劣质煤稳定燃烧的“三高一强”原则分析.pdf

第 43 卷第 5 期 2012 年 9 月 锅 炉 技术 B 0 ILE R T E C H N 0I 0G Y V o 1 4 3 ，N O 5 S ep ，2 0 1 2 【 燃料 与燃烧 】 劣质煤稳定燃烧的“ 三高一强 原则分析 闰顺林 ，陈华 刚，董 标 ，魏杰儒 (华北 电力 大学能源动力与机械工程学院 ，河北保定 071003) 摘要 ： 在分析煤 粉气流稳燃机理 的基础上 ， 归纳总结 出了强化劣质煤燃烧 的“ 三高一 强” 的基本原则 ， 即提 高着火 区温度 、 提 高煤粉浓度 、 提高烟气 回流量和强化燃烧过程初始 阶段 ； 通过对若 干煤 粉燃烧器稳燃 原因 的 分析 ， 印证了“ 三高一强” 原则 的良好应用效果 。 关键词 ： 劣质煤 ；稳燃 ；三高一强 ；燃烧器 中图分类号 ： T K 229 6 文献标识 码： B 文章编号 ： 16724763(2012)050046 04 O 前 言 目前 ， 由于 我 国 电力 工 业 的迅 猛 发 展 ， 煤 炭 供 应 日益 紧 张 ， 燃 煤 质 量 难 以保 证 ， 而 劣 质 煤 的 储 量 很大 ， 主要 用 于动 力 燃 烧 ， 因 此 很 多 电厂 需 要燃 烧劣 质 煤 ， 包 括 挥 发 分 低 的 贫 煤 和 无 烟 煤 ， 以及 灰分 高 的劣 质 烟煤 。劣 质 煤 燃 烧 的 显 著 特 点是 着火 困难 ， 且 着 火 后 难 以稳 定燃 烧 和燃 尽 ， 一 方面易引起锅炉灭火放炮事故， 另一方 面为 了 稳 定燃 烧需 要投 入 大量 燃 油 ， 严 重 影 响 了锅 炉 运 行的安全性和经济性。煤粉燃烧器 作为锅炉燃 烧 系 统的最 主要 部 分 ， 承担 着保 证 劣 质 煤及 时 着 火和稳定燃烧 的重要任务。国内外已经研 制 出 了一些 适合 燃用 劣质 煤 的燃 烧 器 ， 如 预燃 室 燃 烧 器 、 P A X 燃烧器和船形体燃烧器等。但随着煤质 继 续 变差 和电 网调 峰 幅度 日益 增 大 ， 劣 质煤 在 低 负荷下 仍不 能保 持稳 定 燃 烧 ， 需 要 对 燃 烧设 备 作 进 一 步的 改 进 ， 同时 应 重 视 燃 烧 理 论 的研 究 ， 为 稳 燃技 术 的研发提 供理 论指 导 。 1 煤粉气流 稳燃机理与“ 三高一强” 原则 1 1 煤粉气 流 的着火 与稳燃 在 煤粉 炉 中 ， 煤 粉 气 流 喷 入 炉 膛 后 ， 受 到 高 温烟气的不断加热 ， 当煤粉气流温度达到着火温 度时即开始着火燃烧 。将煤 粉气流从初温加热 到着 火 温度所 需 的 热量 称 为着火 热 ， 用 Q zn表 示 ， 其表 达式 为 ： Q ,h B ( C 。 里 + c ) x (T zhT 。 ) + B bM 而ar2 512+ C q( 一 一 E2 512一C 。 (To一100) (1) 式 中 ： B 每 台燃烧 器 的燃煤量 ， kg s； V 一 次风量 ， m 。 kg ； C。 ， C ， C 广分别 为空气 、 煤 粉和 水蒸气 的 比热 ， kJ (m 。 k ) ； q 固体 不完全 燃烧 损失 ， ； M a 煤 的收 到基水 分 ， ； M 煤 粉的水 分 ， ； 丁 zh 着 火温度 ， K ； 丁 0 煤 粉气流 初温 ， K 。 