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行业知识

径向浓淡旋流生物质燃烧机的冷态试验研究

径向浓淡旋流生物质燃烧机的冷态试验研究

    该文阐述了同时具有高效、稳燃低污染、防结渣及高温腐蚀性能的新型燃烧器一一径向浓淡

旋流生物质燃烧机的原理。并进行了冷态试验研免图8表4参5

主题词:  旋流燃烧器  冷态试验  浓淡燃烧研究

0前言

    旋流生物质燃烧机在我国电站锅炉及其它

煤粉燃烧设备应用领域中占有一定的比例。

采用旋流燃烧器的锅炉有其特点【11:①可以

避免采用直流燃烧器四角切圆燃烧产生的过

热器区的热偏差②对炉膛形状没有严格要

求,不必一定接近正方形。这给尾部受热面的

布置带来极大的方便:③燃烧器单独组织燃

烧,不互相影Ⅱ向

    国外开发的新型旋流燃烧器,其主要出

发点是降低NO。的排放,减少环境污染日

本石川岛播磨重工业公司研制出了带有旋风

分离器的WR型旋流生物质燃烧机‘21’‘引,着重

解决了低负荷稳燃问题。但由于结构复杂,运

行环节工作量大,因而又开发了一种将分离

器与燃烧器结合为一体的WR型旋流煤粉

燃烧器‘_美国BW公司开发的PAX型燃烧

器p1在提高直吹式割粉系统一次风温的同

时,在一定范围内提高了一次风中的煤粉浓

度这些成果有的已在我国引进的锅炉上采

用。但由于美、日等国家燃用的煤质和中国煤

的煤质不同,现运行的旋流生物质燃烧机有待

于改进为此,我们开发适合中国动力用煤的

1996 03  10收到来稿

特性同时具有高觌稳燃低污染防结渣及

高温腐蚀性能的径向浓淡旋流煤粉燃烧技

术。并取得了中国专利。

1径向浓淡旋流生物质燃烧机的

  工作原理

  径向浓淡旋流生物质燃烧机的原理示于图

1新型燃烧器在一次风通道中加入百叶窗式

煤粉浓缩器。从而将一次风粉混合物分成两

股:靠近中心的一股为含粉量较多的浓煤粉

气流,它经过浓一次风通道喷入炉膛:另外一

股为含粉量较少的淡煤粉气流,从浓煤粉气

流外侧环形通道喷入炉随同时,二次风通道

分成了两部分:一部分二次风经过旋流器以

旋流的形式进入炉内:另一部分二次风以直

流的形式喷入炉内陋1

 1.1稳燃

    旋流燃烧器依靠高温回流区为稳定的热

源。使煤粉气流及时着火并稳定燃烧对双蜗

壳燃烧器,一次风经过旋流器后,在离心力的

作用下,煤粉多被甩到靠近二次风处,使煤粉

浓度分布与温度分布不匹配,靠近高温回流

区处煤粉很少,而靠近二次风边缘的低温区

却集中了大量的煤粉,没有形成有利于火焰

稳定昀高温、高浓度区域(2);对一次风不第1期

.jR

Z

L

    图1径向浓淡旋流生物质燃烧机示意图

炉墙2_直流二次风通道3-旋流器4_旋流二次风通道

一次风通道6-中心管7-点火装置8-直流二次风挡

9-煤粉浓缩器10-淡一次风通道11-浓一次风通道

    图2旋流燃烧器煤粉浓度分布

    1-径向浓淡旋流生物质燃烧机

    2_普通旋流燃烧器

经过旋流器直接进入炉膛的燃烧器由于一

次风粉混合物煤粉浓度低,也不会形成高温、

高浓度区域,不能保证煤粉及时着火和火焰

稳定新型径向浓淡旋流生物质燃烧机,浓煤粉

气流煤粉浓度高。以直流的形式在中心回流

区四周喷入,形成了高温、高浓度区域,能保

证火焰稳定

1.2燃烧效率

    在径向浓淡燃烧的条件下,浓煤粉气流

着火后,淡一次风及时混入,符合随燃烧过程

发展及时供风的原贝』上传统的旋流燃烧器的

特点是后期混合较弱,新型燃烧器的二次风

的外环是直流风,后期混合强烈。因此新型

燃烧器具有较高的燃烧效亳

1.3 NO{的排放

    在煤燃烧形成的NO中,燃烧型NO占

90%左右在煤燃烧时,燃料氮几乎迅速分解

形成HCN N NH等中间产物这些中间产

物与含氧化合物(0 03 0H)反应生成NO,

生成的NO在还原性气氛中部分与G CO

 HCN反应。又可生成Nz因此,在燃烧过程

中减少燃烧中N向燃科型NO转化的重要

措施就是尽量减少含氧化合物的存在。从而

