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行业知识

大容量直流生物质燃烧机与旋流燃烧机锅炉的燃烧技术分析与性能对比

大容量直流生物质燃烧机与旋流燃烧机锅炉的燃烧技术分析与性能对比

    我国经过20世纪80年代的改革开放和20世纪90年代经济的快速发展,国民经济走上了定发展之路。电力工业是国民经济发展的基础,在过去的20年里,电力工业为我国经济的发展作出了重大的贡献。今后20年里我国面临全面建设小康社会的历史重任,电力工业将迎来新的挑战和机遇。纵观我国电力工业蓬勃发展的20年,作为电力主机的大容量锅炉,技术进步是主要的,但是,也还存在不少问题。为了总结经验,少走弯路,本支将对我国大容量锅炉存在的主要问题与今后的发展进行探讨。

2  大容量锅炉生物质燃烧机与旋流生物质燃烧机锅炉的基本情况

2.1大型电站锅炉采用直流生物质燃烧机与旋流生物质燃烧炉的背景

    锅炉技术发展过程中,容量的增大和参数的提高是一个主要的趋势。这其中,受热面的发展与燃烧技术的进步成为其发展的核心。循环方式从自然循环、控制循环到直流炉推动锅炉向高参数方向发展,燃烧技术的进步则成为推动锅炉机组大型化的一个重要方面。

    直流生物质燃烧机锅炉与旋流生物质燃烧机锅炉是国外电站锅炉2大主要的制造厂商前CE(曾为ABB-CE,现为Alstom Power Inc,的一个部门)与B&.W公司的制造传统。这一制造传统也为国际上其它锅炉制造公司所秉承。2大公司采用2种不同的生物质燃烧机制造传统有其客观的条件。其中,一方面与2种生物质燃烧机各具优势又相对独立有关,由此,独立发展,形成各自丰厚的技术积累与市场影响。另一方面,与对于生物质燃烧机的选择性起决定作用的煤种及其分布有关。显然,在2大公司发展过程中,产品的主要市场在工业化程度高的欧美国家,而欧美国家的煤质普遍较好。在以追

求稳定燃烧和热效率的前环境保护时代-20世纪70年代以前.2类生物质燃烧机在欧美不分高下。市场决定产品的生存与友展,因而,以2类不同类型生物质燃烧机为特征的2大公司的锅炉产品得以长期共存,各自发展。

    20世纪70年代以前,我国锅炉技术以独立开发为主。国产的最大容量锅炉为300MW。20世纪80年代,随着我国的改革开放,引进国外大机组和锅炉设计技术时,考虑到我国多年来对2类生物质燃烧机锅炉的认识,还是主要选择了直流生物质燃烧炉锅炉。但旋流生物质燃烧机锅炉也有设备与技术的引进。

    我国大容量锅炉的发展走了一条设备引进与技术引进相结合的道路。在引进方面,引进锅炉产品与引进锅炉技术同步进行。我国在20世纪70年代末开始引进国外300MW以上的大容锅炉和锅炉制造技术。我国三大电站锅炉制造厂的上海锅炉厂有限公司、哈尔滨锅炉厂有限公司和东方锅炉(集团)股份有限公司引进美国CE技术生产直流生物质燃烧机锅炉,原北京锅炉厂与美国B&W公司合作生产旋流生物质燃烧机锅炉。由此,到20世纪80年代末我国电网的大机组形成了以300MW为主力机组的发展格局。20世纪90年代初开始,我国引进机组开始向600MW迈进。利用引进技术国产的600MW机组也几乎同步进入电网。新世纪之初,又开始引进900MW的超大容量锅炉,国产超大容量锅炉机组亦正处在技术和设计的准备阶段。20多年我国电力工业快速发展的事实证明,设备的引进加快了我国电力建设,技术的引进提高了我国大机组的设计与生产能力。同时,充分表明,先进技术与设备电厂机组高效、稳发的保障。

    对20多年来我国大量引进与引进技术生产的大容量锅炉的应用,需要也有条件进行客观的比较,为以后锅炉燃烧型式的选择与技术的发展提供比较客观的意见。

2.2生物质燃烧机及其发展的基本要求

    锅炉技术进步的一个重要方面是燃烧技术的发展。好的燃烧技术主要体现为着火稳定,燃尽度污染排放程度低,同时又不会造成炉膛结渣、高温腐蚀、超温爆管等对锅炉工作的不良影响,

