水平浓淡燃烧技术及其在电站锅炉中的应用

qyp · 发表于 2007-8-27 23:03:57

水平浓淡燃烧技术及其在电站锅炉中的应用 简述水平浓淡燃烧技术在东锅公司燃烧设备中的工程应用概况，总结经验并指出不同的设计方向。 <div align="center"><hr align="center" width="100%" color="#e6e6e6" noshade="noshade" size="0"/></div>1前言 目前，煤粉炉的燃烧技术正面临着综合解决高燃烧效率、低负荷稳燃、防止结渣、防止高温腐蚀、低NO?X排放等问题。特别是环保要求的提高，对锅炉NOX的排放要求越来越严格；同时，电厂调峰要求的提高，也对锅炉的最低不投油稳燃提出了更高的要求。 哈尔滨工业大学(以下简称“哈工大”)针对我国电站锅炉普遍存在的燃烧效率低、煤质偏差和煤种多变造成的稳燃能力差、易发生结渣和水冷壁高温腐蚀、NOX排放量大的特点，为适应低负荷稳燃，提出了适应多煤种特别是劣质煤和调峰机组的水平浓淡燃烧技术。 东方锅炉(集团)股份有限公司(以下简称“东锅公司”)于1996年引进了哈工大的水平浓淡燃烧技术，并结合公司多年燃烧技术经验，不断进行完善与发展，使该技术在综合解决高燃烧效率、低负荷稳燃、防止结渣、防止高温腐蚀、低NOX排放等方面的难题取得了较为满意的效果。 2水平浓淡燃烧技术简介? 2.1浓度对燃烧的影响 煤粉浓度与着火及燃烧过程关系十分密切、复杂，许多研究者对其进行了大量的研究，对它们之间存在的一些定性关系有了一定的认识。 (1)煤粉浓度提高，着火热减少。 (2)随煤粉浓度的增加，煤粉气流的着火温度会降低。 (3)着火时间随煤粉浓度的提高在一定的范围内将会缩短。 (4)适当提高一次风煤粉浓度可以缩短着火距离。 (5)适当提高一次风煤粉浓度可以使火焰传播速度增加。 (6)随煤粉浓度的增加，煤粉气流的辐射吸热量增加，有利于着火。 (7)随煤粉浓度的提高，挥发分浓度也提高了，使挥发分的燃烧速度提高。 ?(8)适当提高煤粉浓度可降低NOX排放量。 从以上可知，适当提高煤粉气流的浓度对强化着火、稳定燃烧和降低NOX排放是有利的。因此，10多年来，呈现出降低NOX和强化稳燃两方面朝同一途径——一次风高浓度燃烧技术的方向发展的现象。 2.2哈工大水平浓淡燃烧技术原理［１～３］ 水平浓淡燃烧技术如图1所示，即通过安装于一次风管道上的百叶窗式煤粉浓缩器使一次风煤粉气流分成浓淡两股气流：其中一股为煤粉浓度相对较高的气流，含一次风煤粉气流中的大部分煤粉；另一股为煤粉浓度相对较低的气流，其煤粉浓度很低。这两股煤粉气流在水平方向上喷入炉膛，浓气流在向火侧，淡气流在背火侧，形成切圆燃烧。 2.3水平浓淡煤粉燃烧技术的机理 2.3.1稳燃机理 在水平浓淡燃烧器中，浓煤粉气流的浓度比工程上常用的一次风煤粉浓度要高，一般高出30%～60%。由于以下原因，高浓度煤粉具有很好的稳燃性。 (1)浓煤粉气流的着火温度低。一般来讲，随着煤粉浓度的增加，煤粉的着火温度逐渐降低，着火得到改善。浓侧煤粉浓度较高，有利于着火。淡侧虽煤粉浓度降低会使着火困难，但是由于浓侧气流形成了一稳定的火焰，造成了高温环境，淡侧气流随之着火。 (2)浓煤粉气流的着火时间短。煤粉浓度提高后，其着火温度降低，在其他条件不变的情况下，把煤粉空气混合物加热到着火温度的时间自然也缩短了。在相同的进口速度下，煤粉浓度越高，所需的着火时间越短，火焰传播的速度加快，使煤粉能及时着火，实现稳定燃烧。 (3)随着煤粉浓度的提高，着火热减少。 2.3.2低NOX排放机理 燃烧过程中形成的NOX有热力型NOX、瞬时型NOX、燃料型NOX3种。国内外研究表明，在煤粉燃烧中，燃料型NOX占主导地位。温度对煤粉燃烧NOX的生成和排放影响不明显。 要降低NOX的排放，首先就是要通过燃烧器控制燃烧初期NOX的生成。对燃烧初期NOX生成特性的研究表明，NOX的生成量与一次风煤粉浓度(风煤比)密切相关。典型普通燃烧器其一次风煤粉浓度基本上处于NOX生成量的峰值区域，如采用更浓或更淡的煤粉浓度则可有效的减少NOX生成量。采用这一减少NOX原理的WR燃烧器、PM燃烧器已被认为是一种高效低NOX燃烧器［４］。水平浓淡燃烧也充分利用了这一机理，使浓、淡两股气流偏离NOX生成的峰值区域，有效地减少了NOX的排放。 2.3.3防结渣机理 水平浓淡燃烧一方面由于浓侧气流喷向向火侧，减少了粒子撞到炉膛或卫燃带的机会；另一方面淡侧气流喷向背火侧，在炉膛水冷壁区域加强了氧化性气氛，减弱了还原性气氛，提高了灰熔点，因此，具有较好的防结渣能力。 2.3.4防高温腐蚀 研究表明，高温腐蚀与主要成分硫化铁的沉淀物，水冷壁附近的还原性气氛，火焰偏斜和冲刷炉壁都有关系。采用水平浓淡燃烧器可以减少粒子撞到水冷壁上的机会并在炉膛水冷壁附近加强了氧化性气氛。 2.3.5高效燃烧机理 水平浓淡燃烧充分利用了四角切向燃烧具有强烈横向混合的特点，在着火初期把煤粉气流分成浓淡两股，待浓煤粉气流着火后再使两者充分混合燃烬。由于着火早，着火区域温度高，就相当于增大了大部分煤粉的燃烧行程，因而增强了燃烬。 2.4百叶窗煤粉浓缩器的性能指标 实现水平浓淡燃烧，其关键在于要具有良好的分离设备。为便于讨论，现将百叶窗煤粉浓缩器的性能指标［５］分述如下。 百叶窗煤粉浓缩器的结构参数如图2，主要参数有：浓缩器宽度a、叶片长度b、叶片倾角α、叶片间距x、叶片遮盖高度s、叶片总阻塞高度h、叶片数n、分体长度l、分流挡板开度(亦称喉口尺寸)m。? 百叶窗煤粉浓缩器的性能参数，即：阻力损失系数ζ、浓淡两侧气流分配比Ef、浓缩比Rc、浓侧浓缩率Rnc。? ?式中：△Pj为百叶窗进出口静压差(两侧静压平衡时)/Pa； 为百叶窗气流入口动压/Pa；?Ｑn为浓侧气流的体积流量/m3·s-1?;Ｑd为淡侧气流的体积流量/m3;Rf为浓淡两侧粉量比/kg·(kg)-1;Ｃ0为一次风煤粉原始浓度/kg·(kg)-1;?Ｃn为浓侧煤粉气流浓度/kg·(kg)-1;Ｃd为淡侧煤粉气流浓度/kg·(kg)-1。 通过大量的实验研究，经优化的百叶窗浓缩器其性能指标为：ζ＝2.0左右，某些结构下小于2.0；Ef=1.1～1.4，某些结构下小于1.0；Rnc＝1.4～1.6，某些结构下可大于1.6。 针对不同的煤种和锅炉的性能要求，选取不同的ζ，Ef,Ｒnc值。? 3水平浓淡燃烧技术在东锅公司的应用 东锅公司通过引进、消化、吸收水平浓淡燃烧技术，目前已在广安电厂2×300MW、辛店电厂200MW锅炉、云浮电厂125MW锅炉、乌石化50MW等多个采用四角切圆燃烧锅炉的工程中使用，使用燃料有无烟煤、贫煤、烟煤、劣质烟煤。 (1)四川广安发电厂300MW锅炉制粉系统为中间储仓式制粉系统，配有4台型号为350／７００型钢球磨煤机，燃用高灰份劣质烟煤(表1)。为了满足锅炉低负荷的需要，采用了水平浓淡燃烧器(图3)。 ?锅炉投运后，东锅公司于2000年与四川电研院和广安发电厂对NO.３２锅炉进行了燃烧调整试验。试验期间煤质收到基低位热值Qnet,ar?