预燃室型燃烧煤粉燃烧系统的研究

预燃室型燃烧煤粉燃烧系统的研究

0其他预燃室燃烧与燃烧中国目前的发电厂主要采用贫煤和烟煤。根据这些煤种和针对降低锅炉燃烧飞灰可燃物、参于机组调峰的低负荷稳燃不投油、煤粉直接点火、小油枪点火等节能问题,国内先后开发、应用和发展了筒形预燃室燃烧器、双通道燃烧器、偏置射流燃烧器、等离子煤粉点火燃烧器、小油枪燃烧器、浓淡燃烧器、船形钝体等燃烧器。以上除了浓淡燃烧器和船形钝体等燃烧器外,大都是预燃室型燃烧器。现针对预燃室型燃烧器的研制、应用和发展情况作一分析总结。1贫煤型预燃室燃料该燃烧器的结构特点:一次风煤粉混合物是通过燃烧器预燃室根部的一次风管内的旋流器进入筒形预燃室。此种预燃室燃烧器结构见图1。在预燃室燃烧器的断面热负荷已定的情况下,决定其结构的主要参数是长径比(预燃室长度与直径之比)和直径比(预燃室直径与旋流器直径之比)。二者应选取适当。因为长径比的大小,与一定流速的煤粉气流是否能在预燃室内着火有关;直径比的大小,与一定流速的煤粉气流在预燃室内扩散空间的大小和热烟气回流区及回流量的大小有关。根据实验发现,贫煤型预燃室燃烧器的长径比和直径比分别为1.7~2.2、2.0~2.8;烟煤型预燃室燃烧器的长径比和直径比分别为1.0~1.2、1.7~2.0。旋流叶轮出口风速,对烟煤可选用25~35m/s;对贫煤可选用22~25m/s。旋流叶片出口安装角可选25~45°,叶片覆盖度可选1.0~1.5。该预燃室燃烧器在运行时要注意以下4方面问题:(1)要把煤粉细度控制在合理范围内,烟煤R90为10%~20%;贫煤R90为8%~12%。(2)将风粉气流质量浓度控制在合理范围内,对烟煤可控制在0.25~0.50kg(粉)/kg(气);对贫煤可控制在0.30~0.60kg(粉)/kg(气)。(3)一次风粉混合物温度,对于贫煤要控制在130~200℃;对于烟煤大于30℃就可以了。(4)要注意原煤的灰分在30%以下,水分在7%以下。该燃烧器的点火容量,一般按锅炉实际燃煤量的20%进行设计计算。该燃烧器在煤粉锅炉上应用时,对燃用烟煤的锅炉,一般布置在炉膛四角下二次风口处;对贫煤锅炉,应根据现场情况可布置在下二次风口处,也可布置在两侧墙和前后墙。这样该燃烧器只用于点火,而不作为主燃烧器使用。该燃烧器目前主要适用2种点火源:一种是等离子焰流,功率在50kW左右;另一种是小油枪,出力为150kg/h。使用等离子焰流为点火源的燃烧器,其锅炉点火节油率为100%。使用小油枪为点火源的燃烧器,对于燃用烟煤的锅炉其点火节油率为50%~90%。该燃烧器也可用于锅炉低负荷稳燃,对于燃用烟煤的锅炉可在40%负荷条件下不投油稳定燃烧;对于燃用贫煤的锅炉可在50%低负荷条件下不投油稳定燃烧。烟煤型预燃室燃烧器主要是在十里泉电厂5台400t/h锅炉、石横电厂2台220t/h锅炉、莱芜电厂3台400t/h锅炉、威海电厂2台400t/h等大中小型锅炉上应用过。贫煤型燃烧器,主要是在烟台电厂2台220t/h锅炉、黄台电厂2台170t/h锅炉和1台230t/h锅炉、临沂电厂2台220t/h锅炉、黄岛电厂2台400t/h等大中小型锅炉上应用过。在实践应用中发现,烟煤型预燃室燃烧器是成功的,等离子焰流和小油枪均可作为点火源,其煤粉燃尽度高,燃烧稳定,节油率高,一般不出现预燃室积粉、结焦、烧损等问题。