    由于着火稳定性与锅炉负荷有关,因此,通常用低负荷稳燃能力来反映着火的稳定性。燃尽度是锅炉燃烧设备、技术与运行水平的综合反映。其中,煤粉细度,生物质燃烧机的结构与布置,炉膛生物质燃烧机区域组合射流的流动工况,炉膛及其生物质燃烧机区域的热强度等对于燃尽起着关键的作用。燃烧污染物,目前主要关注的是S02与NO.。SO.,主要从煤中的黄铁矿和其它硫化合物转化而来,燃烧过程中无法控制其生成。只能在其生成后再通过化学反应将其转化,防止其直接向大气排放形成酸雨。目前,燃煤电站锅炉中控制S02排放的有效途径主要还是尾气脱硫法。NO,的生成与燃烧过程中热力与化学环境有关,通过控制热力与化学环境能较大幅度地降低NO.的排放。

    炉膛结渣、高温腐蚀、超温爆管虽然受到多种因素的影响,但炉内燃烧工况是其中主要的影响因素,并且在诸多影响因素中属于比较容易改变的因素。在燃烧技术上采取适当措施,通过改善炉内燃烧工况可以将这些不良影响降低到最低程度。

    因此,燃烧系统与燃烧设备的设计改进是解决现已发生的上述问题的重要途径。

2.3 2类燃烧方式的基本特点与差别

    稳定燃烧是锅炉工作的基础。2类生物质燃烧机稳定燃烧的基本方式全然不同,但都具有较好的燃烧稳定性.并且都有继续提高其稳定性的发展潜力。

    直流燃烧方式的生物质燃烧机射流在喷入炉膛时本身无旋转,生物质燃烧机通常布置在炉膛4个角上,依靠上下游射流的相互点火作用稳定燃烧;直流生物质燃烧机通常分携带煤粉的一次风与起助燃作用的二次风,生物质燃烧机喷口布置于炉膛生物质燃烧机区域的4个角上,生物质燃烧炉的布置形式随煤种而变。对于中质以上的烟煤由于比较容易着火而采用一、二次风喷口间隔布置的均等配风法,并且采用直吹式制粉系统。对于贫煤与无烟煤,为了稳定着火,采用中间储仓制热风送粉方式,并且为了减少着火初期与二次风的混合,故通常采用一、二次风相对分别集中布置。在直吹式制粉系统中,为合理组织炉膛运行工况,同一层一次风生物质燃烧机与同一台磨煤机相连。并且采取措施减少各个角上风、粉分配的不均匀性。随着锅炉容量的增大,生物质燃烧机的数目增多,生物质燃烧机组的高度相应增加。

    直流生物质燃烧机锅炉从各个角上喷出的射流在炉膛中形成大的旋转火球。整个炉膛相当于一个大的生物质燃烧机。锅炉着火性能优越,炉内混合强烈,炉膛四壁的热负荷分布比较均匀。煤粉在炉内停留时间较长,易于燃尽。其优势在于充分利用各单个生物质燃烧机之间相互配合的强大作用。

    旋流燃烧方式的生物质燃烧机射流在喷入炉膛时依靠射流旋转时产生的申心回流来稳定燃烧。其特点是单一生物质燃烧机可以组织燃烧。旋流生物质燃烧炉也分输送煤粉的一次风与助燃的二次风。旋流生物质燃烧机的基本种类按照产生旋流的结构方式而分蜗壳式、切向叶片式与轴向叶片式3种。旋流生物质燃烧机稳定燃烧的关键是通过气流的切向旋

转在生物质燃烧机出口中心附近形成稳定的、合适的轴向回流区。旋流生物质燃烧机的旋转强度决定旋流生物质燃烧炉的工作特性。旋流强度既要足够的大以满足稳定着火的需要,同时又要避免过大的旋流强度造成火焰刷墙,引起生物质燃烧机区域炉壁结渣。在中小容量的锅炉中,主要采用单面墙布置的方式。在大容量锅炉中,随着炉膛容积的增大,都采用前后墙布置的方式。从单个旋流生物质燃烧机特点来看,前期的混合比较强烈,后期的混合显得比较薄弱。利用前后墙对冲布置的方式就弥锅炉补了后期混合的不足。

