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行业知识

国外生物质燃烧机技术的新进展

国外生物质燃烧机技术的新进展

摘要介绍分析了三菱公司。超低PM燃烧器”、德国B&W公司“DS燃烧器”和石川岛插磨公司。内部分隔型WR燃烧器”,对于生物质燃烧机高浓度技术的发展提出了一些看法,

1  前言

    近几年来,国外电站锅炉生物质燃烧机技术的发展仍然是围绕降低NOx和强化稳燃两个主要问题,在高浓度燃烧关键技术——浓缩调节技术方面开发研究,近期较新的成果主要是德国B&W·公司的“DS燃烧器”、三菱公司的“超低PM燃烧器”和石川岛播磨公司的“内部分隔型WR燃烧器”。前两者已经实用,后者正在研制中。本文专此作些分析介绍。

    (由于关于煤粉高浓度燃烧技术的一些概念和名称没有统一,为叙述方便准确,本文把“局部浓淡燃烧”、“器内分级燃烧”和“浓淡分区燃烧”等统指燃烧器出口一股火焰不同浓度区域燃烧的概念,统一称为:“局部浓淡燃烧”)。

2  三菱超低PM燃烧器

    力了进一步降低NOx,强化稳燃,减少未燃分,三菱公司在PM燃烧器的基础上又发展出了所谓“High turn-domn PM 'burner”(本文译为“超低PM燃烧器”),已在350MW机组煤粉锅炉上应用成功,为制造中的1000MW机组锅炉采用。

    日本文献透露了“超低PM燃烧器”,但是只刊出图l和图2,没有多少文字说明。尤其在图1中,横座标没有标注数值,使读者无法知道图中“淡股”、“平均值”、“浓股”和“超浓股”的A/C值。且在图2只有喷嘴简图,没有燃烧器其它部分,也使读者看不出入口的浓风粉流从何而来。尽管如此,也并不难分析推断出它的结构原理。

2.1基本原理是两级浓淡燃烧

    分析比较图1和图2,“超低PM燃烧器”有“超浓”、“浓”和“淡”三股风粉流,进入燃烧器的是一股淡风粉流,从喷嘴出口进入炉膛的是“超浓”、“浓”和“淡”三股风粉流。“淡”股是一个喷嘴,“超浓”和“浓”股是共一个喷嘴进入炉膛,一共两个喷嘴。

    我们知道,浓淡燃烧本质上是不同煤粉浓度的浓淡分区燃烧。只要相近区域的风粉流具有一定程度的浓度差,就能够形成“浓淡燃烧”。由此分析,在超低PM燃烧器中,浓度相对较高的“超浓”风粉流与浓度相对低的“液”风粉流虽在同一出口同一火焰中,但是也能够形成“浓淡燃烧”,只不过是“局部浓淡燃烧”。同时,“超浓”和“浓”股燃烧火焰还会与“淡”股燃烧火焰形成不同股火焰的“浓淡燃烧”。

    可见,“超低PM燃烧器”的基本原理还是浓淡燃烧。所不同的是,PM燃烧器是“浓”、“淡”两股火焰构成一级“浓淡燃烧”。而超低PM燃烧器是“超浓”、“浓”和“淡”三股风粉流的两股火焰构成两级“浓淡燃烧”,是通过浓缩再浓缩办法在一级“浓淡燃烧”后再加一级“局部浓淡燃烧”。

  2.2浓缩调节结构是两级弯管浓淡分离

    目前,国外在电站煤粉锅炉直流燃烧器上实现浓淡燃烧的浓淡分离技术主要有两种:一种是以CE公司WR燃烧器为代表的“弯管喷嘴分隔板分离”技术,一种是以三菱公司PM燃烧器为代一.表的“弯管三通分离”技术,一般都只有

  一级弯管浓淡分离。超低PM生物质燃烧机是直流燃烧器采用两级弯管浓淡分离技术的第一例,入口进入的是“浓”股而非“漩”股。那么这股浓风粉流从何而来?入口以下是如何结构?它的另外一级浓淡分离结构怎样?对于这些问题的答案,我们可以合理地推断出来。

    三菱公司所有的PM燃烧器的浓淡分离基本技术是“弯管三通分离”技术,是一次风入口弯管采用有两个出口的三通弯管,利用一定流速的风粉流在弯管中的离心分离作用使一次风粉流分离成J浓淡两股,分别从两个出口入炉。这个三逋弯管被称为“浓度分配器”,实质上也是形成高浓度燃烧的浓缩器。经三通弯管分离出的高浓度风粉流从高浓度喷嘴进入炉膛,在出口着火区形成高浓度燃烧,易着火稳燃;低浓度风粉流从低浓度喷嘴进入炉膛,虽然自身难以稳燃,但是能靠浓火焰支持着火燃烧。这种由弯管浓淡分离形成的浓淡燃烧既有利于降低NOx排放量,又有利于稳燃。“低NOxPM燃烧器”、“低挥发分煤PM燃烧器”和“无烟煤PM燃烧器”都采用这样的技术。