对于贫煤型预燃室燃烧器,如煤种多变和设计也不准确,预燃室经常出现积粉、结焦、烧损等问题。同时还发现该燃烧器不宜当主火嘴使用,因为贫煤型预燃室燃烧器的外形较大,在锅炉上布置比较困难。2燃烧配型煤调湿燃烧燃烧预燃室为解决第1种燃烧器出现的问题,因此出现了第2种新型燃烧器———双通道燃烧器。该燃烧器的结构特点是在同一个矩形预燃室上、下侧各开1个一次风口,这样在上、下一次风口间设计了1个回流空间。上、下一次风射流流动的结果,将产生强烈的回流区。这2股射流的动量很大,因此其回流量很大,这对一次风粉的加热、着火十分有利。对于一般煤质,利用这一回流就足以使燃烧稳定。此种预燃室燃烧器结构见图2。在下一次风口两侧设置2根高速射流管,其流速可在零至音速间调节,根据不同煤种对着火的要求,可通过改变高速射流的流量,来改变热烟气回流量。对于一般挥发分较高的煤来说,可把高速射流关闭,仅靠上、下两股一次风射流,自身产生的烟气回流就足以使一次风粉加热、着火和稳定燃烧。但对于低挥发分的煤来说,则高速射流应开启。为了避免热回流烟气使预燃室内两侧壁过热结焦,在两壁腰部加了2股二次风,即腰部风。大型锅炉燃烧器预燃室的高度H较大,其长度L为0.3~0.7m。而小型锅炉的H较小,其长度L为0.4~0.7m。该燃烧器从20世纪90年代初至今,在全国一些发电厂大、中、小型锅炉上都有应用,例如:潍坊电厂2台1000t/h锅炉、华德电厂2台1000t/h锅炉、龙口电厂410t/h和670t/h锅炉、晨鸣电厂2台130t/h锅炉、烟台电厂220t/h锅炉、邹平电厂2台130t/h锅炉等。通过实践应用发现该燃烧器的优点:(1)该燃烧器对于燃用贫煤和劣质贫煤的锅炉,其稳定燃烧性能非常好,能使这些锅炉在45%~50%负荷条件下,不投油燃烧稳定。(2)该燃烧器配上等离子焰流发生器或小油枪,可当点火燃烧器用,也可作为主燃烧器运行。配等离子焰流发生器的点火节油率为100%,配小油枪的点火节油率为50%~60%。该燃烧器的缺点:(1)对煤质变化的适应范围很小,当入炉煤的可燃基挥发分小于8%时,飞灰可燃物偏高,其稳燃能力下降,此时关闭腰部风和开启底部高速射流,则效果不大。当入炉煤可燃基挥发分大于19%,预燃室设计H和L偏大时,此时预燃室温度偏高,全开腰部风降温则效果不大,从而使预燃室结焦、烧损。当预燃室烧损变形后,就造成炉膛内风粉气流燃烧动力场紊乱,炉膛上部烟温偏高,导致过热器超温等问题。(2)当该燃烧器燃用挥发分较高和硫分较高的贫煤时,其预燃室出口火焰温度偏高,易造成水冷壁高温腐蚀。(3)燃用烟煤和无烟煤或煤质多变的锅炉,不宜采用该燃烧器。3次风燃烧采用二次风系统针对双通道燃烧器存在的问题,又出现了第3种矩形喷口的预燃室燃烧器,即偏置射流燃烧器。该燃烧器的结构形式见图3,在矩形截面的预燃室内,将一次风粉主射流偏置于中心轴线下方的一定距离处,并且在底部设置一股控制射流。一次风速通常在22~30m/s,控制射流的速度在一次风速的1倍左右,由于一次风粉混合物射流的动量很大,因此在预燃室上部便形成了一个很大的回流区。回流区的高温烟气,在预燃室内形成了一个稳定的内部热源。通过气流间的传质、传热提供了煤粉着火所需的热量,从而保证了新鲜燃料持续稳定燃烧。该燃烧器的工业性试验在某电厂400t/h锅炉上进行。将下层4个主火嘴改装成该型燃烧器。