（热能工程专业论文）卧式煤无烟燃烧锅炉燃烧特性的试验研究.pdf

摘要 摘要 煤炭占我国一次能源消费的7 5 左右，其中8 4 左右用于工业锅炉、电站 锅炉等燃烧设备直接燃烧，造成严重的“煤烟型”大气污染。目前我国小型工 业锅炉存在数量多、分布广，运行效率低、耗煤量大、消烟除尘设备不完善等 诸多问题。 本文针对当今我国能源与环境现状和工业锅炉存在的诸多问题，提出了一 种崭新的洁净煤技术煤无烟燃烧技术，该技术采用了“薄煤层、低风速” 和“多孔、分层、错列、射流式”二次风装置，因而，应用煤无烟燃烧技术而 研制开发的卧式煤无烟燃烧锅炉具有清洁、高效等优点，在无需炉外除尘器的 情况下，正常燃烧时，锅炉烟尘排放满足国家环保标准g b l 3 2 7 1 2 0 0 1 锅炉大 气污染物排放标准韵要求，符合当今工业锅炉的发展方向高效、节能、 环保。 为了进一步研究卧式煤无烟燃烧锅炉炉内燃烧机理，污染物排放特性和二 次风除尘机理，本文设计制造了一台d z l i 0 0 7 - a i i i 煤无烟燃烧锅炉，完成了 该锅炉方案设计，结构设计，热力、烟风阻力和强度计算，并充分考虑了“多 孔、分层、错列、射流式”二次风装置及其作用。同时在该锅炉上进行了卧式 煤无烟燃烧特性试验研究。锅炉在一定负荷，不同一、二次风配比工况下，进 行了锅炉的热平衡试验；着重试验研究了燃烧室不同区域的气体成分分布特性， 锅炉尾部n o x 及烟尘的排放浓度，并对试验结果进行了理论分析。研究结果表 明煤无烟燃烧技术具有强化炉内燃烧和传热，提高锅炉热效率，抑制n o x 、减 少烟尘排放等优点，可以有效地解决目前层燃锅炉存在的热效率低和污染严重 两大问题，是小型工业锅炉洁净燃烧的发展方向。 关键词煤无烟燃烧技术工业锅炉烟尘 东北电力大学颈一卜学位论文 a b s t r a c t i nc h i n a , t h ea m o u n to ft h ec o a la c c o u n t sf o ra b o u t7 5 o ft h et o t a lp r h - u s r y e n e r g yc o n s u m p t i o n , 8 4 o fw h i c hi sd i r e c t l yb u r n e db yi n d u s t r i a lb o i l e r s ，u t i l i t y b o i l e r sa n do t h e re q u i p m e n t s ，c a u s i n gs e r i o u sc o a ls m o k et y p ea i rp o l l u t i o n a t p r e s e m , al a r g en u m b e r o f s m a l li n d u s t r i a lb o i l e r sw i t hs u c hp r o b l e m sa sb e i n gw i d e l y d i s p e r s e d , l o we f f i c i e n c y , h i g l lc o a lc o u s u m p t i o na n di n c o m p l e t i o no f s m o k ea n d d u s t c o n t r o ld e v i c e sa r es t i l li no p e r a t i o n d i r e c t e dm a i n l ya tm a n yq u e s t i o n sw h i c he x i s ti no u rc o u n t r ye n e r g ya n dt h e e n v i r o n m e n t a ls i t u a t i o na n dt h ei n d u s t r i a lb o i l e r , t h i sa r t i c l ep r o p o s e so n ek i i l do f b r a n d - n e wc l e a nc o a lt e c h n o l o g y - c o a ls o o t l e s sc o m b u s t i o nt e c h n o l o g y t h i s t e c h n o l o g ya p p l i e s t h et h i nc o a ll a y e r , t h el o wp r i m a r ya i rv e l o c i t y a n dt h e m u l t i p l e - n o z z l e ，s t r a t i f m g , s t a g g e r e dr o t a r y , j e ts t r e a mm o d e s e c o n d a r ya i rd e v i c e t h u s , a p p l y i n gt h et e c h n o l o g y , t h eh o r i z o n t a l - t y p ec o a ls o o t