从式 (1)中 可 以看 出 ， 影 响 煤 粉 气 流 着 火 热 的因素 主要有 3 个 ， 即一 次风 量 V 、 着 火温 度 和煤粉气 流初 温 T 。 。 煤粉 气 流喷入 炉膛 后 ， 从 炉 膛 中 吸收 的热 量 主要有两部分 ： 一是高温烟气对煤粉颗粒 的辐射 热 ， Q 用 表示 ； 二 是 煤 粉气 流卷 吸周 围高 温 烟 气 的对流换 热 ， 用 Q 表 示 。这样 ， 煤 粉 气 流吸 收 的 热 量用 Q t表 示 ， 则 ： Q 一Q + Q h (2 ) 由热量平衡可知， 煤粉气流开始着火并稳定 燃 烧 的条件是 Q Q z ， 即 Q + Q h Q 。 h (3 ) 收稿 日期 ： 2012 04 10 作者简介 ： 罔顺林(1959 一 ) ， 男 ， 教授 ， 主要从事电站锅炉安全经济运行与节能方面 的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 闫顺 林 ， 等 ： 劣质煤 稳定燃烧 的“ 三高一强” 原则分析 47 从式 (3)可 以看 出 ， 要 想 提 高 煤 粉 气 流 的 燃 烧稳 定性 ， 应 从 两方 面着 手 ： 一 是 减 少 煤 粉 气 流 的着 火热 Q ， 由式 (1)可 知 ， 这 就 要 求 燃 料 有 较 低 的着火 温度 ， 较 高 的气 粉混 合 物 初 温 和较 小 的 一 次风 比例(即较高的煤粉浓度) ； 二是提高煤粉 气 流 的吸热量 Q ， 即提 高 辐 射 吸 热 量 Q 和 对 流 换 热量 Q 。 1 2 “ 三高一 强” 原 则分 析 1 2 1 着 火 区温度 对劣 质煤稳 燃 的影响 对煤 粉气 流 吸热 量作 进 一 步 分 析 ， 其 中烟 气 对 煤粉 颗粒 的辐射 加热 量 Q 为 l_】 ： Q 一N 丌 ； e ( T ) (4) 式 中 ： N 颗粒 总数 ； d 。 颗粒 直径 ， m ； 颗粒 黑度 ， ； 。 波尔 兹 曼 常 数 ， 其 值 为 5 67 10 w (m K ) ； T 烟气 温度 ， K ； T 。 颗粒 温度 ， K 。 煤 粉 气 流 与 高 温 烟 气 的 对 流 换 热 Q 近 似 为 j： Q h C V (T 一 T h) (5) 式 中 ： C 烟气 比热 ， kJ (m 。 K ) ； 卷 吸烟气 量 ， m 。 s。 从 式 (4)、 (5)可看 出 ， Q 与 T 的四次方 成 正 比， Q 与 T 成 正 比 ， 因而 提 高 着 火 区烟 气 温 度 T 可增加 煤粉 气流 的辐 射吸 热量 和对 流换 热量 ， 使 式 (3)更 易 达 到 平 衡 。对 于 挥 发 分 低 的 劣 质 煤 ， 析 出 的挥 发分 浓 度很 难 达 到均 相 着 火 所需 的 极 限浓 度 ， 倾 向于发 生 颗粒 直 接着 火 的多 相 着火 方 式 。由于颗 粒 着 火 的 温度 远 高 于 挥 发 分 着 火 的温度 ， 导致 劣质 煤 的 着火 温 度较 高 ， 由式 (1)可 知 ， 煤 粉气 流 的着火 热 随 之增 加 。因而 提 高 着 火 区温 度对 于劣质 煤 的稳定燃 烧更 加重要 。 为 了提 高着 火 区烟 气 温度 ， 可 以在 炉 膛 中设 置卫燃 带或 采用 预 燃室 。