（热能工程专业论文）四角切向燃煤锅炉稳燃、结渣、烟温偏差问题的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 摘要 本文针对四角切向燃煤锅炉，特别是大型锅炉运行过程中所面临的几方面的问题：低负 荷调峰中的燃烧稳定性问题、结渣问题、烟温偏差问题等，较系统地分析其原因，并通过实 验研究或数值模拟提出相应的解决措施。 系统分析了煤粉着火及稳燃原理，对稳燃腔煤粉燃烧器进行了较系统的冷态、热态及数 值模拟试验研究。储果表明，稳燃腔煤粉燃烧器强化了煤粉的着火过程、燃烧过程，钝体尾 迹的湍流强度在回流区附近高达4 0 ，回流率约在2 0 2 8 ，结合高浓度煤粉燃烧特点， 进行了三角滑块浓淡分离器的试验研究，提出对烟煤、贫煤、无烟煤分别采用1 5 ：1 、2 1 、 2 3 ：l 的喷嘴出口浓淡比的建议，锅炉应用表明，该燃烧器作为电站四角燃烧锅炉的主燃烧 器，适应于烟煤、贫煤、无烟煤、劣质煤等不同煤种，可在锅炉的4 0 5 0 负荷无油稳燃， 锅炉效率提高l 一5 ，满足了电厂深度调峰的需要，节油、节煤效果显著。 四角切向燃煤锅炉炉内实际切圆直径是切向燃烧的炉膛空气特性一个重要参数，它对炉 膛结渣、稳燃以及炉膛出口的烟速、烟温偏差有很重要的影响本文对影响实际切圆的因素 重点从四角切向燃烧炉内空气动力工况及运行参数方面分析炉膛结渣的原因，并具体结 合1 2 5 m w 、6 6 0 m w 锅炉燃烧器的设计特点，利用数值模拟计算及炉内试验方法，研究了 偏转二次风对炉内结渣的影响。( 研究表明，当二次风偏转角度较大时，一次风射流受到动量 较大的二次风射流的引射和来自上游角的很靠近射流角根部的挤压。使其离开喷嘴没多远即 发生偏转，同时此偏转的射流又对下游角产生同样的影响，从而使炉内整个气流靠近壁面， 引发结渣。研究结果说明，偏转二次风的角度应控制在1 5 0 以内0 。 针对炉膛出口烟温偏差问题，本文在系统分析及大量可靠的运行数据基础上，提出了炉 膛上部容积热强度概念，相对6 0 0 m w 、3 0 0 m w 、2 0 0 m w 机组锅炉，分别给出了炉膛上部 容积热强度的上限值。( 对于大型锅炉而言，炉膛上部容积热强度既可作为锅炉设计的一个新 的重要参数，也可作为烟温偏差大小的一个判别准则数据。在此基础上，提出了减小大容量 锅炉烟温偏差的措施，锅炉改造实践证明，三次风下移是一种有效方法。夕一7 、 本文以湖北青山热电厂4 1 0 t ，i l 锅炉烟煤改烧贫煤为例，说明将燃烧理论及技术研究成果 应用于锅炉改造实践的思路及步骤。 关键词：四角切向燃煤锅炉，稳燃腔燃烧器，浓淡分离器，切圆直径，结渣，烟温偏差 i，。、f j p 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t p u l v e r i z e dc o a ln 揶es t a b i l i t ya t1 0 wl o a d ，s l a g g i n gi nf u m a c e ，n u eg a st e m p e r a t i l r eb i a sa tt h e e x “o ff u m a c eo ft a n g e n t i a l 丘r i n gb o i l e ro p e r a t i o na r er e s e a r c h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec o l d n o wa n dc o m b u s t i o nt e s t s ，c o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa n df i e l dt e s t sa r eu s e df o rr e s e a r c h ， f o rt h en 锄es t a b i l i t ya tl o wl o a d ，an e wk i n do fp u l v e r i z e dc o a ib u m e r ，b i u f b o d yi nc a v i t y ，i s s t u d i e di nt h i sd i s s e n a t l o n m e a na n d f i u c t u a t i n gv e l o c i t yc o m p o n e n t s a n dt u r b u l e n c e c h a m c t e r i s t i c so ft h en o wi nt l l eo u t l e to fb l u f b b o d yi nc a v i t yb u m e rw e r em e a s u r e du s i n ga t h r e e d i m e n s i o n a ll a s e rp a r t i c l ed y n a m i c sa n e m o m e t e r i ts h o w st h