旋流燃烧稳燃技术的研究

旋流燃烧稳燃技术的研究

随着中国水电装置的快速参数和功率朝潮流的发展，600w.600w已成为中国的主要发电装置，300mw.此外，电网容量正在增加，峰谷差的矛盾日益突出。随着水电装置的峰峰恢复，各火电站都在关注低负荷安全、稳定和运营。因此，如何保证低负荷安全、稳定和运行的电气站越来越受到重视。而火电机组低负荷的安全、经济运行主要受制于锅炉低负荷不投油时的稳定燃烧能力。针对我国进口大容量锅炉(300MW功率以上)很多采用墙式布置的旋流燃烧的现状,国内对旋流燃烧的稳燃等问题进行大量研究工作,并取得了巨大的经济效益和社会效益。本文首先从燃烧机理上阐述了旋流燃烧器稳燃原理并对国内外旋流燃烧器稳燃措施归类,然后对几种典型的新型旋流燃烧器稳燃措施以及稳燃原理进行了分析。1煤粉火炬的稳定燃烧技术影响锅炉燃烧稳定的因素较多也较复杂。对于大型锅炉的稳定燃烧,除了尽量保证燃煤的发热量、挥发分和细度外,采用合理的燃烧方式以及稳燃技术也是极为重要的。传统的理论和实践证明:要使煤粉火炬稳定地燃烧,重要的是在一次风喷口出口附近形成局部高温、高煤粉浓度和适当高的氧浓度,即所谓的“三高区”。煤粉颗粒在局部的三高区内被迅速加热、升温,很快析出挥发分并着火燃烧,煤粉火炬就得以稳定。因此,国内外各种新型稳燃燃烧技术的基本因素不外乎利用以下几种原理:(1)提高煤粉质量浓度以降低煤粉气流的着火热,即减小煤粉气流着火前的吸热量;(2)强化煤粉射流卷吸高温烟气的能力,以提高煤粉气流的加热速率;(3)合理调整煤粉细度和提高一次风温。2国内外旋转推进器的稳定燃烧措施2.1次风粉气流和高温烟气回流区的特性这种方法是在通常一次风煤粉浓度下,组织强化回流区,来提供一次风粉的着火热。依靠所产生的高温气体的热回流作为稳定着火的有效手段。组织回流烟气的方法也很多,主要有以下几种:(1)扩口、扩锥一般旋流燃烧器的一次风管或二次风管或二者都采用扩口,扩口对气流起着一定程度的导流作用,增加扩口角度可以使回流区加宽,增大回流区与高温烟气的接触面积。许多燃烧器出口设有扩流锥,也称为钝体。一次风粉气流绕过钝体后,形成高温烟气回流区,同时由于颗粒的惯性作用,钝体尾迹有2条煤粉质量浓度很高的“黑龙”,使回流区边界速度梯度、质量浓度梯度和温度梯度很大,一次风粉气流和高温烟气回流区的动量、质量和热量交换很强,强化了煤粉的着火和燃烧。扩锥的形式多种多样,有三角形钝体、十字型、花瓣型、船体等,其原理都类似。(2)旋流器、多级送风对于燃用贫煤和无烟煤的旋流燃烧器,一般采用二次风更强烈(与燃烧烟煤相比)的旋转,即采用更大的旋流强度,有时对一次风也施加旋转,试图造成更多的高温烟气回流,另外,二次风分为多流道以实现分级燃烧,分级燃烧不仅有利于降低NOx的排放,对品质较差和低挥发分燃料也是着火和稳燃不可缺少的措施。2.2齿环稳燃器在一次风(1)煤粉浓缩、浓淡煤粉分离器通过在一次风管内加装浓淡煤粉分离器或煤粉浓缩器将风粉气流分为浓淡两股,分别送入燃烧器浓淡喷口,浓风粉气流直接进与高温烟气接触,有利于着火。常用的浓度分离和煤粉浓缩方法主要有弯管浓淡分离装置、挡块浓淡分离法、百叶窗式浓淡分离环、旋风分离浓缩法等几种方法。(2)齿环稳燃器在一次风管中加装齿环形或齿形稳燃器是许多进口锅炉用于稳定燃烧的技术。齿形或齿环形稳燃器有装在一次风粉气流外缘的,也有装在内缘的。图1是德国Babcock公司DS燃烧器上的齿环稳燃器示意图。外国许多公司也均将齿形稳燃器装在一次风粉气流外侧。丹麦B&WEnergy公司则将齿环稳燃器附着在一次风粉气流内侧,或内侧和外侧均装齿环稳燃器。加装在一次风管上的齿环稳燃器,能够在齿环稳燃器后面形成一个环状的回流区。德国Babcock公司认为,这个回流区对煤粉的着火和稳定燃烧起到重要的作用。其主要意义是推迟二次风与煤粉气流的迅速混合,防止煤粉气流浓度被冲淡,阻挡煤粉(特别是粗煤粉)向二次风扩散。这不但对煤粉稳燃有一定作用,而且对燃烧过程中降低NOx的排放也有积极的意义。3典型的新型旋转器稳定燃料措施3.1稳燃方法及措施B&W公司最新开发的DRB4ZTM旋流式煤粉燃烧器如图2所示。