（热能工程专业论文）240th烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析和改造方案.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 本文针对合肥发电厂1 3 1 4 - 2 4 0 3 9 型烟煤锅炉改烧贫煤所存在的问题进行了较详 细的分析，并提出了切合实际的改造方案，主要内容如下： 1 旋流燃烧器燃烧低挥发分煤的探讨与研究 ( 1 ) 根据燃烧理论，提出了一种新型的花瓣稳燃器。分析了花瓣稳燃器稳燃作用 的原理，设计比较了五种花瓣稳燃器，探讨花瓣外径、花瓣瓣数及花瓣小圆直径等 设计参数对稳燃器稳燃作用的影响。 ( 2 ) 将花瓣稳燃器加装于旋流燃烧器的中心管外、一次风道内，并根据该锅炉原 燃烧器的工作现状和国内外改造经验，提出了四种旋流燃烧器的改造方案。 2 花瓣和燃烧器流场的数值模拟 ( 1 ) 数值模拟花瓣流场。计算了五种花瓣流场，整理分析计算结果，总结花瓣各 设计参数对流场的影响。 ( 2 ) 数值模拟燃烧器流场。计算了四种燃烧器改造方案的流场，整理分析计算结 果，对燃烧器改造方案进行比较和论证。 3 锅炉尾部受热面的改造与论证 针对该锅炉热风温度低、排烟温度高的问题，应用螺旋翅片管，调整省煤器、 空气预热器的受热面积，提出了尾部受热面的三种改造方案，并通过锅炉热力计算 对三种改造方案进行了可行性分析和比较。 本文对花瓣和燃烧器流场的计算与分析表明，这种花瓣稳燃器能强化贫煤燃烧， 在我国首次进行了采用旋流燃烧器燃烧低挥发分煤的研究。对锅炉所作的热力计算 与分析表明，尾部受热面采用螺旋翅片管省煤器的改造方案，改造工作量小，既能 满足贫煤燃烧所需热风温度，又能显著降低锅炉排烟温度和提高锅炉效率，具有明 显的经济效益。 关键词：贫煤旋流燃烧器花瓣稳燃器螺旋翅片管 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c r a b s t r a c t t h i st h e s i ss t u d i e dt h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sw h e nt h eb u r n i n gf u e lw a s c h a n g e df r o mb i t u m i n o u st oi e a ng o a if o rt h e1 3 1 4 - 2 4 0 3 9b o i l e ri nh e f e ip o w e r p l a n t a n dap r a c t i c a lp r o g r a mw a sp u tf o r w a r df o rt h eb o i l e rr e t r o f i tb a s e do nt h e d e t a i l e da n a l y s i s t h em a i nw o r k sc a nb es u m m a r i z e da sf o i l o w s ： 1 ，t h es t u d yo ns w i r lb u r n e rf o rb u r n i n gl h ei o wv o l a t i l ec o a l ( 1 ) b a s e do nb u r n i n gt h e o r y , an e wd e v i c e p e t a l o i df l a m es t a b i l i z e ri s p r o p o s e d t h ep r i n c i p l e so ft h i sf l a m es t a b i l i z e ra r ea n a l y z e d t h r o u g ht h e c o m p a r i s o no ff i v ed i f f e r e n td e s i g n so fp e t a l o i df l a m es t a b i l i z e r , t h ep a r a m e t e r s s u c ha sp e t a le x t e r n a ld i a m e t e r , t h en u m b e ro fp e t a l sa n dp e t a lc i r c l e td i a m e t e ra r e d i s c u s s e d ( 2 ) t h ep e t a l o i df l a m es t a b i l i z e ri sf i x e d0 nt h eo u t e rf r i n g eo ft h ec e n t r a ip i p e a tt h ee x i to ft h ep r i m a r ya i rp i p ef r o mw h i c ht h ep u l v e r i z e dc o a l a i rm i x t u r ei s p r o v i d e dt ot h ef u m a c e c o n s i d e r i n gt