（工程热物理专业论文）w型火焰锅炉变工况运行及其燃烬率的研究.pdf

摘要 ” w 型火焰煤粉锅炉由于其低负荷时的稳定性以及能有效利用劣质煤、无烟煤 作燃料，近十年来受到国内关注。旧前我国已经有十台w 炉机组投入运行，虽 然它们的总体效率令人满意，但仍部分存在结渣严重，飞灰含碳量过大等问题。 在此背景下，浙江大学热能所与美国巴威公司合作建立了国内最大的热态w 炉 试验台，以便更准确地模拟电站w 炉的运行，寻求上述问题的解决办法。 该试验台功率为3 5 2 m w ，设计时以模化理论为依据，采用了巴威公司设计 制造的p a x 燃烧器，在设计结束时进行了热力校核计算。在热态试验前，采用 冷念试验研究了p a x 燃烧器及w 炉的流场特性。 ) 本文汇总了十二个工况的热念试验结果，分析了锅炉负荷变化，p a x 燃烧器 调节、煤粉浓度变化，过量空气系数变化对w 炉的炉内温度，排烟温度，n o 。 含量的影响，得出了些有价值的结论。 此外，本文还对w 炉燃烬率进行了理论和实验研究。在理论部分详细地介 绍了炭焦的经典燃烧模型和c b k 模型一循者着重考虑了颗粒燃烧后期的反应过 程，故适合推广到大型煤粉炉中应用。在实验部分，分析了影响燃烬率变化的一 些因素，c b k 模型对实验结果可提供合理的解释。卜 ， 关键浏：螋丛x 燃缝建趟匿畦撞丝 摘要浙江大学硕士学位论文 a b s t r a e t d o w n s h o tf l a m ef u r n a c eg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na tc h i n ai nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s eo f i t ss t a b i l i t ya tl o wl o a da n di t se f f e c t i v e n e s so fb u m i n gc o a l so f l o w r e a c t i v i t y b yn o w t h e r ea r e t e ns e t so fs u c hf u r n a c e so p e r a t i n gi nc h i n a a l t h o u g ht h e i rt o t a le f f i c i e n c ya r es a t i s f y i n g ，s o m e p r o b l e m sd oe x i s ts u c ha ss e v e r e l ys l a g g i n g ，h i g h c a r b o np e r c e n t a g ei n f l y i n ga s h ，e t c u n d e r s u c hb a c k g r o u n da n di nc o o p e r a t i o n b a b c o c k & w i l c o xc o m p a n yi nu s a a n dt h ei n s t i t u t ef o r t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n go fz h e j i a n gu n i v e r s i t yb u i l tt h el a r g e s tt e s t i n gd o w n s h o tf l a m e f u m a c ei nc h i n ai no r d e rt os i m u l a t ef u l l s c a l ef u r n a c ep r e c i s e l ya n df i n do u te f f e c t i v ew a y st o s o l v ep r o b l e m sm e n t i o n e da b o v e t h et e s t i n gf u r n a c e sf u l ll o a di s3 5 2m wa n di sd e s i g n e do nt h ef o u n d a t i o no fs i m u l a t i n g t h e o r y t w op a xb u r n e r sw h i c hw e r em a d eb yb a b c o c k & w i l c o xc o m p a n y h a v eb e e ne q u i p p e d o nt h ef u r n a c e a tt h ee n do f t h ed e s i g n ，ac r i t i c a lt h e r m a lc a l c u l a t i o nw a sc a r r i e do u t a t i e rt h e f u r n a c eh a db e e nb u i l du p ，as e r i e so ft e s t su s i n gc o o l a i r s i