（电力系统及其自动化专业论文）w型火焰锅炉燃烧特性的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 本文针对阳城国际发电有限责任公司3 5 0 m w 机组w 型火焰锅炉出 现的磨煤机选型偏小、高负荷时稳燃性能较差、飞灰可燃物含量高、省 煤器出口氧量偏低、减温水量偏大，锅炉效率低等问题，作者应用燃烧 理论分析了问题的原因，提出了应用高温空气燃烧理论而设计的煤粉浓 缩预热低n o x 燃烧器进行改造的方案。 高温空气燃烧技术是一种新型的燃烧技术，它在燃烧条件、反应机 理、火焰特征等方面均不同于传统的燃烧技术，其核心是使得进入燃烧 室的空气温度达到1 0 0 0 。c 左右的高温，并将燃料燃烧的前期和中期组织 在一个还原性气氛下。因为燃烧是在高温条件下进行的，可燃范围扩大， 含氧量只要大于2 ，就可保证稳定燃烧。燃烧过程类似于一种扩散控 制式反应，不再存在局部高温区，在这种环境下n o 。生成受到抑制。同 时在这种低氧环境下，火焰体积明显增大，甚至可以扩大到整个燃烧室 空间，整个燃烧空间形如一个温度相对均匀的高温强辐射黑体。 依据高温空气燃烧理论设计的煤粉浓缩预热低n o 。燃烧器，其一次 风煤粉气流在出口前有一预热室，利用射流卷吸燃烧器喷口外的高温回 流，煤粉在离开燃烧器前在燃烧器的预热室中会被快速预热至高温。煤 粉浓缩预热低n o x 燃烧器具有很宽的煤种适应性，特别适用于挥发份低 的煤种，它将煤粉浓缩和煤粉预热结合起来，确保了煤粉的快速、稳定 着火，同时可以改善锅炉燃烧效率，降低n o 。的排放量，减轻或消除炉 膛结渣等问题。 在此基础上，作者提出了阳城国际发电有限责任公司w 型火焰锅 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 炉燃烧器的改造方案。其核心技术思想是，充分利用煤粉浓缩预热低 n o 。燃烧器的优势，在目前无法保证煤粉细度的实际状况下，尽可能地 解决无烟煤着火难、稳燃难、燃尽难的问题，体现在以下方面：( 1 ) 通 过卷吸燃烧器喷口外的高温回流对一次风粉混合物进行预热，提高其初 温；( 2 ) 适当提高一次风粉混合物的喷出速度，延长煤粉在炉内的停留 时间；( 3 ) 通过调整各挡板开度及时补充二次风。 尽管受实际条件的限制，针对阳城国际发电有限责任公司w 型火 焰锅炉燃烧器的改造方案尚未付诸实践，但是分析表明，该方案不仅具 有可靠的理论依据，而且结合了阳城国际发电有限责任公司w 型火焰 锅炉的实际情况。可以预测，该方案的实施必将改善阳城国际发电有限 责任公司w 型火焰锅炉的性能，对其它w 型火焰锅炉的改造及运行调 整也具有一定的参考价值和借鉴作用。 关键词：w 型火焰锅炉，高温空气燃烧，燃烧器，煤粉浓缩 i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nw s h a p e db o i l e r c o m b u s t i o nc h a r a c t e r a s t i c s a b s t r a c t t h ea m o u n to fa n t h r a c i t ec o a l so c c u p i e s15p e r c e n to fc o a lr e s e r v e si n c h i n a i nt h es i t u a t i o no fe n e r g yc r i s i s ，h o wt ou t i l i z et h e s er e s o u r c e sb e t t e r i so n eo ft h ei m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t si nf u t u r e i nw - s h a p e db o i l e rt h e p u l v e r i z e dc o a li sc o n c e n t r a t e d ，af l a m ei sp r o l o n g e d ，a n dt h er e f r a c t o r yb e l t s a r el a i dd o w n t h e s em e a s u r e sc o n t r i b u t et of u e li g n i t i o n ，f l a m es t a b i l i t ya n d c o a lb u m o u t t h ea d v a n t a g e si nc o a lf l e x i b i l i t y ，b u r n i n gs t a b i l i t ya tl o w l o a d sa n df l ya s hb u m o u ta r ef u r t h e rs h o w e d t h e r e f o r ew - s h a p e db o i l e r s a r eu s e de x t e n s i v e l yi no u rc o u n t r y e x p e r i e n c e si np r a c t i c es h o wt h a tt h e r ea