h es t a t u so ft h eb u r n e ra n dc o n c r e t e e x p e r i e n c e ，f o u rs w i r lb u r n e rp r o j e c t sa r ed i s c u s s e d 2 n u m e r i c e is i m u l a t i o nf o r t a ia n ds w i r lb u r n e r ( 1 ) f i v ep e t a im o d e l sa r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sa r e g i v e n ，a n dt h ei n f l u e n c eo f t h ep e t a lp a r a m e t e r so nt h ef l o wf i e l di ss u m m a r i z e d ( 2 ) f o u rs w i r ib u r n e rm o d e l sa r es i m u l a t e dn u m e r i c a l l y , t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s f o rt h ef o u rs w i r ib u r n e rp i e c t sa r ed i s c u s s e da n dc o m p a r e dw i t he a c ho t h e r 3 r e t r o f i tp r o j e c to fb o i l e rt a h e a t e ds u r f a c e t h ep r o b l e m so ft h i sb o i l e r , a u c ha sm u c hj o w e rv a l u eo fh e a t e da i r t e m p e r a t u r ea n dm u c hh i g h e rv a l u eo fb o i l e rf l u eg a st e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e d ， a n dt h ew a yt oi m p r o v et h eh e a t e ds u r f a c eo ft h eb o i l e ri ss u g g e s t e d u s i n gs p i r a l f i n n e dt u b ef o rt h ee c o n o m i z e ra n da d j u s t i n gt h eh e a t e ds u r f a c es i z ef o rl h ea j r p r e h e a t e r , t h r e ep r o j e c t sa r ep r o p o s e da n dt h e i rf e a s i b i l i t ya r ea n a l y z e d t h er e s u l t so fc o m p u t a t i o na n da n a l y s i so nt h ep e t a im o d e ia n db u r n e rm o d e l i n d i c a t et h a tt h ep e t a l o i df l a m es t a b i l i z e rc a ne n h a n c et h ei e a nc o a ib u r n i n g i t s t h ef i r s ts t u d yf o rt h el o wv o t a t l i ec o a it ob u r nw i t hs w i r ib u r n e ri no u rc o u n t r y t h er e s u l t so fc o m p u t a t i o na n da n a l y s i so nb o i l e rh e a t e ds u r f a c e ，i n d i c a t et h a t t h es p i r a l 娟n n e dt u b ep r o j e c tc a ns a t i s f yt h eh e a t e da i rt e m p e r a t u r e 。g r e a t l yr e d u c e t h eb o i l e rf l u eg a st e m p e r a t u r e ，a n dp o s s e s so b v i o u se c o n o m i c a lb e n e f i t k e y w o r d s ：l e a nc o a l s w i r ib u r n e cp e t a l o i df l a m es t a b i l i z e r , s p i r a l - f i n n e dt u b e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 东南大学学位论文使用授权说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸制论文的内容一致。