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行业新闻

旋流生物质燃烧机W型火焰锅炉特点及研究进展

旋流生物质燃烧机W型火焰锅炉特点及研究进展

    摘要:本文介绍了中国引进和开发W型火焰锅炉的背景、各技术流派在中国的份额,并通过燃烧、污染物排放、结渣和偏温特性等,介绍了各自的性能及存在的问题。特别阐述了带旋流燃烧器的W型火焰锅炉生物质燃烧机的结构、配风方式、污染物排放等特性及设计特点。综述了我国各高校、科研院所和制造厂研究W型火焰锅炉的历程以及取得的进展,建议了需进一步研究的方向。

0我国引进和开发W型火焰锅炉的背景

    我国动力用煤储量中无烟煤占19. 99%,贫煤占9.19%‘1],共计29.  18%。我国低挥发份煤的分布很广:北京、山西、河南、湖北、福建、湖南、山东等省均有丰富的蕴藏量[2]。目前全国燃无烟煤的电站约占总数的24.2 %[3J。

    无烟煤是埋藏年代最久、碳化程度最高的煤种,干燥无灰基挥发分Vdaf≤10%、固定碳FC≥86%[4],贫煤的碳化程度稍低、挥发分含量稍高。随着碳化程度提高、挥发分含量减少、活化能迅速增大,使煤的着火更加困难;其岩相结构更加紧密而稳定,可磨性和燃尽性变差;同时由于比表面积小,相同条件下贫煤和无烟煤的火焰传播速度比烟煤大为降低,不利于锅炉稳燃[5-8];因此需要高温的燃烧区和长的煤粉停留时间,但高温又容易造成炉膛结渣和高NOx排放。因此燃无烟煤和贫煤电厂同时实现着火、稳燃、燃尽和降低NOx排放成了亟待解决的重要课题。

    过去,国内的燃无烟煤电站锅炉主要选用固态排渣、四角切圆直流燃烧方式,但是这一燃烧方式很难达到锅炉的大型化目前全世界四角切圆燃烧方式燃无烟煤锅炉容量很少达到300 MW以上。为此需要新的、适于燃烧无烟煤和贫煤的大型电站锅炉设备。专门用于燃用低挥发份煤的锅炉1934年便己出现[7],美国Foster Wheeler公司(FW)首创W型火焰锅炉[9],后来美国Combust Engineering公司(CE)、英国MBEL公司、Babcock 8XVilcox公司(B跚矿)、法国Stein公司、德国Maschinenfabrik Augs-burg-Numberg公司(MAN)也开发了U型和W型火焰锅炉用于燃无烟煤。W型火焰锅炉具有长的煤粉停留时间、能实现分级燃烧和良好的空气动力场等优点,宜用于大型燃无烟煤、贫煤电厂。20世纪80年代中后期我国开始引进W火焰锅炉及其燃烧技术,至今全世界的W型火焰锅炉大部分连在我国,目前国内投产和在建的W型火焰锅炉一共有53台以上、总负荷超过20 500 MW,单台锅炉电负荷300~660 MW,均通过直接进口和技术合作的方式采用以上几家公司的技术,其中FW技术约占50%的市场分额、B铡技术约占27%、MBEL技术约占12%、Stein技术约占11%。

1 W型火焰锅炉主要特点

四种主要W型火焰锅炉结构,W火焰锅炉与普通的四角切向燃烧锅炉相比具有下列主要优点[9- 12].

