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行业新闻

生物质燃烧机的稳燃性能分析

生物质燃烧机的稳燃性能分析

摘要:针对生物质燃烧机燃烧低挥发份煤的稳燃问题,介绍了扩口、扩锥、浓淡燃烧、齿环稳燃器等国内外的稳燃措施,采用数值方法模拟了生物质燃烧机一次风流场,详细分析了生物质燃烧机的流场特性。分析得出,扩口、扩锥、浓淡燃烧等稳燃措施没有考虑煤粉气流进入炉膛与高温烟气的迅速混合问题。在这些稳燃措施的流场中,煤粉气流进入炉膛,除脉动外,首先沿回流区外缘流动,向外张,而不是迅速与热烟气混合,因此,对于低挥发份煤不能起到良好的稳燃作用。提出了解决旋流燃烧稳燃问题的新的研究方向,拓展了稳燃理论,介绍了花瓣形稳燃器,为旋流燃烧稳燃技术的发展提供了新思路。

  我国贫煤、无烟煤等低挥发份煤的资源极其丰富但这些煤种由于挥发份释放速率低,着火温度蒜可燃性能差,极不易着火与燃尽,调峰运行十分困难。

    国内对于难燃的低挥发份煤,习惯采用四角切圆燃烧方式。但随锅炉容量的增加,气流余旋在炉膛出口和水平烟道所产生的流场与温度场的不均匀性也增大。据统计,200 MW机组炉膛出口烟温最大偏差约为100℃300 MW机组炉膛出口最大烟温偏差约为100℃~150℃600 MW机组炉膛出口最大偏差约为150℃~200℃,有些甚至可达180℃~第3期赵伶伶,等:生物质燃烧机的稳燃性能分析    。365。240℃”,锅炉过热器和再热器甚至频繁发生爆管事故,影响锅炉运行的安全性和可靠性。

    生物质燃烧机在炉膛中一般采用对冲布置,炉内流场不存在整体旋流,火焰充满度好,流场均匀;在炉膛出口处和水平烟道内烟气温度也比较均匀,不存在四角切圆燃烧特有的炉膛出口气流余旋,而造成流场和温度场的严重不均。因此,对大容量锅炉,多数采用生物质燃烧机。

    传统观念认为:生物质燃烧机一般只烧Q。》16.8 MJ/kg,y【>25%的煤,很少设计用于燃烧低挥发份煤(贫煤、无烟煤)。对以生物质燃烧机燃烧低挥发分煤的深入研究,在国内尚属空白。对于低挥发分煤,单纯的煤粉浓度和气流初温等因素不足以在离喷口附近即行着火,针对我国进口大容量锅炉(300 MW功率以上)多数采用墙式布置的生物质燃烧机的现状,对生物质燃烧机的稳燃问题应进行深入研究。因此,需要对其进行详细的流场分析。本文首先介绍国内外生物质燃烧机稳燃措施,然后进行其流场特性分析,最后提出解决稳燃问题的新的研究方向。

1  国内外稳燃措施

1.1扩口、扩锥

    一般生物质燃烧机的一次风管或二次风管或二者都采用扩口,这已成为普遍现象。扩口对气流起着一定程度酌导流作用,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。

    有些燃烧器出口设有扩流锥,也称为钝体。气流经过其后,产生“脱流”,在它后面出现一个回流区。图1所示为一轴向叶片型生物质燃烧机,一次风出口处装有一蘑菇型扩流锥,扩流锥尾迹的回流区有助于煤粉气流的着火。扩流锥的形式多种多样,对于无中心风管的煤粉燃烧器,扩流锥固定在燃烧器中心杆上;国外另一种扩流锥为多层锥形圈,也称多层盘式稳燃器。

    扩流锥的位置可以伸缩,可以调节一次风的出口速度和气流扩散角的大小,在燃用低挥发份煤时,习惯将扩流锥的锥角增大,以增加高温烟气的回流,但同时也增加了煤粉颗粒与扩流锥表面撞击的几率,撞击后失去动能的煤粉颗粒,将从气粉流中分离出来,未烧完就掉落到锅炉的冷灰斗中,形成不完全燃烧损失。