除在保密期内的保密论文外，容许论文被查阅 和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 东南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 煤种是影响电厂锅炉、制粉系统、电除尘器等设备设计选型的主要因素之一， 电厂使用的煤种确定后，其主要设备的结构参数和技术性能指标也随之确定。由于 煤源、煤种变化，锅炉在运行中经常需要改烧不同燃料煤。从我国电厂燃煤情况分 析可以看出，实际燃用煤种与设计煤种不符比较普遍。根据对大机组统计，实际燃 用煤种与设计煤种基本相符的锅炉仅占约1 3 ，不相符的占大部分。 实际燃用煤种与设计煤种的差异，对锅炉运行的安全性和经济性带来了很大的 影响。由于煤种与设计不符，引起了锅炉出力不足、效率降低、结渣、磨损等一系 列问题；锅炉参数和运行经济指标会严重偏离设计值，甚至会影响机组运行的可靠 性。 因此，当锅炉煤种发生变化时，为了增加煤粉锅炉对燃料的适应范围，提高燃 烧效率，扩大负荷的调节范围，提高燃烧的自动监测和控制水平，减少粉尘和有害 气体( 如n o 。，s o x ) 对大气的污染，和提高运行的可靠性，对燃料的燃烧特性、锅炉 及相关设备进行详细分析，对锅炉燃烧器、锅炉本体及主要辅机进行程度不同的改 造和完善工作，是非常必要的。 此外，对以旋流燃烧器燃烧低挥发分的贫煤和无烟煤的深入研究，在国内尚属 空白。在炉内布景旋流燃烧器，建立良好的空气动力场，可以避免四角切圆燃烧的 直流燃烧器的残余旋转而造成的在炉膛出口和水平烟道烟温的重大偏差。这种烟温 偏差，会造成受热面的受热不均，有时会使受热面超过容许的温度而烧坏，危害十 分严重。 当前国内燃煤发电厂运行过程中产生的大量n o 。是大气污染的主要因素之一， 这些锅炉排烟中的n o ；会形成化学烟雾，破坏生态环境，恶化人们赖以生存的生活 空间。随着人们生活水平的提高，人们越来越重视生活的环境质量，环保要求也在 不断的提高，这就迫使燃煤电厂必须在降低污染物排放上采取揩旌，因此，燃煤电 厂，必须大力推进低n o x 燃烧技术。 旋流燃烧器自身的气流特性，在出口处产生回流区，可在挥发分析出和燃烧初 期，促进煤粉气流与热烟气尽快混合，以创造局部低氧环境。在局部低氧环境中， 前期生成的n o 。可在焦碳燃烧阶段再被还原成n 2 ，对大幅度降低n o 。的排放十分有 利。 目前，我国有相当数量的早期生产的旋流燃烧器锅炉，这些燃烧器燃烧状况差， 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 低负荷稳燃性能不住。随着锅炉容量的增加，对火焰分布均匀性及炉膛出口温差等 要求更高，使对旋流燃烧器的研究迫在眉睫。 1 2 国内外研究现状 国外学者很早就开始进行采用旋流燃烧器燃烧低挥发分煤的研究。旋流燃烧器 在俄罗斯已是一种传统的燃烧无烟煤的燃烧方式。从以往的中小容量锅炉直至今日 的大型机组，都有采用旋流燃烧器来燃烧低挥发分煤的成功先例和经验。在美国和 欧洲不少公司也都致力于应用旋流燃烧器来燃烧低挥发分煤的开发工作。 8 0 年代，b a b c o c k 公司研制开发出w b 型煤粉燃烧器。这种燃烧器最主要的特 点是将二次风道分为内二次风和外二次风，在内二次风道内装有旋流叶片，使内二 次风成为旋转射流，一次风和外二次风为直流射流。这种燃烧器由于使占总风量5 0 的外二次风同一次风粉气流的混合推迟，有利于煤粉的着火。但这种燃烧器由于旋 流强度较小，燃烧受控制，因此宜于燃烧优质烟煤。 f w 公司研制的c f s f 型煤粉燃烧器也可归结为这一类。 此后，在w b 型煤粉燃烧器的基础上，b & w 公司研制出w s f 型煤粉燃烧器。 与w 1 3 型燃烧器相比，它增加了中心风和外二次风旋流叶片。增加中心风的目的是 为加大中心回流区，增加风粉混合物与高温烟气接触的表面积，并为煤粉燃烧初期 提供必要的氧量：增】j n 3 b - 次风旋流叶片，是为了在燃烧低挥发分煤时，增加燃烧 器的旋流强度，加强回流区的卷吸能力。该种燃烧器主要用于燃烧劣质烟煤。 9 0 年代，b a b o o c k 公司又开发出一种新型的低挥发分煤粉燃烧器，称为d s 燃烧 器。这种燃烧器在设计上充分考虑了燃烧低挥发分煤和减少n o x 产生等问题。 该燃烧器从整体上看，接近于w t s 燃烧器，有中心风管，一次风道和内外二次 风道，内k b - - 次风道均装有旋流叶片。其特点是：( 1 ) 采用了截面面积较大的中心风 管，其目的是降低中心风速，保证回流区的稳定。( 2 ) 在燃烧器一次风道内加装了旋 流导向叶片，在煤粉喷嘴出口加装了齿环稳燃器。旋流导向叶片使一次风粉气流在 燃烧器一次风道内产生旋转，一方面改善了一次风粉气流通过输粉管进入燃烧器前 的最后一个弯头所产生的煤粉浓度在周向分布的不均现象，另一方面，一次风粉气 流由于受旋流的作用，又形成新的径向不均，即贴近一次风道管内壁处煤粉浓度较 高，煤粉颗粒较粗，而贴近中心管外壁处，情况则相反，形成外浓内淡的煤粉分布。 