m u l a t i o nh a v eb e e nd o n et os t u d yt h e f l o wp a t t e r no f t h ep a xb u r n e ra n dt h ef u r n a c e b a s e do nt w e l v et e s t so nt h ef u r n a c e ，t h i st h e s i sa n a l y z e ds e v e r a lf a c t o r s s ( 1 0 a dc h a n g e ， a d j u s t m e n to f p a xb u r n e r , d i f f e r e n tc o a lc o n c e n t r a t i o n ，d i f f e r e n te x c e s sa i r ) e f f e c t so nt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o ni nf u r n a c e ，s m o k et e m p e r a t u r ea tt h ec h i m n e ye x i s t ，n o 。d e n s i t yi ns m o k e ，s o m e v a l u a b l ec o n c l u s i o n sw e r e g i v e no u ta f t e rt h ea n a l y s i s t h es e c o n dp a r to f t h i st h e s i ss t u d i e dt h eb u r n o u tr a t eo f d o w n s h o tf l a m ef u r n a c et h e r o t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l y t h ec l a s s i c a lm o d e lo fc o a l - c h a r b u r n i n ga n dc b k ( c o a lb u r n o u tk i n e t i c s ) m o d e lw e r ei n t r o d u c e dh e r ew i t hd e t a i l s t h el a t e rp u t se m p h a s i so nt h el a t es t a g e so fc o a l - c h a r b u r n i n gs oi t i ss u i tf o rf u l ls c a l ef u r n a c e b a s e do nt h et e s t sr e s u l t s ，s e v e r a lf a c t o r sr e l a t e dt ot h e b u r n o u tr a t eh a v eb e e na n a l y z e da n ds o m ea d v i c ew e r eg i v e no u ta b o u th o wt o i m p r o v et h e b u r n o u tr a t e k e y w o r d s ：d o w n s h o t f 1 a m e f 。u r n a c e p a x b u r n e rb u r n i n g b u r n o u t - - 。r a t e s i 婴垡! 曼丛q n ，扫 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 1 1 引言： 第一章绪论 自第一次工业革命以来，人类社会的生产力得到了迅猛发展，人类的生活水 平也随之不断提高，全世界的能源消费也在不断增长。中国作为一个发展中国家， 这种趋势表现得非常明显。据权威部门统计，我国的能源消费自8 0 年起变化如 下： 表卜1我国能源消费构成表 年份能源消费总量所占比重( ) ( 万吨标准煤)原煤原油天然气水电 1 9 8 06 0 2 7 57 2 22 0 73 14 0 1 9 8 57 6 6 8 27 5 81 7 12 24 9 1 9 9 09 8 7 0 37 6 21 6 62 15 1 1 9 9 51 3 1 1 7 67 4 61 7 51 86 1 1 9 9 61 3 8 9 4 87 4 71 8 01 85 5 1 9 9 71 4 2 0 0 07 3 51 8 62 25 7 从上表可以看出，1 9 9 7 年的能源消费总量是1 9 8 0 年的两倍多，增长速度 很快，其中煤碳一直占很大比例7 3 5 7 6 2 。 电力作为一种清洁、高效、便利的能源，已经广泛应用到工业、农业、交 通、运输等各个行业，成为不可缺少的动力基础。在电力工业中，国家始终坚持 超前发展的策略【2 】。解放以后，特别是8 0 年以后，我国电力工业取得了快速发 展。到9 7 年底，我国装机容量超过1 0 0 0 力千瓦的省已经达到九个。