低NOx生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)

由于燃料中含氮率高，以致難以減少燃煤鍋爐中的氮氧化物含量(NO：)?，F(xiàn)在，于正在運(yùn)行的鍋爐上采用低NO：生物質(zhì)燃燒機(jī)（雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)），并應(yīng)用通常的二級(jí)燃燒方式，成功地使NO：濃度降低一半（約降低47%）。

自從1973年末的“石油危機(jī)”以來(lái)，在注意燃料如何更有效地利用的同時(shí)，煤炭燃料再度受到重視。為此，在減少輕油燃料、氣體燃料的硫氧化物、氮氧化物(以下簡(jiǎn)稱SOx，NOx)的過(guò)程中、即使對(duì)煤炭燃料也必須同樣地研究并確立有關(guān)降低NO：的技術(shù)。

低NO：生物質(zhì)燃燒機(jī)就是為了降低NO。而經(jīng)過(guò)改進(jìn)的燃燒裝置。

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NO（一氧化氮、氧化氮）

NOz（二氧化氮、過(guò)氧化氮）

Nz0（氧化二氮、亞氧化氮）

N204（四氧化二氮）

NzOs（五氧化二氮、無(wú)水硝酸）

等各種化合物，由煤、石油、天然氣等化石燃料所生成的NO；中5～10%為N02，其余大部分為NO。

燃燒生成的NO，有下列兩個(gè)來(lái)源：

(1)燃燒用的空氣中的氮分子(N2)在高溫下被氧化。

(2)由燃料中所含有的氮化物氧化生成。

由(1)生成的稱之為熱NO(或叫作熱NO．)，而由(2)生成的因其氮分(N)來(lái)源于燃料故稱為燃料NO（或叫燃料NO。）。

幾年來(lái)對(duì)NO；的研究都是作為熱NO。研究，柴道維奇已有很多研究，不少方面已有定論。燃料NO：是燃料中的氮萘、氮茚、9氮雜芴及其衍生物等氮化物氧化產(chǎn)生的。燃料中含氮率隨原油和煤的產(chǎn)地而異。其大致范圍為：

以級(jí)重油：0.005～0.08%（重量）

B及C級(jí)重油：0.08～0.4%（重量）

煤：0.5～2.5%（重量）

煤中所含氮分要比液體燃料多，故其N0：易于生成。在研制低NO：生物質(zhì)燃燒機(jī)時(shí)，如何減低燃料NO：是很重要的。

就燃燒裝置而言、決定燃燒工況的因素中，屬燃料方面的有煤粉粒子直徑、擴(kuò)散狀態(tài)、揮發(fā)性、噴射角度和噴出速度等；屬空氣方面的有旋流強(qiáng)度、溫度、噴出速度、風(fēng)量分配（一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)）生物質(zhì)燃燒機(jī)喉口形狀等。要使得在生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)附近的燃燒區(qū)內(nèi)燃燒空氣產(chǎn)生自然回流循環(huán)，同時(shí)在爐膛內(nèi)產(chǎn)生煙氣回流循環(huán)。

在研制低NO：生物質(zhì)燃燒機(jī)時(shí)，有的著眼于燃料方面的因素，有的著眼于燃燒空氣方面的因素，前者如研制噴嘴、后者如研制調(diào)風(fēng)器。本文發(fā)表的低NO：生物質(zhì)燃燒機(jī)主要著眼于燃燒用空氣。以下介紹鍋爐運(yùn)行試驗(yàn)的結(jié)果，它具有不影響燃燒而又大幅度降低NO：的效果。

研究方法

1)低NO：生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)（雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒爐）

通常的圓形調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)的大致結(jié)構(gòu)如圖1所示。低NO；生物質(zhì)燃燒機(jī)是一種使用雙重調(diào)風(fēng)器的供燃燒煤粉用的、并降低NO，的生物質(zhì)燃燒機(jī)，它既可使燃料完全燃燒，又可抑制NOx的生成。

雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。煤粉噴嘴布置在調(diào)風(fēng)器中心，煤粉及一次風(fēng)從該噴嘴噴入爐膛燃燒。在煤粉噴嘴的外圍與之同心地裝有兩個(gè)圓套筒。圓套筒之間形成環(huán)狀通道，內(nèi)側(cè)為冷空氣噴口或一次煙氣噴口（鍋爐排煙噴入噴口），外側(cè)為二次風(fēng)噴口。另外，在二次風(fēng)圓套簡(jiǎn)外側(cè)與生物質(zhì)燃燒機(jī)喉口之間的環(huán)狀通道為三次風(fēng)噴口。冷空氣噴口除了可從風(fēng)箱引入燃燒用的空氣外，還可從送風(fēng)機(jī)出口引入冷空氣或送入鍋爐排煙。該噴口是雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)基本結(jié)構(gòu)上附加的結(jié)構(gòu)。