同 时 ， 利 用 强 回流 区 使 大量 热烟 气 回流 到 着 火 区 ， 加 热 煤 粉 气 流 ， 使 煤 粉 气 流提 前 着 火 ， 释 放 大 量 热 量 ， 其 中部 分 热 量 又随热 烟气 回流 带 回到 着 火 区 ， 这 样 形 成 良性 循 环 ， 保 持 了着 火 区 的高 温 。 1 2 2 煤粉 浓度 对劣 质煤稳 燃 的影 响 煤 粉浓 度 对 气 流 着 火 特 性 的影 响 是 多方 面 的 。从 着 火 热 角 度 ， 由式 (1)可 知 ， 煤 粉 浓 度 越 高 ， 输 送单 位 煤 粉 的一 次 风 量 越 小 ， 煤 粉 气 流 的 着火 热 越 小 。从 辐 射 传 热 角 度 看 ， 煤 粉 浓 度 越 高 ， 单位 空 间 内煤 粉 颗 粒 数 越 多 ， 吸 收 的辐 射 热 越 多 。从 着 火 方 式 角 度 看 ， 随 着 煤 粉 浓 度 增 加 ， 挥 发分 析 出更 加集 中 ， 挥 发分 浓 度 更 易达 到 着火 的极 限浓 度 ， 实 现 均 相 着 火 ， 均 相 着 火 的 温 度远 低 于多 相着 火 的温度 。可见 ， 提 高 煤 粉浓 度 有 利 于煤粉 气流 的着火 与稳 燃 。 但 是 ， 煤 粉浓 度 并 不 是 越浓 越 好 。 阎维 平_3 通 过试 验证 明 煤 粉 气 流 的 着 火 存 在 最 佳 煤 粉 浓 度 ， 即通 过 比较 同一 工况 下 不 同煤 粉 浓 度 时火 焰 温 度水 平 的高低 ， 达 到最 高 火焰 温 度 时 的煤 粉 浓 度 即为该工况下相应煤种的最佳煤粉浓度。表 1 汇总 了试 验 测 得 的 最 佳 煤 粉 浓 度 值 ， 可 见 ， 影 响 最 佳煤 粉 浓 度 的 因素 有 煤 质 和 一 次 风 温 。对 于 挥 发分 及 发 热 量 较 高 的 烟 煤 ， 着 火 温度 低 ， 所 需 的着火 热较 少 ， 最佳 煤 粉浓 度 值 较 低 。对 于挥 发 分较低 的贫 煤 或 无 烟 煤 ， 着 火 温 度 高 ， 所 需 的着 火 热 较多 ， 火 焰 传 播 速 度 较 低 ， 最 佳 煤 粉 浓 度 值 则 高 于常 规 的煤 粉 浓 度 值 。实 际 运 行 中煤 粉 气 流浓度 大约 为 0 350 45 kg kg(1 kg 空气 中含 有 0 35O 45 kg 煤粉 )， 低 于表 1 所列 的最 佳煤 粉浓 度 。低 负 荷 时 ， 煤 粉 量 随 负荷 减 少 ， 而 一 次 风量需 要满 足输 粉要 求 ， 导 致 低 负荷 时 煤 粉 浓度 更加低于最佳煤粉浓度。因此 ， 对于劣质煤燃烧 及低 负荷运 行 ， 提高 煤 粉气 流 浓 度 可改 善 气 流 的 着火 与稳燃 特性 。 表 1 最佳 煤粉浓 度试 验结 果汇 总 (kg 煤粉 kg 空气 ) 2O 300 0 4 047 057 06 一 O 66 054 066 076 1 0 在燃烧 器前 或 燃 烧器 内设 置 浓 淡 分 离器 ， 将 煤粉 气流 分成 浓股 与 淡股 气 流 ， 让 浓股 气 流 先 着 火 ， 释放 的热 量再 点燃 淡 股 气 流 ， 这 样 可 改 善 气 流 的着火 特 性 。常 见 的 浓 淡 分 离 器 有 弯 管 离 心 分离 ， 旋风 分 离 ， 百 叶 窗 分 离 ， 撞 击 块 分 离 ， 旋 流 叶 片分离 等 。另 外 ， 通 过对 送 粉 系 统 进 行 改 进 ， 减少 低负 荷 时输送 煤 粉所 需 空气 量 ， 可改 善 低 负 荷 时煤粉 气流 的稳燃 特性 。 