    由此分析,超低PM燃烧器图2入口以下只须再增加一级“三通弯管分离”就可以了,这当然是最简便的了。从图1看,实际也应如此。在“弯管喷嘴分隔板分离”的浓股入口以下,应当还有一级三通弯管分配器,由它提供“弯管喷嘴分隔板分离”所需的“浓”股。“淡”陂从单独的喷嘴喷出,“浓”股被分高成“超浓”股和“浓”股共一个喷嘴喷出。这是超低PM燃烧器形成“超244浓”股、“浓”股和“淡”股三股风粉流的最合理最好解释。

3  德国B&W的DS燃烧器

    DS燃烧器是在ws旋流分级燃烧器基础上改进的,也是一种旋流分级燃烧器。德国所称的“旋流分级燃烧器”,也就是一般意义上的“双调风燃烧器”。基本原理也称为燃烧器内分级燃烧,大体是通过调节风速及风量来浓缩调节燃烧器出口的高浓度燃烧区,也就是“局部浓淡燃烧”。ws燃烧器是80年代中为燃烧西班牙无烟煤的W火焰无烟煤锅炉开发的低NOx稳燃燃烧器,随后推广到德国B&W公司的双W火焰液态排渣锅炉上。二次风  三次风内二次风外二次风

    从图3可看到,两种燃烧器的形状和结构相似,都是双调风燃烧器形式。ws燃烧器的内二次风是旋流,一次风和外二次风都是直流,是利用一组旋流叶片和一次风、内外二次风风量的调节在出口燃烧区形成高浓度区,其浓缩调节比较麻烦。DS燃烧器与之明显的区别有3点:①一次风是旋流,外二次风改为三次风;②喷嘴出口的稳焰器是齿形盘;⑧采用三组叶片联合调节一次风、内二次风和三次风。

    分析以上不同点,可以看出DS燃烧器由于含煤粉的一次风也旋转,离心分离作用将使一次风在燃烧器内还未与=次和三次风混合前就发生浓淡分离,煤粉朝器壁聚集,与旋流二次风和三次风混合后仍使高浓度区在外,朝向着火面。燃烧器出口的齿形盘可以把高浓度风粉流分割成多股辫状进入炉膛,分布更加均匀,稳焰效果更好。三组叶片联合调节一次风、内二次风和三次风,形成一个贫氧的内回流区能获得降低NOx的效果。

    据介绍,实际应用DS燃烧器的电厂锅炉都取得了良好的效果。由于它对不同煤种和二、三次风比反应不敏感,使得调节起来要比WS燃烧器简单容易;而且NOx排放量也少(如一例第4期何季民  国外生物质燃烧机技术的新进展的NOx排放量比用ws燃烧器时约降低200mglm3)。

    不过,无论DS或WS燃烧器在用于W火焰锅炉燃烧无烟煤时,都还须增加旋风分离器作为专门的浓缩器,这一技术并没有改变。

4  IHI内部分隔型WR燃烧器

    日本石川岛播磨公司(IHI)继“DF双流旋流燃烧器”和“IHI-FW卧式旋风分离器燃烧器”之后,目前正在与日本中央电力研究所合作研制最新式的“内部分隔型宽调节比燃烧器”即“内部分隔型WR燃烧器”,已取得一些成功的试验结果。这种燃烧器的结构原理比较特别,其别具一格的浓缩调节机构尤其令人注目。

4.1基本原理是局部浓淡燃烧点一次风

    IHI公司在分析生物质燃烧机在低负荷不能稳燃的原因时认为,主要原因是煤粉的着火性能和火焰传播速度随一次风A/C增大而降低,为此必须提高一次风A/C,采取在燃烧器出口着火区的高浓度燃烧技术,这可保证降低NOx并低负荷稳燃。所谓“内部分隔型WR燃烧器”的基本结构原理如图4所示。设想以DF双调风燃烧器为基础,改进浓缩调节机构,增加所谓“内部分隔机构”,燃烧器中心通不含煤粉的中心风,一次风粉流从切向旋转进人燃烧器,由于离心分离作用使煤粉向管壁聚集,被浓缩调节器和三层管喷嘴分隔成浓淡两股风粉流,在喷嘴出口补充二次风和三次风后,形成一股火焰的局部浓淡燃烧。

    与DF燃烧器不同的是,增加了浓缩调节器,改成了三层管喷嘴,浓缩调节器主要是浓缩套环,主要作用是提高浓缩能力,三层管喷嘴则进一步分隔一次风粉流,两者结合能加强浓缩调节作用。可见内部分隔型WR燃烧器的关键结构是三层管喷嘴和浓缩调节套环。过去的双调风旋流燃烧器也有一次风、二次风和三次风几层喷口,但并不是这种专门浓缩分隔一次风粉流的,因此可以.说这种三层管是前所未有的结构技术。

4.2关于三层管喷嘴

    (1)如图5所示,使用三层管分隔一次风粉流可以有6种浓淡燃烧组合方式,典型的三种为:①内层浓,中层淡,外层全风无粉,风粉混合恶劣,只能形成细长火焰,还伴有黑烟。②内层淡,中层浓,外层全风无粉,火焰形状大小不稳定,调风门的燃烧调节范围很小。③内层全风无粉,中层淡,外层浓,容易形成稳定宽大的短焰,燃烧调节范围也宽。这时高浓度区域朝外向着着火面,是比较理想的浓淡燃烧形式。

