一种基于蒸汽加热一次风的锅炉启动及低负荷稳燃新方法

第 4 1卷 第 4 期 2 0 1 0年 7月 锅 炉 技术 B 0I LER TECHN0L 0GY Vo 1 4 1NO 4 J u 1 ， 2 01 o 文章 编号 ： CN3 11 5 0 8 ( 2 0 1 0 ) 0 70 0 4 70 4 一 种基 于蒸汽加热 一次风 的锅 炉启动及低 负荷稳燃新方法 陶化龙 ，陈冬林 ，张国平 ，袁 军 ，裴晓冲 ( 1 长沙理工大学 能源动力工程学院 ，湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ； 2 湖南机 电职业技术学院机械系 ，湖南 长沙 4 1 0 1 5 1 ) 关键 词 ： 蒸汽加热 ；锅炉 ；启动 ；低负荷 ；稳燃 摘 要 ： 提出了一种基于汽 气换热器用蒸汽加热一次风改善锅炉启动及低负荷 工况煤粉气流着火与燃烧稳定 性的新方法 ， 拟定了一次风的蒸汽加热方案 ， 并对 1台1 0 2 5 t h 煤粉炉进行 了一次风换热计算 。结果表明 ： 冷 炉 启动时 ， 从邻炉抽取1 5 2 2 0 的再热蒸汽可将2 5的冷空气加热至3 5 0。 C4 5 o ； 在预热空气温度为 2 0 0 的低负荷工况， 从本炉抽取 1 1 l 1 8 7 的再热蒸汽可将一次风 由 2 0 0加热到3 5 04 5 O 。这表明锅 炉在冷态启动或低负荷工况下 ， 只需极少量的再热蒸汽就可将一次风温维持在稳定燃烧所需的高温水平 。 中 图 分 类 号 ： TK2 2 9 6 文 献 标 识 码 ： A 0 前 言 感， 以下将对此进行简单的分析 。 燃 用 贫煤 、 无 烟 煤等 低 挥 发 分难 燃 煤 种 的 电 站煤粉 锅炉 ， 为 了改善 着火 与稳 燃 性能 ， 均采 用 中 间储仓 式热 风送 粉 系 统 ， 额 定 负荷 时 空 气 预 热器 出口的一 次风温通 常高 于 3 8 0 。 由于 近年 来锅 炉用煤 品质持 续 劣 化 ， 冷态 启 动 及 低 负 荷 运行 时 一 次风 温很 低 ， 为保 证 人炉 煤粉 的稳 定 着火 ， 常需 投人大量燃 油 稳 燃 ， 这将 大 大 提 高 火 力 发 电企 业 的运行成本。为改变传统的燃油启动及低负荷稳 燃 方式 ， 本文作 者提出 了一种 基于汽 气换 热器 ， 用 本炉 或邻炉 蒸 汽 加热 一 次 风 ， 以实 现锅 炉 无 油 或 少 油启动及低 负荷 稳燃 的新概 念 ， 并 对 汽 气换 热 器 的一次风加热方 案及其可行性 进行论证分 析 。 1 一次风温对 着火 与燃烧 的影响 现役锅炉 冷态启 动及低 负荷 工 况需 投 油稳燃 的一 个重 要原 因是预 热空 气 温度很 低 。图 1为 1 台4 2 0 t h 四角切 圆煤粉锅 炉预热 空气 出 口温度 随 锅炉负荷 变化 的热 力 计算 结果 。图 1表 明 ， 预 热 空气温度 与锅炉 负荷 问呈近 似线 性关 系 。大 型煤 粉锅炉的燃烧器通常由一次风、 二次风及三次风 喷嘴组成 ， 对燃 用 难燃 低 质 煤 采 用 热 风送 粉 的煤 粉 锅炉 ， 一次 风 温 的 高低 对 人 炉煤 粉 气 流 的快 速 稳定 着火具 有 重要 影 响 ， 主 要体 现 在 入 炉 煤 粉气 流的着火热及着火距离对一次风温的变化 比较敏 赠 蕞 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l o 0 锅炉负荷， 图 1 热 空气 温度 与锅 炉负荷问的关 系 1 1一次风 温对 着火 热 的影 响 煤 粉气流 的着火热 是指将 人 炉煤 粉气 流 由初 始 温度加热 到着火 温度 时所 需 吸收 的热量 。对 于 热 风送粉 的锅 炉 而 言 ， 煤 粉 粒 子 中 的水 分 绝 大 部 分 已在制 粉 系统 中 干燥 蒸 发 。 因此 ， 对 基 于 1 k g 空气所 携带 的煤粉气 流而 言 ， 其着 火热 Q。 可 由文 献E T 中的着火 热计算 公式 计算 ， 如 图 2所 示 。图 2 表 明 ， 当煤 粉气 流的浓度 及其 着 火温 度 T 一 定 时 ， 进入 锅炉炉膛 内煤 粉气 流 的着 火 热 Q 随着 煤 粉气 流初始 温度 T。 