r ea l s om a n yp r o b l e m sd u r i n g w - s h a p e db o i l e ro p e r a t i o n t h eb o i l e re f f i c i e n c y i sl o wb e c a u s eo fh i g h c a r b o nc o n t e n ti nf l ya s h t h i si s n ta b l et oa g r e ew i t hw - s h a p e db o i l e r o r i g i n a ld e s i g ni n t e n t i o n f o rd r ya n t h r a c i t ec o a lw i t hl o w e rv o l a t i l ec o n t e n t ， t h eb o i l e r ss t i l ln e e do i lf o rs u p p o r t i n gc o m b u s t i o nd u r i n go p e r a t i o na tl o w l o a d s h i g ht e m p e r a t u r ei n f u r n a c er e s u l t si n h i g hn o xe m i s s i o na n d s l a g b o n d i n g s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yw s h a p e db o i l e rc h a r a c t e r i s t i c s v f i r s t l yi n f e r i o rc o a lq u a l i t ym a yr e s u l ti na b o v ep r o b l e m s b u tt h ek e y f a c t o r sa r et h ed e s i g na n da r r a n g e m e n to ft h ef u r n a c ea n db u r n e r s ，i n c l u d i n g t h ec o a lp u l v e r i z i n gm i l l sa n dp u l v e r i z e d c o a ls y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e ss o m ep r o b l e m si ny a n g c h e n gi n t e r n a t i o n a lp o w e r c o l t d t h em a i np r o b l e m sa r el o w e rc o a lm i l lc a p a c i t y ，i n f e r i o ri n s t a b l e c o m b u s t i o na th i g hl o a d s ，h i g hc a r b o nc o n t e n ti n - f l ya s h ，l o w e ro x y g e n c o n t e n ta tt h eo u t l e to f e c o n o m i z e r s ，l a r g e ra m o u n to fw a t e rf o rd e c r e a s i n g t h es t e a mt e m p e r a t u r ea n dl o w e rb o i l e re f f i c i e n c y i ti s s u g g e s t e dt h a tt h e o r i g i n a l b o i l e rs h o u l db er e t r o f i t t e dw i t hp i 冲r p r e h e a t e da n dr i c h e d p u l v e r i z e d 。c o a lt o wn o x ) b u r n e rd e s i g n e do nb a s i so f h i g ht e m p e r a t u r ea i r c o m b u s t i o nt h e o r y h i 曲t e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o ni san e wh y p e rn o r m a lc o m b u s t i o n t e c h n i q u e i t i sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a l c o m b u s t i o n t e c h n i q u e i n c o m b u s t i o nc o n d i t i o n ，r e a c t i o nm e c h a n i s ma n df l a m ef e a t u r e a i ri sh e a t e d t o1 0 0 0 。