a tt h er e c i r c u i a t i o nr a t ei s 2 0 2 8 ，t h et u r b u l e n c ei n t e n s i t yi sa b o u t4 0 n e a rt h ee d g eo f t h er e c i r c u l a t i o nz o n e c o m b i n i n g t h es t r o “g p o i n to fh i g hc o n c e n t r a t i o np u l v e “z e dc o a lc o m b u s t i o n ，as i m p i ek i n do f p u l v e r i z e d c o a ls e p a r a t o rh a sd e v e l o p e da n dm er i c i e a nr a t eo fn o z z ko u n e ta r et 5 ：lf b rb i t u m i n o u s ，2 ：l f o rs u b - b l t u m i n o u sa n d2 3 ：lf o ra n t h r a c i t e a p p l i c a t i o no f n sn e wb u r n e ri ns o m e p o w e rp l a n t b o i l e r s ( 6 5 仉卜6 7 0 仉1 ) s h o wt h a tt h ec o m b u s t i o np r o c e s si sv e r ys t a b l ea t4 0 5 0 b 0 1 l e rl o a d w i t h o u to 订s u p p o r t e ra n dt h eb o i l e re m c i e n c yi si n c f e a s e d1 5 b a s e do nt h en e l dt e s t sd a t ao f7 5 t ，h 6 7 0 t ，hb o i i e r s ，c o r r e l a t i o no ft h ea c m a lt a n g e m i a lc i r c l e d i a m e t e nf u m a c ef o rt a n g e n t i a lf i n n gb o i i e ri sg i v e ni nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h ev l e wo fa e r o d y n a m i cn e l d sa n do p e r a t i n gp a r a m e t e r si nf u m a c e t h es l a g g i n gr e a s o no f t a n g e n t l a l l y 矗r e d b o n e ri no p e r a t i o na n d a n t i s l a g g i n gm e a s u r e sa t e 协”o d u c e d 访m ed l s s e r t a t l o n e s p e c l a i j y ，n u m e r l c a ls i m u l a t i o n sa n df i e i d t e s t sr e s e a r c ht h ee f 话c to fu s i “gb i a s e ds e c o n d a r ya i r f o rs l a g g i n gi nf h m a c ef o r l 2 5 m wa n d6 6 0 m wu n ht h er e s u i ts h o w st h a it h ea i l g l eo f b i a s e d s e c o n d a r ya l rs h o u l db ei e s st h a l l1 5 。 f l u eg a st e m p e m t u r ed e v i a t i o na tt h ee x i to ff u m a c ei sa i s or e s e a r c h e di nt h i sd i s g e n a t i o n b a s e d o nt h em e c h a n i s ma n a l y s e sa n do p e r a t i o np a r 枷e t e r s ，t h en e wc o n c e p to fv o l u m eh e a tl o a do f u p p e rf u m a c ei s i n t r o d u c e d f o r1 1 1 e6 0 0 m w ，3 0 0m 、v 2 0 0m w l l l l i t s ，t l l em a x i m u mv a l u e so f v o l u m eh e a t l o a do fu p p e rf u m a c e a r 。