的提 高而 线性 下降 。显然 ， 如 能在锅 炉启 动 或 在低 负 荷 工 况 下 ， 将 一次 风 煤 粉 气流维持 在 较 高 温 度水 平 ， 则 可 大 大减 少 煤 粉 气 流 的着火 热 。 由图 1 、 图 2知 ， 在锅 炉 的 5 0 负 荷工 况 ， 若能将 一次 风温维 持在 4 0 0 ， 则 一次 风 煤粉气流的着火热可减少 2 6 左右。 收稿 日期： 2 0 0 90 1 1 0 作者简介： 陶化龙 ( 1 9 8 2一 ) 。 男 ， 硕士研究生 ， 主要从 事高效燃烧 与污染物排放控制方面 的研究 。 枷伽伽姗 珈姗瑚瑚 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 锅 炉 技术 第 4 1 卷 1 l oo l 0o 0 9O 0 8 0 0 7 0 0 6O O 5 o o 4 0 0 1 5 0 2 00 25 0 3 0 0 3 5 0 4 00 45 0 5 o o ， 图 2煤粉流着火热量与初始温度间的关 系 1 2 一次风 温对 着火 距离 的影 响 煤 粉气 流 的初 始 温 度 对着 火 的影 响还 体 现 在煤 粉气流 的着 火距 离 上 。初 始 温 度越 高 ， 着 火 越 快 ， 着火距 离越 短 ， 因 而火 焰 的 稳定 性 也 越 好 。 韩才元 等对 煤粉 气 流 的着 火距 离 进 行研 究 ， 并 提 出 了其 预测模 型_ 7 ， 如 ( 1 ) 式所 示 。 L一 0 9 6 1 0 G。 ( T 一 To ) ( 1) 式 中 ： L 着火 距离 ， I T I ； G 。 煤粉 气 流的动量 流量 ， IT I k g s 。 ； 煤粉 气 流的着火 温度 ， ； T 煤粉 气 流的初始 温度 ， 。 设 L 。 为煤 粉气 流初 始 温度 为 2 0 0 时 的着 火距 离 ， 且假 定煤 粉气 流初 始 温度 变 化 时其 动 量 G o 不 变 ， 则可得 不 同着火温 度煤 种 的无量 纲着 火 距 离 L L 。 与煤 粉 气 流温 度 问 的关 系 ， 如 图 3 所 示 。图 3表 明 ， 当 煤 粉 气 流 的 着 火 温 度 一 定 时 ， 随着煤 粉气流初 始温 度 的升 高 ， 着 火距离 快 速 线性下降 。对 于 ， 一4 ， 着 火 温 度 一9 2 0 的极 低挥发 分无 烟 煤粉 气 流 ， 当煤 粉 气 流初 始 温 由 2 8 0 ( 相 当于大 多数锅 炉 5 O 负荷 时 的热 空 气 温度 ) 上升 到 4 0 0 时 ， 煤 粉 气 流 的无 量 纲 着 火距 离将 缩短 1 9 6 O。 fb ) 方案1 1 1 l 0 0 9 j 0 8 、 - - a 0 7 0 6 0 5 0 4 20 0 25 0 3 0 0 35 0 4 00 45 0 5 00 ， 图 3 煤粉 气流温度对着火距离的影响 以上 表 明 ， 在 锅 炉低 负 荷 工 况 ， 将 一 次 风 煤 粉 气流 维持在 高温 水 平 ， 对入 炉 煤 粉 的快 速 稳定 着 火具有 十分 重要 的意义 。 2 送粉一次风蒸汽加热方案 图 4给 出了基 于 高效 管 壳 式 汽 气 换 热器 的 送 粉一次 风 加 热 系统 的 2种 方 案 ， 主要 由 汽 气 换 热器 、 相关蒸 汽连 接 管 道 、 热 空气 旁 通管 、 蒸汽 阀门与空 气 管道 切 换 风 门 等组 成 。图 4 ( a ) 为 2 台汽 气换 热 器加 热 方 案 ， 2台管 壳 式 汽 气 换 热 器 对称 布置在 锅炉 两 侧 ， 经旁 通 管 与空 气 预 热器 出 口的一次风 大管 道 并联 连 接 ， 该 方案 通 过 切换 汽 气换热器旁通管风 门可加热部分或全部的送 粉 一次 风 ， 因而可 在全 程 负荷 范 围 内将 锅 炉 所有 煤 粉 喷嘴 中的一 次风 维 持在 高 温水 平 ， 因而 可 以 预 计对 煤 种 与 负 荷 具 有 很 好 的 适 应 能 力 。