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行业知识

生物质燃烧机的分级浓缩

生物质燃烧机的分级浓缩

摘要:一次风的浓缩有利于生物质粉气流的着火、稳燃和降低NO。排放,是生物质燃烧机一个主要任务。介绍浓淡燃烧器的工作原理,通过对燃烧器的浓缩过程的分级解析,说明分级浓缩是提高生物质粉浓度的有效方法,、有效的第1级浓缩增人了生物质粉的输送浓度,进而可改善第2级浓缩,提高燃烧区的生物质粉空间浓度。讨论了第1级和第2级浓缩对燃烧器性能的不同影响.说明了第2级浓缩的重要性和设计中应注意的一些事项,并提出生物质燃烧机的第2级浓缩和其后的一、二次风的配合是保证燃烧器性能的关键,也是未来生物质粉燃烧器的研究重点.

0概述

    除时f白J、温度和混合3个因素外,生物质粉颗粒的质量浓度在生物质粉燃烧过程中也起着关键作用.尤其是对生物质粉气流着火和稳燃的影响十分显著-,z] I.在燃生物质锅炉中,生物质粉质量浓度的提高可通过原始浓缩、燃烧器出】『浓缩和然烧器前浓缩来实现.其中主要依靠一次风的浓缩[2I,、研究表明.生物质粉质量浓度的提高有助于生物质粉挥发分的快速析出,有利于着火、稳燃和降低燃烧中NOx的生成3I,、从生物质粉质量浓度与着火温度的关系可看出.生物质粉质量浓度的提高降低了生物质粉气流的着火温度,缩短了着火时问。用热甲衡的观点及“着火热”的概念可一定程度地解释生物质粉质量浓度对着火的影响l4l.但这一解释没有充分结合生物质粉在炉内的燃烧过程,、一些研究者将是否可形成高生物质粉质量浓度与高温和较高氧质量浓度的区域并称为“三高稳燃区”,并以此来判断燃烧器的稳燃性能1一。三高区理论强调了高生物质粉空间质量浓度及其他相关凶素对着火稳燃的重要性.但未能全面地阐述生物质粉质量浓度对着火和稳燃的作用机理。

    生物质粉在射入炉膛后,将经过加热升温、裂解、挥发分释放、着火和燃尽等过程.一般认为:对挥发分含量较高的烟生物质,凶挥发分释放温度低,生物质粉不必加热到很高温度,就有人量挥发分释放出来.这样挥发分先着火:但对于低挥发分的贫生物质及无烟生物质,由于挥发分释放温度高.高温生物质粉与其释放的挥发分更偏向于同时着火,、但不论生物质种如何,生物质粉颗粒的快速集中加热和挥发分的快速集中析出是生物质粉着火的重要条件。生物质粉浓缩止足这一条件的保证。

    生物质粉的适当浓缩在传热和化学反应2方面都对着火有利,、一方面.外界热源可更有效地用于加热部分生物质粉颗粒,而非整个一次风气流.点燃后生物质粉集中在一个相对小的空问.形成小火焰.又降低了热损失:另一方面,烟生物质人量的挥发分集中析出,增强了均相气相反应的速度.而对挥发分低的无烟生物质.生物质粉的燃烧以非均相反应为主.提高生物质粉质量浓度.就等于增人单位体积内生物质粉的表而积.也增人了燃烧的化学反应速率。传热与化学反应2方面的影响及相互作用,是有利于生物质粉着火稳燃的根本原因。另外,生物质粉颗粒集中在炉膛内的某一空间.有利于挥发分集中析出,并造成燃烧初期局部缺氧.抑制了燃料N的氧化,减少了NO。的生成,,、

    凶此,浓缩在生物质粉燃烧的组织上具有重要意义。而浓缩的效果是保证燃烧器性能优良的关键之一l 2I.特别是近年来我国从国外引进和自行开发了多种“浓淡”燃烧器lz,一。,在生产实践中对稳燃和降低NO。排放都取得了相当的成效。同时,也遇到了一些问题.如燃烧不完全(包括飞灰和人渣含碳量人幅增加)、水冷壁在还原气氛下的高温腐蚀、炉膛结焦等l9。凶此.如何在燃烧器的设计中.既保证良好的生物质粉浓缩效果.又克服浓缩对燃烧的负面影响足一个重要

1  生物质燃烧机的分级浓缩

    我国早期开发的生物质燃烧机除预燃室式的外.基本上都采用了在出【l附近的浓缩来实现稳燃.其具有代表性的燃烧器有钝体燃烧器、船形钝体燃烧器、双通道人速差燃烧器等10,它们通过在喷LJ附近放置不良导流体、相邻2股动量不同射流的相互作用,或旋流叶片产生的旋转流场等措施.在炉膛内形成一个局部高浓度的浓度场.提供稳燃的必要条件,、