虽然近几 年我国大力发展水电、核电，火电仍是电力工业的重头。据统计，自9 0 年起， 电力工业中各类发电所占的比例为【1 】： 表卜2我国电力工业中各类发电所占比例 时间 1 9 8 01 9 8 51 9 9 01 9 9 51 9 9 6 火电 8 0 6 4 7 7 3 1 7 9 3 7 8 0 2 4 8 1 5 4 水电 1 9 _ 3 6 2 2 6 9 2 0 6 3 1 8 4 8 1 7 1 3 核电 00 01 2 8 1 3 3 可以看出，火力发电约占总发电量的7 7 一8 2 。这里除了很少一部分用油、 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 天然气作燃料外，其余都是以煤作为燃料。所以煤是我国能源，特别是电力工业 中的主要原料，而且由于水电、核电发展起步晚，建设周期长，火力发电在未来 很长一段时间内仍将占有绝对优势，因此煤也将在电力工业中长期作为重要的燃 料。 我国煤炭资源的分布很广，从整体上说，北方的煤炭资源丰富，南方煤资源 较少。而且我国煤资源中，无烟煤、贫煤、劣质煤占了约2 0 ( 无烟煤约有1 6 ) ， 是世界上为数不多的几个难燃煤比例较高的国家1 6 j 。此外，随着我国煤炭的不 断丌采，煤质呈不断下降趋势，晋东南及川南一默西无烟煤己在进一步开 发，预计电力工业燃用的贫煤、无烟煤的数量还将增加，如何高效的燃用此 类煤种是一个很重要的问题【4 j 。 1 2 我国火电厂存在的问题： 煤资源分布不均加上工业发展不平衡以及运输等问题，造成各个电厂用煤多 变，发电机组很难按照设计煤种运行，许多电厂要用无烟煤、贫煤等劣质煤作为 燃料，给安全运行带来了很多隐患1 5 j 。 对于难以按照设计煤种运行的锅炉机组，存在以下问题：当燃用煤种的挥发 分比设计煤种高时，煤较易着火，着火点也较低，会引起锅炉结焦、燃烧器被烧 坏等问题；当燃用煤的挥发分比设计煤种低时，煤不易着火，稳定燃烧困难，会 引起锅炉熄火，出力不足等问题【j j 。 随着我国电力工业的迅速发展，用电紧张的问题已经得到了缓解，现在出现 的新情况是有些地区用电量少于供电量，而且随着人们生活水平的提高，白天、 夜日j 的用电峰谷差越来越大，不但有小机组要参加调峰，越来越多的大机组也要 参加调峰( 如2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、3 5 0 m w 机组) ，这给电厂运行带来了新问题。 对于要参加调峰的锅炉机组，锅炉要满足能变负荷运行的要求，一般要求能 在额定负荷的4 0 5 0 的低负荷下稳定运行，并且能较快地改变负荷。为了在 低负荷时稳定燃烧，机组常常要采用投油运行，大大增加了运行成本。为了降低 运行成本，往往通过对燃烧器的改造来满足低负荷稳燃的要求。最常见的是采用 浓淡燃烧技术，利用高浓度煤粉快速加热、快速燃烧带动淡相煤粉稳定燃烧【8 】【9 1 。 现在常用的燃烧器有：船型钝体燃烧器1 1 13 1 ，大速差燃烧器，扁平射流燃烧器， 带预燃室的燃烧器i l 列等，此外还有浙江大学丌发的浓淡燃烧器，这些燃烧器都 已在电厂运用并带来显著的经济效益。同时我们也看到，燃烧器改造后也会带来 一些问题。在低负荷下能够稳定燃烧的燃烧器，负荷升高后由于热负荷的提高， 燃烧器容易烧坏，锅炉会出现大量结焦，影响了安全运行。此外，低负荷时，还 引起飞灰含碳量的增加，降低锅炉效率。 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 在人类社会越来越关注环境的今天，工业污染引起了全社会的广泛关注。火 力发电厂作为用煤大户，其灰尘、s o x 、n o 。的排放量非常大，如何降低电厂的 污染物排放量成了科技工作者的重要课题。目前的除尘器已能消除烟气中9 9 以上的烟尘，而s o 。、n o 。的治理还是没有低成本的成熟技术可以运用1 3 1 。 1 3 本文研究内容： 随着以上问题的出现，我国开始从国外引进w 型火焰锅炉技术( 简称w 炉) ， w 炉由于其特殊的炉体结构，在与多种燃烧器结合之后，能克服许多现存于我 国电力工业的问题，对传统的四角炉使用中的缺点，也能有效克服【l5 。虽然我 国引进w 炉技术时问不长，机组数量不多，但仍让人们看到了其巨大的应用前 景和发展潜力。 w 炉技术在国外发展了半个多世纪，已经很成熟。但对于我国，w 炉的应 用时间短，运行经验较少，且国内煤质与国外又有很多差别。所以w 炉的研究 对我国电力行业具有重要的意义。 本文的研究内容主要是：在目前国内最大的w 炉试验台上进行变工况热态试 验，研究不同负荷，不同煤粉细度及燃烧器不同配风的情况下，对炉内温度分布、 排烟温度、n o 。的排放量、燃烬率等对比、分析，以求对其工业运用有一定指导 意义；通过对各工况下燃烬率的研究，讨论如何提高w 炉的燃烧效率。 