l e s sc o m b u s t i o nb o i l e ri s d e v e l o p e d , w h i c hh a sc l e a n n e s s 、h i g he f f i c i e n c ya n ds oo nt h em e r i t s w i t h o u to u t s i d e d u s tr e m o v e ra n di nt h es i t u a t i o no f n o r m a lc o m b u s t i o n , t h es m o k ea n dd u s te m i s s i o n o f t h eb o i l e rs a t i s f i e st h en a t i o n a le n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns t a n d a r dg b l 3 2 7 1 2 0 0 i ( b o i l e ra i rp o l l u t a n te m i s s i o n ss t a n d a r d ) ) , a n dc o n f o r m st ot h ep r e s e n td e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fi n d u s t r i a lb o i l e r - t h eh i g he f f i c i e n c y , t h ee n e r g yc o n s e r v a t i o n , t h e e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n f o rf u r t h e rr e s e a r c h i n gt h ei n n e rc o m b u s t i o nm e c h a n i s m , p o l l u t a n t sd i s c h a r g e d c h a r a c t e r i s t i ca n dt h es e c o n d a r ya i rd e d u s t i n gm e c h a n i s mo fh o r i z o n t a ls o o t l e s s c o m b u s t i o nb o i l e r , t h et e x td e s i g n sa n dm a k e sad z l i 0 0 7 - a i i i , c o m p l e t e st h e s c h e m ed e s i g n , t h es t r u c t u r a ld e s i g n , t h eh e a t i n gp o w e rc a l c u l a t i o n , t h es m o k ea n d w i n dr e s i s t a n c ec a l c u l a t i o na n dt h es 仃e n g t hc a l c u l a t i o no ft h eb o i l e ra n dc o n s i d e r s t h ea c t i o no f t h es e c o n d a r ya i rd e v i c e a tt h es a m et i m et h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h e s o o f l e s sc o m b u s t i o nc h a r a e t e r i s t i ci sc a r r i e do u ti nt h eb o i l e r t h e r m a lb a l a n c et e s ti s c a r r i e dt h r o u g ha tac e r t a i nl o a da n dt h ed i f f e r e n tf l o wp r o p o r t i o no f t h ep r i m a r ya n d - h 摘要 s e c o n d a r ya i r , l a y i n gs t l e s $ 0 1 1t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yw i t hr e g a r dt 0 t h es m o k e c o m p o s i t i o nd i s t r i b u t i o no ft h ef u r n a c ea n dt h er c a l cd i s c h a r g e dc o n c e n t r a t i o no ft h e b o i l e r 1 1 地r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ec