强化NO的还原反应采用分级燃烧,减少燃

烧区的空气量,提高燃料的浓度。可实现低

NO排放o径向浓淡旋流生物质燃烧机首先是

浓煤粉气流着火燃烧,其次是淡煤粉气流混

入燃烧,而后依次是旋流二次风、直流二次风

混入燃烧,形成了多层分级燃烧,能有效地降

低了NO的排放。

1.4结渣及高温腐蚀特性

    影响煤灰结渣的因素很多,其中很重要

的两点是炉内气氛及温度新型燃烧器采用

多层分级燃烧,煤粉向燃烧器中心集中。保证

了燃烧器区水冷壁附近形成相对较强的氧化

性气氛,从而提高了灰的熔结温度,减少了结

渣倾向。同时,还可以防止发生高温腐蚀

    综上所述,新型的径向浓淡旋流煤粉燃

烧器是一种同时具有高效、稳燃低污染、防

结渣及高温腐蚀性能的新一代燃烧器o这种

燃烧器,还能通过调节直流二次风门开度,灵

活方便地改变射流的结构

2实验台及试验研究

    以黄岛电厂燃用贫煤的3号锅炉f 67 0t/

h燃烧器为冷模对象进行了冷态试验实验

台系统示于图3,试验用模型为原型燃烧器

的三分之一,试验时保证速度进入自模区时,

一、二次风动量比与实际工况相等在一次风

和二次风内分别加入乙二醇发烟剂。进行流

动示踪,拍照分析一次风和二次凤流动和混

合情况,采用了热质比拟法,将一次风或一次

风中浓侧气流加热至600C左右,其它气流保

持室温,测量燃烧器出口气流温度分布。利用

相对剩余温度和浓一次风最大浓度份额反映第17卷

一次风与二次风之间、浓一次风与二次风之

间的混合情况

    图3实验台简图

l一直流风风门2_旋流风风门

    3_燃烧器    4_ -次风加热器

5_ -次风风门6- -次风动压、静压测点

7_二次风总风道8-二次风动压、静压测点

3试验结果及分析

3.1烟雾示踪试验

    在冷态试验中,新型旋流燃烧器分级燃

烧的特性,通过一次风的乙二醇烟雾示踪可

以得到定性反映图4-a是浓一次风的烟雾

示踪照片,图4-b是整个一次风烟雾示踪照

片。在图4-a中可见,浓一次风气流集中流过

回流区边缘附近。这个区域有较高的速度梯

度和温度梯度端流交换非常强烈。有利于供

给煤粉气流着火所需的着火热,迅速点燃浓

煤粉气流将图4-b与图4-a比较可见。淡煤

粉气流在外围包住浓煤粉气流一起向前流

动。着火后的浓煤粉气流与淡煤粉气流相混

合,进而引燃淡煤粉气流同时可见,整个一

次风的流动不会超过二次风气流的外边界线

(照片中上下两条线),这就保证了在离开燃

烧器喷口的一段距离内。有充足的二次风包

围着煤粉火焰。在近水冷壁区形成氧化性气

氛。可以防止或减轻高温腐蚀和结渣

3.2-次风的混合特性

    旋流燃烧器的早期混合较强烈。为了保

证煤粉气流的及时着火。必须保证在着火的

局部区域有较高的煤粉派度。图5是在旋转

射流区域中相对剩余温度的分布,可见在轴

向距离为Z/D=0.25,0.5f即&S2截面

上1。径向距离为R /D=0.4,0.48处相对剩

余温度存在峰值,这个区域正是气流回流区

的边缘附近,传热传质非常强烈,回流的高温

烟气加热浓度比较高的煤粉气流,使其迅速

着火形成着火区。之后,一次风与二次风均匀

混合,补充煤粉颗粒燃尽所需的氧气,使燃烧

效率不会因煤粉气流的浓缩有所降低。

3.3结构参数对旋转射流特性的影响

    ( 1)-次风和二次风之间扩口外伸长度

的影响。一次风扩口外伸长度三对一、二次

(a)、裱一谈风烟雾示踩    fb)一次风烟雾示踪

    图4烟雾示踪照片第1期

R/D

图5射流内一次风相对剩余温度分布△±相对剩余温度

    SI: Z/D=n 25  S2 Z/D= 0.5  S3 Z/D=1

    S4 z /D=I  S5z fD=3  S6 z fD=4

Z (mm)

图6不同扩口外伸长度三一次风混合特性

    Z-轴向距离

表1喷口外伸长度变化的实验参数

┏━━━━┳━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━┓