g i v e n i nt h i sd i s s e n a t i o n f o r r e d u c i n g n u eg a s ， t e m p e m t u r ed e v i a “o n ，t h em e a s u r eo f s h i f t i “gd o w np o s i t i o no f t e n i a r ya i ri si n 拄o d u c e d i nc h i sd i s s e r t a t i o n ，as u c c e s s f u lr c f 0 哪o f b j t u m i n o u sb ys u b b i t u m i n o u sf o ra4 1 0 仉1p f - b o i l e ri s d e s c r i b e d ，w h i c hi n c l u d et h et e c h n i q u e so f t h eb i u f b o d yi nc a v i t yw i t hr i c h i e a nf i r i n ga n d d o w n p o 虬t i o no f t e n i a r ya i re ta 1 k e yw o r d s ：t a n g e n t i a ln r i n gb o i l e r ，b u m e ro f b l u f f _ b o d yi nc a v i t y ，p u j v e r l z e dc o a i s 。p a r a t o r ， d i a r l l e t e ro f t a n g e n t i a lc i r c l e ，s l a g g i n g ，n u 。g a st e m p e r a t u r ed e v i a t i o n 华中科技大学博士学位论文 1 绪论 1 1 我国的能源资源 中国地大物博、资源丰富，自然资源总量排世界第七位，能源资源总量居世界第三位。已 探明的煤炭储量为1 0 2 2 9 亿吨，但精查可采储量只有8 5 6 亿吨；石油的资源量为8 8 8 亿吨，天 。 然气的资源量为3 9 万亿立方米，现己探明的石油和天然气储量只占资源量的约2 0 和3 ：水 力的可开发装机容量为3 7 8 亿千瓦，居世界首位：可再生能源资源丰富，可开发风能资源2 5 亿千瓦，地热资源相当于3 2 亿吨标准煤。但因我国人口众多，能源资源相对匮乏。我国人口 占世界总人口2 l 。已探明的煤炭储量占世界储量的1 1 、原油占3 、天然气仅占1 。人均 能源资源占有量不到世界平均水平的一半，石油仅为十分之一。我国已成为世界上第三大能源 生产国和第二大能源消费国。我国1 9 9 6 年一次能源生产越为1 2 6 亿吨标准煤，人均能源消费 鼙仅为1 1 4 吨标准煤，不足世界人均能源消费水平2 4n 屯标准煤的一半，居世界第8 9 位。北美 人均能源消费量超过1 0 吨标准煤，欧洲及独联体人均能源消费最为5 吨标准煤。随着我国经济 的快速发展和人民生活水平的不断提高，我国年人均能源消费量将逐年增加，到2 0 5 0 年将达剑 2 3 8 吨标准煤左右，相当于目前世界平均值，远低于发达国家目前的水平。 我国发电装机容量和发电量分别从1 9 4 9 年的1 8 5g m 和4 3t w h ，居世界第2 5 位和2 1 位，剑1 9 9 6 年底达2 3 6g w 和1 0 7 94 t w h ，发电装机容量和发电量均跃居世界第2 位。1 9 9 8 年中国发电装机释蜒2 7 7g w ，年发电量增至1 1 5 76 1 w m 。电源结构按装机容量计，水电l l i 2 3 5 ，火电占7 5 6 ，核电及新能源发电占0 9 。中国电力消费能源在一次能源消费中的比 重和电煤消费占煤炭产量的比重不断提高，分别由1 9 8 0 年的2 0 6 0 和1 7 9 8 提高到1 9 9 8 年 3 46 9 和4 2 1 2 。根据国家电力公司规划，到2 0 1 0 年，装机容量将达5 亿千瓦，到2 0 2 0 年将 达7 亿千瓦。近三十年内，火力发电设备中，9 0 以上主要还是常规的燃煤蒸汽发电机组。我 ， 国大型电站绝大部分是常规的燃煤电站，其燃料消耗约占全国年煤产量的4 0 ( 工业锅炉和：【业 窑炉耗煤0 i3 2 左右) ( 1 9 9 7 年) 。中国是世界上唯一以煤为主要能源的大国，这样的能源构成 在今后相当长的时期内不会改变。 作为一次能源，煤的利用方式在我国主要是燃烧，而煤的燃烧是造成我国生态环境破坏的 最大污染源。以1 9 9 0 年为例，煤电在火电中所占比例，中国为9 0 4 ：前苏联为3 5 ；日本 约为2 5 。1 9 9 7 年，我国全年发电用煤为4 2 亿t 标煤，约占全国煤炭产量的4 0 以上，是全 国第一人_ 【 j i 户。这就带来一个环保问题：污染物排放量大，造成环境污染和生态平衡破坏。