1 2 3 烟 气 回流对 劣质煤 稳燃 的影 响 锅炉燃 烧理 论认 为 ， 对 流 换 热 量 占总 吸 热量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 48 锅 炉 技术 第 43 卷 的 80 90 9 6， 而 辐 射 吸 热 量 Q 只 占 1O 2O ， 因此 ， 增加烟 气与煤粉 气流 的对 流换 热量 Q 可显著 改善 煤 粉 气 流 的稳燃 特 性 。从 式 (5)可 看 出， 要 想增 加 对 流换热 量 Q 有 2 个 途径 ： 一 是 前 面分析 的提 高着 火 区烟气 温度 T ； 二 是 增加 气 流 卷吸 烟气 的体积 。一般直 流煤粉燃烧 器是靠煤 粉气 流的外 边界 卷 吸周 围烟 气进 行 热 量 交换 的 ， 但对 于劣质煤是 不够 的 。要 想 大 幅提 高 Q ， 除 了 高温条件 外 ， 还必 须 在射 流 的 内部 和侧 面形 成 回 流 区 ， 产生 强 烈 扰动 。高 浓 度煤 粉 气 流 进入 回流 区并进行减 速 、 滞 止 、 增 浓 ， 被 回流 区的 高温 烟 气 快 速加热并 着火 。煤 粉 气 流减 速 后 ， 煤 粉在 回流 区停 留时间更 长 ， 颗粒 可 以吸收 更 多 的辐 射 热 和 对 流热 。另 外 ， 煤粉气 流减 速后 ， 有利 于传 播速 度 较 低 的火焰 稳 定 存 在 。可见 ， 在 煤 粉 射 流 内部 和 侧面形成回流区， 可提高煤粉气流的稳燃特性 。 形成烟气 回流 区的技术 主要 有 3 类 ： 一是用 钝 体或稳定船等产生高温烟气回流， 如钝体燃烧器和 船形体燃烧器； 二是通过组合射流产生回流区， 如 大速差射 流燃烧器和偏置射 流燃 烧器 ； 三是利用 叶 片旋流产生 中心 回流区 ， 如旋流式煤粉 预燃室 。 1 2 4 燃烧过程的初始 阶段对劣质煤稳燃 的影响 E ssenhi ng 等 曾做 过这样 的试 验 ， 煤 粉 细度 为 O 200 btm ， 其 中 O65 肚 m 的细 粉 占 75 ， 加 热速度 为 1O s， 在挥 发分析 出 3 4 以后 ， 先是均 相着 火 ， 在 0 030 05 S 以后 ， 是均 相 (挥 发 分 )和多 相 (固定 碳 )着 火 同 时进 行 。在 O 08 S 以后 ， 挥发 分 大量 析 出 ，直 到 0 15 S 时挥 发分 析 出 已超 过 80 ， 固定 碳 已烧 掉 60 ， 温度 升 高 至 1 500 。G ung 的煤 粉燃 烧试 验 进一 步表 明 ， 在 燃 烧初期 阶段 0 2 S 内烧 去 煤 粉 的 80 ， 而 剩 下 的 2O 煤 粉 ， 需 要 4 倍 (0 8 s)的 时 间才 能 烧 完 。 由此可见 ， 燃 烧初 期 的强 化是 火 焰 稳定 和煤 粉 燃 尽 的最 重要 的阶段 。 强化 燃烧 过 程 初 始 阶 段 使 煤 粉 气 流 提 前 着 火 ， 释放 的 热 量 为 后 续煤 粉 加 热 提 供 了热 源 ， 使 煤粉 气 流具 有 自稳 燃 特性 。强 化 燃 烧 过 程 初 始 阶段 ， 可以在有限空 间内使煤粉快速加热甚至着 火 ， 如稳燃 腔 燃 烧 器 和 预燃 室 燃 烧 器 ； 可 以 强化 火焰 根部 的热量 交 换 和质 量 交换 ， 如大 速 度 差射 流预燃室 、 波纹形钝体燃烧 器和船形体燃烧器 ； 还可 以强 化火焰 根 部气 固两相 流扰 动 ， 如 扁平 射 流 、 交 叉射 流和 逆 向射 流燃 烧器 。 