cb e f o r ee n t e r i n gt h ec o m b u s t i o nc h a m b e ra n dt h ef u e li s a ta r e d u c i n ga t m o s p h e r ei nt h ep r i o ra n dm e d i u ms t a g e so fc o m b u s t i o n b e c a u s e o fh i g ht e m p e r a t u r e ，t h ec o m b u s t i b l er a n g ei se n l a r g e d w h e nt h eo x y g e n c o n t e n ti sh i g h e rt h a n2 ，c o m b u s t i o ni ss t a b l e t h ec o m b u s t i o n p r o c e s si s s i m i l a rt oad i f f u s i o nc o n t r o lr e a c t i o n t h e r ei sn o ta n y p a r t i a lh i g h t e m p e r a t u r ea r e aa n dn o xe m i s s i o ni sc o n t r o l l e di nt h i sa t m o s p h e r e i nt h e l o w e ro x y g e na t m o s p h e r e ，t h ef l a m ev o l u m ei s e n l a r g e du n t i lt h ew h o l e 太原理：= | 二大学硕+ 研究生学位论文 c h a m b e r t h ew h o l ec h a m b e ri sa b l a c k b o d yw i t hh i g hr a d i a n ti n t e n s i t ya n d u n i f o r mt e m p e r a t u r e p r pb u r n e ri sd e s i g n e do nb a s i so fh i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n t h e o r y t h e r ei s ap r e h e a t i n gr o o mb e f o r et h ep r i m a r ya i re n t e r i n gt h e f u r n a c e t h ep u l v e r i z e d - c o a li sh e a t e dt oac o n s i d e r a b l eh i g ht e m p e r a t u r ei n t 1 e p r e - h e a t i n gr o o mb ye n t r a i n i n gt h eh i g ht e m p e r a t u r ef l o wo u t s i d et h e b u r n e r s t h ep u l v e r i z e d c o a li sn o to n l yr i c h e db u ta l s op r e h e a t e dr a p i d l yi n p r pb u r n e r s ot h em a i nf e a t u r e so fp r pb u r n e ra r es t a b l ei n f l a m e ，w i d ef u e l f l e x i b i l i t y ，h i g hb o i l e re f f i c i e n c y ，l o w e rn o 。e m i s s i o ne t c t h ek e yt e c h n i q u eo fb u r n e rr e t r o f i t i o nf o ry a n g c h e n gi n t e r n a t i o n a l p o w e rc o l t di st or e s o l v ed i f f i c u l ti n f l a m e ，s t a b l ec o m b u s t i o na n db u r n - o u t e t c p r o b l e m si nt h es i t u a t i o no f u n c e r t a i nc o a lf i n e n e s sb ym a k i n gg o o du s e o f t h ea d v a n t a g e so f p r pb u r n e r t h es p e c i f i cm e t h o d sa r ea sf o l l o w s ! ( 1 ) i n c r e a s i n gp r o p e r l yt h et e m p e r a t u r eo fp r i m a r y a i r c o a lm i x t u r eb y e r i t r a i n i n gh i