据 一 l 华中科技大学博士学位论文 有关资料表明，燃烧一吨煤要向大气排放1 5 培粉尘，2 0 k 二氧化碳，7 k g 氮化物，全国每年 燃料用煤约6 亿t ，加上发电用煤，总量约达l o 亿t ，预计到2 0 l o 年我国电煤占全国煤炭产量 的比例将上升到5 0 ，我国的能源消费占世界的8 曲，但s 0 2 的排放占到世界的1 5 1 ， 排放总量为世界第一位，c 0 2 占到1 3 2 ，总量居世界第二位，n o x 占到1 0 1 。其中我国 煤燃烧所释放的s 0 2 与到全国总排放的8 5 ，c 0 2 占到8 5 ，n o x 占到6 0 ，粉尘占到7 0 。 大量燃煤排放的s 0 2 和n o x 已经在我国形成了极大的危害。酸雨区域迅速扩大，已超过国土 面积的4 0 ，造成了难以估量的经济和社会损失。 有关燃煤污染防治理论和控制技术的研究，我国的总体研究水平还不高。更为突出的是， 我们在燃煤防治方面缺乏深入的研究和系统的科学理论，因而难于有效地指导和推进燃煤污染 防治技术的发展。 l m a k 曾经说过：元素周期表中几乎没有什么元素不存在于煤中。这充分地说明了煤炭结 构组成的极端复杂性，正是由于煤燃烧及污染物生成过程的这种复杂性，对它的研究涉及到诸 多领域的学科难点，冈而严重地制约了它的发展。近代以来，虽然有关的理论模型研究、测量 诊断方法以及相关学科都有了欧足的进展，但对实际燃烧过程，尤其是煤燃烧过程的研究还是 基本上基r 经验和、r 经验的。煤燃烧过程产生众多的污染物，它们与复杂的多相湍流燃烧过程 相互作用，使得人们对它们的生成排放规律和减排机理的认识变得凼难，难以建立系统、完整 的科学描述。这种状况也是当今世界有效治理燃煤污染、发展相关防治技术的障碍所在。加强 此领域的基础科学问题的系统研究，不仅会有力地促进燃烧与污染防治学科的发展，还会为改 善我国生态环境和形成新型、有自主知识产权的环保产业提供可靠的科学支撑。 我国发电装机总量从1 9 9 3 年开始，每年平均以62 的速度增陡，电力工业取得了k 足进 展，但电力r 业发展仍存在着明显的“四低”问题： 一是，中国的人均用电水平很低。1 9 9 8 年全国人均占有发电装机才约o2 2k w ( 仅相当， 1 9 9 6 年美国人均发电装机3 1k w 的7 1 ) ，人均发电量9 2 7k w m ，人均用电量约7 7 3k w h ( 仅 相当丁1 9 9 6 年美国人均用电量的1 2 3 0 9m w _ h 的6 3 ) ，人均生活用电量只有1 1 1k w h ，生活 j j 电只占全社会用电的1 4 4 ：全国约有6 0 0 0 万人口未用上电；二是，煤炭转化为电力的比重 还很低，1 9 9 8 年只占4 2 1 ( 1 9 9 0 年美国为8 6 、德国为6 2 、英国为7 6 、加拿大为6 1 、； = 是，由于资金和技术的原因，水电比重低，只占2 3 5 ，可再生能源发展缓慢；四是，平均 发电效率低。由于历史原因，中国的火容蹙、高参数机组比重低，单机平均容量不足5 0 m w ， 供电标准煤耗高，1 9 9 8 年为每千瓦时4 0 4g ，比发达国家高出7 0 8 0 9 。国际先进水平为3 1 7 克标准煤，高出：7 “；中国的产值能耗是世界上最高的国家之一。产值能耗高即单位能耗创 产值低，我国每公斤标准煤能源产生的国内生产总值为0 3 6 美元，日本为5 5 8 美元，法国为 _一 2 华中科技大学博士学位论文 32 4 美元，韩国为1 5 6 美元，印度为0 7 2 美元，世界平均值为1 8 6 美元；日本是中国的1 55 倍，法国是中国的9 倍，韩国是中国的4 3 倍，连印度也是中国的2 倍1 1 “。 从上述数据说明：电站煤粉锅炉的安全、高效、低污染燃烧的研究及应用过去是，今后仍 然是从事煤燃烧理论与技术科技工作者们光荣而又艰巨的任务。 1 2 我国燃煤电站锅炉运行中的主要问题 ， 对2 0 0 m w 6 0 0 m w 机组锅炉运行状况的调研说明【5 】，锅炉运行中问题比较突出的几个方面 是：e 灰可燃物偏高、排烟温度偏高；摆动式燃烧器多数不能摆动或摆动的角度不相同：锅炉 低负荷运行时燃烧稳定性不够理想；炉膛出口烟温、汽温产生较大偏差，爆管频繁；炉膛结渣 问题较普遍存在；这些问题不仅影响了锅炉运行的安全性和经济性，而且在很大程度上影响了 机组的利用率。据1 9 8 8 1 9 9 1 年对1 6 台3 0 0 m w 机组的统计显示，投产后第一年，平均利用系 数为6 3 4 ，可用系数为7 3 8 8 ，事故停运次数1 6 6 9 次台年，停用时间1 1 3 6 0 8 h 台年。二年 后，平均利州系数和可用系数上升为7 6 9 4 和8 7 4 。这其中既有国内技术生产的国产机组， 也有引进技术生产的国产机组。对于6 0 0 m w 机组，北仑港电厂l 号机组( 锅炉为直接从美国燃 烧1 程公司引进的) 投运第一年可用系数才4 7 2 5 ，第二年达到7 9 7 0 。哈尔滨锅炉厂引进c e 的6 0 0 m w 技术生产的平圩电厂1 号机组投运第一年可用系数为5 02 6 ，第二年为5 6 1 6 。