在煤粉出口处，流经导向叶片的风粉气流，受到齿环稳燃器的作用，较粗的煤粉颗 粒从燃烧器一次风道内壁处折向趋中射入炉内，浓集于旋流燃烧器所形成的大回流 区边界，加大了回流区边界处的浓度梯度，强化了反应流体的传质和燃烧。这种齿 环稳燃器的稳燃原理将在第四章作详细介绍。( 3 ) 一次风喷口端部设计成外扩型，延 迟了内二次风与一次风粉气流的混合。内二次风喷嘴端部也为外扩型，推迟了外二 2 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 次风向内的扩展和混合，达到了更完善的分级送风效果。 据该燃烧器的制造厂家b a b c o c k 公司介绍，d s 燃烧器既可用于优质烟煤，也可 用于劣质烟煤或者贫煤，甚至无烟煤。许多实验数据表明。d s 燃烧器可以稳定燃烧 挥发分仅为1 0 - 一1 4 的煤种。在1 9 9 6 年的测试中该燃烧器成功地燃烧了挥发分为 9 的“德州煤”。 在德国b a b c o c k 公司新设计的锅炉中，普遍采用这种燃烧器，一些老厂进行燃 烧技术改造时，也更换成这种燃烧器。b a b c o c k 公司和一些电厂认为，这是一种较好 的具有高效低污染性能的煤粉燃烧器。 近年来，在我国兴起了浓淡煤粉燃烧技术。浓淡煤粉燃烧器是通过在一次风管 道中的浓淡分离器，把煤粉分离成浓度差异适中的浓淡两股，浓煤粉气流在向火侧， 由于所需着火热减小，着火时间缩短和火焰传播速度提高，首先者火，浓煤粉者火 后，带动淡侧煤粉的着火，两者相互作用保证煤粉燃烧器的稳定着火和燃烧。这种 燃烧器在强化和稳定燃烧以及降低污染物排放等方面，有良好的效果。 但我国对旋流燃烧器的研究还处在起步阶段，而且一般只在中小型锅炉中采用， 大容量锅炉中很少采用。绝大多数燃烧无烟煤和贫煤的锅炉还是采用切向燃烧的直 流煤粉燃烧器。不过。切向燃烧大型锅炉的气流余旋所产生的烟温偏差十分严重， 例如某厂6 0 0 m w 锅炉，水平烟到的烟温偏差竟达2 0 0 2 5 0 ，严重影响过热器和再 热器的可靠运行。因此，发展水平烟道烟温偏差较小的旋流燃烧器，对保证大型锅 炉的安全运行也有重要的现实意义。 1 3 论文的主要内容 台肥发电厂1 3 1 4 - 2 4 0 3 9 型锅炉为哈尔滨锅炉厂早期产品，原设计煤种是鹤岗烟 煤，现由于煤源变化改烧贫煤。改烧贫煤后锅炉运行严重偏离设计工况，运行状况 极差。本文的主要工作就是对这台锅炉改烧贫煤后存在的问题进行分析，并结合改 造的可行性和通用性，寻求切合实际的改造方案。 本文的内容安排如下； 第一章，绪论。对本课题国内外研究现状进行扼要概括；阐明研究此课题的目 的、意义、所要解决的问题；本研究工作在工业生产中的实用价值与意义。 第二章，烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析。对煤种变化后对锅炉的影响及对锅炉 各部分存在的不适应性进行分析；判断锅炉哪些设备不符合燃烧贫煤的要求，需要 改造；并根据改造的可行性确定锅炉改造内容。 第三、四、五章，为锅炉燃烧器部分。第三章，燃烧器的改造。阐述燃烧器改 造的理论依据；结合该锅炉燃烧器现状提出四种燃烧器改造方案。第四章，花瓣稳 燃器及流场计算。说明花瓣稳燃器稳燃原理；数值模拟花瓣流场：讨论花瓣设计参 东南大学硕士学位论文第一章绪论 数对花瓣流场的影响；选择花瓣稳燃器的设计参数。第五章，燃烧器改造方案论证。 建立燃烧器流场模型；数值模拟四种造方案的流场；分析流场特性；确定燃烧器的 改造方案。 第六章，锅炉受热面的改造与方案论证。提出锅炉尾部受热面的改造方案；对 改造方案进行可行性分析；确定锅炉受热面的改造方案。 通过上述工作，本文希望达到如下目标： 1 提出了花瓣稳燃器，将其应用于旋流燃烧器中，并探讨和分析旋流燃烧器燃 烧低挥发分煤的改造方案； 2 用f l u e n t 软件对花瓣流场和燃烧器流场进行数值模拟； 3 应用螺旋翅片管对锅炉尾部进行改造。 4 东南大学硕士学位论文 第二章烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析 第二章烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析 2 1 概述 合肥发电厂一台配5 0 m w 机组的中压2 4 0 t h 煤粉炉( 1 3 1 4 2 4 0 3 9 型锅炉) 为哈尔 滨锅炉厂早期产品，该锅炉按烟煤设计，制粉系统为钢球磨煤机( 2 台) ，中间储仓式 乏气送粉系统；炉内燃烧器为两侧墙对冲布置的圆形轴向叶片可调式旋流燃烧器。 其设计参数1 1 为： 锅炉蒸发量d 过热蒸汽参数p t 给水参数p t 热风温度 排烟温度 计算燃料量b j 炉膛出口烟温0 ” 炉膛容积热强度q ， 炉膛截面热强度q f 锅炉效率n 原发计煤种 改烧煤种 2 4 0 t ，h 4 0 k g f c m 2 4 5 0 * ( 2 5 0 k g f c m i1 7 24 c 3 1 5 1 5 0 2 9 8 0 0k j k g 1 1 5 0 1 7 2 1 0 3 w m 3 2 7 1 2 1 0 6 w m 2 9 1 1 鹤岗烟煤 贫煤 原设计煤种与改烧煤种的特性见表2 ，1 。 