    最佳组合③的变风量燃烧试验结果表明:当外层A/C小即浓度高时,能形成良好燃烧,若A/C在3纵下,能维持稳燃。

    (2)三层管的中层管长度是一个很重要的因素,因为它与浓缩调节套环的配合直雏发挥浓缩分离的作用。在一定范围内,它的长度长些,与套环的距离近些,两者配合发挥的浓缩作用就大些。反之长度短些,与套环的距离远些,配合发挥的浓缩作用就小些。    (3)三层管喷嘴在外层内壁靠近喷嘴处还安有一些导流棍,用以纠正风粉流沿圆周发生的偏流。这是因为在试验台比例试验中发现最低负荷只降低到25%,达不到20%。分析原因是喷嘴喷出的风粉流沿圆周发生偏流,使得圆周煤粉浓度分布不均,导致在更低负荷难以维持着火稳燃。

    为此,用合适长度和形状的导流棍安装在高浓度风粉流的通道壁上,能有效地纠正沿圆周的煤粉浓度分布不匀现象。

4.3关于浓缩调节套环

    内部分隔型WR燃烧器是通过调节中心管外壁的浓缩调节器来浓缩调节燃烧煤粉浓度,这种浓缩调节器实际是套在中心管外壁的可调节套环,通过改变套环的位置来分离并调节向管壁聚集的煤粉浓度和旋转强度。图6示出了小I—J形状和大小的套环。

    (1)五种形状套环中,双面锥形套环的浓缩凋节能力最大。

    (2)三种不同直径的双面锥形套环在轴向移动,图7是浓缩比测量结果,反映套环大小位置与浓缩调节效果的关系。当套环的直径小到一定程度,移动套环就不能改变浓缩性能。

    (3)套环对流速分布的影响

5  结束语

    通过以上分析介绍,对于上述三种新型燃烧器提出如下认识:

    (1)三菱公司在燃烧器技术上的发展是进一步提高和完善PM燃烧器,超低PM燃烧器通过采用两级弯管浓淡分离实现两级浓淡燃烧,不但浓缩能力得到进一步提高,而且浓度调节能力也能得到改善,同时有助于进一步提高燃尽率,降低未燃炭。

    (2)德国B&W公司的DS燃烧器采用一次风旋流,三组叶片联合调节,浓缩调节能力应该比一次风直流一组叶片调节的WS燃烧器更强。尽管如此,它仍然是双调风燃烧器的基本形式,不太可能直接用于燃烧低挥发煤。实际上,DS燃烧器在用于W火焰无烟煤锅炉时,仍然必须旋风分离器作专门的浓缩器才行。

    (3)石川岛播磨公司在报道“内部分隔型WR燃烧器”时谈到研制思想,他们认为:燃煤火电除了应提高发电效率、煤种煤质适应性和环境保护能力外,必须能承担中间负荷。目前燃煤锅炉的最低稳燃能力尚不及燃油气锅炉,还不能实现25%以下负荷无油稳燃。这意味着他们确定了25%以下负荷无油稳燃为新型低NOx稳燃生物质燃烧机的研制目标。

    为此,该公司没有沿着已有成绩的“IHI-卧式分离器燃烧器”技术方向走下去,而转向另钋的方向。这是不是意味着放弃高浓度燃烧技术呢?不是。该公司研制“内部分隔型WR燃烧器”的动机主要是因为“IHI-卧式分离器燃烧器”外设卧式旋风分离器占用很大空间,锅炉设计布置有困难,也给运行维护造成明显的麻烦,并不是高浓度燃烧技术方面有问题。新型燃烧器的研制为的是寻找能克服这一缺点的更好的浓缩调节机构,并非放弃高浓度燃烧技术。事实也是如此,新型“内部分隔型WR燃烧器”的关键技术仍然是浓缩调节机构。

    (4)我们知道,IHI-DF双调风燃烧器设计目标曾是最低无油稳燃负荷25%,现在日本文献的叙述已等于公开承认没能达到这一目标。日本文献还介绍过“IHI-卧式旋风分离器燃烧器”的最低无油稳燃负荷达到20%或更低,但是现在看来,并非如此,肯定还有差距,这应当正是IHI公司所以寻找更好的浓缩调节机构,研制“内部分隔型WR燃烧器”的原因。

    (5)IHI“内部分隔型WR燃烧器”由于采用三层管喷嘴,因此形成的浓淡火焰是同轴的一股整体火焰,浓股火焰完整地包围在淡股火焰的外围,中心风无煤粉,显然这种浓淡燃烧的接触更为均匀完全。从这方面看,其它的一些双调风燃烧器虽然喷嘴的几层风口也有一些这样的作用,但是“内部分隔墅WR燃烧器”更为均匀完全,应当说更好。

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点击次数:  更新时间:2018-10-26 21:05:40  【打印此页】  【关闭