这 与美日等国同容耸机组平均可用系数大丁二9 0 的先进水平相差较远。 在氮氧化物控制方面。中国燃煤电厂在氮氧化物( n o x ) 排放控制方面起步相对较晚，国家 排放标准于1 9 9 7 年1 月才对新建犬跫燃煤电厂n o x 排放提出限值要求。8 0 年代中后期在引进 的一批先进大容量燃煤发电机组的同时，引进了锅炉低n o x 燃烧器的制造技术，在此基础上， 结合中国煤质、制粉系统特点，开发了低n o x 燃烧系统。目前，这些低n o x 燃烧技术基本上 已用于引进型国产大容量机组上。通过上述措施，从1 9 8 0 1 9 9 7 年，尽管火电装机容量迅速增t 加但烟尘排放量基本持平，并在1 9 9 8 年有明显下降，1 9 8 0 年烟尘排放量为3 9 9 万t ，1 9 9 8 1 年为3 3 0 万t 。但s 0 2 尚未能得到有效控制，排放量随装机容量的增长呈上升趋势。 综上所述，电站煤粉锅炉运行中的燃烧稳定性问题、结渣问题、烟温偏差问题是关系到电 力生产的安全、高效等重大问题，值得深入研究，这也正是本论文的主要研究内容。 1 3 煤粉燃烧理论与技术研究综述 对煤粉燃烧理论的研究，是加深对煤粉燃烧过程机理认识的需要，也是指导煤粉燃烧设备 的设计及运行的需要，从根本上说是实现煤粉的高效、低污染燃烧的需要。尽管人类用火的历 史有几十万年，但直到十八世纪中叶对燃烧的本质才开始有所认识，而对煤燃烧的研究重视则 华中科技大学博士学位论文 是住二十世纪七十年代，由丁能源危机，煤作为主要的一次能源迫使各国必须深入研究，在这 以后的儿十年里，煤燃烧研究非常活跃，涉及到各个领域，如煤的结构、热解、着火及燃烧特 性，气蚓两相流动，辐射换热，计算燃烧学等p ”j 。 燃烧设备的起码要求是要保持着火的稳定，即使短时间严峻条件的出现亦不至于熄灭，且 不希望燃烧时火焰脉动。着火后按要求发生剧烈的燃烧化学反应，直至燃烬和适度冷却后离开 燃烧室，还要防止结渣。 1 3 1 煤粉气流的火焰稳定 煤粉着火的传统观点是：一次风中的煤粉着火靠卷吸回流和炉内高温烟气来加热，其主要 影响冈素是煤的挥发份和次风量，煤粉着火以后二次风应及时分批加入，为有利于着火稳定， 应保证合适的炉膛截面热强度以保证燃烧器区域有较高温度。 k u n d u ，w o l a l l s k i 对层流煤粉气流绕流v 型钝体的火焰稳定问题作了实验研究，还进行了二 维煤粉气流燃烧过程的数值计算。研究者注意了两相流中煤粉颗粒的运动惯性比气体人，冈而 住层流中取州不同的扩散系数作浓度分布的近似计算，网此，即使在小r e 数气俐两相中颗粒 和气体也是有相对滑移的。由此可计算山煤粉气流在钝体后的温度分布以及煤粉挥发物和氧的 浓度分布，从而分析了不同参数( 米流速度、温度、煤粉浓度、氧浓度和钝体尺寸) 下煤粉火焰 的灭火临界条件。计算得剑的层流煤粉的灭火条件是和实验结果接近的。但是，沃朗斯基朱考 虑流线弯曲时煤粉颗粒的离心作崩，而且还只是分析了小雷诺数( r e = 7 0 0 2 1 0 0 ) f 的层流煤粉 火焰的稳定问题【”“”。 对我国r 程实崩的旋流式煤粉预燃室的计算和实验( 粒径2 0 1 0 0um ，一次风旋流数 s = o 2 8 ) 表明，煤粉喷出旋流叶片后不远处就有很多颗粒集中在约9 0 0 的高温区域，此处煤粉 的局部质量浓度为1 3 k g ( 粉) m g ( 气) ，而原来一次风中的煤粉浓度为0 3 o 5 ( 粉) ，k g ( 气) 。 实验测得，此局部区域中的氧浓度也较高( 1 0 ) 。这个“三高区”高煤粉浓度、高温和较高氧浓 度的区域) 就是保持煤粉火焰稳定的煤粉着火有利区。 在同流区边缘的这个局部区域中煤粉能有较高的浓度是因为一次风旋流强度较小，煤粉 比气体有较人的轴向运动惯性，和煤粉一起喷出的气体有相对的滑移和分离，气体较多地贴着 圆锥形肇面流动，煤粉则在同流区的边界集中，就形成了“三高区”，船形体火焰稳定器较好地 体现了“三高区”稳燃原理。煤粉颗粒在此局部区域中被迅速加热、升温，很快析出挥发物并 着火燃烧，冈而成为稳定的煤粉着火有利区。合理设计的预燃室煤粉颗粒经过此区域着火后， 由r 根部一次风和出口_ 二次风的及时送入，着火的煤粉就分散剑含氧充分的主气流中去，有利 一十_，_一 4 华中科技大学博士学位论文 于煤粉的迅速燃烬和继续升温。当旋流式煤粉预燃室中一次风旋流强度过大时( 旋流数s o 6 ) ， 煤粉颗粒由丁- 离心作用而会被迅速甩向筒壁，颗粒较长时间处于靠近壁面的温度不高的主气流 中，未能形成“三高区”，煤粉不易着火，火焰不易稳定。 “三高区”的稳燃原理在解释和稳定煤粉燃烧方面已取得了较好的成功和应用事例。但在 其着火过程的燃烧学分析方面还希望做进一步的工作”】。 1 3 2 煤粉火焰稳定燃烧技术 火焰稳定技术在我国的发展很快，尤其是各种煤粉燃烧器及其稳燃技术研究成果很多m 】。 虽然目前有各种各样的煤粉燃烧器存在，但就其机理而言，可分为旋流式燃烧器和直流式燃烧 器2 人类。 旋转射流和直流射流的流动特性有明显的差别：( 1 ) 旋转射流不但有轴向速度、径向速度， 而且还有切向速度。