曾令艳，李晓光，张 宁，陈智超，李争起

(1.上海电机学院，上海 201306；2.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

我国是世界上为数不多的低挥发分煤(即贫煤和无烟煤)蕴藏丰富的国家之一[1]，低挥发分煤在电站锅炉燃用煤量中所占比例高达40%以上。我国自20世纪80年代末开始从国外引进一种专为燃用无烟煤和贫煤而设计的W火焰锅炉。这种锅炉因为炉内温度高，煤粉在炉内停留时间长，被广泛用于燃用难燃且廉价的无烟煤及贫煤[2-3]，但也因此存在煤粉着火晚[4]，流场偏斜[5]，飞灰可燃物含量高[6-9]以及NOx排放浓度偏高[10-15](NOx排放浓度高达1200～1600mg/m3，6%O2)等问题。这与我国节能减排的政策相违背[16]。研究人员进行了较深入的研究并提出了相应解决措施，例如在无烟煤中掺烧混煤以稳燃[17]，调整燃烧系统以增强煤粉燃尽[18]，调整炉内分级供风抑制NOx排放等解决特定问题的措施[19]。李争起等[20]提出了致力于综合解决上述问题的多次引射分级燃烧技术，并对该技术做了一系列的研究[20-22]。研究表明该项技术在提高煤粉燃尽性、稳燃、保持炉内火焰对称性及降低NOx生成等方面具有很大优势。

然而，在实际运行中，为降低燃料成本，锅炉实际燃用煤质有时会比设计煤质差，如燃烧灰分较高的劣质煤，干燥基灰分Ad大于40%，属于极难稳燃、中等难燃尽的煤[23-24]。锅炉燃用高灰分的劣质煤时，煤粉的燃尽难以保证，飞灰燃尽度不易提高，使得飞灰和炉渣可燃物含量偏高[25-28]。降低飞灰可燃物含量不仅可以提高锅炉效率，还能使飞灰得到有效利用，减少环境污染[29]。

本文采用工业试验方法，研究三次风摆角(0°、15°和25°)变化对一台采用多次引射分级燃烧技术的350MW超临界W火焰锅炉炉内燃烧及NOx排放特性的影响。锅炉燃用高灰分、低热值的劣质煤，因实际生产需要，机组锅炉常在210MW负荷下运行。燃煤锅炉的最佳运行负荷是70%～100%额定电负荷，低于这个范围即为低负荷运行[30-31]。本文研究锅炉低负荷下浓煤粉气流着火特性，下炉膛温度分布，近燃烧器区域和近三次风区域的烟气组分浓度，炉膛出口飞灰可燃物含量和NOx排放浓度的变化规律，得出了最佳的三次风摆角，为优化燃烧系统和指导锅炉运行提供理论依据。

1 试验方法及装置

图1所示为炉膛结构及锅炉燃烧系统示意图，炉膛沿炉膛中心线对称，图中显示半炉膛结构。在前后拱上各布置8只燃烧器，每只燃烧器对应一只旋风筒煤粉浓缩器对一次风煤粉气流进行浓淡分离，分离后的煤粉分别进入燃烧器浓淡煤粉气流喷口。每只燃烧器包括4个浓煤粉气流喷口、4个淡煤粉气流喷口、4个外二次风喷口、4个内二次风喷口、2个位于浓煤粉气流喷口两侧的边界二次风喷口，2个位于浓煤粉气流喷口之间布置油枪的油二次风喷口和1个位于淡煤粉气流喷口之间布置火检的二次风喷口，而位于锅炉四角靠近翼墙的燃烧器分别增加3个二次风喷口。燃烧器喷口在炉膛深度方向上的布置顺序为：由前、后墙到炉膛中心依次布置外二次风喷口、淡煤粉气流喷口、内二次风喷口及浓煤粉气流喷口，浓、淡煤粉气流在下行过程中逐渐混入内、外二次风，实现了内、外二次风对浓、淡煤粉气流的逐级引射作用。在下炉膛前后墙下部等间距布置4组缝隙式三次风喷口，三次风喷口加装下倾角度调节装置，调节范围为与水平方向成0°～30°，每隔5°可调。在上炉膛前后墙下部沿着水平方向等间距布置5组直流缝隙式燃尽风喷口，为提高煤粉煤粉颗粒在炉内停留时间，降低锅炉飞灰中可燃物含量，上炉膛的高度相较于同级别亚临界锅炉[25]增加了6.931m。