图 4 ( b ) 为 1台汽 气 换热 器 加 热方 案 ， 换 热器 布 置在 两 炉 的相邻侧 ， 空 气 预热 器 出 口空 气 的一 半 通 过 汽 气换 热 器 。 因此 ， 这 种 方 案 只 能 将 锅 炉 一 半 煤 粉 喷嘴 中的一 次风 维 持在 高 温 水平 ， 因而 其 煤 种与 负荷 的适应性 比方案 4 ( a ) 略 差 ， 但 系统 组 成 比方 案 4 ( a ) 简单 ， 一次 投资较 少 。 或 图 4 一次风汽 气换热器加热系统 当锅炉 启动 时 ， 由邻 炉 引入 再热蒸 汽 至汽 气 换热器 ， 同时开启换热器旁通风门， 将空气预热器 出口的低 温 ( 冷 ) 空气 送 人 汽 气 换 热 器 中加热 到 4 0 0左 右的高温 ， 从而为实 现启动 阶段 的少 油或 f b ) 方案I I 无 油着 火与燃烧创 造条 件 。当锅炉 在低 负荷 或低 质煤工况运行时， 由本炉引入再热蒸汽至汽 气换 热 器 ， 同时开启换 热器 旁通 风 门， 将 空气 预热 器 出 口的空气送入汽 气换热 器中加热到 4 0 0 以上 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 陶化龙 ， 等 ： 一种基于蒸汽加热一次风的锅炉启动及低负荷稳燃新方法 4 9 高温水平 ， 从而实 现低 负荷 、 低 质煤 工 况 的无 油 稳 定 着火 与 高效 燃 烧 。对 于 汽 气 换 热 器 出 口的 再 热 蒸汽冷凝 水 ， 可 以将 其 直 接送 人 回热 系 统 中的 低 压加 热 器 水 侧 管 路 或 高 压 加 热 器 的汽 侧 管 路 中 ， 从 而实现加热蒸 汽的零排放 循环利用 。 3一次风蒸汽加 热热 平衡计算 对 于燃 用 典 型 无 烟 煤 的 热 风 送 粉 1 0 2 5 t h 四角切 圆燃烧 煤粉 锅炉 ， 当过 剩 空气 系数 n 一1 2 时 ， 不 同负荷 工况下 燃 烧 所需 的总 空 气 量及 所 推 荐 的一次 风量 见表 1所 示 。气 汽 热 交 换器 拟采 用低 传热 端差 ( 最 低 理 论 端 差 可达 5) 的 管 式 换热 器 8 ， 考虑 到实 际 运行 时 的结 垢 与粘 污 等 情 况 ， 本计算 中选 取传 热端差 为 1 5。 表 1 燃用 典型 无烟 煤 的 1 0 2 5 t h 煤 粉炉 一次风 量分 配 运行负荷总空气量 N m h 1 次风 ( 1 6 ) N m 3 h 3 1冷炉 启 动一次 风加 热蒸 汽耗 量 锅炉 冷炉 启动 时 ， 用 正 在 运行 的邻 炉 再 热蒸 汽经 汽 气 换热 器加 热 本 炉空 气 预 热 器 出 口的一 次 风 。设 进 入 加 热 器 中 的再 热 汽 压 力 为 P 一 3 7 MP a ， 再热 蒸汽 温度 为 t = = ： 5 4 0 ， 冷 态启 动 时进 入汽 气换 热 器 中 的一次 风 温 度为 2 5 ， 压 力 约 为 1 个 大气 压 ； 再 热蒸 汽 加 热 一次 风 后 冷 凝 水 的温 度 为 t 一4 0 ， 则 根据热 平 衡可 计算 出将 一 次 风加 热 至不 同终 温 时所 需 的再 热蒸 汽 流 量 D 及其 占额定 再 热蒸 汽 流 量 D ( 7 8 8 t h ) 的 份 额 r ， 结 果 如 图 5所示 。图 5表 明 ， 加 热 冷一 次风所 需的再热 蒸汽量 与一 次风 的加 热终 温成 线 性关 系 ， 当一次 风 由 2 5 加热 到 3 5 0 4 5 0 时 ， 所 需 的再 热蒸 汽 量为 l 2 1 5 7 3 t h ， 占再 热 - 3 三一 图 5 冷炉启动一次风温 与 D 间的关系 蒸 汽额 定 流 量 的 1 5 2 2 0 ， 说 明 ， 只需 少 量 的再热 蒸汽 就可将 冷 一次 风加 热 近 4 5 0 左 右 的 高 温 。 3 2 低 负荷 稳燃 耗蒸 汽量 再热蒸汽经过管壳式换热器加热空气预热器 出 口的一 次风 ， 蒸 汽 冷却 后 的凝 结水 送 往 低 压 加 热器 或汽 轮 机 的 凝 汽 器 中 。