1.2气流旋转

    对于燃用贫煤和无烟煤的生物质燃烧机,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,企图造成更多的高温烟气回流,许多进口锅炉在一次风中靠近风粉气流出口处插入叶片式或螺旋桨式稳燃器造成一次风粉气流旋转,以加快难燃贫煤和无烟煤的着火燃烧。

    但气流的旋转强度过大,会加速一、二次风之间的混合;一次风的旋转更使一次风中的煤粉颗粒快速向二次风侧扩散,反而会推迟煤粉气流的着火,因此,仅采取加强气流旋转的措施不能解决贫煤和无烟煤的稳定燃烧问题。

1.3浓淡燃烧器

    浓淡燃烧器‘3(图2),通过在一次风管内加装百叶窗式浓淡煤粉分离器,将风粉气流分为内浓外淡两股。将浓相煤粉气流走内圈的设计,是为了让它在进入炉内后直接与回流区的高温烟气接触,有利其着火;淡相细煤粉在外圈,着火燃烧并不困难。为了增加回流区的尺寸和高温烟气的回流量,中心风管在出口处采用了角度较大(40。)的扩口。不过现有浓淡煤粉燃烧器有其缺点,即容易造成结渣旧。

    此外,据某些电厂反映,这种浓淡燃烧器在燃烧挥发份较低的煤时效果并不理想。其原因可能在于百叶窗分离器的浓淡分离效果被中心风管扩口的导。向作用所抵消:高速浓相煤粉气流在中心风管扩口的引导下在燃烧器出口处又与速度相对较低的淡相煤粉气流混合;此外粗煤粉惯性大,甚至会穿过淡相风粉层冲向二次风气流区,并过早地与二次风混合而影响燃烧效果。而且中心风管扩口的角度过大会导致与煤粉颗粒的碰撞,不利于煤粉的完全燃烧。

1.4齿环稳燃器

    这一技术存在于进口锅炉中,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3是德国Babcock公司DS燃烧器H上的齿环稳燃器示意图,该齿环稳燃器装在一次风粉气流外侧。此外法国S teinmuler公司的SM-IV型燃烧器旧,美国(加拿大)B硎公司的典型DRB-XCL燃烧器‘61等也均将齿形稳燃器装在一次风粉气流外侧。丹麦B8NV Enegy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。

    齿或齿环稳燃器由~圈小齿(或再加一圆环)组成。其目的是在齿的背流面形成许多小涡流,如图4所示,以稳定煤粉气流的着火。附着在一次风粉气流外侧的齿形或齿环形稳燃器形成的回流区,处于一、二次风之间的环形区域,回流区的温度不高,仅靠这一回流区难于稳定煤粉的着火燃烧,但它有适当阻止一次风与二次风过早混合和阻挡煤粉(特别是粗煤粉)向二次风扩散的趋势,还可以让适量煤粉颗粒进入高温内回流区,对煤粉稳燃有一定作用;附着在一次风内侧的齿形或齿环形稳燃器有助于高温烟气的回流,对煤粉气流的着火燃烧有一定作用。

    齿形和齿环形稳燃器的主要缺点,一是齿太小,其在背流面所形成的小涡流可能不稳定,稳燃效果不显著,二是齿和齿环均非流线形,流动阻力大,容易遭受煤粉气流的磨损,寿命短。因此,本文认为,装在一次风外缘的该型稳燃器在降低NO。排放方面性能较好,但对低挥发份燃料的燃烧不具备特殊的优越性。

1.5运行参数调节

    此外,适当降低一次风速和风率(提高煤粉浓度),采用热风送粉,控制煤粉细度,以及妥善处理三次风等也可起到稳燃作用,但这些调节手段一般还受到其他因素的限制,常配合其他稳燃方式,起到辅助作用。

2生物质燃烧机流场特性

    生物质燃烧机是利用旋转气流形咸有利于着火的回流区以及气流混合强烈的特点来燃烧煤粉的。回流区外层是温度较低的二次风,起助燃作用。对煤粉的着火起决定作用的是煤粉气流与高温烟气的接触与热交换,因此,本文重点研究一次风的流场特性。

