我國(guó)煤粉鍋爐直流與旋流燃燒器的發(fā)展概況及特點(diǎn)分析_圖文

1、第22卷第2期2008年3月長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)J OURNA L OF CH AN GSH A UNI VERSITYVol.22No.2Mar.2008我國(guó)煤粉鍋爐直流與旋流燃燒器的發(fā)展概況及特點(diǎn)分析王慶(湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司,湖南長(zhǎng)沙410203摘要:燃燒器是鍋爐燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其技術(shù)水平對(duì)鍋爐整體效率有重大影響.近年來我國(guó)的燃燒器研制開發(fā)工作取得了很大進(jìn)展,直流燃燒器與旋流燃燒器在技術(shù)特點(diǎn)上各有優(yōu)劣,我國(guó)在繼續(xù)對(duì)直流燃燒技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新的同時(shí),也應(yīng)重視旋流燃燒技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新.關(guān)鍵詞:直流燃燒器;旋流燃燒器;鍋爐中圖分類號(hào):TK223文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1008-4681(200

2、802-0040-041前言隨著經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展,人類對(duì)能源的需求逐年增加,在聚變能、太陽(yáng)能等新能源利用技術(shù)成熟以前,煤、石油、天然氣等化石燃料仍然是人類賴以生存的主要能源.對(duì)我國(guó)來說,煤在我國(guó)的能源總消費(fèi)中占有70%以上的份額,而且在相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變.電力行業(yè)是我國(guó)的第一耗煤大戶,據(jù)統(tǒng)計(jì),2006年全國(guó)發(fā)電用煤占全年煤產(chǎn)量的60%左右,因此電力行業(yè)的節(jié)能降耗對(duì)全國(guó)能耗降低目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有舉足輕重的影響.在我國(guó)火力發(fā)電廠中,煤粉爐得到了廣泛應(yīng)用.鍋爐技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)是容量的增大和參數(shù)的提高,其中燃燒技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)重要方面.煤粉燃燒器是鍋爐燃燒設(shè)備的關(guān)鍵部件,其主要作

3、用是向爐膛內(nèi)輸送燃料和空氣,并組織合理的混合與燃燒.燃燒器的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)是使煤粉氣流能夠穩(wěn)定著火、燃盡,并防止結(jié)焦.隨著目前環(huán)境污染的壓力增大,燃燒器的污染物控制(特別是NOx生成量的控制也已成為燃燒器性能的重要考察指標(biāo).目前的煤粉燃燒器主要分為直流燃燒器和旋流燃燒器兩大類,兩者分別是國(guó)外兩大電站鍋爐制造廠商前C-E與B&W公司的制造傳統(tǒng).旋流燃燒器采用前墻布置或前后墻對(duì)沖布置,即墻式布置;直流燃燒器采用四角布置方式,即燃燒器布置于爐膛的四個(gè)角上,形成切圓燃燒.上世紀(jì)80年代始,我國(guó)開始引進(jìn)國(guó)外的鍋爐技術(shù),由于在此以前國(guó)內(nèi)對(duì)直流燃燒器鍋爐認(rèn)識(shí)較多,因此主要引進(jìn)了直流燃燒器,但是旋流燃燒器也有引

4、進(jìn)1.我國(guó)的燃煤鍋爐大部分采用直流燃燒器,應(yīng)用旋流燃燒器的鍋爐只占總?cè)萘康?0%左右2.兩種燃燒器各有優(yōu)缺點(diǎn),在小機(jī)組時(shí)代,均能滿足鍋爐的技術(shù)要求,但隨著鍋爐容量的增大,必須根據(jù)鍋爐的煤種等特定情況加以選用.2旋流燃燒器特點(diǎn)及發(fā)展概況旋流式燃燒器一般為圓形噴口,在旋流發(fā)生裝置的作用下,煤粉氣流或二次風(fēng)發(fā)生旋轉(zhuǎn),進(jìn)入爐膛后形成旋轉(zhuǎn)射流.旋轉(zhuǎn)射流的中心區(qū)是負(fù)壓區(qū),在壓力的作用下高溫?zé)煔饣亓?形成高溫回流區(qū),有利于煤粉的著火.由于每個(gè)旋流器均可以形成高溫回流區(qū)并點(diǎn)燃煤粉氣流,因此每個(gè)燃燒器的火焰具有相對(duì)的獨(dú)立性.旋流式燃燒器的擴(kuò)展角大,形成的回流區(qū)也大,早期混合強(qiáng)烈.但是旋流強(qiáng)度的增大也使得旋轉(zhuǎn)射流