对 于 1台 1 0 2 5 t h 的煤 粉 炉 ， 设 进 入 加 热 器 的 再 热 蒸 汽 参 数 为 ： P 一3 7 MP a ， t 一5 4 0 ， 进 入 加 热 器 的 一 次 风 温度 为 2 0 0 ( 相 当于 大多数 锅 炉 5 0 负荷 时 的 热空气 温度 ) ， 根据 热平衡 可计 算得 到不 同再 热蒸 汽流量 时 的加热 器 出 口的热 空 气 温度 ， 如 图 6所 示 。由图知 ， 在低 负荷时 ， 将一 次风 温 由 2 0 0加 热到 3 5 0 4 5 0 时 ， 所 需 的 再 热 蒸 汽 量 为 8 7 4 1 4 7 t h ， 占额 定 再 热 汽 量 的 1 1 1 1 8 7 ， 所 占比例 很小 。 上 ， 图 6 低 负荷 时一次风 温与 珑 间的关 系 4 结束语 汽 气 加 热器 的热平 衡 计 算表 明 ： ( 1 ) 只需从 再 热蒸 汽 系统 中抽 取 极 少量 ( 2 ) 的再 热 蒸 汽 量 ， 就 可将 一 次风 温 加 热 至 4 5 0 的 高 温 ， 这 表 明用 本 炉 或邻 炉再 热 蒸 汽加 热 提高 一 次风 温 ， 实 现锅 炉 冷态 启 动 及 低 负荷 工况 无 油 或 少 油 稳 燃 在 理 论 上是 可行 的 ； ( 2 ) 汽 气换 热 器 出 口的再 热 蒸汽冷凝水 ， 可直接送入本炉或邻炉 回热系统的 低 压加 热 器 或 高 压 加 热 器 中实 现 零 排 放 再 循 环 利 用 ， 再 热蒸 汽 没有 热 量与 工 质损 失 ； ( 3 ) 锅 炉启 动及低负荷工况一次风温的提高 ， 降低 了煤粉的 机械和化学不完全燃烧损失 ， 提高 了煤粉的燃烧 效率 。因此 ， 基 于 汽 气 换 热 器 加 热 的 锅 炉 启 动 及 低 负 荷稳 燃 方法 具 有很 好 的经 济性 。显 然 ， 如 果能开发出一种换热效率高 ， 体积小 、 一 次投资 低 的新 型高 效汽 气 换 热 器技 术 ， 基 于 汽 气 加 热 器 的 少油 稳燃 技 术将 具 有 广 阔的应 用 前景 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 O 锅 炉 技 术 第 4 1卷 参 考文献 ： 1 冯武军 ， 李栋 ， 赵立合 ， 等受 高温空气加热 的煤粉 气流着火 过程数学模 型 J 3 工业加热 ， 2 0 0 4 ， 3 3 ( 4 ) ： 9 1 1 、 1 5 2 李栋 ， 王 恒 ， 赵立 合 ， 等煤 粉锅 炉 高温 空气 无油 点火 研究 J 北京科技 大学学报 ，2 0 0 5 ， 2 7 ( 2 ) ： 1 6 5 1 6 8 3 孙晨亮 ， 章 名耀压 力下 各种 因 素对 煤粒 着火 温 度 的影 响 j 1 燃烧科学与技术 ， i 9 9 9 ， 5 ( 3 ) ： 3 1 4 3 1 8 E 4 尹洪超 ， 张微空气预热 温度对 燃烧状况 的影 响 J 节 能， 2 0 0 7 ( 9 )： 2 、 4 6 5 刘志超1 0 2 5 t h锅炉稳燃性 能的判别与调整 J 山东 电力 技术 ， 1 9 9 9 ( 5 ) ： 6 1 0 E 6 周俊虎， 聂欣 ， 周 志军， 等无油点火燃烧 器着火 距离 的影 响 因素 J 浙 江 大 学 学 报 ( 工 学 版 ) ， 2 0 0 6 4 O( 1 0 ) ： 1 7 9 8 1 8 0 0 7 韩才元 、 徐 明厚 、 周怀 春 ， 等煤粉 燃烧 M 北京 ： 科学 出版 社 ， 2 0 01 5， 5 l一1 0 2 8 2 杨世铭 、 陶文铨传热学 M 北京 ： 高等教育 出版社 ， 2 0 0 3 ， 1 0 3 l 3 3 6 8 A S t e a m a i r H e a t - e x c h a n g e r B a s e d P r i ma r y Ai r H e a t i n g Me t h o d f o r St a b l e Co mb u s t i o n i n P C - f i r e d Bo i l e r s a t St a r t u p or L o w L o a d Con di t i o n s TAO Hu a l o n g ， CHEN