g ht e m p e r a t u r ef l o wo u t s i d et h eb u r n e r s ； ( 2 ) i n c r e a s i n gp r o p e r l yt h ee j e c t i o ns p e e do fp r i m a r ya i r c o a lm i x t u r e t op r o l o n gt h er e s i d e n c et i m ei nf u r n a c e ； ( 3 ) s u p p l y i n gs e c o n d a r ya i ro nt i m eb yr e g u l a t i n gt h e b a f f l e s t h eb u r n e rr e t r o f i t i o np r o j e c tp u tf o r w a r di nt h ep a p e rh a s n tb ep u t i n t oe f f e c tb e c a u s eo fs o m el i m i t s h o w e v e rt h ep r o j e c ti ss u p p o s e db ya v i i 奎垦望三奎兰堡主堡壅生兰垡堡苎 f i r mt h e o r ya n di n v o l v e di nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n ，s oi ti s f e a s i b l e i ti s f o r e c a s tt h a ta n dt h e e f f i c i e n c y o fw s h a p e db o i l e r si n y a n g c h e n g i n t e m a t i o n a lp o w e rc o l t d w i l lb ei m p r o v e d a n dt h er e t r o f i t i o np r o j e c ti s u s e f u lf o ro t h e rw - s h a p e db o i l e r s k e yw o r d s ：w - s h a p e db o i l e r ，h i g h t e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n ， b u r n e r ，r i c h e dp u l v e r i z e d - c o a l v i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 我国的发电用煤现状分析 1 1 1 我国的能源结构 我国是世界上少有的以煤为主要能源的国家。煤炭消耗占我国能源总消耗的 7 0 以上，与世界的能源结构有很大差别，见图1 1 。以煤为主的能源结构是造成 环境污染以及能源消费和利用效率低的重要原因i l l 。 。而我国电力工业的能源结构同样与世界发达国家有着显著的差别，表l 一1 比较 了我国与世界其它发达国家各种能源发电量。 图1 1 中国和世界能源消费结构的比较 f i g 1 1 c o m p a r i s o nf o rt h ee n e r g yc o n s u m ec o n s t i t u e n t a m o n gc h i n aa n do t h e rc o u n t r i e s 随着国民经济的发展，国家能源政策要求火力发电厂少燃油、多燃煤、多燃劣质煤。 我国已探明的煤炭储量约8 6 0 0 亿吨，其中低挥发份无烟煤所占的比例较大，约占 1 5 ，仅次于烟煤。无烟煤产品除块煤用于化工外，其余煤屑主要用于发电。目前， 我国电厂燃用的无烟煤约占全国发电用煤的3 4 ( 折合成标准煤) ，加上低挥发份 太原理工大学硕士研究生学位论文 贫煤可达1 0 左右，但今后将有明显增加的趋势1 2 1 。 表1 1 我国与世界发达国家各种能源发电量比例( ) ( 2 0 0 1 年数据) t a b l e i 一1t h ep r o p o r t i o no f e l e c t r i cg e n e r a t i o nf r o mv a r i o u se n e r g yi nd i f f e r e n tc o u n t r i e s 注：火电包括煤、油、天然气、固态生物、工业垃圾、城市垃圾及沼气；其它包括风能，太阳 能、地热、潮汐、海浪、洋流、燃料电池等。 随着经济的发展，能源要求的大幅上升，积极开发研究低挥发份无烟煤燃烧技 术已经提到了议事日程。只有高效、稳定地燃烧才能更好地利用无烟煤、贫煤等劣 质煤资源，更好地为经济建设服务。 1 1 2 低挥发份煤燃烧的特点及强化燃烧的措施 根据我国发电用煤质量标准，干燥无灰基挥发分v d a f 小于2 0 的煤为低挥发份 煤，小于6 5 的煤为特低挥发份煤。煤的着火与挥发分的质量和数量有关，随着煤 化程度的提高，挥发份含量减小，煤中挥发份的发热量的比率降低，使煤的着火变 得困难。因此，低挥发份煤的特点是着火与燃尽都比较困难，需要较高的着火与燃 尽温度以及较长的燃尽时间。 