3 2类生物质燃烧机锅炉的性能对比

3.1热效率对比

    锅炉的热效率是衡量设备先进性与运行经济性的主要技术指标。也是生物质燃烧机先进性的一种间接反映。

    热效率与煤种、煤粉细度、燃烧设备设计、燃烧空间大小,排烟温度等多种因素有关,相当复杂,但是统计看来,直流生物质燃烧机锅炉与旋流生物质燃烧机锅炉的热效率在燃烧烟煤时,几乎没有差别,燃烧效率在99%以上,热效率达到保证效率92%以上,这主要是由于大机组的炉膛容积大,煤粒在炉内的停留时长,煤粉细度得到保证。一些锅炉的飞灰含碳量偏高主要与煤种及煤粉细度较粗、生物质燃烧机设计及运行工况没有能够调整好等有关。

    对于贫煤,由于挥发分低,含碳量高,对组织着火与燃尽的要求亦高。直流生物质燃烧机后期混合较旋流生物质燃烧机强烈,因而,与旋流生物质燃烧机锅炉相比,直流生物质燃烧机锅炉的燃烧效率和热效率会稍好些。但总体看来,燃烧技术的改进与燃烧的调整对于2类燃烧方式锅炉热效率的提高仍有着较大的潜力。我国在燃烧贫煤方面开发了一些技术,取得了一定的效果,但是,这些技术还不够稳定。由此亦表明,存在一些规律性的问题需要深入研究与总结。例如,煤粉细度与一次风浓度、生物质燃烧机结构与布置一、二次风的合理配叱等这些因素对炉膛温度场的影响,后者与着火、燃尽、结渣、高温腐蚀的关系,与炉膛出口烟温偏差的关系等。

    由于影响煤燃尽度的因素很多,各因素对燃烧的影响,既有互补又有抵消,而且,直流生物质燃烧机与旋流生物质燃烧机燃烧技术各自又都在发展,所以,综合看来,2类锅炉在燃尽度上并无明显的差别。

3.2低负荷稳燃与调峰

    发达工业化国家电网的峰谷差都比较大。我国正在向工业化国家发展,因而对机组的低负荷稳燃与调峰的要求日益提高。

    低负荷稳燃与调峰能力主要与煤质及燃烧技术的先进性有关。调峰能力实际上与低负荷稳燃性质相同。因而,两者归结为燃烧问题。低负荷稳燃的关键是稳定低负荷时的着火。着火一方面决定于生物质燃烧机本身的稳燃能力,另一方面,与炉膛内整体的空气动力工况与热力工况有关。因而,国内外对于稳定燃烧的技术措施也着重围绕着2方面展开。煤粉在炉膛内达到着火需要的热量95%来自烟气的对流传热。强化煤粉着火对流传热的办法有3类,一类是提高一次风的基础温度和提高煤粉浓度,以减少煤粉气流入炉着火过程中的热惰性。另一类是通过燃烧器本身来组织生物质燃烧机喷口附近良好的空气动力与气固两相流工况,来稳定着火。再一类是充分发挥生物质燃烧机之间的组合关系,充分利用钋来热源(相对于生物质燃烧机本身而言)的更主动的对流加热作用。传统的一、二次风技术,难燃煤采用热风送粉方式,不同煤种采用不同的生物质燃烧机布置方式与采用不同的喷口速度以及旋流生物质燃烧机通过组织回流火焰来稳定着火也都是基于上述考虑。面对劣质煤以及低负荷稳燃的新的要求,国内外科技工作者开发的各种新的燃烧技术也于此有关。基于煤粉浓缩技术类型的生物质燃烧机,如,日本三菱重工发明的PM型浓淡分离生物质燃烧机;在浓淡分离基础上置换一次风,如PAX形生物质燃烧机;上海锅炉厂有限公司结合Alstom Power Inc.(前美国燃烧工程公司,CE)的WR宽调节比型燃烧器,最早在汉川工程中提出并应用的浓淡分离燃烧器;我国在直流生物质燃烧机锅炉上提出的水平浓淡分离及其实现结构(百页窗式和弯头,其作为燃烧器的一种发展,更适合于直流生物质燃烧机锅炉应用)。钝体生物质燃烧机、船形生物质燃烧机则可以看作组织生物质燃烧机局部区域空气动力与气固两相流工况来实现稳燃的类型。Alstom Power Inc.公司在上世纪80年代以后为低NO,燃烧开发的同轴、同向大角度差偏转的CFSI型与同轴、反向大角度差偏转CFSII型生物质燃烧机布置方式,由于推迟了一、二次风的混合,并且更好地被上游的高温烟气所崽燃,也具有低负荷稳燃的特性,其稳燃的方式可以归为上述第3类。我国早期开发的夹心风生物质燃烧机通过提高一次风刚度稳燃的技术也属于上述第3类。