综 上所 述 ， 要 想 提 高 劣 质 煤 的燃 烧 稳 定 性 ， 可 以通过 提 高 着 火 区温 度 、 提 高 煤 粉 浓 度 、 提 高 烟气 回流量 和 强化 燃烧 过 程初 始 阶段 来 实现 ， 简 称“ 三高一 强” 。 2 若干煤粉燃烧器 稳燃特性分析 2 1 W R 宽调节 比燃烧 器 与水平浓 淡直 流燃 烧器 图 1 是 W R 型宽 调 节 比燃 烧 器 的结 构 示 意 图 。在 燃烧 器 的人 口， 有 一 个 直 角 弯 头 ， 利 用 煤 粉 气流 流经 弯 头 时 离 心力 的 作 用 对煤 粉 气 流 进 行 浓淡分 离 。煤粉 颗 粒 由于 惯 性 大 ， 被 分 离 到 上 面 ， 形成 了上 浓下 淡 的两 股 气 流 。在燃 烧 器 出 口 装 有 V 型扩 流锥 ， 扩 流锥 的作 用 相 当于 小 钝体 ， 在 下游形 成高 温烟 气 回流 区 ， 为 煤粉 气 流 着 火 提 供 热源 。在燃烧 器 出 口还 组织 有 周 界 风 ， 其 作 用 是抽 吸上 下 两 股 气 流 ， 使 其 发 生 大 角 度 偏 转 ， 并 在其 后形 成 2 个 烟 气 回流 区 ， 使 扩流 锥 形 成 的 回 流 区更加 稳 定 。煤 粉 颗 粒 由于 惯 性 大 直 接 射 人 回流 区 ， 有 利 于着 火稳 燃 。 图 1 W R 型宽调节 比直流燃烧器 图 2 是水 平浓 淡 直 流燃 烧 器 的结 构 示 意 图 。 在 燃烧器 内装 有 多个 挡块 ， 将 一 次 风煤 粉 气 流 在 水 平方 向上 进 行 浓 淡 分 离 ， 浓 股 气 流 导 向 向 火 侧 ， 淡股 气流 导 向背火 侧 。由于 导 向 向火 侧 的气 流煤 粉浓 度 高 ， 着火 热 减 小 ， 且 向火 侧 的 烟 气 温 度 高 ， 有 利 于 着 火 稳 燃 。在 燃 烧 器 浓 股 出 口， 组 织有 锯齿 状 多 股 气 流 ， 气 流 间 相 互 卷 吸 ， 动 量 下 降 ， 并在 淡股 主气 流 的卷 吸作 用 下 发 生 偏 转 ， 在 浓股 气流 出 口形 成 小 回流 区 ， 煤 粉 首先 在 这 里 着 火形 成小 火焰 ， 小火 焰 产生 的热 量 为进 一 步 着火 提 高热源 ， 有利 于煤 粉着火 稳燃 。 图 2水平浓淡直 流燃烧器 2 2 稳燃腔 燃烧 器与大 速差 射流燃 烧器 图 3 是稳 燃 腔燃 烧 器 的结 构 示 意 图 ， 主要 由 稳 燃腔 腔 体 、 钝 体 和 浓 淡 分 离 三 角 块 等 部 分 组 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 期 闫顺 林 ， 等 ： 劣质煤稳定燃烧 的“ 三高一强” 原则分析 49 成 。在燃烧 器 的外 面加 装 稳燃 腔 ， 强化 了燃 烧 过 程 的初始 阶段 和燃 烧 过程 中的对 流 换 热 ， 同 时 扩 大 了温度梯 度 和速 度 梯度 的差值 ， 使 钝 体 后 的 回 流 区作用 更加 明显 ， 燃 烧 更 加稳 定 。 由于稳 燃 腔 两壁 的作 用 ， 使 钝 体 后 的 回 流 区 是 封 闭 的 ， 煤 粉 气 流流过 回流 区后 仍 汇合 成 一股 气 流 ， 对 炉 内原 有气 体动 力场 影 响较小 。 