1 、无烟煤燃烧的特点1 3 , 4 1 无烟煤俗称自煤，它具有明亮的黑色光泽，机械强度一般较高。具有以下燃烧 特点： ( 1 ) 挥发分低 ( 2 ) 挥发分释放速率低，无烟煤的火焰传播速度较低，在锅炉点火启动和低负荷 运行时稳燃困难，助燃油耗高。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 可燃性差，燃尽困难，其中飞灰中可燃物高达2 0 以上。 在我国诸多的低挥发份煤中，最难烧的要算是福建的加福无烟煤和河北的万年 无烟煤，它们都属于极低挥发份煤，v d a f 均为4 ，着火温度分别为9 7 0 c 和1 1 0 0 ，极难着火；燃尽指数分别为2 9 4 和2 3 2 ，极难燃尽。 2 、强化燃烧的措施t s , 6 j 根据燃烧理论和实践经验，强化无烟煤燃烧的技术措施如下： ( 1 ) 提高一次风中的煤粉浓度 要使风粉混合物在燃烧器喷口附近就达到着火温度，就应具有较高的煤粉浓度， 尽可能地维持较低的空气份额和较小的一次风率，从而加速煤粉的吸收热量。日本 三菱公司的实验研究结果表明，燃用无烟煤时风煤比以o 8 k g k g 为佳。 ( 2 ) 采用较低的一次风速 为了延长煤粉在燃烧器喷口附近的停留时间以及改善煤粉空气混合物的加热条 件，提高气流的升温速率，减少煤粉气流的热容量，应选用较小的混合物出口速度。 ( 3 ) 提高煤粉细度 煤粒愈小，加热到着火温度就愈快：磨得细，反应的表面积增大，风粉混合物 的着火品质得到提高。法国s t e i n 公司提出无烟煤通过2 0 0 目筛子的通过率应在9 0 以上。 ( 4 ) 提高一次风温 为保证能稳定着火，减少加热时间，风粉混合物的温度应达到2 5 0 。c 左右，预 热空气温度加热到大约4 0 0 c 。 ( 5 ) 提高一次风的旋流强度 提高一次风的旋流强度，增加着火区内的高温烟气回流量。 ( 6 ) 增强对着火区的热辐射 增强对着火区的热辐射，使着火区域具有高的燃烧室温，燃烧室温度水平应尽 可能地提高，以使煤粉尽早地达到着火条件。 ( 7 ) 提高一、二次风的温度 提高一、二次风的温度，并且分级送入参加燃烧，改善加热和着火条件。 ( 8 ) 为了使燃料颗粒充分燃尽，应使颗粒有尽可能长的燃尽路程，增加燃料在炉 内的停留时间，与此紧密相关的就是炉膛的形状和燃烧器的布置方式。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 有关领域的研究进展 1 2 1 低挥发份煤燃烧技术的发展 2 0 世纪5 0 年代，大部分燃用贫煤的电站锅炉都采用蜗壳式旋流燃烧器。6 0 年 代初，从捷克引进的四角切圆燃烧液态排渣锅炉燃烧低灰熔点贫煤，最大蒸发量为 2 0 0 t h 。此后开始自行研制2 3 0 t h 与4 1 0 t h 的无烟煤液态排渣锅炉，并于7 0 年代初 先后投入运行。这一时期，前苏联几乎都采用墙式燃烧的开式或半开式液态排渣锅 炉燃烧无烟煤( 最大3 0 0 m w ) ，德国更是设计制造了各种各样的液态排渣炉，以燃 烧低挥发份煤( 最大7 0 0 m w ) ，而欧美早在3 0 年代起就采用u 型火焰固态排渣煤 粉炉燃用贫煤和无烟煤( 最大5 0 0 m w ) 。 我国电站锅炉以燃煤为主，其中低挥发份煤占有相当大的比例。我国于8 0 年代 初，投运了一些国产6 7 0 h 燃用贫煤和无烟煤的切圆燃烧固态排渣煤粉锅炉，并于 8 0 年代末投运了引进的2 2 0 t h u 型火焰贫煤锅炉和国产6 7 0 t h 燃用无烟煤的切圆燃 烧液态排渣锅炉。9 0 年代起，采用p a x ( p r i m a r ya i re x c h a n g e 一次风置换) 型双调 风燃烧器的6 7 0 1 h 墙式燃烧固态排渣贫煤煤粉锅炉、国产1 0 2 5 t h 燃用贫煤的固态 排渣煤粉锅炉也相继投入运行，其中大部分为切圆燃烧，少数为墙式燃烧。与此同 时，从国外引进了3 5 0 m w 级燃用贫煤和无烟煤的w 型火焰锅炉。我国低挥发份煤 的燃烧技术经历了一个较长的发展时期，在近2 0 年得到了迅速的发展。到目前为止， 我国电站锅炉中几乎包括了所有各种低挥发份煤的燃烧方式，见表l 一2 。 根据表l 一2 可以看出，我国燃用低挥发份煤的经验是相当丰富的，从中可以对 各个不同时期的燃烧技术概况如下1 7 1 ( 1 ) 早期燃用低挥发分煤的小型固态排渣锅炉，由于技术不成熟，其燃烧的稳定 性和经济性都比较差。为了保证稳定着火与燃烧，通常在炉膛设计中采用较高的断 面热负荷，并在燃烧器区域的水冷壁上敷设一定面积的卫燃带。在燃烧器的设计中 也给予较多的考虑，例如增加旋流燃烧器气流的旋流强度，在一次风出口加装蘑菇 头钝体、将四角布置直流燃烧器的次风喷口集中布置等，以提高燃烧器出口附近 的火焰温度。但这样同时也增加了燃烧器区域水冷壁严重结渣的危险，对一些灰熔 点较低的低挥发份煤，将产生保证着火燃烧的稳定和防止炉内严重结渣的矛盾。 