    国内外各大公司在燃烧技术上的进步,保证了其较低负荷稳定运行的设计保证能力。对于燃用烟煤的锅炉,原先300MW机组和600MW机组墙式布置的旋流生物质燃烧机锅炉低负荷稳燃的设计保证值分别为30% BMCR和25% BMCR,而四角布置的直流生物质燃烧机锅炉的设计保证值分别为35%BMCR和30%BMCR。亦即旋流生物质燃烧机的锅炉低负荷运行设计保证值比直流生物质燃烧机锅炉低5%。但随着四角一次风喷嘴稳燃能力的提高300MW四角布置锅炉机组也能达到30% BMCR。600MW直流生物质燃烧机锅炉的保证稳燃的最低负荷也在下降。燃用贫煤的锅炉,300MW机组四角布置的直流生物质燃烧机和前后墙布置的旋流生物质燃烧机低负荷稳燃的设计保证值分别为45% BMCR与50 %BM-CR以上。但随着制粉系统的改进,石洞口电厂四角切圆燃烧锅炉低负荷稳燃能力已达35% BMCR.得了国内300MW机组燃用贫煤时的最好业绩。总的说来,燃用烟煤,前后墙布置较四角布置略好,随着煤质变差,四角布置更有优势。

3.3 NO,的排放

    未经使用低NO.燃烧技术的直流生物质燃烧机锅炉的N().排放浓度在700~900mg/rrt,旋流生物质燃烧机锅炉的排放浓度更高,达到1 000--1 200 mg,/m’。

    N(),的生成分燃料型、热力型与快速型。其中,固态排渣煤粉燃烧过程中通过燃料型生成的N(),约占总的NO,生成量的80%.其次是热力型NO√陕速型N(),的生成量最少。因此,控制燃料型NO,生成的措施起主要作用。燃料型NO,的生成主要与燃烧初期火焰中高的氧浓度有关。因此,控制燃料型NO:生成的有效揩施是控制燃烧初期氧量浓度。当炉内燃烧温度≥1 300℃时,热力型NO,的生成量与温度呈指数增长关系。此外,热力型N(),的生成量还与介质在炉内的停留时间和氧浓度平方根成正比关系。因而,控制热力型N(),生成的有效措施是控制燃烧过程过高的温度与高的氧浓度的同时出现,并减少在高温环境下的停留时间。快速型N(),主要发生在高CH燃料和极高温条件下,因而,在规煤粉炉中,可以忽略不计。

    为了适应环境保护对电站N().量控制的严格要求,自1970年起前CE公司先后开发了炉膛内整体空气分级(()FA)、双切圆燃烧系统c CFSI、CFSII)、低N().双切圆燃烧系统(LNCFS,即CFS+OFA)等低NO,燃烧方式。我国在引进机组和引进技术的国产机组上也应用了低NO。燃烧技术,取得了良好的效果。

    现在直流生物质燃烧机锅炉上采用的低JO,双切圆燃烧系统分2种类型。一种是OFA+CFSI+WR,另一种是OFA+CFSII+WR(WR为带浓淡分离的宽调节比生物质燃烧机)。其中,浓淡分离提供进入炉膛一次风射流低氧的初始条件,一、二次风大角度差布置则通过推迟一、二次风的混合进一步保持燃烧初期的低氧燃烧环境,从而有效地控制烘料型N(),的生成。通过采用空气分级的OFA方式,减少生物质燃烧机区域空气总量、降低燃烧器区域总体氧浓度和适当降低燃烧温度,从而有效地控制N()。的生成。()FA的风量与位置对于组织燃尽与控制N()。都有较大影响,需要合理设置。值得注意的是,采用一、二次风大角度差布置(同心偏转CFSI或反切CFSII)不仅降低燃料型NO,,同时也是控制热力型NO.的有效措施。因为其供风方式由原来同角异层的尽早配风变成了异角的推迟配风,不仅混合推迟,燃烧初期的低氧燃烧得到延迟,而且因射流在混合之前各自已经卷吸了较多的炉膛燃尽烟气,因而,各混合点处的局部氧浓度亦更低。故而这2种燃烧系统能取得较低的NO.排放效果。

    如上海石洞口二厂2台600MW超临界机组由Alstom Power Inc.与瑞士SULZER提供,采用CFSI+WR生物质燃烧机型式与布置,四角布置的摆动式直流生物质燃烧机,炉膛中心形成直径分别为声1 510mm和声1 700mm左右的2个假想切圆,顺时针旋转。每个角相间布置9只辅助风喷口,为等配风方式。二次风同侧偏离一次风25。形成大切圆。机组的NO。排放量低于650mg/m3,基本上达到某些发达国家的排放标准¨一,上海锅炉厂有限公司在吴泾11、12号300MW机组锅炉上引进Alstom Power Inc.公司技术采用OFA+CFSII+WR生物质燃烧机布置.NO.仅为420mg/m3。吴泾600MW机组锅炉的N(),排放更低。