二次風(fēng)、三次風(fēng)噴口從風(fēng)箱供給燃燒用的空氣。為了進(jìn)行空氣流量的分配，在各噴口的進(jìn)口設(shè)置有百葉窗式的調(diào)節(jié)擋板，稱之為二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器和三次風(fēng)調(diào)風(fēng)器。

通常的圓形調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)置有分散煤粉及穩(wěn)定火焰用的穩(wěn)焰葉輪，而在雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)上則沒(méi)有裝置這種葉輪。在雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)煤粉噴嘴進(jìn)口處裝有文丘利管和文丘利管定位銷，可用來(lái)調(diào)整煤粉與一次風(fēng)的混合以及風(fēng)粉混合物從噴嘴噴出的狀況。在二次風(fēng)系統(tǒng)中設(shè)置有調(diào)整旋流強(qiáng)度和空氣流量的葉片，稱為二次葉片。

如上所述，雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)的特征是右三個(gè)噴口嗣來(lái)投入燃燒空氣，即

(1)生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口（一次風(fēng)）

(2)二次風(fēng)噴嘴（二次風(fēng)）

(3)三次風(fēng)噴口（三次風(fēng)）

而且為了降低NO：還裝有冷空氣噴口或一次煙氣噴口，這種低NO：生物質(zhì)燃燒機(jī)特稱為PG（一次煙氣）雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)。從各燃燒空氣噴口噴出的空氣量分配是：

(1)-次風(fēng)——理論空氣量的15—30%（輸送煤粉用）。

(2)二次風(fēng)——理論空氣量的35～45%（用來(lái)保持還原氣氛以穩(wěn)定燃燒、并防止發(fā)生火焰溫度峰值。

(3)三次風(fēng)——理論空氣量的55～65%（使燃料完全燃燒）。

2)試驗(yàn)鍋爐

試驗(yàn)是在某電力公司的協(xié)助下在試驗(yàn)鍋爐上進(jìn)行的。試驗(yàn)鍋爐的設(shè)備規(guī)格見(jiàn)表1。其生物質(zhì)燃燒機(jī)布置如圖3所示。

在鍋爐省煤器出口煙道上和排入大氣前的煙囪入口處的煙道上的取樣點(diǎn)取樣測(cè)量。全部用監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量，省煤器出口用美國(guó)戴納賽安斯公司制造的固定電位電解型監(jiān)測(cè)儀測(cè)量，煙囪進(jìn)口用日本日立掘場(chǎng)制造的紫外線式監(jiān)測(cè)儀測(cè)量。各取樣點(diǎn)沿?zé)煹罊M截面各點(diǎn)取樣，以平均近似值表示出來(lái)。

(2)排煙中的殘存氧量

排煙中的殘氧取樣點(diǎn)都設(shè)在省煤器出口和煙囪進(jìn)口處，在中央控制室用指示儀表顯示，同時(shí)在省煤器出口的NO：取樣煙氣中分出一部分，用日本礙子公司制造的鋯瓷式分析儀測(cè)量。

(3)-氧化碳

一氧化碳(以下簡(jiǎn)稱CO)在省煤器出口處測(cè)定，取樣點(diǎn)與NO。、為同一點(diǎn)。用西德道來(lái)古爾公司制造的檢測(cè)管進(jìn)行分析。

(4)火焰溫度

用光學(xué)高溫計(jì)從鍋爐看火孔測(cè)定火焰溫度。

(5)煤中的含氮率比重油、原油高，則所謂的燃料NO．也就高。燃料中的含氮率按JIS-M88136-2“微硝鹵水法”進(jìn)行。

試驗(yàn)結(jié)果

1)試驗(yàn)項(xiàng)目

用低NO；生物質(zhì)燃燒機(jī)以達(dá)到降低NO；濃度，并使之大于30%的目的。曾進(jìn)行以下各項(xiàng)試驗(yàn)。

(1)二級(jí)燃燒的空氣量分配變化（生物質(zhì)燃燒爐喉口與進(jìn)NO噴口的空氣量分配變化）

(2)過(guò)量空氣系數(shù)的變化

(3)負(fù)荷變化

(4)使用冷卻生物質(zhì)燃燒機(jī)噴嘴附近的吠焰的方法使NO．降低的效果。

2)試驗(yàn)結(jié)果

( i)NOx濃度

①使用雙重調(diào)風(fēng)器前后的比較

汽輪機(jī)以額定負(fù)荷運(yùn)行，在二級(jí)燃燒設(shè)備的擋板開(kāi)度位置小時(shí)，對(duì)使用雙重調(diào)風(fēng)器前后的NO：濃度進(jìn)行比較。雙重調(diào)風(fēng)器的NO．降低率為31%時(shí)效果為佳。