5、衰減很快,后期混合微弱,火焰行程較短.旋流式燃燒器在小容量鍋爐上一般采用前墻布置,在較大的爐型上采用前、后墻或兩側(cè)墻對(duì)沖布置,組織L形燃燒.根據(jù)旋流器的結(jié)構(gòu)不同,旋流式燃燒器主要分蝸殼型、可動(dòng)葉輪型等類.2.1蝸殼型旋流燃燒器用蝸殼作為旋流器的旋流式燃燒器稱為蝸殼型燃燒器,主要有雙蝸殼型和單蝸殼型兩種形式.其主要區(qū)別是單蝸殼型的一次風(fēng)不再通過蝸殼形成旋流,而是直流射流.在一次風(fēng)噴口加裝擴(kuò)流錐后,錐體后形成回流區(qū),可以改善著火,穩(wěn)定燃燒.哈鍋早在20世紀(jì)50年代即開始設(shè)計(jì)、生產(chǎn)蝸殼式旋流煤粉燃燒器3.蝸殼式燃燒器調(diào)節(jié)性能差,蝸殼阻力系數(shù)很大,特別是雙蝸殼燃燒器的一次風(fēng)阻力很大.單蝸殼燃燒器的一次

6、風(fēng)阻力雖然顯著減小,但擴(kuò)流錐經(jīng)常燒壞.從上個(gè)世紀(jì)九十年代開始,蝸殼燃燒器已經(jīng)采用不多4.收稿日期:2007-12-11;修回日期:2008-01-14作者簡(jiǎn)介:王慶(1978-,男,湖南冷水江人,湖南華電長(zhǎng)沙發(fā)電有限公司助理工程師.2.2可動(dòng)葉輪型旋流燃燒器可動(dòng)葉輪型旋流燃燒器一次風(fēng)一般是直流或弱旋流,二次風(fēng)通過可調(diào)節(jié)葉輪旋流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn),哈鍋在上個(gè)世紀(jì)60年代設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了此類型燃燒器.目前我國(guó)引進(jìn)國(guó)外各大公司的旋流燃燒器在一些鍋爐上取得了不錯(cuò)的運(yùn)行效果,如Babcock公司的旋流式燃燒器在華能南通發(fā)電廠可以35%額定負(fù)荷不投油.國(guó)內(nèi)的哈鍋、上鍋、東鍋、武鍋等鍋爐制造廠家也都開發(fā)出有自己特色的旋

7、流式煤粉燃燒器3.3直流燃燒器特點(diǎn)及發(fā)展概況直流式燃燒器的出口氣流的直流射流近似于自由射流.相對(duì)旋流燃燒器,其擴(kuò)散角小、早期混合較弱,但射流剛性強(qiáng)、射程遠(yuǎn).與旋流燃燒器不同,直流燃燒器不是靠單只燃燒器出口的回流區(qū)內(nèi)高溫?zé)煔恻c(diǎn)火并穩(wěn)燃的.直流式燃燒器采用的是四角布置、切圓燃燒方式,爐膛內(nèi)的氣流流動(dòng)由四角燃燒器的四股射流共同形成,在爐膛中心組成一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣流.燃燒器射出的煤粉氣流經(jīng)過燃燒室內(nèi)的切圓時(shí)變成強(qiáng)烈燃燒的高溫?zé)煔?一部分直接補(bǔ)充到相鄰燃燒器射流的根部,使相鄰燃燒器的煤粉氣流升溫并著火.射流本身的卷吸和鄰角的相互點(diǎn)燃特點(diǎn),使直流式燃燒器四角布置、切圓燃燒方式具有良好的著火性能.直流式燃燒器的另