o a ls o o t l e s sc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yh a sm a n y a d v a n t a g e s , s u c ha si n t e n s i f y i n gt h ec o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s f e r r i n go ft h eb o i l e r , i m p r o v i n gt h eb o i l e rt h e r m a le m c i e n c y i n h _ i b i t i n gn o x a n dc u t t i n gd o w no nd u s t i t c a r le f f e c t i v e l ys o l v et h et w op r o b l e m sw h i c ha r el o we f f i c i e n c ya n ds e v e r ep o l l u t i o n , 8 0t h a ti ti st h ec l e a nc o m b u s t i o nt r e n do f t h es m a l li n d u s t r i a lb o i l e r k e yw o r d s c o a ls o o t l e s sc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r i a lb o i l e rd u s t - 珊 东北电力大学硕士学位论文 主要符号表 英文字母 传热面积( m 2 ) 二次风喷1 ：3 截面积( m 2 ) 炉壁面积( i n 2 ) 上升烟气流通截面积( m 2 ) 炉膛黑度，说明火焰与炉壁间辐射换热的系数 小时燃料消耗量( k s h ) 小时计算燃料消耗量 g h ) 波尔兹曼准则 喷1 ：3 直径( i n ) 烟气进1 ：3 焓( k 3 k g ) 烟气出1 ：3 焓o o , k g ) 冷空气所带入的热量o o & g ) 传热系数 k w ( m 2 ) 】 二次风与烟气流速夹角及喷口形式相关的系数k - - - o 6 锅炉有效利用热量( k j a , g ) 锅炉输入热量0 0 k g ) 从热平衡方程求得的烟气放热量( r a n g ) 传热量m 珧酚 排烟损失( ) 气体不完全燃烧热损失( ) 固体不完全热损失( ) 散热损失( ) 灰渣物理热损失( ) 炉膛容积热负荷( k w m j ) 4 以4 4 q口岛岛面r，f茁k 9 9鳓如驰移弘缈驰吼 主要符号衷 炉膛断面热负荷( k w m 2 ) 炉排面积热负荷( k w l m 2 ) 排烟温度( ) 火焰平均温度 理论燃烧温度( k ) 炉膛出口烟气温度( 豳 对数平均温压( ) 二次风量( n m 3 k g ) 烟气平均热容量 k j ( k g k ) 二次风初始流速( m s ) 上升烟气流速( m s ) 希腊字母 过量空气系数 锅炉热效率c ) 无因次烟温 炉膛出口无因次烟温 空气密度( k g m 3 1 烟气密度( k g m ) 绝对黑体辐射常数，其值为5 6 7 x i 0 n k w ( m 2 k 保热系数 妒壁的热有效系数 瓠瓠嘞强五甲。圪 以节9吖雁岛瓯尹y 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含 法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学 位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损 害，进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名：i 主! 翌至日期： 竺2年上月j 蔓日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北 电力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或 成果时，署名单位仍然为东北电力大学。 论文作者签名：住晓音 日期：! ! ! 年l 月_ ! ：l 日 导师签名：敞 n ：l l ：2 里吐年l 月生日 第1 牵绪论 1 1 课题的背景 1 ，1 。1 能源现状 第1 章绪论 能源的开发和利用，一方面推动经济发展，造福人类；而另一方面却带来 环境污染，危害人类。因此，目前世界各国的能源方针都是在开发利用能源、 满足经济发展要求的同时尽最大限度地减轻环境污染，亦即发展经济( e c o n o m i c g r o w t h ) 、能源安全( e n e r g ys e c u r i t y ) 、保护环境( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ) ，简称 3 e 方针【i j 目前世界上的能源仍以传统的化石燃料煤炭、石油、天然气为主，在 能源消费构成中煤约占2 7 ，油约占4 0 ，气约占2 2 t 2 j 。