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1、超低Ox大量程煤粉燃烧器的开发近年来,由于环保规定，对燃煤发电厂盼望能将x、SOx、粉尘等环境污染物质的排出量减少到同燃油火电相似的水平,特别是盼望进一步减少NO的生成量。同步,还盼望确立适应电力需要的、同燃油火电同样的低负荷运营性能。日本电力中央研究所与石川岛播磨重工业公司共同开发了可使灰中未燃分增长而将煤粉燃烧时发生的NOx减少0%以上的超低NO煤粉燃烧器(C-燃烧器)。为了提高该燃烧器的低负荷运营性能,同一般的低NOx燃烧器改善低负荷燃烧稳定性同样,局部浓缩低负荷时稀薄了的一次风中的煤粉浓度,是适于稳定燃烧的浓度调节的有效措施。1 超低Ox煤粉燃烧器概念与低负荷稳定性已开发的超低N煤粉燃
2、烧器的概念如图所示。为在不增长灰中未燃分的状况下大幅度地减少Ox,在燃烧器附近的初期燃烧中采用低空气比和高温来增进煤的热分解。由此可放出煤中的氮成分和减少残留炭,并且,生成的NOx通过后流部分中形成的还原火焰还原、分解而得到有效减少。因此,可比以往更高地增进燃烧器附近的煤的热分解,形成高温的氛围气，在该高温还原场中能充足保证煤粉粒的滞留时间。作为燃烧器部分的特点是,一次风管道为直管形状,二次风管道为收缩形状，三次风管道为扩大形状。并且，一次风旋转较弱,二、三次风旋转都很强。该燃烧器的负荷变化时的、灰中未燃分的排出特性和稳定燃烧界线，如图2所示。该燃烧器不仅在额定负荷低的Nx、灰中未燃分的发生量
3、比已有的低Ox燃烧器低,并且增进了燃烧器附近的燃烧。由于具有增长煤粉滞留时间的构造,改善了低负荷时的燃烧稳定性,相对于已有燃烧器最低负荷4，又减少了1,可在0%的低负荷下稳定燃烧。但是，为了达到同燃油火电同样的最低负荷,盼望能在0负荷下稳定燃烧,着手进行了通过浓缩该燃烧器的一次风中的煤粉进一步改善低负荷燃烧稳定性技术的开发。2 超低NOx煤粉燃烧器应用的煤粉浓缩概念 为了局部浓缩诸如煤粉燃烧器一次风管道这样的直管中的粒状物质，使其在输送空气中旋转，可以运用离心率将煤粉粒集中于外周部这一有效措施。将这一概念应用于原低O燃烧器中,开发了大量程燃烧器,实践证明具有同燃油火电同样的低负荷燃烧稳定性。但
4、是,由于超低Ox煤粉燃烧器的一次风旋转较弱，因此强化其旋转时，燃烧器喷出的煤粉易于扩散,不能形成有效的NO还原火焰。 作为应用于超低x煤粉燃烧器的煤粉浓缩措施，提出了如图3所示的2种措施。图3(a）同前述的大量程燃烧器同样，采用切线流入方式加强煤粉在一次风中的旋转,并用台形状的可移动环将煤粉浓缩于燃烧器外周部分的方式。外周侧的浓缩器和内周侧的稀薄流采用中间筒分离后，为了克制其旋转，将整流板设立为与流向平行。低负荷时,环接近燃烧器出口,强化浓缩效果;额定负荷时,环远离燃烧器出口,削弱浓缩效果。此外,图3（b)注重于在同本来同样的弱旋转下可浓缩的环的形状,因此,可通过流线形环将气流中的煤粉顺利地移
5、动到外周部。与图3(a）的措施同样,低负荷时通过将浓缩环移近燃烧器出口来增强浓缩效果,额定负荷时将浓缩环远离燃烧出口来削弱浓缩效果。如下以图(b）所示的弱旋转流下可浓缩方式的研究成果为主,论述评价本燃烧器的性能。 运用冷流实验探讨煤粉浓缩特性采用图3(b)的燃烧器,设立流线形环的煤粉浓缩效果见图4。纵轴为将各测定位置的煤粉浓度除以一次风管道内平均煤粉浓度的煤粉浓度比。在本研究中,检测了距燃烧器出口5m的位置设立环的状况下的燃烧器出口部分半径方向的煤粉浓度分布。为了比较,图中一并绘出了将图3(a)所示的台形环应用于旋转弱的流场时的成果。采用任一种环的状况下,燃烧器外周部分的煤粉浓度都很高,管道内