参考文献： 】1 中国统计年鉴1 9 9 8 ，中国统计出版社，1 9 9 8 【2 1 中国电力自科全is ( 火力发电卷) ，中国电力出版社，1 9 9 3 3 1 吴生米，毕政箍：电站锅炉四角切同燃烧技术刍议，中国电力，v 0 1 3 2 ，n o 1 ，1 9 9 9 4 1 施圣康：电站劣质煤燃烧技术现状与发展方向初探，电力情报，n o 2 ，1 9 9 2 5 】何佩敖：我国电站锅炉燃煤特性的试验研究及展望，动力1 ：程，v 0 1 1 l ，n o 4 ，1 9 9 0 6 l 傅维标：无划煤在四角切向燃烧煤粉锅炉中庶_ l j 的前景分析。电站系统i ：程，v 0 1 1 0 ， n o 5 ，1 9 9 4 。 7 1 手盂沽：人容埴电站锅炉过热器，再热器温度偏著原冈及防i 卜对策，锅炉技术，1 9 9 2 3 。 【8 1 贾臻等：新刑煤粉浓缩燃烧技术的研究和席_ l j ，电力技术，1 9 9 2 。 9 】9闻柏苍：煤粉浓淡分流及分路燃烧装置及其发展前景，热能动力【：程，1 9 9 2 4 。 1 0 】傅维标等：人速筹射流燃烧技术的麻j l i j 现状及其前景，动力l ：程，1 9 9 0 1 。 【1l 】陈迪uj f ，韩才元等：劣质煤钝体燃烧器的热态试验研究，燃烧科学与技术，1 9 8 2 1 。 【1 2 】徐旭常，于云山臀：煤粉预燃室锅炉的试验研究，清华北人理一j ：学报，1 9 7 4 。 第一章绪论 浙江大学硕士学位论文 1 3 】徐旭常。于云山 _ l i j ，鼙热物理学报 【1 4 夏昭知，何佩敖 【1 5 】徐旭常，毛健雄 金庐、赵平：关于煤粉火焰稳定性和煤粉预燃室及火焰稳定船的作 1 9 8 8 3 。 角置切圆燃烧炉膛内燃烧器射流的偏转，动力 程，1 9 8 2 5 。 曾瑞良，陈吕和：燃烧理论与燃烧设备，机械工业出版社，1 9 9 0 。 4 d 第二章w 炉技术的发展及其在我因的应用浙江大学硕士学住论文 第二章w 炉技术的发展及其在我国的应用 本章主要介绍w 炉燃烧技术的起源、发展，分析国外几家著名的锅炉厂 家各自的w 炉结构及燃烧系统的特点，随后对我国目前已投运的w 炉做一统计， 对运行中的效果进行评价，并说明存在的问题。本章的意义在于介绍w 炉的发 展，说明本论文研究内容的工业背景。 2 1 引言： 现在存在于电厂锅炉运行中的一些主要问题有： 1 随着丌采量的增加，越来越多的电厂不可避免地要使用贫煤、无烟煤作 燃料。 2 越来越多的大机组要参加电网调峰，经常需要在几个小时内出满负荷降 为低负荷运行，或者由低负荷升到满负荷。 3 环保迫切要求电厂重视污染物排放，尽量采取措施减少有害气体、粉尘 的排放。 造成这些问题的原因是多方面的。如我国煤资源分布广泛而且煤质差别较 大，造成电厂用煤与设计煤种不符，这是很难在短时间内解决的。虽然改造锅炉 能解决部分问题，但往往投资大，而且会带来新的问题。较好的方法是采用新炉 型，也就是说在锅炉最初设计时，可以使其能够烧无烟煤、贫煤等难燃煤，而且 锅炉最好能在4 0 5 0 的低负荷时不用投油而能稳定燃烧。为此，几家大型锅 炉厂从国外引进了w 型火焰锅炉。下面来介绍一下有关背景知识。 我们知道，燃煤锅炉从其燃烧方式来分可粗分为三种： 第一：层燃式锅炉，这类锅炉的特点是有炉排，煤是堆积在炉排上燃烧的， 常见的炉型又分为固定式炉排锅炉和移动式炉排锅炉。固定式炉排锅炉的煤是间 断加进炉内的，其燃烧具有周期性，是小型工业炉的常见炉型1 2 2 。移动式炉排锅 炉容量一般比| j 者大，煤从入煤口不断加入炉内，然后在炉排上移动燃烧。多见 于中小型工业炉。两种炉型的共同特点是所用煤的粒径一般较大，容量一般都不 大，很少用于发电。 这种锅炉灰尘排放多，在炉内进行脱硫也往往只能达到 6 0 7 0 的效率，污染较严重。 第二章w 炉技术的发展及其在我国的应用 浙江大学硕士学位论文 第二种炉型是沸腾式锅炉，按照其沸腾状态又可分为鼓泡床锅炉和循环流化 床锅炉等。这种类型的锅炉有很多优点，例如炉内有大量的床料( 一般为石英砂 等1 ，可以在运行中迅速加热燃料，并且强化传热。由于床料是投入炉内燃料的 几倍，并且处于沸腾状念，锅炉可以在4 0 一1 2 0 的负荷内迅速调整，锅炉有广 泛的煤种适应性，能够烧很低热值的煤矸石、沈煤泥等。炉内的较低温度燃烧有 助于脱硫剂充分反应，保证低污染燃烧。目前这类锅炉还没有大型化，由于布风 板及j x l 机的限制，大型化存在着较大的困难。我国现在最大的沸腾式锅炉容量为 2 2 0 t h ，比起一般电站锅炉1 0 0 0 t h ，2 0 0 0 t h 容量，差距很大。 第三种炉型是煤粉炉( 又称悬浮炉) 。煤粉炉的特点是容量可以从3 5 t h 到 2 0 0 0 t h ，燃用煤粉粒径小，一般都是由磨煤机磨制煤粉，煤粉燃烧完全，适合大 容量电厂锅炉。目前使用最广的炉型是四角切向式煤粉炉。其燃烧器布置在炉子 的四角，煤粉气流切向进入炉膛，形成一个或几个切圆。在煤粉气流进入炉内的 过程中，由于受到上流气流的不断加热和炉内高温火焰的加热而迅速着火。四角 炉是目前我国电站锅炉中运用最为成熟的一种。但四角炉对于无烟煤、贫煤等劣 质煤的燃烧并不理想，而且没经过改造的四角炉难以在低负荷时仍能稳定燃烧。 四角炉的另一个明显的缺点是残余扭转的存在1 1 3 j 引起烟温偏差。由于切圆燃烧方 式，火焰气流在炉内是旋转上升的，其优点是增加了煤粉的停留时间，但烟气在 炉膛出口有残余扭转，使得烟气温度场和速度场在水平烟道内不均匀，这样就造 成了水平烟道内受热面温度偏差【l2 1 。