控制射流由二次风箱引出,一次风采用锅炉原风粉系统。通过应用发现该燃烧器的优点:(1)配合小油枪,能使锅炉点火节油率达30%~50%。(2)锅炉能在45%负荷条件下,不投油稳定燃烧。该燃烧器的缺点:(1)一次风出口角度偏于预燃室轴线,其结构较复杂,改装成主火嘴,不易布置。(2)该燃烧器在矩形截面的预燃室内,将一次风粉主射流偏置于中心轴线下方的一定距离处,并且在底部设置一股控制射流。这样对防止预燃室底部结焦、烧损略有好处,但不能防止预燃室上部和两侧的结焦、烧损。4次风出口截面模拟参考以上预燃室型煤粉燃烧器的优缺点,研制开发了新的预燃室型煤粉燃烧器———新型可调单通道燃烧器,其结构形式见图4。该燃烧器与以上燃烧器相比,其不同之处是:(1)以上燃烧器的一次风分别是通过旋流器进入预燃室,或分成上下2个管道进入预燃室,再就是成一个角度进入预燃室。而新型燃烧器的一次风是水平直接进入矩形截面预燃室的下部。一次风射流以23~28m/s的速度通过预燃室底部,能防止其底部积粉结焦。(2)取消了类似于双通道燃烧器与偏置射流燃烧器的高速射流和控制射流。这样使结构更简单。(3)将腰部冷却风改为预燃室内上部和两侧冷却风,能防止预燃室上部和两侧结焦与烧损。(4)在进入预燃室的一次风出口截面处,加了1个可调挡板。用于根据煤质情况来调节一次风的出口截面和风速,以此来调整回流量。在试验室对新型燃烧器的空气动力工况进行了数值模拟(见图5)。模拟结果显示,可调单通道燃烧器的一次风,是从预燃室下部进入预燃室内部,一部分为直流通过预燃室底部;另一部分为回流,形成一个稳定的回流区。回流区结构为开放式,这样在热态条件下,能不断地把热烟气回流过来,并稳定在预燃室中部,从而不断点燃进入预燃室的一次风粉气流。因此该燃烧器具有良好的稳燃能力。冷却风能很好地保护预燃室顶部和两侧。变化冷却风速,燃烧器出口回流区断面尺寸变化明显,从而对回流量将产生一定影响,因此可实现热态下燃烧器内部温度的可控在控,防止出现燃烧器烧损问题。在一定范围内变化一次风可调挡板的角度,能改变一次风速和回流区的大小。该类型燃烧器先后在山东潍坊发电厂2台1000t/h锅炉和山东邹平发电厂2台130t/h锅炉(可调单通道燃烧器)上应用。该燃烧器有如下特点:(1)结构简单、安装方便,既能当主火嘴使用,又能与等离子焰流和小油枪配合当点火燃烧器使用。(2)稳燃性能好。对于燃用贫煤的锅炉,能在45%~50%负荷条件下,不投油稳定燃烧。(3)山东邹平发电厂燃用贫煤的锅炉采用了该燃烧器后,飞灰可燃物由原来的7%~10%下降到4%~5%以下。(4)某发电厂1000t/h锅炉上双通道燃烧器和单通道燃烧器都被采用了,经过1个大修期发现,双通道燃烧器的喷口已烧损变形,而单通道燃烧器却完好无损。从技术上来说,双通道燃烧器是预燃室内的2股煤粉射流相互点燃,所以当煤的挥发分变高,预燃室温度偏高时,靠腰部风冷却是不行的。而单通道燃烧器,不存在2股煤粉射流相互点燃的问题,同时在预燃室上部和两侧都有冷却风,因此当预燃室温度升高时,冷却风能很好地发挥降低预燃室温度和防止预燃室结焦、烧损的作用。经过实验和应用,该燃烧器在设计上应注意以下几点:(1)预燃室的长高比L/H应在1.0~1.5;高宽比H/B在1.0~1.4;预燃室高度与一次风出口高度比H/h在1.8~3.0。(2)一次风可调档板,调整一次风出口截面变小范围是原截面积