    大机组上的典型的旋流低NO,生物质燃烧机有B&.W公司开发的DRB、DRB-XCI。双调风旋流生物质燃烧机等。据B8-W介绍.DRB型生物质燃烧机一般可降低NO,排放so%~60,02。从B8-W统计的结果看,其排放可满足美国现行的次烟煤615mg/m3、非次烟煤73 8mg/m:/排放标准。从用于老厂改造的几台第二代DRB-XCL型生物质燃烧机的实测结果看,N().的下降幅度为50%~70%,绝对排放量低于500mg,-'m3.z-。

    值得注意的是,由于各生物质燃烧机间的煤粉分配偏差存在的必然性,尤其是当这种偏差较大(达10%~20%)时会造成对NO.排放的增加,并且其对墙式布置的影响将更大。统计看来,同类燃料的直流生物质燃烧机锅炉产生的NO.比前后墙旋流生物质燃烧机锅炉低10 %~15%。现已在很多锅炉中证实了这一点。因此,在控制NO.排放方面直流生物质燃烧机方式较旋流燃烧方式的优势仍是十分明显的。

4大容量直流生物质燃烧机锅炉与旋流生物质燃烧机锅炉中的热点问题

4.1过热器与再热器的超温问题

    近年来,过热器与再热器的超温问题主要发生在大容量四角切圆布置的锅炉上。旋流燃烧器锅炉上确实尚未有类似的严重情况发生。这是事实,对此需要客观的分析。

    四角切圆锅炉炉膛出口烟温偏差与过热器、再热器热偏差主要与炉内残余旋转有关。

    (1)四角布置直流生物质燃烧机锅炉的炉膛出口的烟温分布沿着炉膛宽度呈M形,特别是靠近旋转气流先期到达一侧的偏差峰值更大。偏差的位置相对固定。这主要与炉膛气流的残余旋转与水平折转有关J一。炉膛烟气残余旋转强度越大,局部烟温偏差亦越大。

    (2)烟温偏差可以通过改进生物质燃烧机射流的布置来加以削弱。

    传统同心切圆直流生物质燃烧机锅炉炉膛出口残余旋转较大,炉膛出口的烟温偏差随锅炉容量的增大而增大。引进机组对炉膛出口烟温偏差不从燃烧侧采取措施,这是造成大机组锅炉炉膛出口存在较严重烟温偏差的客观因素。200MW机组炉膛出口两侧烟温最大偏差约100℃,300MW机组炉膛出口两侧最大烟温偏差约100~1500C,600MW机组炉膛出口两侧烟温最大偏差约150~200℃。这一统计结果主要与设计中各种容量等级的锔炉采用相似的炉膛工况设计(假想切圆直径按比例增大,生物质燃烧机布置方式相似)有关。近年来的研究表明,烟温偏差主要取决于生物质燃烧机综合旋转动量流率矩。因而,改变生物质燃烧机射流的综合旋转动量流率矩设计能够有效地控制炉膛烟气残余旋转,进而控制炉膛出口烟道两侧的烟偏差。生物质燃烧机上部燃尽风或分离式的OFA采用与生物质燃烧机区域主旋转气流反切的设计,可以较好地解决炉膛出口的烟温偏差。石横等电厂反切改造之成功即其实例。西安交通大学提出的将炉膛旋转动量流率矩控制在o.9~1. 15能够较好地控制炉膛出口烟温偏差的实验结果1 4_,亦可以作为锅炉生物质燃烧机布置设计的有益参考。

    (3)大机组的超温爆管中再热器较过热器更为严重。其主要原因为,一方面,与过热器相比,并联管管径粗,支管的阻力相对于集箱内静压的变化小,因而,再热器管组蒸汽流量偏差较过热器大。一方面,由于再热器蒸汽压力低,比容大,热容量小,再热蒸汽对烟道烟温偏差更敏感,热偏差更严重。此外,引进型控制循环锅炉的再热器恰好布置在局部烟温偏差较大的锅炉水平烟道的进口。从而,大机组的超温爆管以再热器为多见。