从储量上来看，煤远 远大于油和气。但是，煤炭的开发利用也存在一定的弊端，相对于油和气来说， 它的利用效率较低，而且对环境的污染比较严重。因此，世界各国都在致力于 研究、开发新的煤炭利用技术，并且已经取得了一定的进展 3 - 4 1 。 我国能源具有自己的特点： ( 1 ) 我国能源资源总量丰富，但人均资源占有量少。 现已查明的能源总量约4 万亿吨标准煤，居世界第三位，煤炭居第一位、 石油居第十位、天然气居第十七位、水力居第一位、太阳能居第二位【5 - 6 1 ；此外。 核能，生物质能、海洋能、风能、地热能等资源也较丰富，但由于人口过多， 人均资源占有量不及世界平均水平的一半1 7 锕。 ( 2 ) 我国是能源消费大国，但人均消费水平很低。 2 0 0 2 年我国能源状况：一次能源消费量为1 4 8 亿吨标准煤，为世界第二大能 源消费国，一次能源产量为1 3 8 7 亿吨标准煤，煤炭产量1 3 8 亿吨标准煤，居世 界第1 位【9 l 。尽管我国煤炭资源总量很大，但人均能源也只有世界平均水平的 5 0 t l o l 。 ( 3 ) 煤炭在我国能源结构中具有极重要的地位。 6 5 以上的能源消费、7 5 的工业燃料、8 0 的电力，8 0 的民用和商业能 东北电力大学硕士学位论文 源和6 0 的化工原料均来自煤炭。据估算，2 0 1 0 年和2 0 3 0 年，煤炭将仍分别占 我国能源结构的6 0 和5 0 ，也就是说，在未来盼将近3 0 年中煤炭将仍然是我 国最主要的能源【l ”。 ( 4 ) 以煤为主要能源的格局带来了两大缺点。 一是能源利用效率低，一般只有3 0 左右，比发达国家低l o 个百分点以上， 由此导致巨大能源浪费；二是煤炭的利用造成了非常严重的空气污染的问题， 据统计由于煤炭的利用而排放的污染物总量中c 0 2 为2 8 亿吨、s 0 2 为2 2 7 0 万吨、 烟尘为1 2 3 0 万吨，分别占我国污染物总排放量的份额为8 5 、9 0 和7 0 。国 家环保局规定的我国酸雨和二氧化硫控制区( 两控区) 的范围中，雨水的p n 值小 于5 6 的国土面积已占全国总面积的4 0 。几乎所有的大城市都处于两控区内， 而经济发达的华东、华中、华南以及西南地区均处于两控区之中f l 。减轻大气 污染、保护环境，以及提高能源利用效率、抑制能源消费，是今后国民经济发 展中必须解决的一项重大任务。 1 1 2 我国工业锅炉概况 燃煤工业锅炉是我国第二大煤炭用户，是我国重要的热能动力设备。在2 0 0 0 年我国已安装的工业锅炉共有5 0 4 万台，其总容量相当于1 2 6 万蒸吨。其中燃煤 工业锅炉占8 5 ，平均单台容量仅为2 2 $ t h ，以生活及生产用锅炉占有极大比例， 每年耗煤约4 亿吨，约为全国煤产量的三分之- - 1 2 1 。 目前我国工业锅炉最广泛采用的是煤在炉排面上进行燃烧的“层燃炉”，它 是最古老也是最普通的燃烧方式。 按照炉排形式和操作方式的不同，层燃妒又分为手烧炉、往复炉排炉、抛煤 机炉、振动炉排炉和链条炉排炉等。在我国各种类型的燃煤工业锅炉中，链条 炉占全部总量的5 7 8 7 ，因而链条炉是我国燃煤工业锅炉最主要和最有代表性 的炉型【1 3 】。 1 1 3 我国工业锅炉存在的问题 ( 1 ) 锅炉热效率低，煤炭资源浪费严重 第1 章绪 论 虽然我国工业锅炉的数量是巨大的，但是单炉容量却很小，锅炉容量小于 l o t h 的占工业锅炉总量的6 6 以上。锅炉的运行效率在6 0 7 0 闻徘徊，这一 数值远落后于发达国家1 0 1 5 ，每年多耗煤6 0 0 0 万吨【1 2 1 。 ( 2 ) 消烟除尘设备不完善，污染严重 我国工业锅炉，尤其是2 t h 以下的小型工业锅炉绝大多数消烟除尘设备不完 善或根本没有消烟除尘设备，造成大多数锅炉烟囱排放黑烟滚滚，排烟黑度、 烟尘浓度大大超过国家环保标准。低效率也同时意味着高排放，每年从燃煤工 业锅炉排放的粉尘和c 0 2 分别为6 0 0 万吨和5 0 0 0 万吨，分别占全国总排放量的 5 0 和2 5 1 1 1 1 。 ( 3 ) 自动化水平低 我国小型工业锅炉多数还处于人工填煤、人工除灰的原始手烧状态，缺少 必要的控制设施，且由于多数单位司炉工没有经过专业培训，烧炉水平参差不 齐，外加责任心不强，这都是造成锅炉燃烧效率和热效率低的重要原因。 ( 4 ) 锅炉设计制造水平低 我国拥有相当比例的小型锅炉制造厂家，其中一部分由于缺少专业技术人 员，图纸资料不完整，检验设备简陋。粗制滥造。不仅保证不了锅炉技术经济 环保指标，也难以保证制造质量。 ( 5 ) 重视不够 我国锅炉行业的专家、学者几乎都致力于电站锅炉的研究和实践上，对工 业锅炉投入太少或无暇顾及。 因此，我国工业锅炉现存的诸多问题如果不能从根本上得到解决，从经济 和环境的观点看，这将会严重地影响我国的可持续发展。 1 2 课题的提出 1 2 1 煤无烟燃烧技术 工业锅炉的发展方向依然是高效节能，环保。在未来相当长的一段时期 内，燃煤工业锅炉仍将是我国工业锅炉的主导产品。