介于１９７６５～２４４０１kJ/kg之间，收到基灰份Aar介于２２.７６％～３４.８５％之间，干燥无灰基挥发份Vdaf介于２２.６６％～３５.８％之间，煤质波动较大。试验结果表明： 锅炉具有较好的负荷特性，在165MW、２１５ＭＷ、２７０ＭＷ、３００ＭＷ负荷下均能稳定燃烧，主要参数达到设计要求。 在３００ＭＷ负荷下，最高效率达到９２.４３６％；在215MW负荷下，最高效率达到92.485%；在165MW负荷下，最高效率达到93?136%(实测值，未修正)。 锅炉不投油最低稳燃负荷达到115MW，低于锅炉性能保证值。 二次风配风方式采用“宝塔”配风的锅炉经济性为最好，保持AA层二次风挡板全开可降低炉渣可燃物含量。 (2)广东云浮发电厂(B厂)125MW锅炉制粉系统为中间储仓式制粉系统，配有2台型号为DTM320/580型钢球磨煤机，燃用无烟煤(见表2)。 ?锅炉投运后，东锅公司于2002年与广东中试研和云浮电厂对锅炉进行了燃烧调整试验。在锅炉燃烧调整试验期间，所燃用的煤质均较设计煤种差，热值相差3～４MJ/kg，灰份相差12%左右(见表3)。试验结果表明： 锅炉效率为92%，大于91.11%的设计效率； 燃烧器能及时快速着火，燃烧稳定； 配风采用倒宝塔型较好； 固体未完全燃烧损失在1.29%～２.３％，飞灰含碳量为１.６％～３％； 同该电厂其他125MW锅炉相比，锅炉点火、启动节油效果明显。 由于电厂还未做低负荷试验，故最低不投油稳燃负荷还需以后试验验证。 ? (3)新疆乌石化50MW锅炉制粉系统为中间储仓式制粉系统，配有2台型号为DTM250／３９０型钢球磨煤机，燃用易结焦的烟煤(表4)。为防止燃烧器区域炉膛结渣，采用了水平浓淡煤粉燃烧器。锅炉投运至今，无明显结渣，效果良好。 4百叶窗煤粉浓缩器的设计 水平浓淡燃烧技术的关键在于使一次风气流经浓缩器后分为浓淡气流分别进入炉膛。因此，水平浓淡燃烧技术的关键在于百叶窗煤粉浓缩器的设计。 4.1浓侧浓缩率 根据长期设计浓缩器和百叶窗浓缩器气固实验的经验，煤粉浓缩器的浓缩性能应以浓侧浓缩率来衡量。使用浓缩器的目的就是要使浓侧煤粉浓度提高。因此真正关心的是浓侧煤粉气流的实际浓度，故应采用浓侧浓缩率Rnc(浓侧浓度／原始浓度)这个指标来衡量百叶窗煤粉浓缩器浓缩性能。现定义Rnc，max=1+1/Ef为极限浓缩率，即假想一种极端情况，煤粉全部进入浓侧的极端浓缩情况(Rc→∞或当Rc>>1的情况，Rc为浓侧淡侧煤粉浓度比)，浓侧煤粉浓度的提高程度。 因此可以据此推算，当认为浓缩器的Ef≈1时，Rnc,max也不过为2，而此时按浓缩比的定义，浓缩比为无穷大(淡侧气流浓度为0)。如果采用浓缩比Rc作为评价浓缩效果的指标，此时Rc值虽很大，但所期望的浓侧浓缩率仅仅为2；如果原始浓度是0?5kg/kg(煤/空气)，浓侧的浓缩率则为1.0kg/kg(煤/空气)。实际上，追求阻力损失的降低和追求浓缩率的提高是互相制约的因素，获得很高的浓缩率(分离效率)必然要造成阻力损失的增加，而且要保证气流等分配必然导致较高的阻力损失。 4.2末级叶片同挡板的开度的关系［６］ 由于百叶窗内布置有叶片，必然会带来阻力损失。在常规情况下，浓侧部分没有布置叶片，这样浓侧的风量必然大于淡侧的风量，因此需要一个挡板来强制分流。因此不管什么工况下，必须要使挡板位于中心线以上才有可能使两侧气流基本一致。 从模化试验来看，在一定的条件下，气流严格均等分配时，挡板开度值为0.2～0.3，但在这个范围内取值时，百叶窗整体阻力较高。