    (4)在烟温偏差引起的过热器与再热器的热偏差也可以一定程度上采用调整管组内流星偏差的办法来补偏。特别是再热器由于管组的阻力较小,采用锅内措施具有较好的灵敏度。上海锅炉厂有限公司1991年在石横电厂采用流量偏大的管组中加节流管圈的方法调整管组流量偏差,结合生物质燃烧机上部反切,取得了控制炉膛出口热偏差较好的效果。

    (5)四角布置生物质燃烧机锅炉的过热器与再热器超温爆管虽然有热偏差的内在因素,但是现在看来主要还是材料选用不当所致。我国在引进原CE公司高温再热器技术过程中,对高温过热器与再热器采用T91的抗高温氧化性(耐温650℃)和对钢研102的认识不足,用抗高温氧化性较差的钢研102(耐温600~6100C)替代了T91钢,由此导致了一批锅炉高温过热器与再热器的超温与爆管。上海锅炉厂有限公司在1993年以后生产的30台锅炉上,高温过热器与再热器全部更换了T91钢,未再发生过超温爆管。由此亦表明,超温爆管在今后一段时期将不再成为四角切向燃烧锅炉的主要问题。

4.2结渣与高温腐蚀问题

    300MW燃用贫煤锅炉的水冷壁高温腐蚀和强结焦性烟煤及存在卫燃带燃用无烟煤锅炉中的结焦问题,成为目前国内锅炉的主要问题。

    结渣与高温腐蚀的基本机理目前是比较清楚的,这方面的讨论比较多。炉内结渣、高温腐蚀分剐与多种因素有关。并且往往是在多种因素同时出现的时候才成为现实。

    结渣与高温腐蚀与煤种、锅炉容量、生物质燃烧机的热功率以及炉膛热负荷、炉膛生物质燃烧机区域的热负荷的设计等有关。这些因素在常规的锅炉设计中都是加以重点考虑的对象。因而,大多数的情况下,面对具体锅炉的严重结渣或者高温腐蚀现象,无法从这些因素中找出设计的缺陷。实际上,结渣与高温腐蚀问题往往是由至今难以把握与预料的燃烧器区域复杂组合射流运动的工况的不良所致。

    生物质燃烧机区域的流动是极其复杂的。其基本的复杂性在于受限射流流动的复杂性。实验研究、数值模拟目前也仅仅作为参考,迄今工程设计中成熟的设计原则依据的还是基于大量成功工程实践经验的反馈。例如,对于四角布置锅炉,延续了几十年的同心射流假想切圆直径的设计准则,就是其中的典型。但它也仅仅对于烟煤锅炉的设计最为成功,在大容量贫煤锅炉的设计中,其给出的灵活性设计原则    “在不造成结渣的条件下,一次风切圆直径取得稍大”.恰恰常常带来结渣与高温腐蚀。其实,在传统设计中,同样生物质燃烧机布置情况下,烟煤锅炉一次风动量较大,刚度较强,燃烧较早,如果假想切圆直径按偏于保守设计,一次风就不具备刷墙的条件,因而,一般不太容易发生炉膛结渣与高温腐蚀。炉膛结渣、高温腐蚀主要与一次风刷墙相关,其证据前者显而易见,后者以实测壁面附近呈强还原性气氛为证。我国大机组中的贫煤锅炉大量发生高温腐蚀,则一方面与贫煤燃烧过程本身较迟有关,另一方面主要与贫煤锅炉一次风的普遍刷墙有关。后者与贫煤锅炉生物质燃烧机射流粗疏的设计原则有着密切的联系。为了稳定燃烧,贫煤一次风采用较低的喷口流速,又采用热风送粉,空气的密度降低,考虑到后期燃尽,二次风采用较高的速度,因而一、二次风的刚度相差甚为悬殊。一次风补偏尤恐木及,还要放大一次风的假想切圆,反其道而行之,其后果如此也是必然。究其因,还在由于对炉内射流运动无法准确预测之故。推迟燃烧的贫煤,在煤粉刷墙处,严重缺氧,导壁面附近强还原性气氛;煤粉颗粒刷墙后,又造成壁面局部热流密度的成倍提高,壁温飞升。从而,高温腐蚀在贫煤锅炉中形成普遍情况。要彻底改变这一局面,我们认为关键应在深化炉内流动规律研究基础上提出合理的射流布置方案。