中小型的生产和生活用燃 东北电力大学硕士学位论文 煤锅炉使用范围和分布地域非常广，它为我国工业经济和人民生活提供了主要 的热源和用能。因此，一二十年内不可能很快退减的。唯一的出路是必须发展 高效燃煤锅炉和清洁燃料锅炉，尤其以发展商效洁净煤锅炉更为重要。 “煤气化一无烟燃烧技术” 1 4 1 是一种额型的洁净煤技术，是在总结煤气发 生炉、煤粉燃烧技术，射流、撞击流技术和层状燃烧锅炉消烟除尘技术经验基 础上发明的一种适用于层状燃烧锅炉的崭新的清洁燃烧技术。在立式煤无烟燃 烧锅炉中，炉内燃烧室分为上下两段。下段为煤气发生段，包括一次风室、炉 排和煤层。在煤气发生段，采用了“薄煤层、低风速气化”原理，该原理与传 统的煤气发生炉及简易煤气炉不同，其煤层厚度只有2 5 0 4 0 0 m m ，且采用纯空 气气化技术，目的是保持原有的层燃炉机构及运行方式并降低送风机电耗。低 风速有两个作用，一是防止煤层内结渣，二是降低烟尘浓度。上段为煤气燃烧 段，在炉墙增设了特殊设计的“多孔、分层、错列、射流式”二次风装置，并 且对于立式和卧式锅炉采用了不同的布置形式，从而实现燃烧、消烟和除尘在 一个炉膛内一并完成。消除了锅炉黑烟滚滚及粉尘排放超标的严重污染现象， 从而达到煤的清洁燃烧、高效利用【”。”。 “煤无烟燃烧技术”是在总结“煤气化一无烟燃烧技术”和层状燃煤锅炉 消烟除尘经验基础上发明的另一种新的燃烧技术【1 9 】。该燃烧技术可应用于机械 炉排( 链条炉排、往复炉排和振动炉排) 移动( 煤) 层状燃烧锅炉。并已在实际锅炉 中应用，不仅使排烟达到国家环保标准i 类区要求，而且大幅度提高了热效率。 1 2 2 煤无烟燃烧锅炉特点 利甩“煤无烟燃烧技术”所开发出来的煤无烟燃烧锅炉具有下列特点； ( 1 ) 炉膛内实现了煤的燃烧、消烟及除尘一体化，在直接燃烧原煤，无需加 工处理，且无炉外除尘器的条件下，锅炉内部可皂彳亍消烟除尘，排烟无色； ( 2 ) 炉膛内设置特殊结构的“多孔、分层，错列、射流式”二次风装置，它 一方面能够实现炉内消烟，另一方面起到炉内飞灰分离的作用，实现飞灰的燃 尽和炉内除尘，既降低了烟尘浓度又提高了燃烧效率，使锅炉烟尘排放浓度符 合g b l 3 2 7 1 2 0 0 1 环保标准要求： 第l 章绪论 ( 3 ) 由于在炉内实现分段送风、分级燃烧，使排烟中n o x 大幅度减少； ( 4 ) 采用7 新型不漏煤水平炉排片和分段配风风室。既少了漏煤损失又实现 了分段燃烧，有效地提高了锅炉的燃烧效率； ( 5 ) 对漉受热面分别采用水管和螺纹烟管的布置结构，并选用舍理的烟速， 从而既降低了排烟温度，提高了热效率，又缩小了炉体，节省了钢材。 1 3 课题的意义 1 3 1 节约能源，提高能源利用率，适应能源现状 工业锅炉是我国耗能大户。每年燃用全国原煤产量的三分之一。目前工业 锅炉的设计效率不低，一般为7 2 8 0 ，但实际运行热效率大多在6 0 6 5 左右，通常比锅炉产品的鉴定热效率低l o 个百分点以上，甚至还在热效率5 0 0 0 以下运行，能源浪费相当严重，每年白白多用燃煤约6 0 0 0 万吨1 1 2 1 。利用“煤无 烟燃烧技术”所开发出来的机械炉摊煤无烟燃烧锅炉，由于炉内采用了多项强 化燃烧措施，可使锅炉的燃烧效率大于9 4 ，热效率大于8 0 ，从而，可实现 燃煤工业锅炉节能降耗的目标。 1 3 2 降低锅炉污染物的排放，减轻大气污染，缓解环境保护压力 工业锅炉排放大量烟尘、n o x 等污染物，成为我国大气主要煤烟型污染源 之一，由此而引发的大面积的酸雨、全球温室效应等问题，业已引起国际关注。 这些问题长期没有得到妥善解决，工业锅炉前景正面l 临挑战，这已成为国民经 济发展中必须解决的一项重大任务，可以说已经到了非治不可的时期。利用“煤 无烟燃烧技术”开发出来的机械炉排煤无烟燃烧锅炉，在无需炉外除尘器时， 可实现排烟无色，彻底改变了锅炉黑烟滚滚及粉尘排放超标的严重污染现象， 从而达到清洁燃烧、高效环保目的 东北电力大学硕十学位论文 1 3 3 煤无烟锅炉安装、运行成本低，投资少 现有消烟除尘技术需要在燃烧系统外设置额外的脱销、脱硫除尘装置，投 资成本相当高，并且还可能造成严重二次污染；而煤无烟燃烧锅炉是从研究燃 料燃烧机理、燃烧条件、燃烧状态出发，在炉内实现消烟除尘，无需炉外除尘 器等附加设备，大大地节约的投资，是一种烟尘治理的治本之策。 因此，为了更好的满足2 1 世纪环保要求，适应工业锅炉及国民经济的发展 需要，对煤无烟燃烧锅炉特别是链条炉内n o x 、c o 、c 0 2 分布特性及烟尘排放 特性进行更深入的试验研究及探讨出相应的抑制措施是非常必要的。 1 4 国内外关于该课题的研究现状及趋势 工业锅炉的消烟除尘旨在消除排烟中的“黑烟”，控制烟尘、n o x 等有害气 体的排放，使排烟黑度和烟尘、n o x 排放浓度达到国家环保标准要求 2 0 j 。鉴于 我国在用工业锅炉的数量、耗煤量和烟尘排放量均居世界各国之首，在国内又 是耗煤大户、“煤烟型”大气污染的主要源头，因此，工业锅炉的消烟除尘具有 重大现实意义，并对全球大气环境产生一定影响。 工业锅炉的消烟除尘，在发达国家早在上世纪8 0 年代通过科技攻关予以解 决。