煤的高效低污染燃烧理论及技术

煤的高效低污染燃烧理论及技术,陈刚教授华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,主要内容,煤粉燃烧中的主要特点与过程煤粉锅炉常见问题及分析稳燃腔燃烧器的原理及应用其他先进煤粉燃烧器介绍煤粉锅炉冷态试验热态燃烧调整,煤粉燃烧的主要特点与过程,煤粉颗粒由运载它的空气喷入炉膛后，受到炉内火焰、高温烟气的加热，温度升高，开始把水份蒸发掉。然后温度再上升，煤中的挥发物则开始析出，并在颗粒周围燃烧，使煤粒进一步加热。在析出挥发物后，煤粉颗粒就变成了高温的焦炭颗粒，会进一步燃烧，直到燃尽为止。,一、着火温度,煤必须加热到一定的温度才能着火，此温度称为着火温度，它是在一定试验条件下测定的。,二、着火热,把煤粉气流加热到煤粉颗粒着火的温度所需热量的多少，对煤粉气流是否容易着火关系重大。这部分热称为着火热，它主要用于加热煤粉和空气并使煤粉中水份蒸发、过热。,三、影响煤粉气流的着火因素,煤质特性：着火温度、灰份、水份；一次风量：一次风率；一次风温：热风送粉；煤粉浓度：煤粉细度：炉膛温度：敷设一些卫燃带；强化高温烟气与一次风煤粉气流的混合；,四、煤粉燃烧,一、二次风的作用；燃烧配风；燃烧器的布置；切圆大小；炉内空气动力场；煤粉细度；炉内温度水平；炉膛断面热负荷等,五、煤粉的燃尽,火焰中心位置；配风问题；炉膛高度（燃烧器布置）；煤粉细度；空气量,小结炉内煤粉良好燃烧的基本条件,煤质、锅炉、辅助设备状况相当高的炉内温度合适的空气量良好的炉内空气动力场足够的燃烧时间,锅炉常见问题及分析,稳燃问题结渣问题烟温偏差问题“四管”爆漏问题运行经济性问题,一、燃烧稳定性问题,保证炉内稳定燃烧是保证锅炉安全正常运行的基本前提。然而，对于许多锅炉而言，燃烧稳定性仍然是个突出的问题，特别是在调峰低负荷运行时。,主要原因：,煤质差，水份大，灰份高，挥发份低，而且煤质不稳定；高温烟气回流量不足；燃烧器给粉不均匀；卫燃带面积偏小；热风温度偏低；,主要原因（续）：,一、二次风速或风量不合理；炉内空气动力场不理想，切圆偏小，气流旋转太弱；燃烧器设计不合理；断面热负荷偏小；低负荷运行。,二、结焦问题,锅炉的结渣问题是较普遍存在的，严重的结渣问题将会导致锅炉强迫停炉，极大地影响锅炉的安全性和经济性。锅炉结渣的原因是多方面的，防止或解决锅炉的结渣问题应首先找出结渣的原因，从多方面分析入手加以解决。,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到受热面上，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。,组织合理而良好的炉内空气动力场是防止结焦的前提,1、炉内实际切圆,安装切圆直径燃烧器高宽比燃烧器的间隙率一、二次风动量比燃烧器喷口总面积与炉膛截面积比燃烧器摆角等,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间的夹角不等，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1.2。,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。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。,5、一、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m2w2/m1w1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。,控制合理的运行参数,1、选择合理的炉膛出口烟温,为了防止对流受热面结渣，炉膛出口温度不能过高。