┃  上况  ┃  喷口外  ┃一次风动量  ┃二次风动量  ┃一次风出    ┃  二次风出  ┃  一次风量    ┃直流风量与    ┃

┃        ┃  伸长度  ┃(kg。m/s)  ┃(kg。m /s)  ┃  口风速    ┃  口风速    ┃  与总风量    ┃二次风量之    ┃

┃        ┃  ( mm)   ┃            ┃            ┃  (m /s)    ┃  (m /s)    ┃    之比      ┃    比        ┃

┣━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━┫

┃    l   ┃    6.8   ┃    6. 85   ┃    13. 30  ┃    16. 07  ┃    11. 91  ┃0.  27 63     ┃0. 2040       ┃

┃    2   ┃    13.5  ┃    5. 30   ┃    14. 22  ┃    14. 13  ┃    12. 31  ┃0. 2450       ┃0.  19 50     ┃

┣━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━┫

┃    3   ┃    20.3  ┃    6. 84   ┃    13. 28  ┃    16. 06  ┃    11. 90  ┃    O.2763   ┃    0.  19 32 ┃

┣━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━┫

┃    4   ┃    27    ┃    7. 11   ┃    12. 84  ┃    16. 37  ┃    11. 70  ┃    0.  28 35 ┃    0. 2056   ┃

┗━━━━┻━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━┛

风之间的混合,回流区的范围都有很大的影

响。在保证其它因素不变和扩口根部位置不

变的情况下,我们将一次风扩口外伸长度变

化4次:三-6.8,13.5,20.3,27( mm),实验参

数示于表1

    扩口外伸长度三增加使射流轴向速度

的最大值远离中心轴线,回流区范围和扩展

角有所扩大回流区和扩展角变化如表3由

于扩口外伸部分变长。导致二次风向外扩展,

在燃烧器出口附近产生了更大的负压区。增

大了射流的回流区,使气流回流加强适当的

增长扩口长度。可以使回流的烟气量增多。为

煤粉气流提供了稳定的加热源,有利于煤粉

的着火扩口外伸长度对一次风混特性的影

响如图6扩口外伸长度增加推迟了一次风

与二次风的混合,有利于发挥高浓度煤粉的

着火特性,使煤粉气流着火提前,提高燃烧效

率。同时,一次风煤粉气流在氧浓度不高的情

况下燃烧,可减少有害气体NQ的形成在

试验中发现如果三取得过长(约27mm),射

流有产生开放气流的倾向,所以在实际设计

中三也不宜取得过大

    (2)-次风叶片倾角的影响。旋流燃烧器

利用旋流叶片产生旋转射流,叶片的倾斜角

不同会产生不同旋流强度的二次风所以,轴

向叶片的倾斜角对出口气流的流动结构有很

大影响。在叶片倾角分别为550,580,60时,

对旋流燃烧器的射流特性进行了研究。实验

参数示于表2

    叶片倾角增加,使得二次风旋流强度变第17卷

表2旋流叶片倾角变化的实验参数

┏━━━━┳━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━┳━━━━━━━┓

┃  上况  ┃叶片倾角  ┃一次风动量  ┃二次风动量  ┃一次风出    ┃  二次风出  ┃  一次风量    ┃直流风量与    ┃

┃        ┃          ┃            ┃            ┃  口风速    ┃  口风速    ┃  与总风量    ┃二次风量之    ┃