    经验设计原则给出了同心燃烧布置系统一、二次风假想切圆直径取炉膛周边平均长度的5%~l2%,亦即一、二次风喷口轴线偏离炉膛中心的角度最大不得大于2。~5。。事实上,即使对于次风刚度相对并不太弱的烟煤锅炉,当一次风假想切圆直径取经验设计的上限时,就会发生一次风火焰的刷墙,遇煤灰熔点较低时就会引起结渣。北仑港电厂1号锅炉为美国CE生产,炉膛断面尺寸为19 558mm×16 432. 5mm,宽深比为. 19.假想切圆直径为1.6m。投运之初,因燃烧结渣性强的烟煤,生物质燃烧机区域与炉膛上部发生结渣‘5,其中炉膛生物质燃烧机区域的结渣与一次风假想切圆直径偏大有关。图

按照当时的设计参数对生物质燃烧机区域射流流动的模拟,表明了这一结诠。平圩电厂600MW机组为哈尔滨锅炉厂有限公司引进CE技术生产,锅炉炉膛断面尺寸为18542mmX16 432mm,2个假想切圆直径为1.8842m和1.7714m,相邻一次风偏离炉膛中心角度分别为4. 645 6。和4.354 4。。图2是对平圩电厂600MW机组锅炉炉膛燃烧工况的预测,表明其也发生了火焰的刷墙。实炉运行在冷灰斗发生的积渣_一为一次风刷墙的预测提供了间接的证据,其没有发生生物质燃烧机区域结渣是由于燃用不结渣煤,冷灰斗的积渣则是一次风刷墙后掉落的灰渣所致。图2平圩电厂600MW锅炉炉膛设计工况预报锅  炉技术

    前CE公司开发了双切圆低NO。燃烧系统CFSI型与CFSII型。其CFSI型设计上超越了传统的同心布置系统。CFSI型实际上也可以看作传统的同心射流的一种拓展。主要在于二次风远远偏离一次风,之所以一些锅炉上没有严重地出现同心射流同时放大假想切圆直径那样必然会出现的结渣与高温腐蚀后果的实质原因在于,由于一、二次的夹角较大,在一次风被上游射流吹到与同角上下层二次风相会之前,一次风的偏转空间已经被上下层的二次风的扩展所封闭。

样,一次风也难以到达下游壁面。但是,若一次风相对刚度过弱,二次风偏角过大,造成贴壁燃烧,仍有可能造成结渣或高温腐蚀。石洞口二厂CE-SULSER制造的锅炉,采用CFSI型燃烧器布置,燃烧煤灰熔点低的神木煤与晋北烟煤,炉膛也存在较严重的结渣,导致再热气温超温。幸好吹灰器投运情况较好,投运率可达85%。现锅炉可带600MW负荷,主要依靠吹灰器短间隔投运,炉内结渣仍是威胁安全运行主要问题口一。据我们分析,其原因也在这里。国内锅炉改造中采用浓淡分离技术与CFSI型的一、二次风布置,造成高温腐蚀,其原因大概也在于此。

    旋流生物质燃烧机锅炉也存在结渣与高温腐蚀问题。例如,出东德州电厂600MW锅炉,就发生了严重的结渣。

    旋流生物质燃烧机炉膛的结渣主要发生在生物质燃烧机喷口附近、侧墙和炉膛上部折烟角附近。高温腐蚀主要发生在生物质燃烧机喷口附近与生物质燃烧机区域的侧墙部分。结渣与高温腐蚀的原因除了与煤种和生物质燃烧机的设计与布置有关以外,主要与生物质燃烧机的运行调整有着密切关系。对于贫煤等差煤,为了稳定着火,旋流数往往取得较大,又加在燃烧器区域加卫燃带,生物质燃烧机区域的热负荷失控,燃烧器区域发生局部缺氧,呈还原性气氛,这些因素已足以造成结渣的外部环境。真正造成结渣与高温腐蚀的条件还在于熔融或者高温的煤粉颗粒到达壁面。前者造成结渣,后者造成高温腐蚀。颗粒到达壁面的原因,可能与偏大的旋转射流的旋转强度及其与旋转射流的空间受限性造成的对自由旋转射流有限扩展的破坏相关,从而使旋转射流成为开放型,进而在不同生物质燃烧机射流之间的空间形成强的回流区,通过离心作用进入该回流区的煤粉颗粒被卷吸到生物质燃烧机周围的炉壁上。侧墙的结渣与高温腐蚀的成因与此相近。炉膛上方的结渣则是煤灰熔点较低,炉膛内燃尽推迟之故。