8、一個(gè)特點(diǎn)是二次風(fēng)的送入方式靈活,由于二次風(fēng)口與一次風(fēng)口相對(duì)獨(dú)立,相互間的排列自由,可以在布置上變化出多種形式.當(dāng)燃用揮發(fā)分高的煙煤或褐煤時(shí),可以采用均等配風(fēng)的布置方式,使得二次風(fēng)能夠及時(shí)、充分地供給焦炭的燃燒,有利于燃盡.當(dāng)燃用揮發(fā)分低的貧煤和無(wú)煙煤時(shí),可采用一次風(fēng)集中布置的方式.一次風(fēng)集中布置使得煤粉氣流的著火和燃燒相對(duì)集中,可以提高燃燒區(qū)域局部熱負(fù)荷和溫度水平,改善著火條件.近十多年來,根據(jù)我國(guó)火力發(fā)電廠進(jìn)一步改善燃燒,適應(yīng)煤質(zhì)變化和鍋爐機(jī)組的調(diào)峰能力,節(jié)約點(diǎn)火及穩(wěn)燃用油,鍋爐機(jī)組安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求,一些高等院校、科研單位與生產(chǎn)部門密切配合,已經(jīng)開發(fā)出一些新型煤粉燃燒設(shè)備.目前,這

9、些新技術(shù)和新設(shè)備已經(jīng)在我國(guó)火電廠中得到不同規(guī)模的應(yīng)用,在穩(wěn)定燃燒、適應(yīng)煤質(zhì)變化和負(fù)荷變動(dòng)、節(jié)約點(diǎn)火和穩(wěn)燃用油等方面取得不同程度的效果.3.1夾心風(fēng)燃燒器4該燃燒器系西安交通大學(xué)和武漢鍋爐廠等單位研制.其研究背景是考慮到一次風(fēng)煤粉氣流向火面與背火面著火條件實(shí)際存在著顯著差異,背火側(cè)煤粉散射可能沖墻及煤粉氣流中心部位供氧困難,于是提出把常規(guī)的直流煤粉燃燒器的一次風(fēng)噴口改成三個(gè)直立的長(zhǎng)方形噴口, 即向火側(cè)和背火側(cè)一次風(fēng)口,中間為二次風(fēng)口,即所謂的夾心風(fēng).夾心風(fēng)的主要作用是從一次風(fēng)內(nèi)部適當(dāng)供氧,增強(qiáng)湍動(dòng),提高整個(gè)射流的剛性和擾動(dòng)度,從而使得爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)更加有利于介質(zhì)的擴(kuò)散、混合、傳熱,強(qiáng)化了燃燒過程

10、,為煤粉的充分燃盡創(chuàng)造有利條件.夾心風(fēng)燃燒器作為主燃燒器在一些燒劣質(zhì)煙煤和無(wú)煙煤的鍋爐上應(yīng)用能改善燃燒穩(wěn)定性,提高鍋爐效率和設(shè)備利用率.3.2鈍體燃燒器該燃燒器是華中理工大學(xué)(今華中科技大學(xué)80年代初研制的,多用在燃燒劣質(zhì)煙煤和貧煤的鍋爐上.它是在直流燃燒器一次風(fēng)出口處設(shè)置一個(gè)非流線型的物體(鈍體,氣流流過該物體后發(fā)生分流,它的尾跡是一個(gè)反向流動(dòng)的強(qiáng)烈回流旋渦區(qū),由于回流區(qū)內(nèi)高溫?zé)煔夂椭鳉饬髦g進(jìn)行著強(qiáng)烈的能量交換,形成了火焰穩(wěn)定的條件(如圖1所示.除了形成高溫回流區(qū)外,鈍體的存在還使得一次風(fēng)射流的擴(kuò)展角比直流射流有顯著增大,外卷吸作用也有增加,這使得此種燃燒器能較好地適用于劣質(zhì)煤燃燒5.從電