6、的煤粉集中于元环的外周部分。但是,在采用流线形环的状况下,具有越是外用部分浓度越高的单一倾向；而采用台形环时,内周部分浓度也有一定增大,且有外周部分浓缩特性削弱的倾向。流场数值计算表白,在采用台形环的状况下，惯性力很大的粉粒在环中发生冲撞后,又在一次风管道外周部分发生冲撞,其成果,产生了反弹内周侧的现象,从而使内周侧的浓度增大。另一方面,流线形环将气流平稳地移至外周部分，粉粒也就能顺利地集中于外周侧,从而克制了采用台形环时发生的粉粒反弹图4 燃烧器出口部分半径方向的煤粉浓度分布 注：*1环位置：流线型环为从燃烧器顶端到环顶部的距离； 台形环为从燃烧器顶端到环上弦的接近燃烧器出口端部的距离现象。
7、根据这些成果,在旋转弱的流场中仅靠浓缩环的作用来浓缩粉粒时，采用流线形环应当是最佳方案。设立流线形环时,燃烧器出口到环设立位置的距离(从燃烧器顶端到环顶部的距离)与燃烧器外周及内周部分的煤粉浓度之间的关系,如图所示，环越接近燃烧器出口，外周部分的浓度越高,由环导致的浓缩效果越强。当环位置距燃烧器出口25时,外周部分的浓度约为管道内平均浓度的8倍。另一方面，随着环位置远离燃烧器出口,浓缩效果削弱,达80时减少到1.5倍。即在额定负荷下不必浓缩时,可将环远离燃烧器。4 超低NOx大量程燃烧器性能评价由上部分所述可以明确用流线形环可有效地浓缩低负荷时的煤粉流。因此,进行了在实际的燃烧物中其低负荷时的
8、燃烧稳定性的Nx、灰中未燃分排出特性的探讨。在后来的实验中,采用了如图所示的在浓缩环和燃烧器出口间设立为将外周部分的浓缩流和内周侧的稀薄流分离喷出的中间筒、将浓缩分离后的气体流发散后燃烧的燃烧器。在这种状况下，环位置为中间筒的接近环的端部与环顶部间的距离。实验采用了电力中央研究所的燃煤量为0kgh的小型燃烧实验炉(图7)。该实验炉为钢板制横置圆筒型水冷炉，内径1,长8m。但是,由于炉内内衬是7m厚的耐火材料,实质上内径为.m。并且，二段燃烧用空气在流入方向上有14处进口,进口位置可变。在燃烧时的空气比为1:24(排烟中的过剩氧浓度为%)、二段燃烧率为30的条件下进行实验。实验中将表1所示特性的
9、纽兰茨煤粉碎成浮径约40m、20号筛筛出粒度占7%的煤粉供试。图7 煤粉燃烧实验炉表1供试煤粉（纽兰茨煤）特性项 目指 标工业分析水分（2.6）灰分15.2挥发分28.%固定碳6.%高位发热量983kJ/kg低位发热量2209J/g燃量 比2.0元素分析碳.8%氢4.5氮1.6%氧4燃烧性硫05%不燃性硫.04.1 低负荷时的燃烧稳定性在不具有浓缩功能的超低NOx燃烧器(燃烧器)中设立流线形环,这种具有浓缩效果的燃烧器和不具有浓缩环的CI-燃烧器的负荷与燃烧效率的关系见图8。任一种燃烧器在50%以上负荷时都显示出高的燃烧效率,相应于负荷从50%开始减少,燃烧效率也减少。特别是不具有浓缩功能的C
10、-燃烧器急剧减少,到%负荷时已不能保持稳定燃烧。图 燃烧器负荷与燃烧效率的关系相对于此,设立了流线形环的燃烧器,燃烧效率虽然也减少，但比CI-燃烧器减少倾向较弱,通过浓缩使着火稳定,改善了低负荷时的燃烧特性。由于该效果,使燃烧器的低负荷更为减少，同燃油燃烧器同样可在20的低负荷下稳定燃烧。此外,在50%以上高负荷时,任一种燃烧器都具有高的燃烧效率,不具有浓缩效果的CI一燃烧器燃烧效率更高。本项研究中由于是将浓缩环设立于燃烧器附近,因此,在高负荷图9 环位置与燃烧效率的关系注：:空气比.24;2 空气比1.2时通过环的浓缩效果,外周侧形成煤粉过浓状态,反而减少了燃烧效率。因此,高负荷时可将浓缩环