偏差一般有5 0 。c 7 0 。c ，严重时达一百度 以上，给锅炉运行带来了隐患。虽然采取了切圆反烧技术如一次风小直径切 圆燃烧，二次风大直径反向切圆，三次风反旋等，但由于一次风中含有煤粉，其 初始动量很大，所以难以完全消除温度偏差。 为了以难燃煤特别是低挥发分煤为燃料，由美国的f o s t e rw h e e l e r 公司于 二战期间丌发研制了w 型火焰锅炉1 8 】。随后，英国的b a b y c o c k 公司，美国的 c e ( c o m b u s t i o ne n g i n e e r i n g ) 公司，同本的三菱重工都开发了自己的w 型火焰锅 炉1 2 j 。经过大量的试验和实际运行，这些公司生产的新型锅炉已经显示了四角炉 所不具备的优点：如能够燃烧无烟煤、贫煤、劣质煤等难燃的低挥发分煤，可以 在低负荷下不投油稳定燃烧。为此，美国的f o s t e rw h e e l e r 公司，燃烧工程公 司( c o m b u s t i o ne n g i n e e r i n g ) ，英国的b a b c o c k 公司，德国的m a n 公司在燃用 低挥发分煤时都推荐用w 炉。如美国f w 公司规定v ，( 1 3 ，c e 规定v ，( 1 5 ， 6 第= 章w 炉技术的查墨墨苎圭壅璺竺生里 塑兰查兰竺兰兰竺丝兰 一 英国中央电力局规定v ，( 2 。，都须采用w 火焰锅炉。图2 l 显示了一个电站 w 炉的截面图，由图可对此种炉型有一初步认识。 末 肼 图2 - 1 1 1 6 0 t bw 炉炉膛截面图 第二章w 炉技术的发展及其在我国的应用浙江大学硕士学位论文 2 2 国外w 炉技术概述： w 炉技术在国外已经发展了五、六十年，我国先期投产的w 炉都是由国外 引进的。要研究w 炉，还是应该先了解一下国外w 炉的发展以及国外各个生产 厂家的技术特点。下面简略的介绍几家世界知名公司的w 炉技术。 2 2 1 f w 公司的w 炉技术： 作为首家开发w 炉的厂家，美国的f o s t e rw h e e l e r 公司随着制造、运行w 炉的不断增加，其技术也日趋成熟。目前该公司已售出1 2 台容量在2 5 0 m w 至 5 0 0 m w 的大型w 炉，其中有四台燃烧收到基挥发分低至5 5 的无烟煤。 东方锅炉厂曾对f w 公司在西班牙的四台w 炉做过考察f 5 】【6 1 ，统计如下： 表2 - 1f w 公司的4 台w 炉统计表 电厂名称实际煤种挥发分不投油稳实际效等效可用 ( )燃负荷 室 系数 安波斯蒂拉电厂 7 61 7 5 m w 38 6 8 9 9 6 9 9 8 4 4 号5 号机组 5 0 m w ( 3 5 0 m w ) 安拉早斯电厂l 5 1 93 5 0 1 7 5 m8 6 8 9| 号( 3 5 0 m w ) w 潘特纽伏n o 3无烟煤烟煤 | 9 9 机组( 3 5 0 m w )( 5 0 )( 5 0 ) 5 7 61 9 1 8 从上表可以看出，各机组可用率高达9 6 ，所用煤种除潘特纽伏电厂外，其 余都燃用高狄分、低热值、低挥发分的无烟煤，运行稳定，低负荷可低至5 0 。 f w 公司设计的w 炉与其他公司相比，下炉膛较小而上炉膛较高。在5 0 年 代，f w 公司在大型w 炉的运行中发现，煤粉火炬并不能到达炉底的冷扶斗。 所以在以后的设计中减少了下炉膛的高度，增加了上炉膛的高度。这一设计的改 变使w 炉能充分地利用炉膛的容积和面积，从而可以降低烟气在整个炉膛中 第二幸w 炉技术的发展及其在我国的应用浙江大学硕士学位论文 的速度，延长煤粉颗粒的停留时间，更有利于提高燃料的燃烬率。 在f w 公司的燃烧系统中，每股煤粉和烟气的混和物通过输运管末端的 燃烧器入口分配器分成两股进入两个平行的旋风分离器，由分离器将部分空气从 排气管中排出使混合物浓缩。在每个燃烧器出口装有一个可调整气流直流度的装 置，调整其叶片与出口的距离，可以减小离丌燃烧器燃料气流的直流度，使得在 喷口出口处的直流燃料气流既可加热燃料又不使着火过于靠近燃料喷口川。多个 二次j x l 位于炉膛酊后墙的拱下。它们是将膜式壁的管子弯曲形成的，二次j x l 挡板 可将二次风按不同比例送至各二次风口以适应煤质、负荷的变化。 所采用的旋风分离器分为卧式旋风器和立式旋风器两种，如图2 - 2 所示。 由于f w 公司的w 炉一般都用来烧低挥发分的难燃煤，所以其制粉系统都 采用双进双出钢球磨煤机，这种磨煤机可以磨制难磨的高狄分煤，磨出的煤粉较 细( 一般无烟煤要求小于2 0 0 目的煤粉占8 5 9 0 ) ，易于充分燃尽。 2 2 2 英国b a b c o c k 公司的w 炉技术： 英国b a b c o c k 公司燃用无烟煤的w 炉，其结构和一般的w 炉相似，燃烧器 布置在炉膛的前后拱上，下炉膛较宽，上炉膛较高，上下炉膛间有一缩腰。该公 司w 炉的主要特色在其燃烧系统上。 图2 - 3 直流缝隙式燃烧器 9 苎三! ! 