先确定一相投满，是为了充分利用电容资源，先整体投入，再根据三相有功功率是否平衡来调节电容的投入量。
    (4)由于电炉的炉况不断的变化，功率因数也在不断的变化，电容器的投切会很频繁，因此投切是要延时进行，一般将投切定时时间定为3 min。
    (5)在投算法和切算法子程序中，投切电容的顺序按照“先进先出，后进后出”原则，以实现电容的循环投切，以延长电容的寿命。
7现场调试结果及结论
    通过对铁合金矿热炉安装低压无功补偿控制器，电路的功率因数有了很大的提高。通过对现场生产数据的记录，可以很明显地看出补偿前后的变化，
下几点：
    (1)提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗，提高了产量。
    (2)稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。
    (3)低压补偿是自动进行的，自动对3个电极的电压、电流进行调整，对炉况的稳定十分有利。
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