11、廠運(yùn)行情況看,大多數(shù)鈍體燃燒器的穩(wěn)燃效果均較好,但是存在的主要問題是磨損和燒壞,特別是因鍋爐煤質(zhì)變化較大,有時(shí)揮發(fā)分偏高,著火提前,配風(fēng)不當(dāng)會(huì)將鈍體燒掉、脫落.燃用低熔點(diǎn)煤,如加裝鈍體不當(dāng),會(huì)使氣流沖墻結(jié)渣,從而破壞爐內(nèi)正常的燃燒工況,這個(gè)問題已成為影響鈍體燃燒器運(yùn)行效果和進(jìn)一步推廣的關(guān)鍵.為此,華中理工大學(xué)在鈍體燃燒器的基礎(chǔ)上研制開發(fā)出了穩(wěn)燃腔煤粉燃燒器6.圖1鈍體燃燒器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖鈍體燃燒器的一個(gè)不足是回流區(qū)煤粉濃度分布與溫度分布不一致,高溫回流區(qū)內(nèi)煤粉濃度低,使得燃燒不穩(wěn).近幾年,華中科技大學(xué)在鈍體燃燒器的基礎(chǔ)上,又開發(fā)了一種新型開縫鈍體燃燒器7,8.其原理是在鈍體的正中間開一條中縫,一小股

12、煤粉氣流通過中縫進(jìn)入高溫低速回流區(qū),這樣回流區(qū)內(nèi)煤粉14總第82期王慶:我國(guó)煤粉鍋爐直流與旋流燃燒器的發(fā)展概況及特點(diǎn)分析濃度增加,可以穩(wěn)定著火,形成著火源,點(diǎn)燃主流.開縫鈍體燃燒器除具有鈍體燃燒器的一系列優(yōu)點(diǎn)外,更進(jìn)一步增加了回流區(qū)的加熱能力,因此有更好的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力.3.3帶大速差射流的雙一次風(fēng)通道燃燒器9清華大學(xué)發(fā)明的大速差射流燃燒器構(gòu)思獨(dú)特,燃燒性能優(yōu)異,但其不足是燃燒器結(jié)焦.為此,在大速差射流燃燒技術(shù)基礎(chǔ)上研制出了雙一次風(fēng)通道燃燒器(如圖2所示.該燃燒器有兩個(gè)一次風(fēng)通道1與2,這樣不僅上下壁均受到一次風(fēng)口的保護(hù),可以保證長(zhǎng)期運(yùn)行不結(jié)焦,而且由于上下一次風(fēng)粉都受到提前加熱、著火,因此其

13、燃燒穩(wěn)定性優(yōu)于單一次風(fēng)通道的其它燃燒器.為了避免回流煙氣使燃燒器兩側(cè)壁過熱與結(jié)焦,在兩側(cè)壁腰部加了一股二次風(fēng)5,稱為腰部風(fēng),它不僅保護(hù)了兩側(cè)壁,而且是調(diào)節(jié)煤粉 著火點(diǎn)位置的重要手段.這種燃燒器對(duì)各種煤種、鍋爐容量、制粉系統(tǒng)、工況的試驗(yàn)均獲得成功,是一種值得推廣的燃燒器.圖2帶大速差射流的雙一次風(fēng)通道燃燒器3.4多功能(船型燃燒器該型燃燒器系清華大學(xué)研制,是按煤粉氣流(兩相流的束腰形射流火焰穩(wěn)定原理設(shè)計(jì)的,即在常規(guī)的角置直流煤粉燃燒器的煤粉氣流噴口內(nèi)加裝一個(gè)用耐熱合金鋼制作的船體型火焰穩(wěn)定器,并在其中心設(shè)有點(diǎn)火小油槍.煤粉氣流經(jīng)過該穩(wěn)定器從船型的四周射出并在噴口不遠(yuǎn)處形成一股束腰形射流,在束腰部