    现以钝体和船形燃烧器为例来讨论出I l浓缩的形成过程和相关燃烧器的稳燃机理.图1给出了这2种燃烧器出¨的颗粒分布.一次风气流流经钝体或船体后被分离成运动方向发生偏转的2股,先扩展,后收缩,最后汇集成1股,并在下游形成以1个低速区或回流区.固体颗粒则受到钝体或船体的引导而向燃烧器两侧集中,且随气流向前。当2股气流收缩汇集(气流弯曲)时,质量比气流人近千倍的生物质粉会由于惯性而脱离气流.射入气流弯曲而形成的高温回流区,在那里滞II:增浓,同时升温着火。钝体燃烧器(图la))中生物质粉气流偏转显得十分甲缓,且钝体后易出现回流区不稳定的卡门涡流.造成燃烧器出lI气流左右摇摆不稳定.使着火推迟和火焰不稳定,稳燃能力下降。由于船体的特殊形状,船形燃娆器(图lb))中有相当部分的气流由船体的上下2个尖端导出,使紧贴船形燃烧器出】j有一个小而稳定的回流区,船体后的2股生物质粉气流有较人的偏转,且气流流场稳定.这就使船形燃烧器有更好的稳燃能力.

    从图1可看到.钝体和船形燃烧器中颗粒的浓缩分2级完成.第1级浓缩发生在燃烧器前.是一次风生物质粉气流在流经燃烧器时.气流速度发生偏转.生物质粉沿燃烧器的外壁面浓缩:第2级浓缩发生在燃烧器后,是第1级浓缩后的生物质粉依靠惯性射入燃烧器下游的回流区后滞II -增浓。2级的浓缩密切相关,第1级浓缩是第2级浓缩的基础。有了好的第1级效果,第2级浓缩就较易实现稳燃的浓度要求;相反,第1级的效果差或根本没有(如双通道人速差燃烧器).相应地对第2级的要求就高,需要增人回流或提高燃烧区的温度和氧质量浓度来进行补偿。没有较好的第1级浓缩止是传统的燃烧器不能满足较高要求的低负荷稳燃.特别是在燃烧低挥发分燃料时的低负荷稳燃的重要原凶。

    燃烧器前浓缩可有助于燃烧区内生物质粉质量浓度的提高.增强燃烧器的稳燃性能,这是浓淡燃烧技术和“浓淡”燃烧器的理论依据。目前应用的“浓淡”燃烧嚣种类繁多.如美国FW公司的旋风分离式燃烧器、英国B &W公司的狭缝式燃烧器、加拿人B&W公司的PAX燃烧器、美国ABB/CE公司的WR燃烧器、日本三菱公司PM燃烧器及我围开发的百叶窗浓缩燃烧器、富集型燃烧器、撞击型浓淡燃烧器和预热室浓淡燃烧器等,、这些燃烧器分别在W型火焰锅炉、前墙或前后墙布置的旋流燃烧器锅炉、四角布置切向燃烧锅炉得到应用,其中许多取得了成功【5-7I。

2生物质燃烧机的第2级浓缩

    尽管目前多种的浓淡燃烧器以第1级的浓缩方式和特点命名.采用的浓缩方式也多种多样.如旋风分离器、水平弯管、垂直弯管、百叶窗和异型挡板等多种形式的分离器.但第1级浓缩的根本目的只是为实现浓淡分离,是为第2级提供浓缩的基础。对于各个浓淡燃烧器.第1级浓缩的分离效率可能有所差别.但这一差别不是影响燃烧器的稳燃性能的根本原凶。可通过2方面解释:一是输送浓度与空间浓度的区别;二是颗粒浓度与稳燃的关系。

    文献『1]指出,锅炉中的生物质粉质量浓度有2个不】一J的概念,一种是生物质粉输送质量浓度,它是指1 kg(或1 ffl3)气体携带(输送)多少kg的生物质粉,常用肛,。( kg/kg)或肛u(kg/m3)表示;另一种是生物质粉的空间质虽浓度.它指某一固定空间内生物质粉具有的质量浓度,常用p( kg/m3)表示。显然描述生物质粉在炉内的最终燃烧特性需要使用的质量浓度是空间质量浓度。

    在质量流率不变的情况下.生物质粉的空间质量浓度p与输送质量浓度pQ的关系为:式中:Wg、Wp分别为气体和生物质粉颗粒的平均流速,IU/S。在一次风道内,通常形。一形。,凶而p一肛Q,即第1级浓缩同步增人生物质粉的空间质量浓度与输送质量浓度.