②由二級(jí)燃燒得到的效果（汽輪機(jī)額定負(fù)荷時(shí)）

二級(jí)燃燒比率[（通過(guò)生物質(zhì)燃燒機(jī)喉口的空氣量／理論空氣量）×100]與NO；濃度的關(guān)系如圖5所示，圖中把通常的圓形生物質(zhì)燃燒機(jī)與雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)作了比較。圓形生物質(zhì)燃燒機(jī)不采用二級(jí)燃燒時(shí)的NO；濃度定為，則采用二級(jí)燃燒后可達(dá)到降低率為31%，而只采用雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)NO；降低率為39%，若二者同時(shí)采用，則可得NO；降低率為63%，作為降低NO：的方法，可同時(shí)采用雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒爐和二級(jí)燃燒，這樣效果較好。

③過(guò)量空氣系數(shù)的變化（汽輪機(jī)額定負(fù)荷時(shí)）

過(guò)量空氣系數(shù)（由省煤器出口排煙中殘存的02量測(cè)定）變化時(shí)NO；濃度的變化如圖6所示。由圖可見(jiàn)，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)下降時(shí)，則NO．濃度也隨之下降。

④負(fù)荷變化

負(fù)荷變化時(shí)的NO。濃度如圖7所示。NO擋板小開(kāi)度時(shí)NO。濃度的變化是隨負(fù)荷的降低而降低。由這個(gè)結(jié)果可知，對(duì)采用雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒機(jī)的煤粉爐，用增加爐膛受熱面積來(lái)降低NO。也是有效的辦法。實(shí)行二級(jí)燃燒時(shí)，為了在低負(fù)荷時(shí)燃燒穩(wěn)定，把NO擋板關(guān)閉到如圖中所示的開(kāi)度。

⑤冷卻生物質(zhì)燃燒機(jī)噴嘴附近的火焰來(lái)降低NO，的效果

節(jié)譬所述的冷空氣噴口內(nèi)，由于這次試驗(yàn)時(shí)不能抽鍋爐排煙送入，而作為降低N0：的方法是減小氧氣分壓力和冷卻火焰，因此把送風(fēng)機(jī)出口的冷空氣注入冷空氣噴口內(nèi)，以達(dá)到冷卻火焰的目的。在注入冷空氣時(shí)進(jìn)行燃燒工況檢查，在燃燼時(shí)間和火焰長(zhǎng)度籌方面沒(méi)有燃燒上的故障。即由煤粉噴嘴附近注入冷空氣

(2)排煙中的CO

圖8和圖9中分別為省煤器出口02變化及二級(jí)燃燒比率變化時(shí)CO的變化情況示例。過(guò)量空氣與CO的關(guān)系為：隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加，CO濃度減少。這個(gè)傾向是與液體燃料相同的。

二級(jí)燃燒與CO的關(guān)系是，隨著二級(jí)燃燒的強(qiáng)化，CO先是增加，到值后又減少。隨著二級(jí)燃燒比率的變化，從風(fēng)箱供給的二次風(fēng)及三次風(fēng)的流量發(fā)生變化，并使生物質(zhì)燃燒爐喉口處的噴出速度改變：由于輸送煤粉用的一次風(fēng)量不改變，從煤粉噴嘴噴出的速度也不會(huì)變化。計(jì)算得出，相對(duì)速度為零的二級(jí)燃燒比率與CO濃度增大點(diǎn)大致上是一致的。

因此要考慮相對(duì)速度為零時(shí)CO濃度增大的情況。

(3)火焰溫度

根據(jù)雙重調(diào)風(fēng)器使用前后，二級(jí)燃燒采用與否，對(duì)這些不同的工況在上部生物質(zhì)燃燒機(jī)區(qū)域的4 FL和爐膛上部的7FL兩個(gè)地方用光學(xué)高溫計(jì)進(jìn)行火焰溫度測(cè)定。生物質(zhì)燃燒機(jī)前后的比較，則可見(jiàn)在使用后全都使溫度降低。由此可見(jiàn)，采用雙重調(diào)風(fēng)器生物質(zhì)燃燒爐可使生物質(zhì)燃燒機(jī)附近易于發(fā)生峰值處的火焰溫度下降，對(duì)降低NO：產(chǎn)生有效的作用。

(4)熔渣生成情況

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