d 太原理工大学硕士研究生学位论文 灞桥电厂贫煤 3 5 户县电厂贫煤 1 7 0 宝鸡电厂贫煤 2 0 0 娘子关电厂无暇喋4 1 0 豆坝电厂无烟煤4 1 0 焦作电厂无烟煤 6 7 0 永安电厂无烟煤4 1 0 i l 晒御巴广贫煤 2 2 0 白马电厂无烟煤6 7 0 汉川电厂贫煤 1 0 2 5 新海电厂贫煤 6 7 0 1 1 9 0 上安电厂贫煤 1 0 2 5 岳阳电厂无烟煤1 1 6 0 = 珞璜电厂无烟煤1 0 9 9 南京电厂贫煤 1 0 0 0 马觏u 射一贫煤1 0 2 5 阳光发电无烟煤 1 0 2 5 蜗壳隧晓器墙式然览钢球癌堞睢斟蝴，臣瀚 1 9 5 3 蜗壳燃墙式啭览钢埭戮材臻l 冈递扮，臣樾 】9 5 7 直蒯女嗽器，四角切咧搿* 钢啪剖翁噱呖l 送粉，液捌查 1 9 6 6 直剩女蝴器，四角切倒然期刊糖煤柳热麟，液捌随 1 9 7 1 直流虢器殴钉切圆然蓖钢球啻唰刚郏n 递盼，液态日查 1 9 7 3 直流蝴，殴射卿黜镦恕钢啪剖j i 嗽呖嚏拣臣撇 19 7 9 直澍女晓器殴钉切圆熟菇钢球嚆唰煅妙崾鼢，固捌萱 1 9 8 4 u 型火晦缝隙向勤磁姗，臣剞瞳，中逮呼曲蓉煤机 1 9 8 7 直刹自娆器，四角切圆髂毵钢球嘲射胜妙q 送馘液捌r 查 1 9 8 8 直刹黼，四詹铡列龇钢粥割翁唯够蝴固奁爿 碴 1 9 9 0 7 p a x 型吸i 痧嘣硫懈墙撇固薛艇黼饩m p s 磨嗡喳欧 1 9 9 0 8 p a x 双调风岿础懈w 型火焰匮醐随中速黼 1 9 9 0 8 f & w 专利生产w 型火焰固态排渣，双进双出钢球磨煤机 1 9 9 7 旋风分离犍献蠹口b 器，w 型火焰蹦戆氢双进双f 蟒硪朔虱女凯 1 9 9 1 9 缝隙武苗袱燃w 型火焰固捌随，钢球蒯翁唯岍【送粉 1 9 9 1 9 旋流燃烧器，墙式燃烧，钢球磨煤机热风送粉，固态排渣 1 9 9 4 直刹然晓器殴钉切圆然既钢球啻噪眺黜日送粉，匿捌r 查 1 9 9 6 f & w 专利生产w 型火焰，双进双出钢球磨煤机 1 9 9 7 f 2 ) 针对这种矛盾，发展了液态排渣锅炉。在设计中，一方面采取措旌提高炉膛 温度，保证低挥发份煤的着火与燃尽，同时利用炉膛内的高温使灰渣成为熔融状的 液体排出炉膛。采用液态排渣炉燃烧无烟煤时，不仅燃烧稳定，最小不投油稳燃负 荷低，而且飞灰可燃物小，甚至还可以通过飞灰复燃回熔，使这一可燃物损失降为 零，灰渣综合利用方便，经济效益高。但也正因为炉膛内高温，加之一、二次风的 混合较早( 相对于现在的分级燃烧而言) ，使燃用低挥发份煤的液态排渣锅炉n o 。 排放量较高。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 液态排渣锅炉固然可以比较好地解决着火、燃烧和水冷壁严重结渣的矛盾， 但同时又产生了水冷壁产生严重的高温腐蚀、炉内堆渣、炉底析铁、尾部受热面低 温腐蚀和堵灰等问题，且由于环保法规的日趋严格，高n o 。排放问题亦阻碍了该型 锅炉的发展。 ( 4 ) 围绕着强化低挥发份煤的着火和燃尽需要火焰温度高的特点，在燃烧设备的 设计中必须尽可能地充分利用炉内高温烟气的回流卷吸及设法延长颗粒在炉内的流 动路径，下射火焰锅炉是一个相当成功的设计。布置在拱顶的燃烧器向下喷射煤粉 气流及部分二次风，其火焰大部分射向炉膛中心转折向上，形成“u ”型火焰( 仅 在前墙拱顶布置下射燃烧器时) 。若与另一侧的“u ”型火焰组合在一起就构成“w ” 型火焰。下射火焰的小部分向炉壁转折向上，穿过拱顶附近的煤粉气流根部，汇入 下炉膛出口向上流动，煤粉气流得到高温火焰的加热而迅速着火燃烧。下炉膛水冷 壁敷设一定面积的卫燃带，也保证了炉内的高温和煤粉气流的迅速着火。同时，这 种特殊的火焰形状和较大的下炉膛使煤粉颗粒在炉内，特别是在高温区的流动即停 留时间得到加长，从而保证了低挥发份煤的稳定燃烧及良好的燃尽条件。 由表1 2 中还可以看到，我国有许多电厂采用四角切圆燃烧锅炉来燃用无烟 煤，采用w 型锅炉燃用低挥发份煤是9 0 年代以后才逐步出现的。实践表明，采用 四角切圆燃烧技术燃烧无烟煤的电厂其燃烧状况并不理想。 众所周知，煤粉进入炉膛后，其着火的快慢除了与煤粉气流本身的条件有关外， 主要取决于对煤粉气流加热的强度。在四角切圆燃烧炉中，一个角的煤粉气流主要 是受来自邻角火焰的对流加热而使这个角的煤粉气流着火、燃烧。然而在四角切圆 燃烧炉中，这种加热强度往往不足以使无烟煤煤粉气流着火、燃烧。这主要是因为： ( 1 ) 来自邻角的无烟煤煤粉火焰由于其经历的路程很短，因此其燃烧尚不充分， 火焰温度较低，对无烟煤煤粉加热强度不够。 ( 2 ) 火焰在炉膛中的充满度对煤粉气流的加热影响极大，但它不易控制，这是因 为燃用无烟煤的锅炉一般都敷设卫燃带，若火焰充满度太大，会引起火焰冲刷壁而 引起炉膛严重结焦，这是锅炉运行中极忌讳的事。这样，就往往要采用较小的假象 切圆，即用减小火焰充满度的方法来避免使炉膛结焦。但这样做的结果往往使四角 处的烟气温度较低，对煤粉气流的加热、着火很不利。而火焰充满度与炉膛结焦之 间的矛盾正是导致四角切圆燃烧炉性能差的重要原因之一。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 在四角切圆燃烧炉中，燃烧器通常安装在四角处，此处的烟气温度是最低的， 这也是四角切圆燃烧炉稳燃能力差的一个原因。 因此，采用四角切圆燃烧方式时，煤粉得不到有效燃烧，飞灰可燃物仍然偏高， 锅炉效率不高，不投油最低稳燃负荷不能满足电力市场调峰的需要。例如福建永安 电厂由于燃烧不稳定而导致锅炉经常灭火，这样就不得不用油伴烧。有的虽然能维 持全负荷燃烧，但不能实现脱油调峰。