    (1)此类锅炉属垂直燃烧,火焰行程较长,炉膛充满度好,炉膛容积热负荷较低,延长了煤粉在炉内的停留时间,有利于难燃煤粉的燃尽。   

    (2)拱上风量相对较小,避免了生物质燃烧机主喷口处温度的明显下降同时通过卫燃带提高燃烧室温度,从而提高火焰根部的温度水平,着火和稳燃性好、燃烧效率高符合燃低挥发份煤的要求,增大煤种适应性。

    (3)二次风可沿火焰行程逐步加入,达到分级配风的目的,不仅补充燃烧所需的空气,还可迫使气流转弯,阻止火焰冲刷冷灰斗,减轻了结渣和腐蚀、抑制燃烧过程中NOx的生成。

    (4)可通过一次风、二次风、三次风和分级风共同组织空气动力场,扩大煤种适应范围、增强燃烧性能。

    (5)火焰方向与水冷壁夹角多在0。~30。之间,有利于避免风粉气流冲刷水冷壁、防止结渣,同时可使火焰行程延长、利于燃尽。

    (6)前后拱和卫燃带将燃烧室与燃尽室屏蔽起来,负荷变化对燃烧室温度影响不大,有利于稳定燃烧和低负荷运行,锅炉不投油稳燃负荷可达到40%N 55 %BMC R。

    (7)火焰在炉膛下部转弯180。,使烟气中的部分粗灰粒分离,减轻了对流受热面的飞灰磨损。

    (8)锅炉结构与生物质燃烧机的布置对称,烟气通过喉口后充分混合,不存在残余旋转,所以炉膛出口处的烟气温度场和速度场比较均匀,减小了过热器和再热器的热偏差。

    但是在实际运行中,W火焰锅炉也出现了一些问题,总结起未主要有‘13- 16]:

    (1)有些结构的W火焰锅炉配风不当致使火焰中心上移,火焰行程变短,可燃物燃尽较差。

    (2)空气动力场组织不合理时容易造成火焰上飘直接进入燃尽室,引起过热器和再热器超温、排烟温度升高以及喉口部位结渣等问题。

    (3)由于炉膛内的温度水平较高,导致氮氧化物的生成量较大,高于国内四角切圆燃烧锅炉的一般水平,背离设计初衷。

    (4)各电厂NOx排放量普遍偏高,可达300llg~ffl3以上。

    (5)为了提高着火区温度、增强着火,必须敷设的卫燃带导致炉膛局部温度过高,极易引起侧墙结渣。

    (6)空气动力场较为复杂,拱上动量太大容易造成火焰下射冷灰斗引起结渣,拱上动量太小将造成火焰上舔喉口。

    (7)锅炉结构比较复杂,炉拱的设计安装困难,生物质燃烧机风粉管道布置困难,钢耗量大、造价商需要丰富的运行经验和较高的运行水平,运行管理费用较高。

2带旋流生物质燃烧机W型火焰锅炉的特点

    在全世界四个主要的W火焰锅炉技术流派中,只有B铡公司采用旋流燃烧技术,如图l(a)。该型锅炉一次风携带煤粉从拱上送入炉膛,磨煤乏气从前后墙作为三次风送入;二次风分内外两股包裹在一次风外围,内外二次风通道中均设有轴向可调叶片,使二次风旋辖进入炉膛,内外二次风量由燃烧器入口处调风盘调节;供给二次风的大风箱同时在风箱底部分出一股气流从前后墙三次风下面供给炉膛,称为分级风,分级风量由分级风挡板开度调节;每股一次风带一股内二次风、外二次风、三次风和分级风,它们共同构成一只完整的生物质燃烧机,一次风与内外二次风从拱上喷入炉膛,也称拱上生物质燃烧机,下文如无特殊说明,生物质燃烧机即指拱上生物质燃烧机。

    此类锅炉主要具有以下特点:

    (1)内外二次风叶片倾角和分级风开度对火焰行程、火焰形状、NOx排放、煤粉燃尽以及锅炉稳燃等有重要影响。

    (2)旋流强度可调,因此可以达到较好的稳燃,能够适应煤质变化。

    (3)燃烧室内实现空气分级、三次风和分级风下倾,使火焰行程更长,利于煤粉燃尽。

    (4)可以通过调整一、二次风的混合、调节回流区和火焰行程来降低NOx排放。

    (5)与中储式制粉系统和直吹式制粉系统都能匹配,煤种适应范围更广。

    (6)分级风开度对火焰行程和火焰形状影响明显,开度越大火焰下射越深、行程越长,对锅炉稳燃和NOx排放产生较明显的积极影响。

    国内制造带旋流生物质燃烧机的W火焰锅炉的厂家主要是北京B涮公司,投运的电厂有上安电厂350 MW(1990年)、山西阳泉第二电厂#3#4炉2X300 MVV(1998~1999年)、黔北电厂#1 #2炉2×300 MVV (2002~2003年)、耒阳电厂#3 #4炉2×300 MW (2003~2004年)、国投北部湾北海电厂#1#2炉2×300 MVV(2004~2005年)和滇东电厂4×600 IWW (2006~2007年)等,总容量超过5 500 MW。其中除上安电厂采用PAX- XCL (Plimary Air Exchange- Axial Cont.rol LowNOx)旋流生物质燃烧机,如图2(a),其余均采用EI- XCL旋流生物质燃烧机,如图2(b)、(c)。三种生物质燃烧机的主要区别在

于一次风煤粉的处理方式。PAX - XCL生物质燃烧机在弯头处依靠煤粉的惯性作用将煤粉浓缩,然后抽出淡侧一次风作为乏气,同时用热风加热浓一次风煤粉喷入炉膛;浓缩型EI- XCL生物质燃烧机与PAX- XCL生物质燃烧机类似,只是没有用热风加热浓一次风煤粉;增强着火人口弯头内二次风叶片人口

    浓缩型EI- XCL生物质燃烧机型EI- XCL生物质燃烧机在一次风粉经过弯头后,设置导向器将浓侧煤粉导至生物质燃烧机中心的锥形扩散器处,经锥形扩散器使煤粉均匀地浓缩于一次风管壁面,中心煤粉浓度较低。

    由此可见,进入21世纪以来B铡公司的EIXCL技术正在被广泛运用于W火焰锅炉上,在中国发电市场的占有率也在提高。据作者统计,目前国内运行的带旋流生物质燃烧机W火焰锅炉概况如表1。

3  国内外W型火焰锅炉研究进展

    基于上述W型火焰和旋流生物质燃烧机W型火焰锅炉的特点及应用现状有必要对国内相关研究进行简明扼要地综述,以期发现问题并确定可能的研发方向。

    20世纪30年代开发出燃低挥发分煤的锅炉,到1950~1960年代FW公司和Stein公司逐渐在U型锅炉基础上发展出双U型火焰锅炉,即W型火焰锅炉[7-lo,17]。虽然W型火焰锅炉起源于欧美,几家大的设计单位和制造厂都进行了大量的开发工作,国外很少有研宛机构对其特性进行研究,而是对其燃烧产物和运行管理等方面进行研究。

    在国内,1984年王龙发[17]等介绍了W型火焰锅炉,后来苏允唐、何佩敖等也对W型火焰锅炉进行研究到80年代末国内对W型火焰锅炉的性能有了基本的认识,当时研究范围只限于FW和Stein的技术。20世纪80年代末华能国际引进了法国Stein公司的W型火焰锅炉(珞璜电厂),这是我国第一台W型火焰锅炉,后来又引进了加拿大B硎(上安电厂)和英国MBEL(岳阳电厂)的W型火焰锅炉。90年代初西安热工院调查了珞璜、上安和岳阳电厂,介绍了各自生物质燃烧机的形式并研究了这三厂的NOx排放情况,认为效率比较高、稳燃性能比较好,但NOx排放量大‘21];后来又调研了其运行可靠性、低负荷稳燃能力、燃尽效果、结渣情况和NOx排放,总结了运行经验、给出了该型锅炉设计参数的参考数据[22l0 90年代西安交通大学按1:35建立了FW公司300MW锅炉的冷态模型,研究了丫型流场[15];按1:20对Stein公司的360MW锅炉(珞璜电厂)进行冷态模化研究,提出增加折焰角以及缩小喉口的建议013 14];按1:20模化株洲电厂300 MW锅炉(FW技术),研究了主气流速度衰减规律和下炉膛出口速度分布规律,认为三次风应该下倾一个小角度[23];并针对东方锅炉厂引进的FW技术300 MW的W型火焰锅炉,建立了1 MW热态实验台,得到燃烧室“凸”字形温度对称分布、分析了侧墙结渣原因、认为温度中心该在最下层二次风处24l0 2004年以来哈尔滨工业大学对山西阳泉第二电厂#2W型火焰锅炉进行了冷态模化实验,提出下层二次风下倾的方案得到该电厂的认可并加以改造,取得很好的效田[6,2s 26],7K    ,并进一步在山西阳泉第二电厂的W型火焰锅炉进行增设OFA风的技术改造;近来又在河北邯峰发电厂开展W型火焰锅炉微油点火研究工作。