竺兰查竺查墨墨苎圭垒里竺壁望 堂兰苎兰坚兰竺竺兰 1 一一攻风进口z 一主燃托轴向叶片一节杆i3 一抽气控挡板l4 - - 抽气f i 5 - - 蔗糟气蠢分配籍l6 一奠风子分 l7 一螺炉护板8 - - - - 砍风籍9 一耐火 砖块- 1 0 - - 叶片1 l 一主麓烧t 囊l1 2 一点火抽括中心蟪i 1 3 一= 次风节挡轾控扦 ( a ) f w 公司的卧式旋风分离器 7 7 ( b ) f w 公司的立式旋风分离器 图2 2f w 公司的旋风分离器 第二章w 炉技术的发展及其在我国的应用 浙江大学硕士学位论文 1 ) 采用了直流缝隙式燃烧器，燃烧器前有或没有煤粉浓缩装置( 参见图 2 3 ) ： 2 )全部一二次风口在拱顶交叉布置，都垂直向下，在每只一次风喷口中 间( 或侧边) 都装有一个点火枪： 3 ) 蔼口为长方形，有较大的周界比，喷出的气流能卷吸大量的高温烟气， 有利于着火。 现在，该公司在燃烧器上加装旋风分离器以提高煤粉浓度。其炉子的结构 可参见图2 - 4 。 图2 - 4 英国巴威公司的w 炉结构图( 右为加装旋风分离器的燃烧器) 我国岳阳电厂2 号炉就采用了该公司的w 炉计术。 2 2 3 美国b a b c o c k & w i l c o x 公司的w 炉技术： 该公司w 炉的典型结构如图2 5 所示，在炉上采用了p a x ( p r i m a r ya i r e x c h a n g e ) 燃烧器。这类燃烧器的特点是：一部分二次风沿一次风周界与一次 风平行送入炉膛。一次风为直流，内、外二次风为旋流，其旋流强度可以通 过二次风环形通道内的可调叶片来调节，已保持适中的火焰长度，稳定着火 和燃烧。 p a x 燃烧器在一次风管上采用了煤粉浓缩技术，在煤粉管与燃烧器 第二章w 炉技术的发展及其在我国的应用浙江大学硕士学位论文 连接前装有一弯头，煤粉气流经过弯头时，在惯性力 的作用下，约有9 0 的煤粉和5 0 的一次风留在一次 风管内，其余约1 0 的煤粉气流和5 0 的一次风被抽 出作为乏气，这些乏气从锅炉的前后墙下倾送入。留 在一次风管内的混合物中又送入经过增压的热风，这 样燃烧器出口的一次风温度就提高了。乏气与二次风 配合，补充后期燃烧所需要的空气，同时降低n o ， 的，成并阻止火焰直接冲刷炉壁，避免炉内结渣 3 l 。 图2 - 6 表示了此种燃烧器的原理9 i 。 图2 - 5 加拿大巴威公司 w 炉简图 可以看到，美国b & w 公司的w 炉具有较多的调节手段，既可以调节p a x 燃烧器的内外二次风旋流强度，又可调节分级配风的各二次风比例。 图2 - 6p a x 燃烧器原理图 2 2 4 日本三菱公司的旋转w 形燃烧技术： 同本三菱重工c e 公司在四角切向喷燃和w 形燃烧技术的基础上对无烟 煤提出了c u f ( c i r c u l a r u s h a p e df l a m i n gf i r i n g ) 技术1 2 l ，其主要特征是： 1 ) 把燃烧器由四角切向喷燃移到炉墙中间切向喷燃，与炉内一假想圆相切， 构成切圆火柱： 第二章w 炉技术的发展及其在我国的应用浙江大学硕士学位论文 2 ) 燃烧器倾角向下1 5 。，在一定程度上构成w 形火焰，与上一个特点相结 合，在炉内形成旋转的w 形火焰； 3 ) 在燃烧器上部投入后置燃烧用空气( o f a ) ，延长了煤粉在炉内的停留时间， 并达到分级配风、减少n o 。生成的目的； 4 ) 采用p m 燃烧器和双进双出球磨机直吹式制粉系统，有利于实现最佳的 风煤比，还可以降低n o 。排放量； 5 ) 在下排燃烧器之下设置下部燃烧空气喷口( l f a ) ，防止煤粉掉入炉底， 减轻冷扶i | 缔渣。 幽酽 图2 7c u f 炉燃烧器示意图图2 - 8c u f 炉中旋转气流轨迹 三菱重工对垂直w 形火焰燃烧和c u f 燃烧进行了比较，认为后者结构简 单，便于维修，着火的可靠性更高，燃烧器的调节更容易，燃烧器数量较少。自 1 9 8 7 年以后，三菱重工就放弃了w 型燃烧方式。他们提出，当燃料的可燃基挥 发分大于1 2 1 5 时采用四角切向燃方式【2 】：当燃料可燃基挥发分大于8 1 0 时采用四角切向燃烧方式和p m ( p o l l u t i o nm i n u m u n ) 燃烧器；在挥发分小于 3 时采用c u f 燃烧方式和无烟煤p m 燃烧器。 2 2 5 小结： 典型的w 炉其炉膛分为上下两个部分，下炉膛较宽，为燃烧室。上炉膛较窄， 为燃烬室。一般下炉膛的深度比上炉膛大8 0 一1 2 0 ，而上炉膛的高度比下炉膛 大4 0 一2 0 0 。约有7 5 以上的燃烧过程是在下炉膛完成的，所以下炉膛被称为 燃烧室。从锅炉前后拱的燃烧器喷出一次风，风粉气流到达炉膛下部，煤粉颗粒 在燃烧过程中重量逐渐减轻，速度逐渐减慢，然后转1 8 0 度向上流动，进入上炉 膛，形成w 形火焰。 斑遂 。 = 葛 第二章w 炉技术的发展覆其在我国的应用浙江大学硕士学位论文 l 、w 炉燃烧技术主要具有如下的优点： a 1适合以无烟煤、贫煤、劣质煤等难燃的低挥发分煤作燃料： 它之所以具有此项优点，是因为它的结构充分满足了使煤粉稳定着火、 燃烧的条件。