Do n g l i n ， ZHANG Gu o p i n g ， YUAN J u n ， P EI Xi a o c h o n g ( 1Sc h o ol of En e r g y a nd t he r ma l Power En gi ne e r i ng，Cha ng s ha Un i v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c hn ol og y，Ch a ngs ha 4 1 0 0 7 6，Ch i n a；2 M e c h a n i c a l De p a r t me n t ，H u n a n M e c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l Po l y t e c h n i c ，Ch a n g s h a 4 1 0 1 5 1 ，Ch i n a ) K e y w or ds： s t e a m he a t i n g； bo i l e r ； s t a r t u p；l ow l o a d； c ombu s t i o n s t a bi l i z i n g Ab s t r a c t ：An n e w me t h o d f o r p r i ma r y a i r h e a t i n g t h r o u g h a s t e a m a i r e x c h a n g e r i s p r o p o s e d t o i mpr o ve t he i gn i t i on a nd c ombu s t i o n s t a b i l i t y o f p ul v e r i z e d c oa l i n a PC f i r e d b oi l e r a t c o l d s t a r t u p a nd l o w l oa d c o ndi t i o ns A c o nc e p t u a l s c he m e f o r t he p r i ma r y a i r h e a t i ng i s d e s i gn e d a n d t h e r e bya c a l c u l a t i on f or t he pr i ma r y a i r he a t i ng i n t he s t e a m a i r e xc ha ng e r i s c o n d u c t e d f o r a PC f i r e d 1 0 2 5 t h b o i l e r ，t h e r e s u l t s s h o w t h a t ：o n l y 1 5 2 2 0 a n d 1 1 1 1 87 o f t he r a t e d r e he a t s t e a m f l o wr a t e a r e ne e de d t o he a t t he p r i ma r y a i r t o 35 0 45 0 a t c ol d s t a r t u p a n d l o w l oa d c on di t i o ns，r e s pe c t i v e l y Th i s me a ns t ha t o nl y a l i t t l e a mou nt o f r e he a t s t e a m i s ne e d e d t o he a t t he p r i ma r y a i r t o t he hi gh t e m p e r a t ur e f o r s t a bi l i z i ng t h e i gn i t i o n a n d c o mbus t i on ( 上接 第 4 6页) E x p e r i me nt a l St u d y o f Pr i ma r y Ai r Vel o c i t y a n d P u l v e r i z e d Co a l P o w d e r s Con