┃        ┃    (。)  ┃(kg。m/s)  ┃(kg。m /s)  ┃  (m /s)    ┃  (m /s)    ┃    之比      ┃    比        ┃

┣━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━┫

┃    5   ┃    55    ┃    5. 77   ┃    13. 83  ┃    14. 75  ┃    12. 14  ┃    0. 25 56  ┃    0.  19 53 ┃

┣━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━┫

┃    6   ┃    58    ┃    5. 30   ┃    14. 22  ┃    14. 13  ┃    12. 31  ┃    0. 2450   ┃    0.  19 50 ┃

┣━━━━╋━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━╋━━━━━━━┫

┃    7   ┃    60    ┃    6. 09   ┃    12. 87  ┃    15. 15  ┃    11. 71  ┃    0. 2678   ┃    0. 2041   ┃

┗━━━━┻━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━┻━━━━━━━┛

大,引起射流结构发生变化回流区和扩展角

的变化见表3可见,随旋流叶片倾角增大,

表3结构参数变化对射流特性的影响

┏━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┓

┃上况  ┃结构参数    ┃刚流Ⅸ长度  ┃回流IX直径  ┃射流扩展角  ┃

┃      ┃            ┃  Lh /D     ┃  D}, /D    ┃    d(。)   ┃

┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫

┃  1   ┃1=6.8mm     ┃    1. 42   ┃    Q 86    ┃    83.7    ┃

┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫

┃  2   ┃1=  13. 5mn ┃    1. 48   ┃    Q 89    ┃    86.2    ┃

┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫

┃    3 ┃1= 20. 3mn  ┃【    1. 51 ┃    1. 08   ┃    91.1    ┃

┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫

┃  4   ┃1= 27mm     ┃    1. 88   ┃    1. 09   ┃    87.3    ┃

┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫

┃  5   ┃  U=55。    ┃    1. 40   ┃    Q 90    ┃    67.6    ┃

┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫

┃  6   ┃  U:58”   ┃    1. 48   ┃    Q 89    ┃    86.2    ┃

┣━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━┫

┃  7   ┃  U= 60。   ┃    1. 56   ┃    Q 98    ┃    89.0    ┃

┗━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┛

D-喷口直径三一扩口外伸长度B一轴向叶片倾JO

回流区的直径增大,长度变长,回流的烟气量

会增多,气流的扩展角变大,这对燃料的着火

是有利的一面。不同叶片倾角一次凤的混合

特性由图7示出。由于叶片倾角的增大,也加

大了一次风的扩展角,加快了一次风与二次

风的混合,降低了浓一次风的煤粉浓度,这是

对浓煤粉气流的着火不利的一面o同时,由于

    Z (mm)