表2 1 原设计煤种( 烟煤) 和改烧煤种( 贫煤) 特性表 类型 c , ( v o )h y ( )o ( )n y ( )s y ( )a y ( )w ( )v i )q d y ( k j k s ) 烟煤 5 81 43 8 68 0 90 6 20 2 22 0 0 79 0 03 47 32 2 6 7 6 贫煤 5 81 62 8 63 1 90 9 00 9 62 51 3 88 0 1 3 0 02 1 7 5 9 改烧贫煤后，锅炉在运行中者火比较差，火焰比较暗；在炉膛出口的费斯顿管 和高温过热器部位常常造成结焦，并影响受热面的安全工作；排烟温度较高( 高达1 6 0 ) ，烟气飞灰含碳量较大( 高达1 0 ) ，锅炉效率较低( 约为8 5 ) 。 东南大学硕士学位论文 第二章烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析 本章从煤种变化对锅炉的影响入手，然后分析改烧贫煤后，锅炉制粉系统、燃 烧设备和受热面存在的主要问题。 2 2 煤种变化对锅炉的影响 比较原煤种( 烟煤) 和改烧煤种( 贫煤) ，可以发现，两种煤的主要差别在于改 烧的贫煤比原来的烟煤挥发分含量显著降低，由原来的3 4 7 3 降低为1 3 。 挥发分是燃料燃烧的重要特性，它对锅炉的工作有很大影响。挥发分着火温度 较低，使煤容易着火。例如，褐煤的着火温度约3 7 0 。c ，烟煤为4 7 0 5 0 0 c 左右，无 烟煤则为7 0 0 c 以上。挥发分多的煤也较容易燃尽，燃烧损失较少。因为在挥发分析 出之后，燃料表面呈多孔性，与助燃空气接触的机会增多。 相反，挥发分含量减少，煤粉的着火温度显著增加，着火热增大，故者火困难， 达到着火所需要的时间增多，着火距离加长且不容易燃烧完全。挥发分减少，煤粉 火炬中心传播速度显著降低，从而火焰扩展条件变差，火焰变长，炉内总体温度不 高，火焰较暗。 若煤粉在炉内的着火时间长，则在炉内的燃烧时间将缩短，到炉膛出口处未能 完全燃尽，且该锅炉采用乏气送粉，煤粉进入炉膛时温度低，着火速度慢，着火时 间长，燃尽时间短，到炉膛出口处的未燃尽煤粉多，使炉膛出口处温度提高，容易 造成费斯顿管和高温过热器结焦。而出炉膛后烟气温度降低，煤粉根本没有可能继 续燃烧，所以飞灰含碳量增加，机械未完全燃烧损失增加，锅炉效率降低。 2 3 制粉系统存在的主要问题 该锅炉采用的是中间储仓式乏气送粉系统，改烧贫煤后，对其制粉系统分析如 下： 1 煤粉细度问题 煤种变化后，挥发分含量降低，要求煤粉磨得细些。因为煤粉越细，单位质量 燃料的“比表面积”越大，在其他条件相同的情况下，温度升高更快，更有利于着 火。此外，因化学反应是在煤粉面积上进行的，表面积大，所以放出的热量多，这 对着火和燃尽也是有利的。可见煤粉越细，在锅炉内燃烧时，燃料的不完全燃烧损 失就越小。 但对制粉系统而言，煤粉磨得细，却要消耗的电能较多，且金属的磨损量也要 增大。故煤粉细度的选择，应使不完全燃烧损失和制粉系统能耗之间形成最佳配比【2 j ， 且又适合贫煤燃烧。 2 送粉风温问题 燃烧贫煤需要较高的煤粉初温，而该制粉系统采用乏气送粉，一次风温1 2 0 9 c 左 6 东南大学硕士学位论文 第二章烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析 右，不利于煤粉气流的着火与燃烧，应采取措施提高煤粉初温，最好采用热风送粉。 但采用热风送粉，改造工作量较大，管路及设备改动庞大。若制粉系统不进行 改造，那么将对燃烧设备提出更高的要求。 2 4 1 炉膛 2 4 燃烧设备存在的主要问题 根据燃用贫煤所作的热力计算得到： 锅炉燃料耗量 b = 3 1 3 9 1k g h 炉膛出口烟温0 ”i 1 1 9 0 c 其中：热风温度取3 5 0 1 2 。 对炉膛1 有关参数进行分析如下： 1 炉膛容积热强度 改烧贫黼旷等= 等等= 1 7 1 1 0 3 w 槲 燃烧贫煤的容积热强度q v 的推荐范围为11 6 1 6 3 1 0 3 w m 3 故q 。过大。 q 。值过大，燃料在炉内的停留时间过短，不能保证燃烧完全而使运行经济性有 所下降。 2 炉膛截面热强度 改烧贫黼旷警= 鼍等2 7 0 6 x 1 0 6 w 肼 燃烧无烟煤、贫煤q f 的推荐范围为：2 6 7 3 4 9 x1 0 6 w m 2 【3 】o 该值属予正常范围之内。基本满足设计要求，说明炉膛周界设计能够满足燃烧 贫煤要求。从设计角度来讲，不会引起燃烧器区域结焦，燃烧器区域温度水平合适。 由以上分析可以看出炉膛截面积设计符合改烧贫煤要求，但应减小炉膛容积热 强度，即炉膛高度对改烧贫煤来说略显不够，这就意味着要增加炉膛容积，提高炉 膛高度。但增加炉膛高度的改造工作量太大，显然是不可取的，因此该闯题只好通 过燃烧器改造使煤粉着火速度加快，以增加其在炉内的燃烧时间，使该问题得到一 定程度的补偿，来加以解决。 