    炉膛内结渣与高温腐蚀的机理不同,燃烧方式不同,结渣与高温腐蚀的部位亦不同。但是在炉内的形成条件有某种相近性。当一次风射流刭达或者靠近炉壁时,低灰熔点的煤将造成结渣,高灰熔点燃烧延期的煤将造成高温腐蚀。结渣与高温腐蚀的预防主要应从合理组织炉内空气动力工况着手,并且采用可靠的运行补救措施,如吹灰。

    在结渣与高温腐蚀2方面,四角布置与墙式布置锅炉均存在较大问题,须不断地加以研究、改进和完善。

5 2类燃烧技术发展中值得注意的经验与动向

    技术科学是在不断解决工程技术中存在的普遍性问题的过程中得到进步的。推动大容量锅炉燃烧技术发展的重要因素,一方面来自解决锅炉容量增大过程中出现的种种问题的需要,如解决结渣、高温腐蚀加剧的问题。另一方面,是来自对燃烧性能本身要求的提高,如不断追求更高的燃烧效率、低负荷稳燃、劣质煤燃烧等,再一方面是日益严格的环保标准的压力,如低NO,排放。

    为了应对这些新的问题,国内外的锅炉工作者进行了持续不断的研究,以往的一些经验值得吸收,未来的一些动向值得注意。

    (1)破除传统,大胆创新。

    国外在直流生物质燃烧机燃烧技术的重大机理与技术突破是一次风煤粉浓缩燃烧(或称浓淡分离)。由此,带来了燃烧性能的革命性变化与经济性的环保燃烧技术。

    在直流生物质燃烧机布置方式上,国外的一个重要突破是放弃一直沿用几十年的一、二次风同心切圆的谩计方法,大胆试验与推出一、二次风同心同向大角度差偏转的CFSI型与同心大角度差反切偏转CFSII型生物质燃烧机布置方案,并推出分离式的OFA。由此,亦进一步提高燃烧与环保效果,并开创大容量锅炉防结渣与高温腐蚀的新途径。

    (2)相互学习,取长补短。

    直流生物质燃烧机、旋流生物质燃烧机及其传统炉膛布置各有长短,以往面对较小锅炉容量,两者都能自如应付,因而.2类生物质燃烧机呈现全然不同的特点。着锅炉大型化,两者在面临越来越多的燃烧难题情况下,开始彼此取长补短。以射流相互支持、煤粉射流外部引燃为特征的传统直流生物质燃烧机过渡到煤粉射流内外双面着火的WR型(宽范围型)直流燃烧器后,进一步提高了直流生物质燃烧机锅炉的着火稳定性与低负荷稳燃能力,不论设计者是否有意,但事实上,已一定程度上吸收了旋流生物质燃烧机依靠中心回流区稳燃的优势。同样,低N(),旋流生物质燃烧机发展过程中,一次风的浓缩、二次风的再分级直至分式三次风与燃尽风的出现,事实上,也与直流燃烧

器浓淡分离稳燃、分层配风、()FA的技术发展,方法上有雷同之处。近年来,国外有旋流生物质燃烧机采用炉膛切圆布置o钥,更明确表明,2类生物质燃烧机及其传统布置有着更深相互融合的趋势。

6  结论

    从我国多年来锅炉的设计与运行实践来看,燃用常用煤种的200MW以下的机组,直流燃烧器是成熟的技术,理应成为首选。300MW~600MW的大机组中,直流燃烧与旋流生物质燃烧机各有长短。一段时期以来,四角切圆锅炉大机组出现的因热偏差引起的爆管问题,主要与再热器材料选择的不当有关。热偏差问题在今后一段时期的四角切圆布置犬机组锅炉新产品中将不再成为问题。从煤种适应性和对NO,控制的有效程度来看,在目前的技术条件下,直流生物质燃烧机优于旋流生物质燃烧机。结合我国煤质普遍偏差,电厂用煤较杂,此外在燃用劣煤方面我国多年来所取得的经验也主要来自直流生物质燃烧机的实际,因而,从总体上看,今后我国主要还是应该以发展直流燃烧器锅炉为主,发展旋流生物质燃烧机锅炉为辅。2类锅炉技术发展过程中,一方面需要不断跟踪世界先进技术的发展,另一方面,结合我国煤质特点,继续开发具有我国自主知识产权的燃烧先进技术。并注意燃烧技术的配套研究,不仅要重视开发新的结构,而且将燃烧技术的配套设计方法也作为一个研究的重点。特别要加强贫煤燃烧技术的研究。在强化燃烧,低NO。排放,防止结渣与高温腐蚀,减轻热偏差方面继续深化。


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点击次数:  更新时间:2017-03-16 20:09:40  【打印此页】  【关闭