它们的措施是：绝大多数锅炉燃油、燃气；对为数不多的燃煤锅炉，一是 采用大型化、机械化燃烧，二是配置除尘效率高达9 9 以上的电除尘器或布袋 除尘器，三是实现微机自动控制，四是不烧原煤，而烧优质商品煤或型煤，并 保证按锅炉要求供给相应煤质，做到锅炉适应煤种与煤种适应锅炉相结合【2 1 蚓。 在我国，在工业锅炉高速发展过程中也一直重视消烟除尘问题。早在上世 纪6 0 年代就开展了群众性的消烟除尘改炉工作，不断开发新型机械化层燃炉和 各种结构型式的除尘器；8 0 年代以后开始制定相关标准，把消烟除尘工作纳入 法制轨道。总结五十多年来的工作，工业锅炉消烟除尘主要经验和科技成就如 下： ( 1 ) 针对我国煤质特性，开发各种机械化层燃炉、链条炉、往复炉、振动炉 排炉；并针对不同煤种，通过调节炉排面积、前后炉拱结构尺寸，尽可能使可 第l 章绪论 _ i ii l l 曹皇鼍| 寞曼! 量| 置曼曼曼曼量曼e 曼皇墨曼曼e 曼曼皇曼曼曼曼量昌日| 曼曼! 皇毫置 燃气体和炭粒在炉内燃尽；对于容量较大的锅炉采用了煤粉炉或循环流化床锅 炉咧； ( 2 ) 针对不同燃烧方式和设备的要求，研发了不同结构型式的干式或湿式除 尘器，干式有旋风除尘器、多管旋风除尘器、双级螺旋除尘器等，湿式有麻石 水膜除尘器、文丘里麻石水膜除尘器、玻璃管水膜除尘器等，在大容量锅炉上 试用电除尘田； ( 3 ) 对手烧炉进行技术改造，加装炉内旋风燃尽室、反射拱、采用二次风、 改为简易煤气锅炉、双层炉排炉或改烧型煤i 捌； ( 4 ) 目前降低n o x 排放的技术主要是“过程脱硝( 2 s - 2 6 1 ”技术和“烟气脱硝 z 7 - 2 9 ”技术。过程脱硝技术主要有分级燃烧法烟气再循环法低氧燃烧法 煤粉浓淡分离燃烧法流化床燃烧技术高温低氧燃烧技术燃料再燃技 术；烟气脱硝技术主要有选择性催化还原法选择性非催化还原法稀h n 0 3 吸收法吸液吸收法非选择性催化还原法电子射线及等离子体照射法吸 附法催化分解法等； 目前，煤无烟燃烧锅炉已有一百余台投入商业应用，都达到预期的效果。 从煤无烟燃烧锅炉的研究、开发、和应用经验上来看，燃煤锅炉排烟全面达到 g b l 3 2 7 1 - 2 0 0 1 标准是有把握的，关键是要更新“消烟除尘”的观念，把主攻方 向放在改进锅炉燃烧方式、燃烧条件和设备上，首先在燃烧过程中抑制烟尘形 成，实现消烟除尘，之后再利用除尘器除尘，第三一定要使煤种适应锅炉的要 求，还要坚持烧商品煤或型煤3 ”。对于小型锅炉，采用炉内消烟除尘，取消 炉外除尘器，安装、运行比较经济，同时符合我国现阶段的具体国情，因此， 煤无烟燃烧技术作为一种消烟的治本方法，具有广阔的发展前景，值得大力发 展，有必要做迸一步的试验研究。 1 5 本课题的主要研究内容 ( 1 ) 设计并建造l t h 卧式煤无烟燃烧锅炉； ( 2 ) 在不同的一、二次风量配比情况下，进行该锅炉燃烧特性的试验研究， 主要包括； 东北电力大学硕十学位论文 a ) 试验研究炉内c o 、c ( h 的分布规律： b 】试验研究炉内n o x 的分布规律； c ) 试验研究锅炉尾部的烟尘排放特性； 基于以上工作，通过不同工况下，n 0 x 排放及烟尘排放不同情况，深入研 究炉内n o x 和烟尘排放影响因素，提出行之有效的抑制n o x 、降低烟尘的措施， 探索机械化炉排锅炉无烟燃烧之路。 第2 章煤无炯燃烧技术 第2 章煤无烟燃烧技术 2 1 煤无烟燃烧技术 “煤无烟燃烧技术”是一种新型的清洁高效燃煤技术，是在总结“煤气化 一无烟燃烧技术”和层状燃煤锅炉消烟除尘经验基础上发明的一种新的燃烧技 术。该燃烧技术可应用于机械炉排( 链条炉排、往复炉排和振动炉排) 移动( 煤) 层状燃烧锅炉，通过采用相应的强化燃烧等措施实现锅炉消烟除尘的目的。理 论上，它打破了传统的机械炉排锅炉二次风的理论和布置方式，而是通过优化 一、二次风的配比，结合射流技术，发明了“多孔分层错列射流式”二次风。 结构上，利用该技术设计的锅炉将新型不漏煤型机械炉排锅炉、射流技术与气 固分离过程有机地结合在一起，使煤炭的燃烧、消烟、除尘过程在一个炉膛内 一并完成故称为“炉内消烟除尘一体化”。该技术应用于l t h 以上的工业锅 炉，在无需炉外除尘器时，实现排烟无色俗称无烟，消除了锅炉黑烟滚滚 及粉尘排放超标的严重污染现象，达到清洁燃烧、高效利用的目的。 因此，“煤无烟燃烧技术”的核心就是在层状燃烧工业锅炉上实现“薄煤层、 低风速”和“多孔、分层、错列、射流式”二次风装置相结合，达到煤的无烟 化燃烧，提高热效率。 2 2 薄煤层低风速 利用扩大炉排有效燃烧面积，降低气流速度( o 1 m s 左右) 来实现薄煤层、低 风速。薄煤层目的有二：一是减少通风阻力、降低送风机电耗；二是提高煤的 燃烧效率。降低气流速度，其好处：一可延长空气与煤气的反应时间，以弥补 煤层过薄而缩短的反应时间；二可降低燃烧速度，防止氧化层结渣；三可大大 减少煤尘带出量，实现炉内除尘；四是延长煤气在煤层上部空间的停留时间， 利于完全燃烧1 3 2 】。 东北电力大学硕士学位论文 2 3 传统层燃炉二次风 对传统的层燃炉，二次风起源于链条炉，后来引入往复炉、振动炉 一般认为，采用二次风的主要目的并不是为了补充氧气，而是作为一种附 属的助燃措施，并配合前、后拱使用，进一步搅拌炉内烟气，加强烟气中可燃 气体与空气中氧气的良好混合，同时延长飞灰在炉内的停留时间，因此，二次 风占总风量的比例一般较小：链条炉、往复炉、振动炉排炉5 1 0 ，抛煤机炉 1 0 2 0 。