7 东南大学硕士学位论文 第二章烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析 2 4 2 燃烧器 台肥发电厂1 3 1 4 - 2 4 0 3 9 型锅炉燃烧器为两侧墙对冲布置的圆形轴向叶片可调式 旋流燃烧器，改烧贫煤后，其主要参数计算如下： 1 风量计算i 计算燃料消耗量b = 3 0 8 5 3k g h 燃烧理论空气量 0 _ 5 8 5 4 n m 3 k g 制粉系统漏风系数k z f = 0 4 一次风率o l = 2 0 炉膛出口过量空气系数 o l ”= 1 2 5 炉膛漏风系数 aol = 0 0 5 燃烧器过量空气系数o ，= 1 1 二次风率q 2 = 1 0 0 一0 1 - l a l ”= 7 6 干煤粉比热容 c g m f = o 9 7 9 7 4 k j ( k g k ) ( t m f = 1 2 0 c ) 热空气温度下空气比热容 c f k = 1 0 4 9 4 ( t r k = 3 5 0 c ) 冷空气温度下空气比热容 c l k = l0 2 7 2 4 ( 1 j k = 2 0 c ) 1 2 09 c 下空气比热容c 1 2 0 = 1 0 3 1 7 8 磨煤机出口风温k ”= 1 3 0 一次风温址= t m ”- 1 0 = 1 2 0 二次风温饥= k 一1 0 = 3 4 0 燃烧器投运数目 n = 8 矿：a l a l v 。b j ! ! ! 血：8 1 0 1 一卅，h ：2 2 n5 m ，t ，sr ，= _ 26 l u l ，” = ) m 每个燃烧器一次风量 1 2 7 3 每个燃烧器二次风量 2 风速计算“1 ： 叶片宽度 叶片出口最小间距 叶片数目 二次风管外径 一次风管外径 中心管外径 二次风风速： 叶片出口切翱速睦 k ：垒堡! ：鱼! ! ! 幺= 4 8 0 2 0 锄， ：1 3 3 4 j n2 7 3 b = 2 4 5 m m = 1 4 0 m m z = 1 6 d 2 = 9 0 0 m m d l = 5 2 0 m m d o = 1 5 9 m m 帆；v d z b = 2 4 8 1 r r g s 东南大学硕士学位论文 第= 章烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析 叶片出口轴向速度 一次风出口速度( 无旋) 3 旋流强度计算5 i 气流平均旋流半径 当量直径 叶片倾角 旋流强度 w k = 4 v 2 ( d 2 2 q 1 2 ) = 3 1 4 m s w 1 = 4 v 2 ( d 1 2 - d 0 2 ) = 118 m s ，：三罢-=_；：ssssm州3d ：一d ； 吣瓯：7 3 4 。6 r a m 0 = 6 0 o n 一者d t a n 肛一 岛( 吐一1 ) 4 计算结果分析 轴向叶片可调式旋流燃烧器燃烧烟煤和褐煤的一、二次风速的允许范围分别为： 1 0 2 5 m s ，2 0 4 0 m s 1 6 1 ，在燃烧贫煤时，风速应适当降低。故该燃烧器燃烧贫煤， 一、二次风速属于正常范围之内。而一次风率在燃烧贫煤时的允许范围是2 0 ，2 5 t ， 此处已取下限。 对冲布置的旋流燃烧器燃烧烟煤旋流强度的推荐值为二次风3 3 5 1 7 j 。燃烧贫煤 旋流强度应更大一些。可见该燃烧器旋流强度偏小，说明旋流燃烧的火焰射程扩散 角和回流区等燃烧器出口气流流动结构不满足贫煤燃烧的要求，直接影响着燃料的 着火和燃烧。 由上述计算及结果分析可以看出，该燃烧器存在的主要问题： ( t ) 煤粉的着火 改烧煤种( 贫煤) 比原煤种( 烟煤) 挥发分含量低，着火所需的着火热增加， 然而该燃烧器旋流强度小，燃烧器出口气流的流动结构不能满足贫煤燃烧的需要， 煤粉气流卷吸回流的高温烟气少，供给着火的热量不足；又该燃烧设备采用乏气送 粉，一次风温低，即煤粉气流的初温低，故该燃烧器着火缓慢，着火时间偏长。 ( 2 ) 煤粉的燃烧 改烧贫煤后，煤粉气流着火时间长，而煤粉在炉内的停留时间又是一定的，故 煤粉气流燃烧时间短；着火点离燃烧器出口偏远，而炉膛空间有限，故煤粉燃烧空 间小：助燃的二次风温即热风温度为3 1 5 ，比燃烧贫煤所需的二次风温3 3 0 3 8 0 1 3 1 偏低，炉外补给的助燃热量少；又燃烧器的出口气流结构不符合贫煤燃烧的要求， 回流区偏小，回流烟气量少，故煤粉气流不能充分燃烧。 由此可见，需要对该煤粉燃烧器进行改造，以组织更好的空气动力场，使煤粉 气流能够及时着火，充分燃烧，保证燃烧的稳定性和经济性：此外，应尽量提高热 风温度，使其有利于煤粉的着火和燃烧，这便对锅炉尾部受热面提出了改造的要求。 东南大学硕士学位论文 第二章烟煤锅炉改烧贫煤的问题分析 2 5 锅炉受热面存在的主要问题 改烧贫煤后，煤种挥发分含量大大降低，着火延迟，火焰中心上移，会导致炉膛 吸热的减少，以及炉膛出口烟温的升高。 改烧贫煤后锅炉受热面主要存在的问题： 1 费斯顿管和高温过热器的结焦。经计算改烧贫煤后，炉膛出口温度高达1 1 9 0 ，比原烟煤提高了4 0 ( 2 ，且煤粉在炉内没有完全燃尽，到炉膛出口处继续燃烧， 使炉膛出口处的温度急增，接近灰分开始变形的温度t l ，易造成费斯顿管和高温过热 器的结焦，影响后面受热面的工作。 2 热风温度偏低。3 1 0 c 左右的热风温度，一般来说，对烟煤燃烧已经足够， 但对贫煤燃烧，明显偏低。 