我国煤粉锅炉直流与旋流燃烧器的发展概况及特点分析_图文

1、第22卷第2期2008年3月长沙大学学报J OURNA L OF CH AN GSH A UNI VERSITYVol.22No.2Mar.2008我国煤粉锅炉直流与旋流燃烧器的发展概况及特点分析王庆(湖南华电长沙发电有限公司,湖南长沙410203摘要:燃烧器是锅炉燃烧系统的关键部件,其技术水平对锅炉整体效率有重大影响.近年来我国的燃烧器研制开发工作取得了很大进展,直流燃烧器与旋流燃烧器在技术特点上各有优劣,我国在继续对直流燃烧技术进行改进和创新的同时,也应重视旋流燃烧技术的发展与创新.关键词:直流燃烧器;旋流燃烧器;锅炉中图分类号:TK223文献标识码:A文章编号:1008-4681(200

2、802-0040-041前言随着经济、社会的发展,人类对能源的需求逐年增加,在聚变能、太阳能等新能源利用技术成熟以前,煤、石油、天然气等化石燃料仍然是人类赖以生存的主要能源.对我国来说,煤在我国的能源总消费中占有70%以上的份额,而且在相当长的一个时期内以煤为主的能源结构不会发生改变.电力行业是我国的第一耗煤大户,据统计,2006年全国发电用煤占全年煤产量的60%左右,因此电力行业的节能降耗对全国能耗降低目标的实现有举足轻重的影响.在我国火力发电厂中,煤粉炉得到了广泛应用.锅炉技术发展的趋势是容量的增大和参数的提高,其中燃烧技术的发展是一个重要方面.煤粉燃烧器是锅炉燃烧设备的关键部件,其主要作

3、用是向炉膛内输送燃料和空气,并组织合理的混合与燃烧.燃烧器的主要评价指标是使煤粉气流能够稳定着火、燃尽,并防止结焦.随着目前环境污染的压力增大,燃烧器的污染物控制(特别是NOx生成量的控制也已成为燃烧器性能的重要考察指标.目前的煤粉燃烧器主要分为直流燃烧器和旋流燃烧器两大类,两者分别是国外两大电站锅炉制造厂商前C-E与B&W公司的制造传统.旋流燃烧器采用前墙布置或前后墙对冲布置,即墙式布置;直流燃烧器采用四角布置方式,即燃烧器布置于炉膛的四个角上,形成切圆燃烧.上世纪80年代始,我国开始引进国外的锅炉技术,由于在此以前国内对直流燃烧器锅炉认识较多,因此主要引进了直流燃烧器,但是旋流燃烧

4、器也有引进1.我国的燃煤锅炉大部分采用直流燃烧器,应用旋流燃烧器的锅炉只占总容量的20%左右2.两种燃烧器各有优缺点,在小机组时代,均能满足锅炉的技术要求,但随着锅炉容量的增大,必须根据锅炉的煤种等特定情况加以选用.2旋流燃烧器特点及发展概况旋流式燃烧器一般为圆形喷口,在旋流发生装置的作用下,煤粉气流或二次风发生旋转,进入炉膛后形成旋转射流.旋转射流的中心区是负压区,在压力的作用下高温烟气回流,形成高温回流区,有利于煤粉的着火.由于每个旋流器均可以形成高温回流区并点燃煤粉气流,因此每个燃烧器的火焰具有相对的独立性.旋流式燃烧器的扩展角大,形成的回流区也大,早期混合强烈.但是旋流强度的增大也使得

5、旋转射流衰减很快,后期混合微弱,火焰行程较短.旋流式燃烧器在小容量锅炉上一般采用前墙布置,在较大的炉型上采用前、后墙或两侧墙对冲布置,组织L形燃烧.根据旋流器的结构不同,旋流式燃烧器主要分蜗壳型、可动叶轮型等类.2.1蜗壳型旋流燃烧器用蜗壳作为旋流器的旋流式燃烧器称为蜗壳型燃烧器,主要有双蜗壳型和单蜗壳型两种形式.其主要区别是单蜗壳型的一次风不再通过蜗壳形成旋流,而是直流射流.在一次风喷口加装扩流锥后,锥体后形成回流区,可以改善着火,稳定燃烧.哈锅早在20世纪50年代即开始设计、生产蜗壳式旋流煤粉燃烧器3.蜗壳式燃烧器调节性能差,蜗壳阻力系数很大,特别是双蜗壳燃烧器的一次风阻力很大.单蜗壳燃烧