2.1  常规生物质燃烧机的流场及燃烧特点

    所谓‘常规”是指我国在生物质燃烧机中采用较多的轴向叶片式生物质燃烧机。这类燃烧器是靠二次风(或二次风与一次风)旋流及出口加装扩口或扩锥而形成炉内高温烟气的反向回流来加热煤粉气流并使之着火燃烧的。中心回流区的存在是这类燃烧器的重要特点,它为煤粉的着火提供主要热量来源。回流区的外边界是一速度梯度很大的剪切层,剪切层在回流区尾部汇合,使煤粉气流闭合。

    本文采用数值计算方法㈤,模拟出不同中心风管扩口角度下一次风的流场分布,如图5、图6所示,从图中可明显看出回流剪切层的形状变化。高温流体的热量随回流带到燃烧器出口部位,剪切层

流体的脉动及流体的卷吸使高温回流流体与煤粉气流之间发生热、质交换,加热煤粉气流,直至着火燃烧。所以,生物质燃烧机的煤粉气流是在剪切层附近开始着火燃烧的,并由内向外扩展。

    回流区向煤粉气流提供的着火热来源于两方面:一是回流高温烟气的热量,其大小既取决于回流第3期赵伶伶,等:生物质燃烧机的稳燃性能分析    。367。烟气温度的高低和回流量的多少,还取决于回流烟气与风粉气流混合的强烈程度;二是进入回流区中煤粉颗粒的燃烧热,其量取决于进入回流区的煤粉颗粒量及其在回流区的燃烧程度。

    在风粉气流与回流区之间的剪切层边界上,风粉气流与回流区流体之间发生质交换。刚从燃烧器流出的风粉气流,动能较高,将回流区流体卷吸到其内表面与风粉气流平行流动;沿风粉气流流向在剪切层后部区域,风粉气流的动能明显降低,卷吸能力减弱,相反,在流动过程中风粉气流范围扩张,回流区宽度尺寸逐渐变小,部分风粉气流因被挤压而穿过剪切层进入回流区,并折向作反向流动,成为回流流体。回流区流体质量的守衡条件是在火焰根部被风粉气流卷吸的回流区流体的质量应与剪切层后部由风粉气流折回至回流区的流体质量处于平衡。在剪切层边界上,在风粉气流与回流区之间还进行着固相(煤粉)颗粒的交换。剪切层流体的脉动是风粉气流与回流流体之间的气相质交换和固相质交换的动力,但脉动速度较小,是主流速度的百分之几(比主流速度约小二个数量级),对固相质交换而言,流体脉动只会导致极微细煤粉颗粒的迁移,而且,脉动造成的迁移是随机的。另一粪固相质交换是随被卷吸的回流流体带出回流区和随被挤压的风粉气流进入回流区的气相交换过程中发生的。在组织旋流燃烧时应着重注意后一类固相的质交换。

    在剪切层边界上还发生热交换。沿流体的流动方向,在剪切层不同位置将发生方向或大小不同的热交换过程。在剪切层后部区域,在挥发份充分燃烧并有部

分焦碳也开始燃烧风粉气流温度大幅度提高的情况下,熟流方向是由风粉气流指向回流区的;当风粉气流中燃烧所产生的热量不足以大幅度提高其温度时,热流方向则仍然是由回流区指向风粉气流。维持回流区高温流体温度的条件是,在火焰根部区域,从回流区传递给风粉气流的热量应与剪切层尾部区域由风粉气流传递给回流区流体的热量保持平衡。当后者在数量上不能补偿前者时,回流区中流体温度就要降低,直至发生火焰灭火。在这种情况下,采取仅提高回流量的措施是难以强化燃料燃烧的,因为回流量提高意味着回流区中也有温度不高的气流加入,不足以维持回流区的温度水平。

    如果能够让风粉气流中较多的煤粉颗粒,尤其是粗煤粉颗粒进入回流区,对强化燃料的燃烧是有利的:一方面,煤粉在回流区内有较多的停留时间,对粗煤粉燃尽有利;另一方面,煤粉在回流区内燃烧可补充回流流体一部分热量。