    90年代中期清华大学对上安电厂#1W型火焰锅炉进行了三维传热数值模拟,并在1:25冷态模型上进行二维流场图谱比较,采用Monte Carlo辑射模型、三维网格、编制大型计算程序进行计算,还尝试着将数论方法引进大型燃烧室的三维传热计算,认为上安电厂一次风下冲不足、卫燃带过多[27.劫,但没有指出卫燃带占下炉膛多大比例最佳、卫燃带应该铺设的确切位置。90年代后期浙江大学通过冷态空气动力场和热态数值模拟,分析了带旋流燃烧器的W型火焰锅炉的流动特性和燃烧产物,认为旋流W型火焰炉受旋流强度的影响比动量比的影响强、火焰充满度受旋流强度影响小、分级风喷口应该增大、高温区出现在拱下以及靠墙处和轴线上NOx量大等[28- 31],但还缺乏工业运用实际数据的支持。武汉锅炉厂郭晓宁对煤粉浓缩后着火温度的变进行了理论分析和计算并分析了上安电厂的燃烧器着火特性[32]。湖南省电力试验研究院黄伟和李文军对耒阳电厂进行了工业实验分析,包括着火性能、燃尽性能、结渣性能和NOx含量等[33],但工业试验尚需机理实验的支撑。目前哈尔滨工业大学已经开展了带旋流生物质燃烧机W型火焰锅炉及其生物质燃烧机的机理实验、工业试验和数值研究工作。

    另外,华中科技大学近年曾对某台W型火焰锅炉的飞灰进行TGA- DTF分析得到相应的形成机理和成分[34]。华北电力大学、国投扎部湾电厂李振宁等人也作了一些研究[35, 36]。

    对于中心富燃料旋流生物质燃烧机L37]、旋流燃烧着火性能[38]和预混燃烧[39],国内外的研究提供了一些可用信息,我国对EI- XCL生物质燃烧机的研究仅限于电厂冷态调试以及此类生物质燃烧机在W型火焰锅炉上运用的介绍等少数报道‘40- 42],而来自国外的相关可用信息也不多,仅有B铡公司工程或其他形式的双调风生物质燃烧机的介绍[43-45]

4结论

    综合前文所述可见,对带旋流生物质燃烧机的W型火焰锅炉卫燃带、炉膛温度分布、燃烧产物分布、动量比与旋流强度的关系等问题已经开展了研究工作,但还不够深入和全面。

    到目前为止,国内外对带旋流生物质燃烧机的W型火焰锅炉的研究多停留在计算分析和实验室试验,或者仅是运行调试从数值模拟、机理实验、工业试验到形成自主技术真正投入工业运用的研究还没有完成。

    单独对W型火焰锅炉上的旋流生物质燃烧机的研究非常少,特别是不同喷口的混合特性、旋流特性、不同叶片倾角的影响以及不同分级风开度下的燃烧状况等,这些都有待进一步深入研究。

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点击次数:  更新时间:2018-10-30 20:17:15  【打印此页】  【关闭