6、器的一次风阻力虽然显著减小,但扩流锥经常烧坏.从上个世纪九十年代开始,蜗壳燃烧器已经采用不多4.收稿日期:2007-12-11;修回日期:2008-01-14作者简介:王庆(1978-,男,湖南冷水江人,湖南华电长沙发电有限公司助理工程师.2.2可动叶轮型旋流燃烧器可动叶轮型旋流燃烧器一次风一般是直流或弱旋流,二次风通过可调节叶轮旋流器产生旋转,哈锅在上个世纪60年代设计、生产了此类型燃烧器.目前我国引进国外各大公司的旋流燃烧器在一些锅炉上取得了不错的运行效果,如Babcock公司的旋流式燃烧器在华能南通发电厂可以35%额定负荷不投油.国内的哈锅、上锅、东锅、武锅等锅炉制造厂家也都开发出有自己

7、特色的旋流式煤粉燃烧器3.3直流燃烧器特点及发展概况直流式燃烧器的出口气流的直流射流近似于自由射流.相对旋流燃烧器,其扩散角小、早期混合较弱,但射流刚性强、射程远.与旋流燃烧器不同,直流燃烧器不是靠单只燃烧器出口的回流区内高温烟气点火并稳燃的.直流式燃烧器采用的是四角布置、切圆燃烧方式,炉膛内的气流流动由四角燃烧器的四股射流共同形成,在炉膛中心组成一个旋转气流.燃烧器射出的煤粉气流经过燃烧室内的切圆时变成强烈燃烧的高温烟气,一部分直接补充到相邻燃烧器射流的根部,使相邻燃烧器的煤粉气流升温并着火.射流本身的卷吸和邻角的相互点燃特点,使直流式燃烧器四角布置、切圆燃烧方式具有良好的着火性能.直流式燃

8、烧器的另一个特点是二次风的送入方式灵活,由于二次风口与一次风口相对独立,相互间的排列自由,可以在布置上变化出多种形式.当燃用挥发分高的烟煤或褐煤时,可以采用均等配风的布置方式,使得二次风能够及时、充分地供给焦炭的燃烧,有利于燃尽.当燃用挥发分低的贫煤和无烟煤时,可采用一次风集中布置的方式.一次风集中布置使得煤粉气流的着火和燃烧相对集中,可以提高燃烧区域局部热负荷和温度水平,改善着火条件.近十多年来,根据我国火力发电厂进一步改善燃烧,适应煤质变化和锅炉机组的调峰能力,节约点火及稳燃用油,锅炉机组安全、可靠和经济运行的要求,一些高等院校、科研单位与生产部门密切配合,已经开发出一些新型煤粉燃烧设备.

9、目前,这些新技术和新设备已经在我国火电厂中得到不同规模的应用,在稳定燃烧、适应煤质变化和负荷变动、节约点火和稳燃用油等方面取得不同程度的效果.3.1夹心风燃烧器4该燃烧器系西安交通大学和武汉锅炉厂等单位研制.其研究背景是考虑到一次风煤粉气流向火面与背火面着火条件实际存在着显著差异,背火侧煤粉散射可能冲墙及煤粉气流中心部位供氧困难,于是提出把常规的直流煤粉燃烧器的一次风喷口改成三个直立的长方形喷口, 即向火侧和背火侧一次风口,中间为二次风口,即所谓的夹心风.夹心风的主要作用是从一次风内部适当供氧,增强湍动,提高整个射流的刚性和扰动度,从而使得炉内空气动力场更加有利于介质的扩散、混合、传热,强化了