其显著特点是产生了同流区，在同流区中，轴向速度是反向的，旋转强度 愈大，同流区尺寸也随之增_ 人。( 2 ) 切向速度衰减很快，轴向速度衰减较慢，但比直流射流衰减 快得多，冈此住同样的初始动昔f ，旋转射流射程短。( 3 ) 旋转射流的扩展角比直流射流人，旋 转强度加火，扩展角随之扩大。旋转射流中的一二次风混合很强烈，但难以控制，一般火之过 甲i 。 132 1 旋流式燃烧器 旋流式燃烧器分别为： ( 1 ) 舣蜗壳煤粉燃烧器。 ( 2 ) 单蜗壳一扩锥型煤粉燃烧器。 ( 3 ) 切向叶片式旋流煤粉燃烧器。 ( 4 ) 一次风替换型( p a 殉旋流燃烧器。这种燃烧器宜于燃烧低挥发份煤种，因为用热风替换 乏气作为一次风以后即使是在直吹式制粉系统中也能用上热风送粉。 ( 5 ) 轴向叶片式旋流煤粉燃烧器。除了用轴向叶片使二次风旋转以外，一次风可不旋转，也 有的在出口处装有扩锥；有些改型设计的旋流式煤粉燃烧器还具有能燃烧劣质煤和低负荷稳燃 的功能。这种新型燃烧器的结构具有2 个显著的特点：是在次风通道的外壁内侧上布置了 来复线型的凸条，可起到弥散煤粉的作用；二是将二次风的旋流蜗壳改成大风箱结构，可改善 _ 二次风分配和保持阻力不过大。工业试验及应用表明，这种旋流燃烧器解决了在低负荷或煤质 较差【况时燃烧不稳的问题，使锅炉具备了在5 0 负荷f 断油调峰的能力f “”。 ( 6 ) i h i - w r 旋流煤粉燃烧器。这种日本石川岛播磨重【：业株式会社( i h i ) 生产的燃烧器，在 一_-_-一 5 华中科技大学博士学位论文 入口处采用一台卧式旋风分离器，可使煤粉浓缩，由低负荷喷口喷出。低负荷时该分离器单独 运行，高负荷时该分离器还被旁路一部分一次风。由于从低负荷喷口出来的始终是浓煤粉空气 混台物，因此它在任何负荷下均有利于着火的稳定。试验结果表明，这种燃烧器能够在其负荷 的l o 1 5 的最低出力卜运行。 f 7 ) p w 型旋流燃烧器。普华煤燃烧技术开发中心的p w 型旋流燃烧器的二次风分3 级，每 级用3 根喷枪喷入，着火稳定性很好：一二次风掺混合理且调节灵活系其关键。 1 322 直流式燃烧器”“】 人部分直流煤粉燃烧器布置在煤粉炉炉膛的四角或其附近，气流射向炉膛中的假想切圆， 在炉瞠中合起来形成火焰圈，向上汇集成略有旋转的上升火焰。这种煤粉燃烧器的气流和火炬 之间的相互影响的作用很重要。 对r 燃烧器，国内外学者进行了广泛的研究，为适应煤质变化、凋峰、降低污染，开发了 许多新i 煤粉燃烧器。 钝体燃烧器。其主要原理是加强卷吸，后继研究发现，由丁二煤粒的惯性而产生局部煤粉富 集。良好设计的钝体燃烧器可实现低负荷( 5 0 6 0 ) 稳燃和适应煤种变化的要求，还可燃川劣 质煤。 多功能船形体燃烧器。这种燃烧器利用船体型火焰稳定器，使煤粉气流在喷口射出后不远 处，形成一束腰射流。在束腰部的两侧外缘形成高温、高氧和高煤粉浓度的“三高区”，成为引 燃煤粉气流的良好着火源，从而达到稳定炉内燃烧的目的。可在低负荷下不投油和启动时节省 点火用油，能较好地适应实用煤种的较= 幅度的变化。 带有乏气分离器的褐煤直流燃烧器。褐煤的特点是挥发份高、灰分大、灰熔点低，有些年 轻褐煤的水分特别高。在燃年轻褐煤时，在直吹式制粉系统中必须抽取高温炉烟作为干燥剂。 由r 人量惰性成分和水蒸汽的存在使燃烧器出口的煤粉气流不易着火，德国、波兰等国的方案 是将从磨煤机来的煤粉空气混合物经过燃烧器入口处的旋流乏气分离器后，浓煤粉空气混合物 由r 部两层喷口喷入炉膛，含粉较少的乏气则在着火区上方的乏气喷口喷入，从而提高了着火 的稳定性。经验表明，这种系统不适宜于水分和灰分含量之和小于6 0 6 5 的褐煤，因为这 时在燃烧器区域的炉膛内会使火焰温度过高而引起结渣。 宽调节比( w r ) 直流燃烧器。美国c e 公司生产的这种摆动式直流燃烧器，在可摆动的一次 风喷口内装设水平放置的三角形扩锥。扩锥促进卷吸混合，有利于提高煤粉气流的着火性能， 使铡炉在低负荷f 也能有较好的燃烧稳定性。使用这种燃烧器时锅炉能达到较大的负荷调节比， 冈此义称之为宽调节比喷口。由于这种煤粉燃烧器的一次风管和喷口相连的弯头中煤粉向外 6 华中科技大学博士学位论文 侧分离，造成煤粉浓度不均匀，利用中间隔板使这种浓度差异一直保持到喷口，从而达到提高 煤粉浓度、进行铅直方向浓淡燃烧的目的。这也有利于整个喷口的煤粉气流容易着火和在低负 荷下保持燃烧稳定。这种结构和喷口处带有不大的翻边扩锥出口菸同使用，可以在低负荷( 对于 贫煤4 0 6 0 ，对于烟煤3 0 ) 不用油助燃保持稳定燃烧。 u 形或w 形火焰直流煤粉燃烧器。u 形或w 形火焰宜于用来燃烧难着火的煤种，因为一 二次风混合可灵活明确地加以控制。还可以组织高浓度煤粉着火。当燃用挥发份低于4 的无 烟煤粉时，只需r j 锅炉总热量7 的油助燃即可保持稳定燃烧。 复杂射流燃烧器。利用另外的高速射流可产生回流区。并卷吸高温烟气加热主气流并使之 着火a 这类燃烧器使用的射流形式主要有同向射流和逆向射流2 种，其中同向射流燃烧器有： a 扁平射流( 风铲式) 燃烧器；b 火速差同向射流燃烧器：c 大速差射流型双一次风通道通用煤粉 土燃烧器；d 不对称射流( 偏置射流) 燃烧器。