在炉膛出口不布置屏式受热面的锅炉，炉膛出口温度应不大于1150；在炉膛出口布置屏式受热面的锅炉，屏前烟温，对弱结渣性煤应小于1250，对强结渣性煤应小于1100，对一般性结渣性煤应小于1200。,2、控制合理的炉内过量空气系数,过量空气系数增加，受热面的积灰、结渣趋势减轻。首先，当增加时，炉膛出口烟温降低，降低可减轻对流过热器和再热器积灰、结渣。其次，随着过量空气系数的增加，炉膛壁面处的烟温降低，同时炉膛上的沉积物降低，炉内受热面结渣趋势减少。最后，过低易造成氧量不足，在炉内出现还原性气氛，使灰熔点大大降低，这增加了结渣的可能性。,3、控制炉内温度水平,第一，炉内温度水平高，将使煤中一些易挥发碱性氧化物汽化或升华，使碱金属化合物在受热面上凝结。第二，当烟气温度较高且管壁温度也高时，可在初始灰层中形成产生低熔点复合硫酸盐反应的条件，还会使含有碱金属化合物的积灰外表层粘结性增强，加速积灰过程的发展。第三，当烟温高时，煤灰呈熔化或半熔化状态，熔融灰会直接粘在受热面上，产生严重结渣，温度提高，将使受热面结渣呈指数规律上升。,4、控制四角风粉的均匀性,当燃烧器配风不均匀或锅炉降负荷，燃烧器缺角或缺对角运行时，炉内火焰中心会发生偏斜。炽热煤粉气流直接冲刷水冷壁，造成局部热负荷过高，这极易引起结渣。因此，运行时要尽量调平四角风量，而降低负荷时，则要避免缺角情况。,5、要有合适的煤粉细度,煤粉粗时，火炬拖长，粗粉因惯性作用会直接冲刷受热面，再则，粗煤粉燃烧温度比烟温高许多，熔化比例高，冲墙后容易引起结渣。但是，煤粉太细也会带来其他问题，针对具体的煤种应该进调整试验，以寻求最佳煤粉细度。,6、适当提高一次风速,提高一次风速可推迟煤粉的着火，使着火点离燃烧器更远，火焰高温区也相应推移到炉膛中心，可以避免喷口附近结焦。在四角切向炉中，提高一次风速还可增加一次风射流的刚性，减少由于射流两侧静压作用而产生的偏转，避免一次风气流直接冲刷壁面而产生结焦。注意：一次风速的提高受煤粉着火条件的限制。,7、炉膛出口温度场应尽可能均匀,尽可能降低炉膛出口残余旋转，意味着温度场分布也较均匀，均匀的温度分布可使密排对流管束中烟气温度低于开始结渣温度。,8、掺烧不同煤种,对易结渣和高灰分煤，采用煤种掺烧是解决沾污结渣的有效方法注意：掺烧带来的其他问题,稳燃腔煤粉燃烧器原理及应用,稳燃腔煤粉燃烧器的特点1.负压吸入高温烟气回流加热煤粉气流2.强化湍流，增加煤粉气流与高温烟气的热质交换3.三角滑块进行煤粉水平浓淡分离燃烧,1.负压吸入高温烟气回流加热煤粉气流,烟气回流率：Q/Q0=2028%回流区长度：L/B=22.5回流区温度：Ty700,1.负压吸入高温烟气回流加热煤粉气流,稳燃腔燃烧器回流区形状（长、宽）,2.强化湍流，增加煤粉气流与高温烟气的热质交换,稳燃腔燃烧器出口流场湍流强度,2.强化湍流，增加煤粉气流与高温烟气的热质交换,稳燃腔燃烧器出口流场湍流强度,2.强化湍流，增加煤粉气流与高温烟气的热质交换,湍流交换系数A=l2(u/y)热交换量q=cpl2(u/y)(T/y)速度梯度u/y(um-uc)/Y0原一次风速：um=2530m/suc=0m/s现一次风速：um=3035m/suc1=0m/s；uc2=-10m/s(u/y)现-(u/y)原/(u/y)原40%,3.三角滑块进行煤粉水平浓淡分离,提高煤粉的浓度有利于煤粉着火挥发分浓度相对增加，将有利于挥发分燃烧。一次风率降低，有利于煤粉火焰的传波，燃烧稳定。减少一次风煤粉所需着火的热量，使煤粉气流温度升高加快，提前着火。,3.三角滑块进行煤粉水平浓淡分离,煤粉浓相在向火面，煤粉淡相在背火面,稳燃腔煤粉燃烧器燃烧试验,稳燃腔燃烧器与钝体燃烧器比较,稳燃腔煤粉燃烧器燃烧试验,稳燃腔燃烧器燃用贫煤、无烟煤的试验,稳燃腔煤粉燃烧器的三个特点,1.负压吸入高温烟气回流加热煤粉气流2.