3 排烟损失大。炉膛出口烟温增加，对炉膛出口以后的受热面来说，尽管传热 温差和传热量增大，但排烟温度仍升高很多，甚至超过1 6 0 。c 。排烟热损失严重，锅 炉效率降低。 由上述分析可见，应对燃烧设备进行改造，以加速燃料在炉内的燃烧过程，减缓 费斯顿管和高温过热器的结焦，与前述分析一致；此外，应对锅炉受热面进行改造， 以降低排烟温度和提高热风温度，这既有利于煤粉气流的着火和燃烧，又有利于降 低排烟热损失，提高锅炉效率。 2 6 本章小结 由本章分析可以看出，烟煤锅炉改烧贫煤后，锅炉的制粉系统、燃烧设备、受 热面都与贫煤燃烧不相适应，如果要使该锅炉更好地燃烧贫煤，理想情况下都应对 有关设备进行改造。但由于锅炉生产的实际情况，对炉膛和制粉系统的改造工作， 实施起来难度较大。 比较而言，对锅炉燃烧器和尾部受热面的改造工作量相对较小，且可部分弥补 锅炉炉膛和制粉系统的不足，可能更切合实际，故本文重点研究锅炉燃烧器和尾部 受热面的改造问题。 j o 东南大学硕士学位论文第三章燃烧器的改造 第三章燃烧器的改造 3 1 概述 直流煤粉燃烧器和旋流煤粉燃烧器都可以用来燃烧无烟煤和贫煤。在我国，燃 烧无烟煤和贫煤的锅炉绝大多数采用切向燃烧的直流燃烧器，有很多可贵的经验。 根据我国的经验，采用直流燃烧器，利用一、二次风喷口的布置方式，间距，倾角 等手段组织一、二次风的混合，较易控制。此外，直流燃烧器的后期混合比较强烈， 对煤粉的燃尽也有利。 而在俄罗斯和欧洲的一些国家习惯于用旋流燃烧器来燃烧低挥发分煤，但这一 项研究在国内比较缺乏。本章力求在原旋流燃烧器的基础上，探讨适合于燃烧贫煤 的改造方案。根据上一章的分析，进行燃烧器改造的主要目标是： 1 组织良好的空气动力场，增加高温烟气的回流及与一次风的混合，使煤粉气 流能够及时着火。 2 提高煤粉燃尽度，降低飞灰可燃物含量。 3 2 燃烧器改造的理论依据 3 2 1 旋流式煤粉燃烧的合理组织 为了保证煤粉气流稳定着火，必须提供足够的着火热，而着火热的主要来源是 高温烟气的回流【8 】。在旋流燃烧器中气流是旋转的，在射流的中心部位产生一个低 压区，造成径向和轴向压力梯度。在燃烧器出口处附近形成和主气流流动方向相反 的回流运动，因而在旋转射流的内部产生了回流区，此回流区称为内回流区。影响 旋流燃烧嚣火焰稳定性的因素如下： 1 回流区的大小 回流区大，则回流的烟气量多，煤粉在回流区内的燃烧就越充分，回流区后的 烟气温度也将更高，因此，着火就相对稳定，着火点更靠近喷口。 2 一次风速 提高燃烧器出口的煤粉气流速度，推迟了煤粉的着火，火焰可能不稳定。此外， 煤粉气流在炉燃烧时问缩短，燃烧可能不充分。 3 煤粉气流的初温 初温越离，加热到着火温度所需灼热量越少，着火就更稳定，着火点也更靠近 东南大学硕士学位论文第三章燃烧器的改造 喷臼。 4 燃料的性质 燃料的化学反应能力越强，燃烧速度就越快，同样大小回流区的回流烟气温度 就高，这将有利于着火，要求的回流尺寸可以减小。因此，高挥发分烟煤要求的回 流区尺寸比无烟煤小。此外，煤粉越细，燃烧越快，着火也越稳定。着火点就可提 前。 以上讨论了燃烧区的内回流问题，实际上对于旋流燃烧器，不仅中心有回流区， 而且其气流的四周也要卷吸烟气，即所谓的外回流 9 1 ，它也有助于火焰的稳定。 此外，过量空气系数也直接影响着燃烧的稳定性，其选择应恰当。般，对于 固态排渣炉，炉膛过量空气系数大致如下：燃烧无烟煤，贫煤取1 2 5 ；燃烧烟煤， 褐煤取1 2 0 3 2 2 燃烧劣质煤及无烟煤的旋流燃烧器 旋流燃烧器一般只燃烧发热值q d w y 1 6 8 m j k g ，v t 2 5 的煤，但也有少数电 厂采取了一些改进措施，使旋流燃烧器能够燃烧q j = i1 3 1 2 6 m j k g 的劣质烟煤。 由于劣质烟煤和无烟煤燃烧性能较差，特别是着火困难，因而利用旋流燃烧器 来燃烧这类燃料时，应注意采取各种有利于增加高温烟气回流及减少着火所需热量 的措施，诸如【8 】： 1 增大二次风的扩散角，并在一次风套管及内套管上也增加适当的扩口角，借 以增大回流量。 2 在不改变风口出口断面的情况下增大中心管的直径，即增大中心管与一次风 口直径之比和二次风口的直径比，来增大中心回流区和与高温烟气接触的风粉混合 物表面，并减少一次风层的厚度。 3 适当降低一次风速和风量。 4 取消或减少某些旋流燃烧器出口的预混段。 5 除了燃烧器结构采用上述措施外，加上采用热风送粉，控制煤粉细度以及妥 善处理三次风等，可以使旋流燃烧器适用于劣质煤及无烟煤的燃烧。 3 3 燃烧器改造方案 基于以上原理和国内外改造经验，根据合肥发电厂该锅炉燃烧器的工作现状， 本文提出四种改造方案： 方案一：保持原有燃烧器结构不变，优化运行参数，通过调整一、二次风量， 一、二次风速，空气量等，提高燃烧器的燃烧特性。 方案二：在方案一的基础上，分别在二次风管、一次风管和中心风管上加装扩 东南大学硕士学位论文第三章燃烧器的改造 口角，借以增大回流量，并将二次风管分为两部分( 内二次风、外二次风) ，实现二 次风分级送入。 方案三：在方案一的基础上，基本保持原燃烧器结构不变，在一次风道、中心 管外加装花瓣稳燃器( 详见第四章) ，增加一次风射流周界长度，增加一次风粉气流 同高温烟气接触的面积，以提高煤粉着火的稳定性。 