10、燃烧过程,为煤粉的充分燃尽创造有利条件.夹心风燃烧器作为主燃烧器在一些烧劣质烟煤和无烟煤的锅炉上应用能改善燃烧稳定性,提高锅炉效率和设备利用率.3.2钝体燃烧器该燃烧器是华中理工大学(今华中科技大学80年代初研制的,多用在燃烧劣质烟煤和贫煤的锅炉上.它是在直流燃烧器一次风出口处设置一个非流线型的物体(钝体,气流流过该物体后发生分流,它的尾迹是一个反向流动的强烈回流旋涡区,由于回流区内高温烟气和主气流之间进行着强烈的能量交换,形成了火焰稳定的条件(如图1所示.除了形成高温回流区外,钝体的存在还使得一次风射流的扩展角比直流射流有显著增大,外卷吸作用也有增加,这使得此种燃烧器能较好地适用于劣质煤燃烧

11、5.从电厂运行情况看,大多数钝体燃烧器的稳燃效果均较好,但是存在的主要问题是磨损和烧坏,特别是因锅炉煤质变化较大,有时挥发分偏高,着火提前,配风不当会将钝体烧掉、脱落.燃用低熔点煤,如加装钝体不当,会使气流冲墙结渣,从而破坏炉内正常的燃烧工况,这个问题已成为影响钝体燃烧器运行效果和进一步推广的关键.为此,华中理工大学在钝体燃烧器的基础上研制开发出了稳燃腔煤粉燃烧器6.图1钝体燃烧器结构简图钝体燃烧器的一个不足是回流区煤粉浓度分布与温度分布不一致,高温回流区内煤粉浓度低,使得燃烧不稳.近几年,华中科技大学在钝体燃烧器的基础上,又开发了一种新型开缝钝体燃烧器7,8.其原理是在钝体的正中间开一条中缝

12、,一小股煤粉气流通过中缝进入高温低速回流区,这样回流区内煤粉14总第82期王庆:我国煤粉锅炉直流与旋流燃烧器的发展概况及特点分析浓度增加,可以稳定着火,形成着火源,点燃主流.开缝钝体燃烧器除具有钝体燃烧器的一系列优点外,更进一步增加了回流区的加热能力,因此有更好的低负荷稳燃能力.3.3带大速差射流的双一次风通道燃烧器9清华大学发明的大速差射流燃烧器构思独特,燃烧性能优异,但其不足是燃烧器结焦.为此,在大速差射流燃烧技术基础上研制出了双一次风通道燃烧器(如图2所示.该燃烧器有两个一次风通道1与2,这样不仅上下壁均受到一次风口的保护,可以保证长期运行不结焦,而且由于上下一次风粉都受到提前加热、着火

13、,因此其燃烧稳定性优于单一次风通道的其它燃烧器.为了避免回流烟气使燃烧器两侧壁过热与结焦,在两侧壁腰部加了一股二次风5,称为腰部风,它不仅保护了两侧壁,而且是调节煤粉 着火点位置的重要手段.这种燃烧器对各种煤种、锅炉容量、制粉系统、工况的试验均获得成功,是一种值得推广的燃烧器.图2带大速差射流的双一次风通道燃烧器3.4多功能(船型燃烧器该型燃烧器系清华大学研制,是按煤粉气流(两相流的束腰形射流火焰稳定原理设计的,即在常规的角置直流煤粉燃烧器的煤粉气流喷口内加装一个用耐热合金钢制作的船体型火焰稳定器,并在其中心设有点火小油枪.煤粉气流经过该稳定器从船型的四周射出并在喷口不远处形成一股束腰形射流,

14、在束腰部的两侧外缘形成所谓的“三高区”(高氧、高温、高煤粉浓度,成为引燃煤粉气流的良好着火源 ,从而稳定炉内燃烧10,11.多功能船型燃烧器一次风口结构及工作原理见下图(如图3所示.它不像钝体那样要求在每个喷口处安装,一般只在下层燃烧器的对角或四角一次风喷口内装设.多功能(船型燃烧器的稳燃船布置在一次风管内,与钝体相比,受炉内热辐射烧坏的可能性小些.它能够稳燃、节约点火用油和扩大负荷调节范围.一般改装后锅炉能带约70%锅炉额定负荷,不需投油稳燃.但其稳燃效果和对煤种的适应能力还与原来燃烧器的型式和炉膛的结构及有无卫燃带等因素有关.如果原来的燃烧设备结构接近于实际燃煤所要求的特性,稳燃效果会较好