   从着火和稳燃的角度看.生物质粉颗粒浓度亦存在一个最佳值.过浓的生物质粉气流.反而使生物质粉燃烧区的温度下降4_。实际上,实现良好的稳燃不仅不需要一次风过高的浓缩,而且不需要一次风整体的浓缩。经计算.只要有人约10%的生物质粉先着起来.就可维持整个生物质粉气体的稳燃.这一点在富集型燃烧器上的实践经验得到了证实(见图3),该燃烧器采用了用小火点人火的设计思想,实现了很好的低负荷稳燃的效果[,。另外,过分地追求第1级浓缩的效果可能带来燃烧器阻力增人、磨损增强、稳定和可靠性降低,燃烧器喷l】烧损,生物质粉后续的混合变弱和燃烧效率降低筹问题。

    根据上述分析.在燃烧器的研究中.应将工作重点放在对燃烧性能起决定作用第2级浓缩及其后的一、二次风的配合上。浓淡燃烧器第1级的浓淡分离效率在700/0~80%是较合适的.即采用弯管或级数较少的百叶窗或异型挡板就可满足第1级浓缩要求,不需采用阻力人的旋风筒、多级百叶窗或异型挡板,第2级浓缩中应特别注意浓淡股的阻力分配、增强气固的湍动和合理选择出】『结构等。这是凶为浓淡股的阻力分配直接关系到浓淡的运行安全和分离效率。为防Il -积粉和回火.必须保证浓股的最小风速.而过人的风速又可能导致着火延后.拖长火焰,增人燃尽困难,、为保证分离效率需平衡浓淡股之间的风量.一般需要在浓股通道中通过增设阻力件。由于颗粒质量浓度增人,浓股的单位动量增人.颗粒团聚的趋势增强.不利于颗粒的快速加热和挥发分析出.也减少了化学反应所需的比表面积.另外颗粒团可能达不到或超出预定的射程.在未完全燃烧时坠落炉底,增加人渣含碳量。凶此,在浓缩的】司时必须增强气粉之间的混合和湍动.这就对燃烧器出LJ的结构提出了一定要求。图4所示足国内3家人型锅炉厂引进的ABB-CE公司的WR型燃烧器及喷¨结构示意-o.该燃烧器喷】J附近布置的波纹式稳燃器一方面是以进一步提高生物质粉局部空间质量浓度;另一方面是为增强气固的混合和湍动。相似的结构在我围自行开发的浓淡燃烧器中也得以应用。

3生物质燃烧机的一二次风配合

    生物质粉的浓缩有助于生物质粉气流的着火、稳燃和低NO。排放,然而它也可能带来飞灰和人渣含碳量高、燃烧器结渣,水冷壁高温腐蚀等问题,要解决这些问题,除处理好燃烧器的第2级浓缩外,还必须处理好一、二次风的配合。燃烧器风粉的整体布置需满足以下条件:(1)将滞II:增浓、升温着火过程组织在紧靠燃烧器出LJ.而不是组织在燃烧器内部或远离燃烧器出l】,以免引起燃烧器喷l】结焦或灭火;(2)在组织好燃烧器出l J生物质粉有效着火的情况下.将二次风组织成紧挨一次风射入炉膛,让高速、高强度湍动的二次风及时有效和分阶段地补充到一次风中去.达到高效率燃烧的目的;(3)组织好一、二次风间的合理配合,使主燃区处于还原性气氛下,并有足够长的时间使已生成的NO。与释放的挥发物还原成N2.并让紧靠水冷壁区的炉烟处于氧化性气氛下.以达到低NO。排放和避免水冷壁发生高温腐蚀。通常,这要靠沿炉膛高度方向上的火上风(OFA)及在炉膛径向方向上布置一、二次风射流切角不同,形成风包生物质系统来实现。

4结语

    一次风中生物质粉颗粒的浓缩对生物质粉的着火、稳燃和降低NOx排放有重要作用.其机理可从传热传质和化学反应2方面解释,、解析燃烧器的浓缩过程,可发现它通常是分级完成的。浓淡燃烧器止是通过增强第1级浓缩.增人了生物质粉的输送浓度.为后续的第2级浓缩提供了良好基础.然后依靠2级甚至多级的综合浓缩效果,提供稳燃能力,、通过输送浓度与空间浓度的讨论.可看到生物质粉颗粒在炉内燃烧区的浓缩主要取决于燃烧器的第2级浓缩.第2级浓缩是实现燃烧器稳燃和低NO,排放性能的根本保证。对于浓淡燃烧器.在第2级浓缩的设计上应特别注意浓淡股的阻力分配、增强气固的湍动和合理选择出结构等,、另外,为提高生物质粉的燃烧效率、保护燃烧器和水冷壁.在实现良好的第2级浓缩的】一J时,还必须合理组织一、二次风的配合,、未来生物质燃烧机的研究重点将在燃烧器的第2级浓缩和其后的一、二次风的组织上.

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点击次数:  更新时间:2018-08-16 21:07:42  【打印此页】  【关闭