二次风的布置、设计，与炉排型式、炉膛形状、尺寸等密切相关。对 链条炉、往复炉、振动炉，二次风喷嘴常布置于前、后墙；对容量较小的锅炉， 多采用前墙或后墙单面布置，以便集中风力产生更大扰动作用。布置在后墙或 后拱上的二次风，除扰动作用外，还能把高温烟气适当地逼向火床头部，以利 于煤的着火。当炉膛有前、后拱组成的喉部时，在此处设置二次风更便于混合。 前、后墙都布置二次风喷嘴时采用错列方式，以免相互干扰。二次风喷嘴也可 呈四角切向布置，喷出的四股气流在炉膛中心形成一个假想切圆，使烟气旋转 上升流动，利于飞灰燃尽。二次风喷嘴的位置，离煤层表面一般在6 0 0 1 2 5 0 m m ： 喷嘴可呈水平布置或下倾1 0 2 5 0 ；喷嘴的断面分圆形和矩形，圆形直径舛o 6 0 m m ，矩形短边不宜 s m m ，长宽比宣 6 。为使二次风产生强烈的扰动作用， 通常使用尺寸较大、数量较少的几个喷嘴，喷嘴出口应有一定的风量和风速， 即有一定的动量，通常出口风速为5 0 8 0 m s 。 此外，还认为二次风主要是增强炉内气流的扰动，而并非补给氧气。因而， 既可用空气，也可用蒸汽或烟气作为工质。正是基于这种认识，现有的层燃锅 炉除抛煤机炉外，少有二次风装置；实际运行时，有二次风装置的也较少使用。 尤其对于污染严重的小型工业锅炉，基本上不布置二次风。总之，即使有二次 风装置的锅炉，也由于这种认识的误导，而没有真正发挥出应有的功效田】。 2 4“多孔分层错列射流式”二次风 2 4 1 二次风的功能 对“煤无烟燃烧锅炉”，二次风不像传统层燃锅炉那样仅起附属性的助燃作 第2 幸煤无烟燃烧技术 用，而是利用射流、撞击流原理组织炉内流场，保证煤气完全燃烧和飞灰有效 分离的主导作用，因而它具有如下功能： ( 1 ) 首先，数量上保证供给的空气量，并通过燃烧调整，在保证锅炉不冒黑 烟的情况下，力求降低空气过剩系数a ； ( 2 ) 二次风射流与煤气流之间为交叉流，之间产生较大的滑移速度，使煤气 与高温燃烧产物受到强烈的扰动，确保碳氢化合物一次燃尽，消除碳氢化合物 的分解，即抑制炭黑产生； ( 3 ) 与煤气均匀混合、接触，并使燃烧产物充满炉膛空间； ( 4 ) 使煤气中的飞灰产生旋涡运动，延长在炉内的停留时间，同时使绝大多 数飞灰在离心力作用下返回炽热的煤层表面再燃，大幅度降低烟尘浓度； ( 5 ) 沿炉膛高度方向分段喷入、分级燃烧，大幅度降低烟气中n o x 浓度。 二次风的主导作用决定了二次风的布置与设计都与传统的二次风不相同， 所以它采用“多孔、分层、错列、射流式或撞击流式”结构形式。在应用射流 原理的基础上，通过多孔分层均匀地喷入炉膛空间，使每股射流必须具有一定 的动量以驱动周围的煤气产生旋涡运动，使得炉内速度场、温度场和浓度场分 布更加均匀，强化煤气、空气混合，并迅速地燃尽，达到了消烟除尘的目的p l 。 2 4 2 二次风设计与布置 采用“煤无烟燃烧技术”而开发的卧式机械化炉排锅炉称“卧式煤无烟燃 烧锅炉”。对于“卧式煤无烟燃烧锅炉”，核心技术是二次风的布置与设计。 二次风的布置和设计包含确定二次风喷嘴的位置和数量、选取喷嘴形状和 尺寸、计算喷嘴出口速度和风量等几个内容。喷嘴位置和数量主要决定于锅炉 容量、炉排和炉膛的几何尺寸等。基于卧式机械化炉排锅炉的“多孔、分层、 错列、射流式”二次风，它有两种布置方式，一种为同轴相向射流式二次风， 另一种为偏心轴相向射流式二次风。其布置方式为二次风喷嘴水平方向沿两侧 墙均布，高度方向自煤层表面分几层错列布置。它是人为组织的一种稳定的、 可以控制携带固体颗粒的多股同轴或偏心轴逆流射流式火焰流。喷嘴结构为圆 形或矩形。试验研究结果表明，少数、大直径的二次风的消烟除尘效果远不如 东北电力大学硕+ 学位论文 采用量多、小直径的二次风喷嘴。因此，不宜采用稀疏布置的大直径二次风喷 嘴的技术方案。 对于卧式煤无烟燃烧锅炉，由于炉内烟气上升速度低于普通层燃锅炉，二 次风喷入炉膛时更接近于自由射流。因此，应用自由射流原理，设计的二次风 装置应符合工程实际。按此原理，二次风喷嘴射出的气流中心速度随射程的增 加而不断地衰减，当降至4 5 m s 以下时对炉内烟气的扰动作用很弱。因此，在 设计时应充分考虑锅炉结构、喷嘴出口流速、有效射程及喷嘴直径之间的关系。 2 5 煤无烟燃烧技术对碳黑的抑制作用 对于煤燃烧过程中碳黑的生成，b r i g h a my o u n gu n i v e r s i t y 的a l b r o w n 等 经过对煤的燃烧过程分析实验，得出煤颗粒经过快速加热、热解生成焦炭和挥 发分( 包括气体和焦油) ，而焦油进一步裂解生成碳黑的结论脚5 1 。 碳黑的生成过程与煤种、挥发分析出过程中所处的氧浓度、燃烧室内的混 合情况及湍流流动状况、颗粒停留时间和温度等有很大关系。 在挥发分析出和燃烧过程中的氧气浓度对于碳黑的形成是一个重要的影响 因素，一般认为在这一阶段只要提供理论氧量的7 5 & 1 j 可抑制碳黑的生成。 