15、,否则,稳燃效果可能不理想.图3船型燃烧器示意图目前船型燃烧器在郑州热电厂、九江电厂、柳州电厂等取得了成功的应用,使用的煤种有褐煤、烟煤、贫煤以及较高挥发分的无烟煤等. 3.5WR 型燃烧器该型燃烧器是引进的美国ABB -CE 公司的技术(如图4所示.在WR 型燃烧器中,煤粉空气混合物流经入口弯头4时,由于离心力的作用大部分煤粉紧贴着弯头的外沿进入煤粉喷管,设置在WR 型燃烧器煤粉管中间的水平肋板3将浓淡两股煤粉流分开,并保持到喷嘴处,再流经摆动式煤粉喷嘴出口处的扩流锥2,可使其出口端的火焰稳定在回流区中.带翻边的扩流锥能在煤粉混合物速度变化时,不致使回流区脱离扩锥钝体的前部.为了避免煤粉沉积

16、,喷嘴管设计成渐缩型,在喷嘴内的气流可逐渐加速,在喷嘴上半部浓度较高的煤粉一喷出就易于点燃着火,扩大了低负荷的稳燃性能.再加上喷嘴出口周界风受到扩锥的导向作用,可推迟周界风和煤粉空气混合物的混合,更加有利于煤粉的着火12,13.图4WR 型燃烧器1324长沙大学学报2008年3月从武汉的阳逻电厂12、广东沙角C电厂13等的使用情况看,WR型燃烧器具有较高的碳完全燃烧率,有更宽的不投油负荷调节比和较强的稳燃作用,防结焦性能也较好.4结论由于使用习惯的问题,直流煤粉燃烧器四角切圆燃烧方式在我国使用得比较多,国内拥有了多种自主创新的直流燃烧器.而对于旋流燃烧器,虽然我国有一些自主研制的产品,但总体上

17、仍处于引进、消化吸收国外技术的阶段.机组容量的增大是电力行业发展的趋势,直流燃烧器四角切圆燃烧导致炉膛出口烟温偏差大的难题在大容量机组中开始暴露出来.旋流燃烧器在烟温偏差方面比四角切圆燃烧锅炉具有明显的优越性,欧美等国的大型机组,除塔式锅炉不存在高温水平烟道外,绝大多数采用墙式布置的旋流燃烧器.此外,直流燃烧器切圆燃烧要求炉膛接近正方形,随着容量的加大,炉膛的尺寸随之加大,若要保证一二次风良好混合及射流的刚度,这就需要更高压头的风机,这也制约着切圆燃烧锅炉的大型化.而旋流燃烧锅炉各个燃烧器相对独立,在容量增大时可以只增加炉膛宽度而不增加炉膛深度,这对大型化是十分有利的14.综上所述,旋流燃烧器

18、和直流燃烧器在技术上各有优劣,我国在继续对直流燃烧技术进行改进和创新的同时,也应重视旋流燃烧技术的发展与创新.参考文献:1韩宾,等.大容量直流燃烧器与旋流燃烧器锅炉的燃烧技术分析与性能对比J.锅炉技术,2003,34(5:40-47.2李志强,等.新型旋流浓淡煤粉燃烧技术的发展前景J.华东电力,1999,(10:23-25.3包建锋,等.旋流式煤粉燃烧器应用分析J.黑龙江电力,2000,22(6:28-31.4徐通模,等.锅炉燃烧设备M.西安:西安交通大学出版社,1987.5陈刚,等.电站锅炉燃烧稳定性研究J.热能动力工程,1994,9(3:151-154.6陈刚,等.用稳燃腔煤粉燃烧器改燃烟煤为燃无烟煤锅炉J.华中理工大学学报,2000,8(1:38-40.7陈维汉,等.钝化及开缝钝体燃烧器火焰稳定性对比分析J.华中理工大学学报,1997,25(12:80-83.8靳世平,等.气体回流区分级着火试验研究J.工程热物理学报,1997,18,(6:754-758.9裴福佳.大速差和双风道两种新型燃烧器J.东北电力技术,1997,(3:6-8.10王灵会.多功能直流煤粉