首先，w 型火焰炉的燃烧器喷出的一次j x l 方向是向下的，由于 重力作用，一次j x l 气流速度可以取较小值而不用担心会发生堵管等现象。这 样燃料在低扰动状态下进入炉内，从而提高了火焰根部温度，有利于煤粉迅 速而稳定的着火。 其次，w 型火焰炉的燃烧器一般都采用了煤粉浓缩技术，一次风气流 的低速( 1 0 1 5 m s ) 也有利于煤粉浓缩，这样就减少了风粉比例，使得一次 风粉的着火热减小，从而易于提高煤粉气流进入炉内的温度，更加有利于着 火【4 1 。 此外，当高温烟气从下往上流动时，一部分会回流至燃烧器出口加热煤 粉气流。还有| 后拱形成一个高温辐射屏蔽，提高了燃烧室对煤粉气流的辐 射加热，这也有利于煤粉气流的稳燃【s j 。 b ) 燃烧效率高，污染物排放少： 因为w 炉的特殊结构，炉内气流扰动强烈，炉内火焰充满度好，所以不 会象四角炉那样存在残余扭转而造成烟道内过热器、再热器出现大的温差， 再加上w 炉有很高的燃烬室高度，延长了未燃尽煤粉颗粒在炉内的停留时 间，有助于煤粉充分燃尽，从而提高了锅炉的燃烧效率。 火电厂的污染物排放量近年来引起人们的广泛关注。w 炉由于其合理的 配风，减少了n o 。的生成，从而减少了污染物的排放量。我们知道，锅炉烧 煤粉时排放的n o 。中有不少是热力n o 。，即送入炉内的空气中的n 2 在煤粉 燃烧的高温环境下分解成离子状态，和分解成离子状态的o 发生发应生成的 n o 。温度的高低对该反应速度影响很大，在高温区，如果有足够的氧，热力 n o 。的产量会大大增加，所以这类n o 。被称为热力n o 。w 炉在一次风中 采用了煤粉浓缩技术，在煤粉火炬的高温区，燃烧所需的氧气不是集中送入 而是采用分级配风的方法送入炉内的，这样就减少了高温区的氧浓度，继而 抑制了热力n o 。的生成【2 0 】。 c 1 炉膛高度较低： 相同容量的w 炉与四角切向燃烧煤粉炉相比，3 0 0 m w 机组锅炉高度比 后者低约1 0 m ，这可以弥补由于w 炉结构复杂而带来的水冷壁布置困难、造 价高等问题。 从以上可以看出，w 炉由于其特殊的结构设计，燃烧系统的设计，能够 较理想的用无烟煤等低挥发分的煤作燃料，减少污染物的生成、排放，能够 4 第二章w 炉技术的发展厦其在我国的应用 浙江大学硕士学位论文 保证锅炉机组在低负荷时不投油稳定运行。此外，它还能消除四角炉的一些 缺点，如扭转残余造成的水平烟道内过热器、再热器温度偏差，难以烧低挥 发分煤种等等。 2 ) 尽管w 炉有以上优点，它也有自身的缺蝌1 6 j ： a 1由于下炉膛过大，其断面热负荷较低，为保证低负荷稳定运行，必 须敷设大量卫燃带，如处理不当，易导致结渣，并可能引起过热器 受热面超温，在我国已经引进的几台w 炉中，都不同程度地存在以 上问题。 b ) 水冷壁与汽水管路布置复杂，由于燃烧器垂直向下布置，使风粉管道 布置困难，燃烧器等部件检修不便；水冷壁和燃烧器的吊挂、膨胀、 炉墙的密封、梁和柱框的设计均比四角炉困难，因此其制造成本高， 制造周期长。 2 3 国内w 炉的运行情况概述： 截止到9 7 年底，我国已投入运行的w 炉机组有l o 台，分属4 个电厂。这1 0 台 机组分别由世界上4 家w 炉制造厂商设计供货或是利用其专利制造，取得了较 好的运行业绩。这四家电厂是华能上安电厂，岳阳电厂，珞璜电厂，阳泉电 厂【9 1 。表4 2 列出了它们的功率和燃用煤质。 从此表可以看出，这1 0 台锅炉的设计煤种都是无烟煤、贫煤或是两者的混 煤。燃煤挥发分最大不超过1 8 5 ，最小不小于l o ，其中岳阳电厂、上安电厂1 、 2 号机组的煤粉细度较粗，发热量在1 9 4 2 4 5 m j k g 。据资料统计，表中前三个 电厂已投运8 年以上，它们的运行情况有较好的参考价值，后面的两个电厂最早 从9 6 年底试运行，时间太短，缺乏统计资料。下面分别介绍这几个电厂的燃烧 系统、燃烧特性及运行中出现的问题。 2 3 1 燃烧系统： 这1 0 台w 炉因为制造厂家不同而采取了不同的燃烧系统，一共有4 种： ( 1 )珞璜电厂( a e g s i ) 使用简单的狭缝式直流燃烧器，热风送粉( 配中储式 制粉系统) ； ( 2 )岳阳电厂( b e l ) 亦使用狭缝式直流燃烧器，但它的一次风采用旋风筒 浓淡分离装置( 配有直吹式双进双出钢球磨) ； 第二章w 炉技术的发展及其在我i ! t 的应用浙江大学硕士学位论文 表2 - 2 国内w 炉机组的参数统计 电厂名称珞璜电厂岳阳电厂上安电厂上安电厂阳泉电厂 1 # ，2 # 机1 # ，2 # 机1 # ，2 # 机3 # ，4 # 机1 # ，2 # 机 组组组组组 额定功率( m w ) 3 6 03 6 23 5 03 1 03 0 0 制造厂家a e g s ig e l ( 英)b & w ( 加拿东方锅炉厂( f w 技术) 大) 设计燃料种类松藻无烟无烟煤：寿阳贫阳泉无烟阳泉无烟 煤贫煤= l ：l煤：无烟煤：寿阳煤 煤= 3 ：1贫煤：l ：1 燃煤挥发分 1 3 5 、1 5 1 0 、1 41 4 5 1 8 1 3 、1 71 1 5 、1 4 ( v d a f )5a0 扶份，a a r 2 5 、3 12 0 2 61 9 、2 52 1 “2 52 2 2 8 低位发热量1 9 4 2 3 2 2 2 4 2 0 5 2 4 2 1 、2 3 q n e t ，a r m j * k g 40 煤粉细度 1 “1 15 1 61 0 2 5 8 、1 21 2 1 4 r 9 0 煤粉细度 3 1 58 2 11 6 3 21 2 1 6 r 7 5 ( 3 )上安3 、4 号机组和阳泉1 、2 号机组( 东锅) 按f w 技术使用旋风筒浓 淡分离圆管式直流燃烧器( 配双进双出钢球磨) ： ( 4 )上安电厂l 、2 号( b & w ) 使用双调风旋流式燃烧器，带有一次风置换 为热风的装置( 配直吹式中速磨) 。 