强化湍流，增加煤粉气流与高温烟气的热质交换3.三角滑块进行煤粉水平浓淡分离燃烧稳燃腔燃烧器以上的三个特点是强化煤粉着火和稳定燃烧的根本因素,其他先进煤粉燃烧器介绍,高温烟气回流型浓淡型“回流浓淡”型,钝体燃烧器,其主要原理是加强卷吸，后继研究发现，由于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(50%60%)稳燃和适应煤种变化的要求，还可燃用劣质煤。,钝体燃烧器,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大幅度的变化。,多功能船形体燃烧器,宽调节比(WR)直流燃烧器,美国CE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，使锅炉在低负荷下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，因此又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、进行垂直方向浓淡燃烧的目的。可以在低负荷(对于贫煤40%60%，对于烟煤30%)不用油助燃保持稳定燃烧。,WR直流燃烧器,W形火焰直流煤粉燃烧器,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，只需占锅炉总热量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。扁平射流燃烧器；大速差同向射流燃烧器；大速差射流型双一次风通道通用煤粉主燃烧器；单股反吹射流燃烧器；多环形逆向射流燃烧器；逆向射流燃烧器。,夹心风式直流燃烧器,在一次风喷口中间喷出一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内高温烟气来保证的。可防止一次风气流的偏转贴壁，在煤粉着火后又可及时补充一些空气。,夹心风式直流燃烧器,PM燃烧器,PM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NOx生成量之外，还具有很好的低负荷稳燃性能。,PM燃烧器,水平浓淡煤粉燃烧器,用百叶窗煤粉浓缩器，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。,水平浓淡煤粉燃烧器,浓淡煤粉分离器,评定浓淡煤粉分离器的性能是指分离效果和阻力特性。分离效果好，燃烧器的性能好，但是如果阻力大，不但增加了输粉所消耗的功率，而且还可能使煤粉管道出现堵塞现象，这将严重地影响锅炉的正常运行和安全性。鉴于浓淡煤粉分离器在煤粉浓淡燃烧方式的重要作用，国内学术界普遍认为，对煤粉浓淡燃烧锅炉来说，应该开发出更适合煤粉浓淡燃烧方式的高效率低阻力的浓淡煤粉分离器。,撞击式浓淡煤粉分离,百叶窗浓淡煤粉分离器,当煤粉气流流过百叶窗浓淡煤粉分离器后，由于煤粉颗粒和气体具有不同的惯性，气体在百叶窗两侧压差的作用下流过叶片进入百叶窗的另一侧，而大部分颗粒在惯性的作用下仍基本保持原来的流动方向，经过一系列的叶片，就可将一次风煤粉气流浓缩分离，其中浓侧的含粉量可占总粉量的80%左右。这种燃烧技术的特点是能将直管中的煤粉气流进行浓缩分离。,百叶窗浓淡煤粉分离器,PM燃烧器的浓淡煤粉分离,炉膛冷态空气动力场试验,煤粉炉炉膛运行的可靠性和经济性在很大程度上取决于燃烧器及炉膛内的空气动力工况，即空气（包括挟带的燃料）和燃烧产物的运动情况。,良好的炉膛空气动力工况：,1、从燃烧中心区有足够的热烟气回流至一次风粉混合物射流根部，使燃料喷入炉膛后能迅速受热着火，且保持稳定的着火前沿。,良好的炉膛空气动力工况：,2、燃料和空气的分布适宜，燃料着火后能得到充分的空气供应，并达到均匀的扩散混合，以利迅速燃烧及燃尽。