工业热态试验时固定二、三次风挡板开度，OFA挡板开度等其他参数不变，调整三次风摆角为0°、15°和25°。试验期间锅炉主要运行参数列于表1。

表1 试验期间不同三次风摆角下锅炉主要运行参数

在试验进行前，所有的试验测量仪器，包括光学高温计，热电偶和烟气分析仪，均需事先标定以确保测量结果的准确性，同时对集控中心表盘显示数据进行校准。在试验过程中保持煤质稳定(设计和实际燃用煤质见表2)，避免进行吹灰、排污等干扰试验的任何操作。

表2 煤质参数

使用热电偶测量浓煤粉气流着火位置，具体测量位置见图1。使用手持式红外测温仪通过分布在下炉膛翼墙上的看火孔(见图1)测量下炉膛烟气温度。使用Testo 350M型烟气分析仪测量看火孔1处和2处的烟气组分浓度，烟气位置为距离翼墙2.4m的燃烧器下方区域和三次风区域，烟气由水冷取样枪抽出。同样使用Testo 350M型烟气分析仪测量炉膛出口烟气成分。对飞灰取样以测量飞灰可燃物含量。

图1 350MW超临界W火焰锅炉炉膛结构及燃烧系统

2 试验结果及分析

2.1 下炉膛温度分布

图2所示为各排看火孔平均温度，表示了沿炉膛高度方向上的下炉膛温度分布。从图2可以看出，由位于燃烧器区域的第1排测点开始，随着炉膛高度降低，下炉膛温度逐渐升高，至位于主燃区的第3排和第4排测点处达到最大值，随后进入冷灰斗区域，温度逐渐降低。对比不同三次风摆角下的温度分布可见：

(1)随着三次风摆角由0°增大到25°，位于燃烧器区域的第1排测点温度平均值由1016℃先增大到1104℃，之后减小到1010℃。

(2)三次风摆角为0°时，各排测点平均温度最大值出现在第3排，为1216℃，随着炉膛高度降低，平均温度逐渐降低，第5排测点平均温度降至1079℃；三次风摆角为15°时，各排测点平均温度最大值出现在第3排，为1213℃，第5排测点平均温度降至1127℃。与工况0°相比，工况15°的炉膛温度峰值没有太大变化，但下炉膛整体温度升高，这是由于三次风摆角增大后浓煤粉气流达到三次风位置后被带到炉膛的更深处，煤粉在下炉膛的停留时间延长，煤粉在下炉膛燃烧更充分，下炉膛火焰充满度和温度升高。三次风摆角为25°时，各排测点平均温度最大值出现在第4排，为1161℃，而第3排测点和第5排测点平均温度分别为1159℃和1160℃，第3、4、5排温度接近，说明本工况炉膛火焰中心位置较0°和15°下移。

图2 各排测点温度平均值

2.2 浓煤粉气流升温及着火温度

图3为浓煤粉气流升温过程曲线。由于调整炉内配风参数会不同程度上影响到燃烧器区域的煤粉浓度及煤粉在拱下的停留时间，使不同工况下的浓煤粉气流着火所需的着火热受到影响，相应着火温度存在一定差异。本文中将统一选取900℃做为具有较高煤粉浓度的浓煤粉气流着火温度，从而定量的对比调整三次风摆角对浓煤粉气流升温及着火的影响。由图3可见：

(1)随着三次风摆角由0°增大到15°，不同负荷下浓煤粉气流升温速度均逐渐加快，浓煤粉气流着火距离由2.40m缩短至2.07m。这是因为，随着三次风摆角的增大，下炉膛温度整体升高(见图2)，拱下回流区卷吸到浓煤粉气流根部的高温烟气温度升高，促进浓煤粉气流的着火。

(2)随着三次风摆角由15°增大到25°，不同负荷下的浓煤粉气流升温速度减慢，着火距离延长至2.48m。由前面温度场的分析结果可知，三次风摆角由15°增大到25°时，下炉膛高温区域位置下移，燃烧器区域的高温回流烟气温度降低，浓煤粉气流受到高温回流烟气加热的热量减少，不利于浓煤粉气流着火。此外，由于三次风摆角的大小是通过三次风道内的摆角挡板调节，三次风摆角增大至25°后，挡板倾斜角度较大，三次风在挡板处的局部阻力增大。二次风、三次风以及OFA均来自主二次风道，三次风喷口处的局部阻力增大后，二次风及OFA的风量均不同程度的增加。浓煤粉气流要达到着火温度，需要浓煤粉气流和相邻的内二次风一起加热至煤粉着火温度，这两股气流被加热到着火温度所需要的热量，定义为着火热。拱上二次风风量增大后，所需着火热增多，煤粉气流升温变慢，则煤粉气流着火较晚。