即使提供充分的氧量，但若燃烧室内混合不均匀，在局部区域还可能造成 氧浓度过低，从而造成该区域碳黑生成量较大，所以要降低碳黑的生成必须组 织良好的燃烧室内的流体动力场，湍流强度较大时由于湍流扩散的作用，会使 碳黑生成量降低。 当碳黑形成后，其燃烧在固体表面上进行，其燃烧速度取决于氧化剂扩散 到固体表面上的扩散速度，以及固体表面进行的化学反应速度，这两个过程对 燃烧速度的影响取决于温度和粒径大小。以单一的球形固体颗粒，当氧浓度低 时，碳黑燃烧速度与氧浓度呈一次幂关系，即： 一p ( 舟k p 。( 2 - 1 ) 式中，一颗粒半径，p 一颗粒密度，风一烟气中的氧气的分压力，k 一比例系数 若反应期间，碳黑粒子的表面温度和氧气分压保持不变，则颗粒燃烧所需时间 - 1 2 一 可用式( 2 - 2 ) 表达： t b = 舞 ( 2 2 ) 互意 ( 2 - 2 ) 式中 玩一粒子的初始粒径 由式( 2 2 ) 可见，粒子的燃尽时间与粒子的初始直径、粒子表面温度和氧气 浓度有关，即要使碳黑在离开燃烧室前燃尽，以控制烟尘排放浓度，就必须保 证足够的温度、氧浓度和停留时间1 3 6 1 。 从碳黑的生成和燃烧两个角度来看，要抑制碳黑的生成和最终排放量，必 须在煤的热解和燃烧过程中必须提供足够的氧气，同时要使烟气和空气混合良 好。 采用“多孔、分层、错列、射流式”二次风可以有效抑制碳黑。碳黑首先生 成于煤层表面上层空间，为了保证此空间氧气量相对充足，我们使下侧二次风 靠近煤层布置，此外，二次风射流与煤气流之间为交叉流，之间产生较大的滑 移速度，使煤气、高温燃烧产物和空气受到强烈的扰动，加剧了湍流强度，确 保碳氢化合物一次燃尽，消除碳氢化合物的分解和加速已生成碳黑的燃烧，即 抑制碳黑生成和排放。 2 6 煤无烟燃烧技术对n o x 的抑制作用 煤燃烧过程中生成的n o x 大部分是燃料型。n o x - - 般是指n o 和n 0 2 ，其 中n o 一般约占9 5 。煤中燃料氮生成n o x 是通过挥发份氮的气相氧化和焦碳 中的氮多相氧化两个途径。其燃烧过程中燃料氮平衡关系可用图2 - 2 表示。 挥发分氮转化为n o x ，主要取决于：( 1 ) 着火区段挥发分的析出量，挥发分 析出量越大，挥发分氮则越多，从而使生成的挥发分n o x 量也越多；( 2 ) 着火段 中氧浓度，氮氧化物只有经过氧化反应才能生成n o x ，因此，着火段中氧浓度 增加，则挥发分n o x 增加；( 3 ) 着火段停留时间，燃料氮释放并转交成n o x 需要 一定的反应时间，在富氧条件下，若可燃成分在着火段停留时间较长，则生成 的n o x 增加，在富燃料条件下，挥发分氮化合物的还原分解作用或相互复合反 应增强，也需要一定的反应时间，所以在着火段中停留时间长，使n o x 、h c n 和n h 3 等得到充分分解和复合反应，则生成的n o x 减少。 圈2 一l 燃烧过程中燃料氮平衡关系 实际的焦炭n o x 生成取决于两个主要因素：一是焦炭中的氮向n o x 的转化； 二是焦炭表面和c o 对己生成的n o x 进行的还原反应。焦炭中的氮向n o x 的转 化，与焦炭中的氮含量、氧浓度和温度等因素有关。并随焦炭中的氮含量和氧 含量的增加而增加，温度升高时，焦炭n o x 也是增加的。另外，焦炭表面和c o 会对已生成的n o x 产生还原分解作用，使n o x 降低，其反应式如下： n o + a c o 5 n 2 + ( 2 a 1 ) c o + 0 一a ) c c h( 2 - 3 ) 从以上分析可知，降低n o x 的方法主要有： ( 1 ) 减少燃料周围的氧浓度，主要包括：减少炉内过量空气系数以及减少炉 内空气总量以减少着火区段的氧浓度； ( 2 ) 在氧浓度较低条件下，维持足够的停留时间，使燃料中的氮不易生成 n o x ，而且使已生成的n o x 经过均相或多相反应而被还原分解。 空气分级燃烧降低n o x 是几乎所有的燃烧方式均采用的技术，效果十分明 显，其基本设想是希望避开温度过高及过剩空气系数在n o x 生成区处于较高的 区域，从而降低n o x 的生成。其分级燃烧原理见图2 3 3 6 1 。 第2 章煤无炯辫烧技术 警= e 煤叫i 竺：卜+旺： 图2 - 2 空气分级燃烧原理 煤无烟燃烧技术采用了“分段送风、分级燃烧”和“薄煤层低风速”，将总 风量分为一、二次风两部分，分别送入炉膛。一次风的减少降低了煤在热解和 挥发分析出阶段的供氧量，这样不仅使得煤热解和燃烧过程中产生大量的c o ， 而且使得生成的挥发分氮和焦炭氮处于还原气氛中；二次风从炉膛高度方向分 段送入，降低了炉膛内的温度峰值和平均温度，有效的抑制了n o x 的生成；同 时“低风速”使得挥发分氮化合物在氧浓度较低的情况下停留了较长时间，因 此，使燃料中的氮不易生成n o x ，而且使己生成的n o x 经过均相或多相反应而 被还原分解，从而可以降低n o x 的生成和排放。 东北电力大学硕士学位论文 第3 章卧式煤无烟燃烧锅炉结构设计及计算 3 1 设计主导思想 煤无烟燃烧技术是新型的洁净煤技术，将其合理的应用到链条炉排层燃锅 炉中，实现锅炉炉内消烟除尘、减少n o x 及烟尘排放量，达到环保要求，且大 大提高锅炉的热效率，充分体现新型燃煤锅炉