    分析流场图(图5和图6)看出:中心风管扩口角度增大时,回流区范围扩大,回流量增加,对煤粉气流的着火和稳燃将有所改善,但风粉气流与回流烟气之间的热质交换机理仍然主要是剪切层上流体的脉动,脉动产生的热质交换强度比宏观对流强度要低很多。从这一观点出发,目前采取的中心风管加装扩口、扩锥、一次风旋流等措施,很难说能根本上强化低挥发份燃料的燃烧。

2.2径向速度场及扩口角度对流场的影响

    图5和图6上还示出了流场中径向速度为零的线,该曲线左边,径向速度为正值,曲线右边则为负值。由图看出,径向速度零值线大概以中心回流区最宽边界为分界,在回流区最宽边界左边(靠近燃烧器),径向速度为正值;在最宽边界右边(远离燃烧器),径向速度为负值。

    由回流流体(高温烟气)指向主流流体(煤粉气流)的正向径向速度和由主流流体指向回流流体的负向速度的存在,有利于两流体之间气、固两相的热质交换。由这两幅图还可以看出,煤粉气流在进入炉内后,直至回流区最宽边界这段距离上,由于扩锥面的引导,在煤粉气流中也存在正向的径向速度。该径向速度不仅会使气流向外扩展,还会引导气流中的煤粉颗粒向外扩散,致使在煤粉气流进入炉内后,煤粉颗粒沿气流外缘流动,无形中增加了煤粉颗粒进入回流区的障碍。当旋流二次风加入后,这种现象将更加严重。

    因此,扩流锥扩口角度的增加,虽然增加了回流区的回流量,但同时也提高了煤粉气流进入炉内时的正向径向速度,煤粉颗粒‘趋外”的趋势更加明显。煤粉颗粒将更难从煤粉气流中进入回流区。对于低挥发份煤的着火燃烧这是丙个相互矛盾的因素,这也是加装扩流锥或增加扩流锥外扩角度无法根本改善低挥发份燃料着火燃烧的另一个原因。

    此外,大扩口还会造成煤粉气流撞击锥面的动量损失,使部分煤粉撞击后还未来得及燃烧就直接落入冷灰斗,造成炉渣不完全燃烧热损失及扩口的磨损。

3稳燃原理的拓展

    对于低挥发份煤,单纯的煤粉浓度和气流初温等因素还不足以在离喷口附近即行着火,在此本文提出为稳定煤粉燃烧,可供选择的有效途径有:①增加进入中心回流区的煤粉量,以提高中心回流区的烟气温度;②提高煤粉气流与高温烟气热质交换的强度。要增加湍流混合换热强度,光靠煤粉气流与回流区外边界的脉动是不够的,还必须加大煤粉气流与热烟气的掺混强度,例如在射流的内部或侧面形成强烈扰动,采用各种办法在煤粉气流的内部或外侧形成高温烟气的回流区,促使高浓度煤粉气流进入回流区,强化高温烟气对煤粉气流的加热等。

    基于上述原理,东南大学提出了一种新型稳燃装置,花瓣稳燃器障胡(图7)0该型稳燃器,除中心回流区外,煤粉气流的内部和外侧形成轴向和径向多种回流区,流场分布如图8所示,使煤粉与高温烟气强烈混合;解决了传统燃烧器煤粉颗粒迅速向二次风扩靓不利于煤粉着火的现状;同时使部分煤粉犄别是粗煤粉粒颗在离开燃烧器喷口时能立即进入高温回流区,在回流区中着火燃烧并反复循环,从而强化了高温烟气对煤粉气流的加热。该型燃烧器存在一个较大的负氧燃烧区,对降低NOx十分有利。

4结  论

    本文通过模拟空预器现场工作环境,获得了空预器在正常工况、出现火情时的图像信息,通过小波包变换,对分解后系数熵进行分析,得到一组特征集,以此对空预器工况进行识别,试验结果表明,可以准确地判断出空预器是否发生火情。基于该方法的锅炉空气预热器热点检测系统已经成功应用于国内外数台200 MW容量以上的发电机组上。

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点击次数:  更新时间:2018-07-04 21:18:40  【打印此页】  【关闭