因此，要兼顾阻力损失和气流分配来决定挡板的开度。要使气流大致均等，方法之一就是使末级叶片末端低于同挡板；另一方法是提高叶片组的阻塞高度，挡板开度基本同叶片组高度一致。后一方法会使阻力增大，但浓缩效果同时会增强；前一方法基本上不会提高浓缩器的阻力，但会降低浓缩效果。 经大量的研究证明：在叶片附近，颗粒浓度较高；而在远离叶片区，颗粒浓度几乎和来流相同；在末级叶片的末端，颗粒在此附近浓度为最大。有关资料曾对此做了论述：如果末级叶片低于挡板开度，将使一部分浓度值较大的气流流入淡侧。而这部分气流的浓度值比浓侧平均浓度大，相当于将已浓缩的颗粒返回了淡侧，使浓缩效果降低，但这样可使浓淡侧的气流更易接近。因此，通过挡板来实现浓淡侧气流大致均衡是以牺牲降低浓侧浓缩效果为代价的，挡板位于与末级叶片平齐时浓缩效果最好。 4.3有效浓缩体积 在锅炉燃烧器中广泛应用的煤粉浓缩器不同于一般除尘器。对于百叶窗煤粉浓缩器，它不同于一般百叶窗除尘器或分离器，不是以把粉尘和气流完全分离为目的，而是一次风气流分成两股煤粉浓度不同的两股气流。 为表征浓缩器的大致浓缩能力，再定义一指标——有效浓缩体积，即是被浓缩的气流与总的气流之百分比。假如该值为60%，即表示仅有60%的气流才经浓缩器进行浓缩，而其他40%的气流只是经过百叶窗进入浓侧，对浓缩没有贡献。 由于燃烧器的空间有限，为了布置方便，限制浓缩器的长度，一般布置叶片数较少，为２～５片。百叶窗浓缩器依*在气流前进方向布置的叶片实现的浓淡分离，叶片的布置位置和数量决定了的浓缩效果。如果对于整个叶片组，可以认为只有受到叶片组阻挡的气流才对浓缩有贡献。因此，叶片组的高度，即几块叶片对浓缩的影响可综合为一个参数——百叶窗叶片阻塞比?H(H＝h／a，０<H<1),体现了百叶窗浓缩能力的大小。可以认为H值就代表了有效浓缩体积。如H＝０.５，则表示仅有50%一次风气流经过了叶片的浓缩，剩余的50%未受到叶片干扰，直接进入到了浓侧(有些结构还进入了淡侧)。 因此，在设计浓缩器时应根据煤质情况确定有效浓缩体积。要达到高效浓缩，就必须大幅提高有效浓缩体积，甚至可以使有效浓缩体积为100%。当然，为降低阻力，可在结构上做些改进。 5结构优化设计中应注意的问题 所有的结构设计都应以关注浓淡侧风量，最低的低阻力损失获得高浓缩效率，浓缩器结构简单和能安全、长期的运行为目标。 对于烟煤和较易着火的褐煤，由于其着火性能较好，浓缩效果可适当降低，主要考虑阻力低，浓淡侧气流差异不要太大，设计时叶片组高度可以选取小些，挡板应高于末级叶片高度，这样较易达到浓淡侧风量基本接近，且阻力较小。对于不易着火的煤，比如贫煤、无烟煤，则应强化浓缩效果，应适当增加叶片数目和叶片组高度，末级叶片高度距挡板距离不要太远，最好接近。如果要大幅提高浓缩效果，需提高有效浓缩体积，可以考虑采用在浓侧增加一浓缩叶片的结构形式。 在燃烧器改造时，由于受一次风机压头的限制，必须考虑浓缩器的阻力不能太大。此时，设计燃烧器应把浓缩器的阻力损失放在第一位，其次才是煤粉浓缩程度。 6结论 (1)水平浓淡燃烧器在东锅公司得到广泛的应用，并得到不断的完善。 (2)通过应用水平浓淡燃烧技术，可实现高效、低负荷稳燃、低NOX排放。 (3)浓缩器的浓缩效果与有效浓缩体积、挡板和末级叶片的位置密切有关。 (4)在浓淡侧风量均等下，浓侧煤粉浓度最大能提高到原始浓度的2倍；浓淡两侧风量不均，将小于2倍。?

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