图3 浓煤粉气流升温过程曲线

2.3 烟气组分浓度分布

图4为看火孔1和看火孔2处的烟气组分浓度。看火孔1位于近燃烧器区域，看火孔2位于三次风区域(看火孔位置见图1)。在燃烧器下方区域，随着三次风摆角由0°增大到25°，O2浓度先减小后增大，CO浓度和NO浓度先增大后减小。三次风摆角为15°工况下，O2浓度低至8.5%，而CO浓度高达2619μL/L，NO浓度达到452μL/L。与其他两个工况相比，三次风摆角为15°时燃烧器下方区域各气体组分浓度变化明显。这是因为三次风摆角为15°时，煤粉气流着火较早(见图3)，煤粉燃烧时消耗大量O2，而产生CO和NO等产物。在三次风区域内，当三次风摆角为0°时O2浓度较大，这是因为此时三次风水平喷入炉膛，而看火孔2位于与三次风喷口同一水平高度上，受三次风的影响该工况下O2浓度较大。随着三次风摆角逐渐增大，O2浓度逐渐减小，这是因为随着三次风摆角增大，三次风逐渐下倾。各工况下CO浓度处于较低水平。随着三次风摆角由0°增大到25°，看火孔2处的NO浓度先减小后增大。这是因为该工况下，煤粉气流着火较晚(见图3)，未燃尽的煤粉颗粒在混入三次风后，在富氧情况下迅速燃烧，因而产生部分NO。

图4 看火孔1和2处烟气组分浓度

2.4 炉膛出口参数

表3给出了不同三次风摆角下的炉膛出口参数。由表3可以看出，炉膛出口O2浓度在5.07%～5.14%之间，NOx排放浓度在660～681mg/m3(6%O2)之间，三次风摆角变化对炉膛出口O2浓度和NOx排放浓度影响不大。三次风摆角由0°增大到15°时，飞灰可燃物含量由4.96%降低至4.83%；三次风摆角由15°增大到25°时，飞灰可燃物含量由4.83%升高至5.72%。三次风摆角为15°时，飞灰可燃物含量最低，这是因为：

表3 炉膛出口参数

(1)三次风摆角为15°时浓煤粉着火距离相对于其他工况较短(见图3)，浓煤粉气流的着火得到改善。

(2)与工况0°相比，工况15°时煤粉气流达到三次风位置后被带到炉膛的更深处(见图2)，煤粉在下炉膛的停留时间延长，煤粉在下炉膛燃烧更充分。而工况25°时，虽然煤粉气流燃烧行程延长，但该工况下浓煤粉气流着火较晚(见图3)，且下炉膛温度较低(见图2)，不利于煤粉颗粒的燃尽。

此外，对于三次风摆角为15°的工况，还进行了230MW负荷下的炉膛出口参数测量以作为对比，锅炉燃用相近的煤质。测量结果表明：炉膛出口O2浓度为4.4%，飞灰可燃物含量为4.73%，NOx排放浓度为684mg/m3(6%O2)。相比于210MW负荷下三次风摆角为15°时的参数，飞灰可燃物含量略有降低，而NOx排放浓度略有升高。总的来说，锅炉在低负荷下三次风摆角为15°工况时表现出了较好的经济和环保性能。

3 结论

本文采用工业试验方法，研究三次风摆角(0°、15°和25°)变化对一台采用多次引射分级燃烧技术的中国首台350MW超临界机组W火焰锅炉低负荷下燃烧及NOx排放特性的影响。得到结论如下：

(1)三次风摆角由0°增大到15°时，下炉膛火焰温度及燃烧器区域温度升高；浓煤粉气流着火距离由2.40m缩短至2.07m；靠近燃烧器区域O2浓度减小，CO和NO浓度增大；靠近三次风区域NO浓度减小。三次风摆角为15°时，在靠近燃烧器区域，O2浓度最低至8.5%，而CO浓度则高达2619μL/L，NO浓度达到452μL/L；飞灰可燃物含量最低，为4.83%。

(2)三次风摆角由15°增大到25°时，下炉膛火焰中心降低，冷灰斗区域温度升高；飞灰可燃物含量明显升高，达到5.72%。

(3)试验期间不同工况NOx排放浓度在660～681mg/m3(6%O2)之间，三次风摆角变化对NOx排放浓度影响较小。综合考虑煤粉着火、燃烧和NOx排放特性，推荐最佳三次风摆角为15°。