逆向射流燃烧器有：a 单股反吹射流燃烧器；b 多 环形逆向( 多股) 射流燃烧器；c 逆向复式射流燃烧器。 夹心风式直流燃烧器。在一次风喷口中间喷出股速度较高的由二次风分出的夹心风，其 着火则是靠窄长一次风口强烈卷吸炉气米保证的。可防i e 一次风气流的偏转贴鹫，在煤粉着火 后义可及时补充一些空气。 犁形燃烧器。相当丁二把船形体切成两、 ，然后首尾相邻地倒装，也能产生“二高区”。 p m 燃烧器。p m 燃烧器的技术关键是浓淡燃烧。实际运行中发现，这种燃烧器除了能够大 幅度降低n 0 x 生成量之外，还具有很好的低负荷稳燃性能。 变异浓度煤粉燃烧器。为了弥补由于次风管道弯头的分离作用而使得夹心风切向燃烧器 中相对两角的向火侧的煤粉浓度降低的缺陷，在该两角一次风管道弯头后加上变异管和隔板， 使煤粉浓度高者由背火转为向火( 另两角一次风管道内只加隔板) ，这样四个角均为浓煤粉气流 向火，淡煤粉气流背火，从而取得了明显的稳燃效果。 水平浓淡煤粉燃烧器。_ l l ；| 百叶窗煤粉浓缩器，把一次风煤粉气流分成高浓度煤粉气流，在 向火侧的浓喷口喷入炉膛以及另一股淡煤粉气流，在背火侧的淡喷口喷入炉膛。两股气流在同 一水平面上，形成水平浓淡燃烧。试验结果表明，水平浓缩煤粉燃烧器与普通燃烧器相比可以 缩短煤粉气流的着火时间，提高燃烧区域温度和煤粉的燃烬率。 煤粉浓淡分流及分路燃烧装置。该技术把垂直浓淡燃烧与预燃室结合起来。该技术用于燃 用福建低挥发份无烟煤己取得了较好的效果。 一次风更替口a x ) 技术，切向燃烧炉如配直吹式制粉也可用p a x 技术以达到热风送粉的目 的。 7 华中科技大学博士学位论文 1 4 煤粉火焰稳燃技术的发展前景 近几年来，我国电力工业持续发展，每年投产的新机组已连续儿年保持1 0 g w 以上，大容 蕈火电机组曰益增多。随着发电机组日益向火容量、大机组发展，以及环境保护的要求和意识 的增强，电力工业对煤粉燃烧提出了越来越高的要求，概括起来主要有：燃烧的高效率、燃烧 的稳定性、低污染以及良好的煤种适应性和快速负荷变化适应性。其中快速负荷变化适应性是 农业生产的季节性等因素，对电力生产提出的要求，这种变化程度可用“电网负荷峰谷比” 表示。西方国家的峰谷比一般都较大( 美国为1 ：o 2 5 o 3 0 ，德国为1 ：o 2 0 o 5 0 ) ，我国一般为 1 ：o 7 0 左右。电网调峰的方法是多种多样的，有专用的调峰机组，也有采用频繁的起停方式， 更多的又是更方便经济的调峰方式是维持原有机组在低负荷下运行，其中的关键技术是锅炉低 负荷燃烧的强化和火焰稳定性。 但是，能够同时满足上述要求的燃烧技术目前尚不多见，现有技术人多从某个方面，如稳 燃( 包括低负荷稳燃及劣质煤稳燃) 、低污染等方面入手来解决燃烧问题。国内技术多从稳燃方 面着手，而国外技术则以低污染( 低n o x ) 为主【3 4 。”。 煤燃烧过程是一个非常复杂的湍动流动和化学反应过程，贯穿 二燃烧器至炉膛f 燃烧室) 出 口的全过程。就稳定燃烧技术而言，除了对燃烧器部分的行为理应进行深入研究之外，显然对 炉膛( 燃烧室) 内部所发生的所有行为也应预以足够的重视，且应优先研究其流动行为( 湍动过 程) 。否则可引起热偏差，严重时可引起过热器和再热器的局部超温爆管。迄今为止，着眼，燃 烧器内外行为以稳定火焰和组织炉内良好燃烧的技术与理论已取得了很多突破和进展，有的已 取得良女r 效果，如燃用劣质煤、减少飞灰含碳量、低污染、防结渣、煤种的适应性f 互换性) 、 减少点火埘油和满足凋峰要求等。但仍然存在一些问题，虽然采取了一些指施，效果仍不理想。 这些问题的解决，除了有待1 二燃烧理论和稳燃技术的突破外，与对炉瞠( 燃烧室、内空间进行的 复杂行为的研究不够也有较大关系。 、当然，就目前理论和技术状况而言，深入研究炉内行为还有很多困难，特别是燃烧、流动 和化学反虑的机理研究更是这样。尽管如此，炉内毕竟是煤燃烧和反应过程进行的主要场所， 对炉内行为如研究得不全面彻底，现行的诸多问题的突破是难以实现的。期待和相信在不久的 将来，将会取得许多理论和技术上的重要突破。 1 5 电站锅炉运行中炉内结渣问题的研究 我国电站锅炉燃用煤质较差且多变，约有半数在不同程度上属于易结渣类型。从现有大机 组实际运行情况看，有相当程度的机组为不同程度的结渣问题所困扰。结渣一旦发生，轻则会 华中科技大学博士学位论文 使传热减少，导致锅炉效率降低、n o x 排放增加等；重则会导致机组降负荷运行或停炉，严重 影响锅炉运行的交全性和经济性。从长远看，我国多数主要动力煤产区都富藏灰熔融性温度很 低的煤种，所以对于采用常规煤粉燃烧方式的锅炉来说，炉膛结渣将一直是设计和运行上需要 认真对待的问题，随着机组容量的增大而似乎显得更为突出。明显的事例如北仑港电厂1 号机 组6 0 0 m w 锅炉炉膛因严重结渣引起爆破事故，导致严重的设备损坏和人员伤亡。 结渣的本质可以概括地表述为：当温度高于灰熔点的烟气冲刷受热面时，烟气中熔融的灰 渣粘附剑受热面上，造成结渣。