有的敷设了卫燃带，虽然改善了燃烧稳定性， 但却引发了炉膛的严重结焦，使锅炉不能正常运行。对于燃用着火难、稳燃难、燃 尽难的“三难”无烟煤，四角切圆燃烧方式表现出一定的局限性，有必要采用更有 效的锅炉型式和燃烧方式。而w 型火焰锅炉被公认为有较强的稳燃效果和较高的效 率。而高质量的高温烟气回流是w 型火焰锅炉稳燃能力强的决定性因素，从而使得 w 型火焰燃烧技术成为各国燃烧低挥发份煤种的主要选择。 1 2 2w 型火焰锅炉的研究进展 欧、美国家自6 0 年代就开始发展w 型火焰锅炉。世界各大锅炉制造公司经过 近4 0 年的研究和经验积累，目前在美、英、法、比利时、西班牙、韩国、南非和中 国等国家拥有近百台w 型火焰锅炉。 、w 型火焰锅炉的初期研究主要是以锅炉的设计和选型为主，包括燃烧器及配套 _u 的制粉系统的设计与选型。文献【8 】中指出：新机组设计时，首先根据用户提供的 “新”燃料的工业分析和元素分析数据进行初步分析审核，检查其分析值的一致性。 通常采用标准分析的交叉校核： ( 1 ) 直观检查工业分析、元素分析数值累加是否都为1 0 0 ； ( 2 ) 预计的氢、氧含量是否较低； ( 3 ) 工业分析中的固定碳含量必须小于或最多等于元素分析中的总含碳量： ( 4 ) 工业分析的挥发分必须高于元素分析挥发元素之总和； ( 5 ) 测量的热值与从工业分析进行计算的“理论”热值之差应在4 之内。 此外煤的挥发分本身并不能作为预测某一特定煤种的着火及燃尽特性的可靠基 础，特别是对设计燃烧低挥发份煤种的锅炉更是如此，而需要采用更加精确的参数 来预测。通常需对“新”燃料的代表性煤样进行特殊的试验研究，并且与已知燃料 进行定量比较，例如：煤粉的着火温度、绝热燃烧温度、煤在惰性环境中的热解重 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 量分析、碳在大气环境中燃烧的热解重量分析、岩相学分析、实验炉燃烧试验、挥 发份质量试验等。 良好的燃烧系统设计是保证烧好劣质煤的关键，w 型锅炉炉膛设计的关键是下 炉膛。下炉膛应保证煤粉的快速着火和稳定燃烧，上炉膛则需要使燃料有更长的停 留时间以保证燃料完全燃烧和合适的炉膛出1 ：3 烟气温度。此外，炉膛热力参数、燃 烧器和制粉系统的选择也是至关重要的，如下炉膛容积热负荷、断面热负荷、上下 炉膛深度比等，若选择不当，会给运行时带来一系列问题( 燃烧器和制粉系统的选 择将在第二章中着重介绍) 。 随着w 型火焰锅炉的发展，它已经成为燃烧无烟煤的基本炉型之一，同时人们 对w 型火焰锅炉的认识也更加深入。针对国内投产的w 型火焰锅炉出现的燃烧不 稳、飞灰含碳量高、n o 。排放量大、结渣严重等问题，国内研究人员从不同的角度、 利用各种实验手段和方法进行了广泛的研究。实验通常是从冷态和热态两种角度来 进行研究的。冷态实验侧重于研究空气动力场的形式；而热态实验则侧重于研究炉 内的温度分布和结渣形成的原因。 l 、冷态实验的研究 研究人员根据相似模化理论建立模型，并进行了冷态流场的模化实验研究。在 实验中，利用热线风速仪测量炉内的流场速度，得出了不同工况下炉内w 型气流的 流场图，并对不同工况流场的气流速度分布规律、炉内气流的充满度、气流行程、 炉膛出口处的速度偏差等进行了分析，研究了炉内空气动力场的特性和变化规律。 实验证明影响w 型火焰锅炉工况的因素有： ( 1 ) 燃烧器的配风 文献1 9 通过冷态实验证明：对于w 型火焰锅炉，只有拱上风( 一、二次风) 时，虽然炉内主气流的行程增加，但是烟气对冷灰斗的冲刷作用明显增强，易导致 冷灰斗结渣，而且也不利于w 型火焰锅炉燃烧工况的调节。研究表明，当在炉膛前 后墙沿高度方向有三次风和乏气风喷入时，在适当的燃烧器配风下炉膛内气流充满 度高，而且烟气对冷灰斗的冲刷作用明显减小，有利于煤粉的完全燃烧和锅炉的安 全运行。但是若过分增大三次风和乏气风，则容易引起火烟短路，不利于煤粉的完 全燃烧和燃烧工况的稳定。 增大燃烧器一、二、三次风的动量流率比，炉内气流的平均有效动量流率衰减 太原理工大学硕士研究生学位论文 减慢，且湍流强度数值减小，沿流程衰减趋势减慢，同时，使炉内气流最大速度衰 减加快。可见，选择合适的燃烧器一、二、三次风的动量流率比对于炉内良好空气 动力场的形成，即燃烧工况的组织是至关重要的。 ( 2 ) 炉膛喉口面积 西安交通大学的何立明、车刚等人采取改变炉膛喉口面积的方式来反应其对w 型火焰锅炉运行特性的影响。他们在文献【1 0 l 中指出：随着喉口面积的缩小，沿 炉膛高度方向的大部分区域炉内气流充满度减小；而在冷灰斗中则相反，气流充满 度有所提高。当喉口面积减小时，在炉膛上部气流平均有效动量流率是减小的，且 衰减较快。同时，在乏气风的作用下，使气流平均有效动量流率增大。此外，在炉 膛下部气流平均有效动量流率衰减减慢，且有增大的趋势，这对改善炉内煤粉的燃 烧完全程度和减少n o 。的排放都是有利的。 缩小喉口面积时，在炉膛上部主气流最大向下速度衰减较快，而在炉膛下部则 衰减较慢。随着喉口面积的缩小，炉内拱下旋涡的旋转强度增大，使气流冲击喉口 和前后拱的速度明显减小，方向明显偏斜( 即冲击角度减小) ，而冷灰斗中流速增大。 因此，适当减小炉膛喉口面积，可以降低喉口的结渣程度，但在冷灰斗中的结渣有 增大的可能。