用于北京巴威公司供货的600MW超临界锅炉。在双调风燃烧器(DualRegisterBurner,简称DRB)的基础上供风进一步多级化研制出来的DRB4Z旋流式煤粉燃烧器,在燃用优质烟煤以及劣质烟煤和贫煤时都有良好的表现,其结构特点和稳燃措施为:(1)DRB4Z燃烧器在一次风管内不设中心风管,一次风为直流,在燃烧器前一次风管处安装陶瓷内衬的弯头,以改善风粉混合物过大的上下偏差,在一次风管内部设有扩流锥,以消除周向的煤粉不均。(2)在一次风管内壁加装用以优化煤粉气流流场的导向器,以改善一次风出口的煤粉分布,并适当阻挡煤粉过快地向外扩散。(3)在一次风外围设置了过渡性供风可调节的滑动挡板,可以灵活调节挡板以调节过渡区域(见图2)的供风,处于过渡区域的空气能推迟内二次风与着火后的煤粉气流的混合,并增强了煤粉气流卷吸火焰核心区高温烟气的作用,同时在火焰外围富氧区形成的NOx被还原成N2。3.2次风粉流燃烧煤粉流的工艺与技术哈尔滨锅炉厂和三井巴布科克能源公司联合制造的600MW超临界锅炉采用低NOx轴向旋流燃烧器(LNASB)。其结构如图3。其结构特点和稳燃措施为:(1)一次风管装有鼓形管体、提升杆、一次风粉分割器等装置,一次风切向进入鼓形管体,经鼓形管体内的旋流片达到周向分配均匀,后经镶嵌在鼓形管锥面内壁上提升杆达到径向分布优良。之后旋转前进经过一次风粉分割器,分割为4股独立的风粉流,实现在一次风管喷口附近,即火焰基层中就形成4股相对浓相煤粉流和其周围的相对淡相煤粉流的“浓淡分级燃烧”,从而形成在总体供氧水平极低、温度相对水平低的前提下,保证煤粉顺利着火和稳定燃烧;同时,可大大地抑制NO生成。(2)在一次风管前端固定一由铬钢和8个陶瓷扇形板组成的火焰稳定器。该火焰保持器进一步加强了煤粉流在主燃烧区内迅速和均匀点燃,因此具有良好的低负荷稳燃性能。(3)燃烧器主体炉膛侧相接的为一渐扩形的耐火砖旋口。该旋口的形状是为保证风粉在燃烧器出口充分展开,保证足够的回流区。3.3煤粉浓缩器的特点东方锅炉公司与巴布科克日立公司合作制造的600MW超临界锅炉和1000MW超超临界锅炉采用日立技术的NR3燃烧器。HT-NR3燃烧器由环形稳焰器、煤粉浓缩器、外周空气导管、调风器等组成,其结构见图4。其结构特点和稳燃措施为:(1)一次风管中装有煤粉浓缩器,在喷口末端加装火焰稳焰环,煤粉浓缩器实现煤粉浓度分离,环形稳焰器为陶瓷制造,齿形环状。稳焰环内形成一次空气旋流,促进卷吸高温烟气使煤粉颗粒迅速着火。煤粉气流通过煤粉浓缩器时,获得周向的速度分量,大部分煤粉靠近环形稳焰器周围,从而提高了稳焰环附近的煤粉浓度,增强了稳燃能力,适应低负荷稳定燃烧。(2)二次风和三次风出口都带有扩口,可以使得二次风、三次风向外扩展。(3)内二次风为直流风,风量较少,及时补充煤粉着火所需氧气,并且延续燃烧进行,外二、三次风有调风器,可以调节燃烧器的旋流强度,针对不同的煤种,调节不同的旋流强度,以满足出口流场的回流强度。在传统的旋流燃烧器喷嘴中,煤在喷口附近分布均匀,没有明显的峰值区。二次风旋流使得一次风也产生旋转,在离心力的作用下,由于煤粉动量大,多数煤粉颗粒被甩到了靠近温度低的二次风区域。而靠近高温回流区处煤粉颗粒很少,没有形成火焰稳定的高温、高浓度区域。而在HT-NR3旋流燃烧器中,煤粉颗粒和稳燃环附近出现了明显的峰值区域,形成了高浓度区域,对着火、稳燃非常有利。因此,煤粉浓缩器对提高火焰稳定性有效,并通过火焰稳燃环和浓缩器实现火焰的最大稳定性。据有关报道,采用HT-NR3旋流燃烧器的锅炉燃用烟煤可在设计负荷的30%情况下而不投油稳定燃烧。4第三,二次风+三次风(1)一次风管布置煤粉浓缩或煤粉分离装置,提高燃烧器出口燃烧着火的煤粉浓度。(2)燃烧器出口处加装稳焰装置,尽管稳焰装置形状各异,但其稳燃原理类似,在煤粉出口处形成空气旋流,卷吸煤粉,造成局部高浓度煤粉;同时,还推迟二次风与煤粉气流的过早混合。(3)二次风、三次风多采用分级送风,及加装调风器,不但能够灵活地调节风量的比例,且能方便调节旋流强度。针对实际所烧的煤质