方案四：在方案三的基础上，改变花瓣稳燃嚣的设计参数，对燃烧器进行改造。 3 4 本章小结 本章针对锅炉燃烧器存在的主要问题，根据旋流式煤粉燃烧空气动力场组织及 优化原理，提出了改造方案一：根据国内外旋流燃烧器改造经验，提出了改造方案 二：根据花瓣稳燃器，提出了改造方案三和四。本文将在第四章中对花瓣稳燃器作 具体介绍，在第五章中对四种改造方案进行论证与分析。 东南大学硕士学位论文第四章花瓣稳燃器及流场计算 第四章花瓣稳燃器及流场计算 4 1 概述 一b a b c o c k 公司齿环稳燃器 齿环稳燃器是一种稳定煤粉着火和燃烧的 装置。如图4 1 所示，是德国b a b c o c k 公司d s 燃烧器上的齿环稳燃器【l0 1 ，它加装在煤粉喷1 ：3 一次风管的外径内。 该齿环稳燃器的工作原理是：在煤粉出口 处，经过旋流导向叶片的风粉气流，受到齿环 稳燃器的作用，较粗的煤粉颗粒从燃烧器一次图4 - 1 齿环稳燃器的结构图 风道外壁处折向趋中射入炉内，浓集于旋流燃烧器所形成的大回流区边界，加大了 回流区边界处的浓度梯度，强化了反应流体的传质和燃烧。而较细的煤粉颗粒则绕 流齿环稳燃器，在齿环稳燃器的每个齿后，产生一个较小的涡流，整个齿环形成一 圈小涡流圈，附在大回流区的根部。在这些小涡流内，煤粉流速低，极易着火，它 虽不足以点燃整个煤粉射流，但可以将热量传给未着火的煤粉，强化了煤粉的着火。 二波瓣喷管 波瓣喷管 1 3 , 1 4 , 1 5 l ，如图4 2 所示，是应用 在飞行器发动机上的排气引射器，它利用高温 排气的引射作用，从环境抽吸大量的冷空气与 热燃气混合，使其冲淡降温，从而大大地减少 尾焰的红外辐射。 1 波瓣喷管强化混合机理 波瓣喷管作为一种高效的混合喷管，其出口截面流场具有以下几个鲜明的特征： 第一，在引射气流对应的波瓣区域存在一个负的静压区；第二，在出口处存在一个 二次环流场，如图4 3 所示，并由此而产生大尺度的流向涡；从气流引射的观点来看， 负的静压区正是波瓣喷管引射气流的一个驱动因素。而在出口截面的二次环流及由 此而产生的流向涡，则将导致主次流的对流混合作用，相互穿透渗入，从而大大增 强了主次流的动量和能量的传递。此外，文献f 1 5 】中还指出，与一般的圆形或方形喷 管相比，波瓣喷管的混合能力还与由于出口尾缘周长的增加而增进的粘形剪切混合 作用有关。总之，波瓣喷管的引射混合特性是大尺度的流向涡和较长的剪切周长共 东南大学硕士学位论文 第四章花瓣稳燃器及流场计算 同作用的结果。 圈4 - 3 波瓣管出口截面速度矢量及速度等值线图 2 波瓣喷管强化混合的特性 由于波瓣凸起波峰和凹沉波谷结构的导引，内函气流沿轴线离心外流，外函气 流沿轴线向心内流，这样便会在波瓣内外两殷气流中形成方向相反的径向分速度， 如果正对波瓣出口平面看上去，在每一个波瓣两侧边便形成了一对互相逆转的二次 环流( 图4 - 3 ) 。 从波瓣出口截面上轴向速度等值线分布( 图4 - 3 ) 可以看出：波瓣表面的附面层 影响区域仅限于一个很小的范围内，二次环流的形成具有无粘的特性。 s k e b e 等人采用三维激光多普勒测速仪对高幅正弦型、低幅正弦型和拱门型的三 种不同形状的波瓣喷管的三维流场进行了测试，获得了不同的二次环流图形，并对 二次环流场的环量进行了分析，指出拱门型的波瓣喷管结构为优。 三花瓣稳燃器 本文根据齿环稳燃器和波瓣喷管的特点，把波瓣应用到稳燃器上，提出花瓣稳 燃器( 图4 - 4 ) 。它具有以下几个特点： 1 花瓣稳燃器边界由曲线构成，加大了风粉气流与外界气流的接触面积，曲线 的流线形比齿形稳燃器流动阻力要小。 2 在花瓣稳燃器的每个花瓣的后面，产生一个较小的涡流，构成一圈小涡流圈， 附在大回流区的根部，加强风粉混合。 3 在花瓣稳燃器的每个花瓣的后面，形成负压，可抽吸大量外界气流。 东南大学硕士学位论文第四章花瓣稳燃器及流场计算 图4 4 花瓣稳燃器结构图 本文第三章中燃烧器改造方案三和四就是采用的花瓣稳燃器，把它加装在一次 风道、中心管外，具有以下优势： 1 。加大了风粉气流与炉内热烟气的接触面积； 2 每个花瓣后形成的小涡流区加速了风粉气流与炉内热烟气的混合，使风粉气 流在一进炉膛，很短的时间内加热，缩短煤粉气流达到着火温度的时间： 3 每个花瓣后涡流区形成负压，抽吸炉内的热烟气，更有利于加热煤粉气流， 使煤粉气流在很短的时间内达到着火温度，使其着火燃烧，从而延长了煤粉在炉内 的燃烧时间，有利于煤粉的燃尽； 4 花瓣稳燃器选择加装在中心风管外，还能够延迟二次风与一次风粉气流的混 合，保证了回流区有足够的长度和燃烧器出口有较长的高燃料区。 5 加装花瓣稳燃器的旋流燃烧器可以燃烧低挥发分的煤，而且在挥发分析出和 燃烧初期，促使煤粉气流与热烟气的尽快混合，创造局部低氧环境；在局部低氧环 境中，前期形成的n o 。可在焦碳燃烧阶段再被还原成n 2 ，降低n o 。的产生。 四花瓣稳燃器的设计 花瓣稳燃器中的花瓣可以看成拱门形 状( 图4 5 ) ，分别相切于内外两个定性圆： 每个花瓣由两条直线与两小圆( 定花瓣弧 长) 相切构成。由此可见花瓣的定性尺寸 有：花瓣内、外切圆直径和花瓣定性小圆 直径，其中花瓣内、外切圆直径又称为花 瓣内、外径。 在本设计中花瓣稳燃器是加装在一 次风道内，