11、远离燃烧器出口,削弱浓缩效果，从而来改善燃烧性能。环位置与燃烧效率的关系见图9。在25%的低负荷下，将浓缩环接近燃烧器出口,浓缩效果越高,燃烧效率越高；在83%以上的高负荷下,浓缩环越远离燃烧器出口，浓缩效果越弱,燃烧效率越高。即根据燃烧器负荷调节浓缩环的位置,按相应于各负荷的近似于燃烧器喷出流最佳浓度来设定,在从高负荷到低负荷的宽负荷带时都能保持高的燃烧效率,达到同燃油火电同样的最低负荷。根据上述成果,选定具有图3(a)和图6所示形状的种燃烧器作为超低NOx大量程燃烧器，如下称为I-大量程燃烧器(CI-WR燃烧器)。4.2 NOx、灰中未燃分的排出特性相对于负荷的C一燃烧器和具有流线形环导致
12、的浓缩效果的CI-R燃烧器的Nx、灰中未燃分排出特性见图10。这里CI-燃烧器浓缩环的位置,按相应于各负荷能获得最高的燃烧效率的位置来设定。在80%以上高负荷时,C燃烧器、CI-R燃烧器均形成基本相似的NO、灰中未燃分浓度,表白I-R燃烧器、I燃烧器均具有在高负荷时有效减少O、灰中未燃分的效果。另一方面，当负荷减少时，灰中未燃分浓度则具有增长倾向,CIWR燃烧器比CI-燃烧器能更大地克制其增长量,表白具有更高的改善低负荷燃烧特性的效果。但是,对于Nx排出特性来讲,由于低负荷燃烧特性的改善,C-WR燃烧器浮现了一定增高的倾向。但是，低负荷时排烟量少,可望提高脱氮装置的效率,同步从减少灰中未燃分比
13、减少更为重要来考虑，可以说CIWR燃烧器低负荷时的NOx、未燃分排出特性比I-燃烧器具有更高的性能。图10 CI-W燃烧器与C-燃烧器的Nx、未燃分排出特性的比较具有上述流线形环的CI-WR燃烧器与具有并用图3（）所示的旋转流和台形环浓缩措施的CI-R燃烧器的NOx、灰中未燃分排出特性的比较见图。任一种方式通过浓缩效果都能达到同燃油火电同样的在2%负荷下的稳定燃烧。种燃烧器性能在低负荷区域产生一定差别,图的流线形环方式比图（a)的旋转流方式低负荷时的NO浓度高,灰中未燃分低。其因素为，旋转流方式基本上能克制气流的旋转,由于是煤粉自身旋转的残存,故在燃烧器喷出后易于扩散，无需充足地热分解。图11
14、 煤粉浓缩方式不同的CI-燃烧器的NOx、灰中未燃分排出特性的比较5 扩大燃烧器容量时的性能评价以上论述的都是采用燃煤量100k/h 的小型燃煤实验炉，在超低NOx燃烧器(CI燃烧器)中设立流线形浓缩环的超低NOx大量程燃烧器(CI-W燃烧器)的开发成果。实际设备中,要采用多种燃煤量为th以内的大容量燃烧器。燃烧器容量的增大将会对环导致的煤粉浓缩特性产生影响,同步火焰增大也会使燃烧特性产生差别。为了探讨CI-WR燃烧器对实际设备的合用性,在石川岛播磨重工业公司的大型实验炉上采用了燃煤量为1.5/h的大容量燃烧器,进行了扩大容量时的性能探讨。图12 大型燃烧实验炉概念本项研究中所采用的大型实验炉
15、概念见图2。燃烧器设立于图中的横置型的突出的部分。本实验中保持空气比为.、二段燃烧率为30不变。供试煤同小型实验炉同样采用纽兰茨煤,其粒径也设定为与前节相似。5. 大容量燃烧器的煤粉浓缩特性在燃烧实验之前,在非燃烧场中探讨了流线形环的煤粉浓缩特性。在大容量C-燃烧器中设立流线形浓缩环的CI-W燃烧器的燃烧器出口断面的煤粉浓度分布见图13。纵轴与图4相似,为测定位置的煤粉浓度除以管道内的平均浓度。环位置越接近燃烧器出口,内周侧与外周侧浓度比的差越大。环位置在距燃烧器出口5mm的位置时,外用部分的浓度约为内周部分浓度的倍。而当环远离燃烧器时,该差减小。当环位置为1m时,外周和内周部分浓度比减少到如下。与第3节所示的小容量燃烧器相比,小容量时外周部分浓度最大可浓缩到平均浓度的1.8倍,而大容量燃烧器时为1.5倍。