这里关键的因素有三点：一是燃料的灰熔点；二是气流的温度 高于灰熔点时，气流中的灰渣才呈熔融状态；三是这样的气流只有冲刷受热面时，才会造成结 渣。因此，燃煤锅炉的炉内结渣既是一个物理化学过程，也是一个非常复杂的流体力学过程。 影响结渣的因素较多，不仅与煤质特性( 灰熔点、灰成分、灰粘度等) 有关，还与炉膛热力参 数、燃烧器的结构与炉内空气动力工况、锅炉运行参数等密切相关。 关于积灰结渣机理、煤质对结渣性能的影响，国内外这方面的研究文献有很多”“。由丁 绪渣主要是煤中矿物成分发生作用的结果，若煤中含有较多的碱性矿物质、黄铁矿等，则在加 热过程中易形成低熔点的共熔体。为判断不同煤种在燃烧时的结渣性能，国内外学者提出了许 多判别方法。但实际上单一的结渣性能指标准确性都不高，目前运行中* 遍使用的是测定b 灰 附熔融特性( 按g b 2 1 9 7 4 规定，测定初始变形温度d t 、软化温度s t 及熔融温度f t ) 。易结渣 煤种的灰分含鼙越高，对锅炉运行越不利。 文献( 4 “”重点针对四角切向燃烧炉内空气动力工况及运行参数方面分析炉膛结渣的原冈， 并提出相应的解决防i r 措施，具体分析如下： 1 、炉内实际切圆 切向燃烧方式由丁具有燃烧稳定雨i 对不同煤种的适应性广等优点，在国内外燃煤锅炉上得 刮了广泛的应用。但若切圆直径等参数选择不当时，会造成气流贴壁刷墙，引起炉膛结渣。切 向燃烧在炉内形成强烈旋转上升的气流，气流晟人切向速度的联线构成炉内实际切圆，炉膛中 心是速度很低的微风区，这就是切向燃烧锅炉炉膛内空气动力场的特点。实际切圆是切向燃烧 的一个重要参数，它对炉膛结渣、稳燃以及炉膛出口的烟速、烟温偏差都有重要的影响。实际 切圆偏人则易引起结渣，实际切圆偏小则影响燃烧稳定性，因此，保证适中的实际切圆直径1 f 常重要，影响实际切圆直径的主要参数有( 1 ) 安装切圆直径，( 2 ) 燃烧器高宽比，( 3 ) 燃烧器 的间隙率，( 4 ) 一、二次风动量比，( 5 ) 燃烧器喷口总面积与炉膛截面积比，( 6 ) 燃烧器摆角 等，文献【4 ”给出了实际切圆的经验公式及应用范围，由于炉内流场的复杂性及多因素影响， 经验公式有一定程度的局限。一般地说。实际切圆相比炉膛截面的当量直径的范围在o 扯o 8 之 间，综合考虑煤质特性及稳燃、结渣问题，建议对丁烟煤或易结渣煤，取偏小值，对于无烟煤 9 华中科技大学博士学位论文 及难结渣煤，取偏大值，如某台6 7 0 t n l 烧无烟煤锅炉，运行结渣严重，冷态试验发现实际切圆 太大，相对直径约为o ，8 5 ，后将燃烧器的安装切圆直径由巾8 6 0 m m 改为巾6 3 0 m m ，改造后冷态试 验测得的实际切圆相对直径约为o 6 0 ，运行表明较好地解决了结渣问题。再如某台2 1 0 0 讹烧烟 煤锅炉，运行结渣严重，冷态试验发现实际切圆太大，相对直径为0 8 0 加8 5 ” 2 、一次风射流刚性 刚性是抗偏转能力的度量，它与喷口的结构及射流的动量有关，细长型喷口射流刚性比矮 胖型要强，当一次风射流动量增大时，气流抗偏转能力增强。 3 、射流两侧补气条件差异 射流两侧补气条件主要由炉膛截面长宽比、假想切圆直径、燃烧器组高宽比确定。对炉膛 截面长宽比大的炉膛，燃烧器轴线与两侧墙间的夹角差增大，当假想切圆直径增大时，也导致 同样的结果。燃烧器轴线与两侧墙问的夹角不等，造成射流两侧补气条件差别大。由补气条件 差异而引起的作用在射流两边的压差，使气流容易贴边。因此四角炉炉膛截面长宽比一般应小 于12 。 4 、燃烧器组长宽比及燃烧器喷口间隙 燃烧器组高宽比及燃烧器喷口间隙也影响射流两侧补气条件。当燃烧器组高宽比越大时， 燃烧器组中间部分从上下两侧获取补气的条件越差，射流偏转加剧。对于高宽比较大的燃烧器， 最容易偏斜的射流是在燃烧器中部，一般地说，间距可起到气流迎风面和背风面两侧压差平衡 作用，分组后实际切圆直径可相应减小。 文献推荐了有关s ，b 值。 5 、二次风动量比 一次风速主要根据煤粉着火的需要和火焰传播速度选取，以及煤粉的输送：二次风主要是 根据风粉气流扩散混合燃烧和焦碳燃尽的需要选取。一次风射流偏转的主要原因之一是由于上 游邻角横扫过来的贯性力f ，f 是由上游一、二、三次风混合后形成的综合动量所决定的，特 别是一、二次风混合后形成的综合动量，一、二次风动量比 ，l 删加j w j 越大，则一次风射流偏 转程度越大，炉内实际切圆越大，越易引起结焦。一般来说，无烟煤、贫煤的”2 w 加，w ，取3 4 2 ， 烟煤的州加2 ”，取1 5 3 5 【5 ，l 。 1 6 减小大容量煤粉锅炉烟温偏差的研究探讨 四角切向燃烧锅炉以其燃烧充分，炉内热负荷分布均匀，煤种适应性好等优点在我国火力 电站中广泛采用。在常规的锅炉中，来自炉膛四角的一、二次风大都按同一切圆方向射入炉内， 炉内气流混合旋转上升，在炉膛出口仍然存在着较大的烟气残余旋转，因而导致炉膛出口水平 华中科技大学博士学位论文 对流烟道两侧的烟温偏差，特别是，随着锅炉容量的增大，烟温偏差更加增大，很容易造成过 热器、再热器超温爆管，据统计口4 1 2 0 0 m w 以上机组锅炉“四管”爆漏引起的非计划停运时间 约占机组整个非计划停