,良好的炉膛空气动力工况：,3、炉膛内应有良好的火焰充满度，并形成区域适中的燃烧中心。这就要求炉膛内气流无偏斜，不冲刷炉壁，避免停滞区和无益的涡流区；各燃烧器射流也不应发生剧烈的干扰和冲撞。,为了判断炉膛空气动力工况是否良好，就需要直接进行速度场的观测。所谓速度场，就是炉膛空间内气流流动方向和速度值的分布。这在锅炉运行时（简称热态）是很难全面观测到的，因而一般调整试验也很少做这种热态测定。简单易行的代替方法是在冷炉状态下照常通风进行观测，即是我们通常所谓的冷态空气动力场试验。,一、流动过程的模化条件,1、几何相似：模型和原型的几何形状相似；2、运动学相似：模型和原型中的每个质点的运动图形相似；3、动力学相似：模型和原型中各种力的作用关系必须相似；4、热力学相似：系统中不同部位的温度差对于模型和原型必须有相同的数值；,流动过程的模化条件（续）,5、化学过程相似：系统中不同部位的浓度差对于模型和原型必须有相同的数值；6、燃烧过程的工况组织相似：如过量空气系数相同、燃料相同、一、二次风混合过程相似等；7、两相流动的相似。涉及120个相似准则！,二、冷态空气动力场试验的模化条件,1、严格保持几何相似；2、流动进入第二自模区；3、燃烧器多股射流之间的动量比相等。,雷诺数Re雷诺数是流体单位体积的惯性力与粘性力之比,临界雷诺数Re,模拟条件可以定为气流的雷诺数应大于临界雷诺数。对于喷燃器出口射流，其临界雷诺数为105；对于各股射流汇合后的炉膛内的气流，其临界雷诺数为5104。,动量比相等,为了达到多股射流混合流动的相似，必须保持各喷燃器在冷态下与热态下射流惯性力的比值相等，也就是动量比相等。,三、炉内空气动力场的观测方法,1、飘带法2、纸屑法3、火花法4、测量法,四、冷态试验结果分析,喷口速度分布、气流方向；二次风门挡板特性；四角均匀性；切圆大小、位置；炉内气流的旋转性；气流运动轨迹；测速管系数标定等。,热态燃烧调整试验,锅炉燃烧工况的好坏对锅炉机组和整个发电厂运行的经济性和安全性有很大的影响。燃烧调节的任务是：适应外界负荷的需要，在满足必需的蒸汽数量和合格的蒸汽质量的前提下，保证锅炉运行的安全性和经济性。,燃烧调节的目的：,1、保证正常稳定的汽压、汽温和蒸发量；2、着火稳定，燃烧中心适当，火焰分布均匀，不烧损喷燃器、过热器等设备，避免结渣；3、使机组运行保持最高的经济性。,燃烧调节的意义-安全性：,直接关系到锅炉运行的可靠性。例如，燃烧过程不稳将引起蒸汽参数发生波动；炉膛温度过低将影响燃料的着火和正常燃烧，容易造成炉膛灭火；炉膛温度过高或火焰中心偏斜将可能引起水冷壁、凝渣管结渣或烧损设备，并可能增大过热器的热偏差，造成局部管壁超温等等。对于大容量高参数锅炉，燃烧调节适当（燃料燃烧完全、炉膛温度场和热负荷分布均匀）则更是达到安全可靠运行的必要条件。,燃烧调节的意义-经济性：,燃烧过程的经济性要求保持合理的风、煤配合，一、二次风配合和送、引风配合，此外还要求保持适当高的炉膛温度。合理的风、煤配合就是要保持最佳的过剩空气系数；合理的一、二次风配合就是要保证着火迅速、燃烧完全；合理的送、引风配合就是要保持适当的炉膛负压，减少漏风。运行工况改变时，这些配合比例如果调节得当，就可以减少燃烧损失，提高锅炉效率。,运行必须注意的问题：,喷燃器一、二、三次风的出口风速（量）；各喷燃器之间的负荷分配和运行方式，炉膛的风量即过剩空气系数、燃料量；煤粉细度等参数的调节，使其达到最佳值。,负荷改变的调整,锅炉运行中经常碰到的工况改变是负荷的改变。当锅炉负荷的改变时，必须及时调节送入炉膛的燃料量和空气量（风量），使燃烧工况得以相应地改变。,高负荷运行时：,在高负荷运行时，由于炉膛温度高，着火与混合条件比较好，故燃烧一般是稳定的。但这时排烟损失比较大。为了提高锅炉效率，可以根据煤质等具体条件