随着喉口面积的进一步缩小，拱下旋涡的旋转强度进一步增大，使冲 击喉口和前后拱的速度进一步减小，冷灰斗中的气流速度方向趋平，有利于防止或 减轻喉口和冷灰斗的结渣。总之，适当减小喉口面积，一方面因拱下旋涡强度的增 大，卷吸周围大量的气体，使炉内回流区扩大，这有利于喷入炉内煤粉的着火和燃 尽；另一方面因冲击喉口和前后拱的流速进一步减小和方向趋平，冷灰斗中的流速 方向也趋平，有利于减小高温烟气对喉口和前后拱及冷灰斗的冲击，从而达到降低 这些部位结渣的可能性，此外还可以降低高温烟气对前后墙( 即水冷壁) 的冲刷， 有效防止或降低水冷壁的高温腐蚀。 ( 3 ) 燃烧器喷射角度 文献【1 1 】研究了燃烧器喷射角度对炉内空气动力场的影响规律，以锅炉额定 工况为基准，分别对燃烧器喷射角为e = o 。，3 。，6 。( o 为向前后墙倾斜与铅垂 线的夹角，如图l - - 2 ) 的炉内空气动力场沿炉膛宽度方向按3 个截面进行了测量， 炉内的流场图见图1 - - 3 。 实验研究表明，随着燃烧器喷射角度( 即拱上一、二次风喷入炉膛角度) 的增 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 大，炉内气流充满度提高，炉内火焰不易短路，但一、二次风对炉膛前后墙的冲刷 增强。反之，随着燃烧器喷射角度的减小，可以明显减小一、二次风对炉膛前后墙 的冲刷，但易造成火焰短路。因此，n 择厶n n - 、二次风喷射角度对锅炉的高效、 安全运行是至关重要的，建议的取值范围为一6 。, - - 4 - 6 。 0 = o o 图1 2 燃烧器喷射角度0 示意图 f i g 1 2 b u r n e re j e c t i o na n g l e 0 = 3 0 0 = 6 。 图1 3 燃烧器不同喷射角的流场图 f i g i 一3 f l o wf i e l d so f d i f f e r e n tb u r n e re j e c t i o na n g l e s o 太原理工大学硕士研究生学位论文 随着燃烧器喷射角度减小( 由里向外偏斜6 。一3 。一o 。) ，一、二次风对炉膛 前后墙的冲刷明显减小，这样可有效防止水冷壁的高温腐蚀及结渣，延长水冷壁的 使用寿命。同时，高温烟气对喉口和炉拱的冲刷速度和角度都有所减小，可减轻炉 拱和喉口处的结渣程度，但烟气向下的行程缩短，对煤粉的完全燃烧不利。 ( 4 ) 旋流强度 浙江大学周志军、岑可法2 1 等人通过冷态试验研究，利用三孔探针测量了炉 内流场，并用飘带法和烟花示踪法定性了解流场分布，总结了旋流强度对w 型火焰 锅炉空气动力场的影响。 文中根据4 个参数来比较w 型炉炉内流场。 无量纲火焰穿透深度c h = h h ：c h 反映了一次风气流的相对穿透深度，穿透深 度越长，火焰行程也越长，c h 过小，可能会短路。 w 型火焰无量纲宽度c i = l l ：c l 为h 2 火焰高度处的火焰宽度，它反应了w 型火焰的相对宽度，c l 太小，会使炉膛充满度减小；c i 过大，有可能发生贴边。 w 型火焰无量纲面积c 。= s j s ，：s 。为w 型火焰的纵截面积；s t = h l 为 w 型锅炉下炉膛的纵截面积，c 。代表了w 型火焰的相对面积，其值大小反映了炉 内火焰充满度的大小。 无量纲火焰行程c r = r h ：r 为单侧u 型( 一半w 型) 的曲线长度，即代 表某一颗粒子在下炉膛所走的行程。由于其在上部燃尽室的行程是一定的，因此r 的大小实际上反映了火焰行程的大小，c r 即为相对行程，c r 越大，火焰行程越长。 其中，无量纲火焰穿透深度c h 随炉拱射流旋流强度变化分析显示，c h 随射流 旋流强度变化规律完全与旋转射流自身的衰减规律相符，而炉膛侧墙气流对其的影 响甚微，因此对于带旋流燃烧器的w 型火焰锅炉，炉拱射流旋流强度的大小已成为 影响w 炉炉内空气动力场最为显著的因素之一。只有当该射流旋流强度很小( 接近 于零) 情况时，才考虑调整拱顶动量与侧墙动量之比来影响w 炉炉内空气动力场。 在正常炉拱射流旋流强度情况下，为了保证炉拱射流不短路，应选取拱顶风动量分 额比常规燃烧方式要大。 对w 型火焰无量纲宽度c 1 分析得出，随炉拱射流旋流强度q 改变，c i 基本保持 不变。 与粉粒炉内停留时间直接相关的无量纲火焰行程c r 受无量纲火焰穿透深度c h 太原理工大学硕士研究生学位论文 及w 型火焰无量纲宽度c l 线性影响，其中c h 为正作用，c l 为负作用。在改变旋流 强度对，由于c 。基本不变，无量纲火焰行程c r 与无量纲火焰穿透深度c h 成正比例 关系。 表征炉膛火焰充满程度的w 型火焰无量纲面积c s 受无量纲火焰穿透深度c h 及w 型火焰无量纲宽度c l 的影响，其中c h 作用略强于c l 。 研究结果表明，拱顶风为旋流时，拱顶风与侧墙风动量比并不是决定炉内空气 动力场的最重要的参数，拱顶风旋流强度对炉内空气动力场影响非常大，射流基本 符合旋转射流自身衰减规律。在常规旋流强度下，应选择较大的拱顶风与侧墙风动 量比。 ( 5 ) 三次风的影响 在文献【1 3 】中，许卫疆等人通过改变三次风的送入角度，系统地研究了三次 风对炉内流动的影响。研究表明，三次风对炉内流动有明显影响，它阻碍了主气流 向下流动，使气流行程变短。当三次风下倾一个小角度时，可以进一步延长气流行 程，对炉内流动有利。