2 3 2 运行可靠性： 1 0 台w 炉均能在锅炉最大连续出力( b m c r ) 负荷下正常运行，并大多负担调 峰任务。运行较久的上安电厂l 、2 号、岳阳i 、2 号、珞璜电厂1 、2 号6 台机 组等效可用率平均在8 5 左右，稍逊于燃用烟煤的3 5 0 m w 进1 2 1 机组，但优于全 国3 0 0 m w 机组的年平均值f 8 2 ) 。 从强迫停运率来看，这六台机组常年平均约为1 3 ，与全国的3 5 0 m w 进口 机组常年平均值柏差无几，远低于3 0 0 m w 机组平均值( 7 ) 。 2 3 3 燃烧稳定性： 各厂锅炉燃烧都较稳定，反映在不投油最低稳燃负荷上。各厂规定的可调度 6 第二幸w 炉技术的发展及其在我田的应用浙江太学硕士学位论文 值和曾经短时间稳定运行负荷分别列入下表。表中以机组额定值( e c r ) 为基数 1 5 1 。 表2 - 3 国内w 炉机组最低稳燃负荷表 电厂机组上安1 2珞璜1 2岳刚1 2上按3 4r i 泉1 2 县 号可号 可调度值 5 0 06 3 06 1 05 0 o6 0 0 试验值( 2 - 4 h ) 4 5 04 1 05 2 04 5 2 3 4 炉膛结渣倾向： 上安、珞璜、岳阳电厂燃煤的结渣特性大致都属于中等水平，其中珞璜燃煤 相对偏高些；岳阳电厂燃用煤种和设计煤种差别大，也难免有高结渣性煤种以较 大比例混入入炉煤的可能性。从结渣来看，上安电厂1 、2 号机组和岳阳电厂结 渣属于中等程度，虽然没有影响到锅炉的稳定运行，但对炉内的温度场影响很明 显【7j 。当下炉膛( u p 燃烧室) 大面积结渣后，下炉膛的吸热量减少，会使炉膛出口 烟气温度升高。 岳阳电厂结渣大部分集中在卫燃带上，据测量，卫燃带上的结渣厚度有1 0 e m 以上，此后结渣趋于稳定，在运行时常有大块狄渣落下。上安电厂在1 9 9 1 年大 修时，为了解决炉内结渣和水平烟道内受热面超温问题，将炉膛下部四周的卫燃 带沿高度打掉3 m ( 约占卫燃带总面积的1 3 ) ，但由于水冷壁上的销钉没去掉，因 而经过一段时间运行，结渣又复严重。这主要是因为销钉有挂渣作用，会使结渣 越来越多。掘测上安电厂锅炉的平均结渣厚度为1 0 0 m m ，最厚达2 0 0 3 0 0 m m 。 珞璜电厂结渣较轻微，运行5 年来没发生过因结渣、挂渣或大块结渣塌落影响运 行事件。 引起结渣的主要原因是卫燃带的敷设。在锅炉中，稳定燃烧和结渣始终是相 互矛盾的。敷设卫燃带的目的是减少炉壁的吸热量，提高炉内的温度水平。但炉 内温度提高必将使结渣加重。上安1 、2 号机组在7 0 负荷时，用光学高温计测 得炉内火焰温度达1 6 0 0 。c 以上，如此高的温度当然会引起大量结渣。w 炉燃 用煤种大多是无烟煤、贫煤等难燃煤，为了稳定燃烧，卫燃带的敷设是一个重要 措施，但如何敷设，如何根据煤种来确定卫燃带在炉膛燃烧室的比例，这都是需 要进一步研究的问题。此外，结渣的程度还与煤的特性、燃烧器的型号、布置等 有关：燃用煤如果结渣性较高，炉内结渣也会严重些；煤粉细度不够，也会使较 粗的煤粉从火炬中分离而粘附在炉壁上加剧结渣：如果采用的是旋流燃烧，旋流 火炬过粗也会造成结渣；燃烧器布置较集中会使炉内局部温度过高，从而造成结 渣。 第二章w 炉技术的发展度其在我国的应用浙江大学硕士学位论文 2 3 5 燃尽特性： 已投运5 年以上的岳阳、珞璜和上安1 、2 号炉中，以珞璜电厂的燃烬率较 好。其飞灰含碳率c f l 月平均值在2 - - , 4 之间。在机组额定出力下测得c f h = 3 8 ， 未燃尽碳热损失q f l 6 。岳阳、上安电厂燃尽性能较差，飞灰含碳率经常波动 很大【1 5 。 以下因素可能和两电厂的燃尽特性不佳有关： ( 1 ) 燃煤变化大，煤粉细度偏粗； ( 2 ) 燃烧器一次风煤粉分配不均匀； ( 3 ) 燃烧器选型和布置不合理： ( 4 ) 炉膛容积热负荷偏大( 岳阳厂) 。 2 3 6 过热器、再热器蒸汽超温问题： 由于下炉膛及缩腰部存在不同程度的结渣，减少了炉膛的吸热量，使过热器 与再热器的吸热比例增加，结渣越严重，超温现象也越严重。上安1 、2 号机组 和岳阳电厂在运行中经常出现屏过超温现象以及再热器超温现象。在额定负荷 下，减温水量超过设计值很多，一般过热器减温水量达7 0 8 0 t h 。 此外，在变负荷时，火焰中心位置发生变动。由于燃烧室( 下炉膛) 高度小， 火焰中心的移动会非常明显地改变炉膛出口的烟气温度，从而引起水平烟道内的 受热面内蒸汽