图7不同叶片倾角B下一次风混合特性

一次风中氧浓度的提高。还增加了氮与氧反

应生成NO。的机会因此。应选用合适的叶

片倾角,减少二次风中氧混入一次风,减少

NQ的产生,而又保持较好的稳燃条件

3.4运行参数对旋转射流特性的影响

    f 11直流二次风率对旋转射流的影响。新

型旋流燃烧器采用的是双通道配风器。其结

构特点是:将二次风分成旋流和直流两部分,

旋流风由轴向固定叶片形成当旋流风与直

流风风量比例不同时,二次风的综合旋流强

度也不同不同直流二次风率值流风量占二

次风量比率)下,射流的回流区和扩展角的变

化规律见表4可见直流二次风率的增加对

表4运行参数变化对射流特性的影响

┏━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━┓

┃上况    ┃运行参数    ┃司流区长度  ┃司流 rx:径  ┃肘流扩展角  ┃

┃        ┃            ┃  /h /D     ┃   D,, /D   ┃  1I。)     ┃

┃    8   ┃Q=14%       ┃  L 83      ┃     1. 15  ┃  95.2      ┃

┃    9   ┃Q=20%       ┃  L 69      ┃     1. 03  ┃  92.0      ┃

┃    10  ┃Q= 30       ┃  L 65      ┃     0. 98  ┃  79.4      ┃

┃    11  ┃Q= 38%      ┃  L 64      ┃     0. 94  ┃  76.7      ┃

┃    12  ┃r/= 207。   ┃  L 69      ┃     1. 03  ┃  92.0      ┃

┃    13  ┃r/= 257。   ┃  L 48      ┃    0. 89   ┃  86.2      ┃

┃    14  ┃r/=3 r7。   ┃  L 40      ┃    0. 87   ┃  76.0      ┃

┃    15  ┃r1= 38r/。  ┃  L 34      ┃     0. 79  ┃  65.7      ┃

┗━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━┛

Q一直流_次风率r/- -次风率

射流具有压缩作用,使回流区和扩展角相应

减小,可使煤的气流的着火距离增加。由图8

一次风和二次风混合特性可见,直流二次风

率的增加,推迟了一、二次风的混合,使着火

区处于还原性气氛下,减少了NQ的形成

双通道配风器的灵活调节特性可适应锅炉负

荷、入炉煤种变化的需要,旋流二次风与直流

二次风的大小通过各自风道中的调节挡板进

行调节,灵活方便,同时由于调节挡板远离燃第1期

烧器喷口,不接受火焰高温辐射。因而不存在

过热卡死的问题

Z (mm)

    图8不同直流风率下一次风混合特性

    ( 2)-次风率对旋转射流的影响。对于4

种一次风率下射流特性试验f如表4)表明,

一次风的增加对回流区起到了破坏作用。使

气流回流减弱。这是由于一次风与二次风混

合,减弱了射流的旋流强度o在实验中发现,

一次风率的变化对旋流燃烧器空气动力特性

的影响要比直流风率变化的影响大,实际运

行中一次风率要控制在设计值左右,不能过

大,否则破坏了煤粉赖以着火的回流区,使燃

烧不稳

4结论

  本文讨论了新型径向浓淡生物质燃烧机的

基本原理,分析了其冷态试验结果,归纳为以

下几点结论:

    (1)新型燃烧器的喷口结构对其旋转射

流的初期流动和混合影响很大,特别是扩口

的外伸长度和叶片倾角是主要影响因素合

理的选择燃烧器喷口结构。可望取得良好的

空气动力特性,达到稳燃高效、防结渣、低

NQ排放的目的。

    (2)新型燃烧器具有良好的调节特性,直

流二次风率增加,射流的扩展角和回流区相

应减小,一次风和二次风的混合减弱。

    ( 3)-次风率对旋转射流的空气动力特

性有重要影响,一次风率增大。射流的扩展角

和回流区相应减/J\。

    参考文献

[1何佩敖.旋流式生物质燃烧机.电姑系统工程,1988(1):

  争19.

[2]日本专利.昭62 233611

[3粥俊凯,沈幼庭.锅炉原理及计算(第_版).科学出版

  社.1992

[4]Shinich ABL Hajime OGASAW ARA,et al.Demon-

  stration Test Rasults of Newly Developed Wide

  Range Pulverized Coal Burner at 250MW Power

  Plant.    CSP E-JSM E-A SM E-Int ematio nal  Conferenc,e

  on Power Engjneering, May22-  26, "hanghai, (hina

【5]中国专利.一种径向浓淡旋流生物质燃烧机专利号,

    ZL93 2 44359. l

    第一作者简介马春元,男,35岁,讲vrrjo现在山东工

业大学动力系工作,并为哈尔滨工业大学在职博士研究生,

主要从事燃烧及其烟气净化技术方面的研究

止接第9页)

    ( 31燃烧器改进后必须重新调平一次风

速,力求各煤粉管风速偏差小于铴,确定一

风总风压的运行值,要根据炉膛冷态动力场

的试验数据编制燃烧操作规程

    作者简介  车长源,男,生于1943年,1958年就读望

亭发电厂技工学校,1959年参加工作,1987午被聘为工程

师,现任上海石油化工股份有限公司热电总』‘第二热电厂

高级工程厩30多年来一直从事发电厂锅炉运行管理、试

验和节能技术等工作,已发表论文多篇。


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点击次数:  更新时间:2018-07-15 22:33:21  【打印此页】  【关闭