稳燃腔 图 3 稳燃 腔燃烧器 图 4 是 大 速 差 射 流 燃 烧 器 的 结 构 示 意 图 。 在 预燃 室 的一端 布置 有 一 次风 喷 口 ， 煤 粉气 流 以 152O m s 的 速度 进入 预燃 室 。在一 次 风 喷 口 外 围周 向开 一个 或几 个 小孔 ， 小 孔 内通 以蒸 汽 或 压 缩 空气 ， 形 成 300 m s 的高 速 射 流 。在 预燃 室 有 限空 间 内 ， 高速 射 流 的强 烈 引射 作 用 会将 一 次 风 中的气 体 吸 引 过 去 ， 在 一 次 风 下 游 形 成 回流 区 ， 它 的长度 约 为 旋 流 器后 回流 区 的 3 倍 ， 能 从 炉 膛 深处 卷 吸更 高温 度 的烟 气 ， 有 利 于着火 和 稳 图 4 大速差射流燃烧器 燃 。煤粉 颗 粒 由于 自身 惯 性 直 接 进 入 回 流 区加 热升 温 ， 煤 粉浓度 分 布 与 烟气 温度 分 布具 有 良好 的 匹配性 。预 燃 室 则 强 化 了燃 烧 过 程 的 初 始 阶 段 ， 同时在 预燃 室 内着 火 区 形 成 局 部 高 温 ， 提 高 了煤 粉气 流 的稳 燃 特性 。 3 结 语 (1) 本文在 分析煤粉气流稳燃机 理 的基础 上 ， 归纳 总结 出了强化 劣质煤 稳 定燃烧 的“ 三 高一 强” 原则 ， 即提高着火 区烟气 温度 ， 提高煤粉浓 度 ， 提高 烟 气 回流 量 ， 强化 燃 烧 过 程初 始 阶 段 。文 中不 仅 分析了“ 三高一强” 原则促进劣质煤稳定燃烧的机 理 ， 而且 总结 了“ 三高一强” 原则 的实现途径 。 (2) 通过对若干稳燃能力强的燃烧器的结构 和设计 思想 的分 析 ， 验证 了“ 三 高 一强 ” 原 则 的 良 好 应用 效 果 。“ 三 高 一 强 ” 原 则 对 燃 用 劣 质 煤 燃 烧 器 的设 计 或改造 提供 了一定 的理 论支 持 。 参考 文献 ： E 13 周怀春 ， 方庆艳 ， 张志 国 煤粉射流吸热着火稳燃机理及新 型 稳燃技术 的探讨 J 动力工程 ， 2006， 26(1)： 101 107 E23 王云 山， 徐孝蔚 新 “ 三 高 区” 原 理与 多级 浓 缩煤 粉燃 烧器 EJ 四川电力技术 ，1996(2)： 8 14 33 阎维平 ， 徐通模 ， 许晋源 煤粉气流着火存 在最佳煤粉浓度 的 机理分析 EJ3 华北 电力学 院学报 ， 1995 ， 22(2)： 28 32 43 韩才元 ， 徐 明厚 ， 周怀 春 。 等 煤 粉燃烧 M 北京 ： 科 学出版 社 ， 200 1 E5 张海， 吕俊 复 ， 岳光 溪 ， 等 若 干煤 粉燃 烧 的设 计 思想 分析 J 锅炉技术 。 200 7，38(6) ： 36 4 1 E6 周建明 低挥发分煤粉燃烧新技术 发展与应用EJ 洁净煤技 术 ， 2O 11， 17 (4) ： 54 57 E7 胡荫平 ， 贾鸿祥 新 型煤粉燃烧 器M 西安 ： 西安 交通大学 出 版社 ， 1993 “ T h re e H i g h O ne S t ro n g ” P ri n ci p le A na ly s i s o f ln fe ri O r C o a I S tab Ie C o m b u s t i o n Y A N S h unli n ， C H E N H uag an