14、的兩側(cè)外緣形成所謂的“三高區(qū)”(高氧、高溫、高煤粉濃度,成為引燃煤粉氣流的良好著火源 ,從而穩(wěn)定爐內(nèi)燃燒10,11.多功能船型燃燒器一次風(fēng)口結(jié)構(gòu)及工作原理見下圖(如圖3所示.它不像鈍體那樣要求在每個(gè)噴口處安裝,一般只在下層燃燒器的對(duì)角或四角一次風(fēng)噴口內(nèi)裝設(shè).多功能(船型燃燒器的穩(wěn)燃船布置在一次風(fēng)管內(nèi),與鈍體相比,受爐內(nèi)熱輻射燒壞的可能性小些.它能夠穩(wěn)燃、節(jié)約點(diǎn)火用油和擴(kuò)大負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍.一般改裝后鍋爐能帶約70%鍋爐額定負(fù)荷,不需投油穩(wěn)燃.但其穩(wěn)燃效果和對(duì)煤種的適應(yīng)能力還與原來燃燒器的型式和爐膛的結(jié)構(gòu)及有無(wú)衛(wèi)燃帶等因素有關(guān).如果原來的燃燒設(shè)備結(jié)構(gòu)接近于實(shí)際燃煤所要求的特性,穩(wěn)燃效果會(huì)較好,否則,

15、穩(wěn)燃效果可能不理想.圖3船型燃燒器示意圖目前船型燃燒器在鄭州熱電廠、九江電廠、柳州電廠等取得了成功的應(yīng)用,使用的煤種有褐煤、煙煤、貧煤以及較高揮發(fā)分的無(wú)煙煤等. 3.5WR 型燃燒器該型燃燒器是引進(jìn)的美國(guó)ABB -CE 公司的技術(shù)(如圖4所示.在WR 型燃燒器中,煤粉空氣混合物流經(jīng)入口彎頭4時(shí),由于離心力的作用大部分煤粉緊貼著彎頭的外沿進(jìn)入煤粉噴管,設(shè)置在WR 型燃燒器煤粉管中間的水平肋板3將濃淡兩股煤粉流分開,并保持到噴嘴處,再流經(jīng)擺動(dòng)式煤粉噴嘴出口處的擴(kuò)流錐2,可使其出口端的火焰穩(wěn)定在回流區(qū)中.帶翻邊的擴(kuò)流錐能在煤粉混合物速度變化時(shí),不致使回流區(qū)脫離擴(kuò)錐鈍體的前部.為了避免煤粉沉積,噴嘴管

16、設(shè)計(jì)成漸縮型,在噴嘴內(nèi)的氣流可逐漸加速,在噴嘴上半部濃度較高的煤粉一噴出就易于點(diǎn)燃著火,擴(kuò)大了低負(fù)荷的穩(wěn)燃性能.再加上噴嘴出口周界風(fēng)受到擴(kuò)錐的導(dǎo)向作用,可推遲周界風(fēng)和煤粉空氣混合物的混合,更加有利于煤粉的著火12,13.圖4WR 型燃燒器1324長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)2008年3月從武漢的陽(yáng)邏電廠12、廣東沙角C電廠13等的使用情況看,WR型燃燒器具有較高的碳完全燃燒率,有更寬的不投油負(fù)荷調(diào)節(jié)比和較強(qiáng)的穩(wěn)燃作用,防結(jié)焦性能也較好.4結(jié)論由于使用習(xí)慣的問題,直流煤粉燃燒器四角切圓燃燒方式在我國(guó)使用得比較多,國(guó)內(nèi)擁有了多種自主創(chuàng)新的直流燃燒器.而對(duì)于旋流燃燒器,雖然我國(guó)有一些自主研制的產(chǎn)品,但總體上仍處于引

17、進(jìn)、消化吸收國(guó)外技術(shù)的階段.機(jī)組容量的增大是電力行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì),直流燃燒器四角切圓燃燒導(dǎo)致爐膛出口煙溫偏差大的難題在大容量機(jī)組中開始暴露出來.旋流燃燒器在煙溫偏差方面比四角切圓燃燒鍋爐具有明顯的優(yōu)越性,歐美等國(guó)的大型機(jī)組,除塔式鍋爐不存在高溫水平煙道外,絕大多數(shù)采用墻式布置的旋流燃燒器.此外,直流燃燒器切圓燃燒要求爐膛接近正方形,隨著容量的加大,爐膛的尺寸隨之加大,若要保證一二次風(fēng)良好混合及射流的剛度,這就需要更高壓頭的風(fēng)機(jī),這也制約著切圓燃燒鍋爐的大型化.而旋流燃燒鍋爐各個(gè)燃燒器相對(duì)獨(dú)立,在容量增大時(shí)可以只增加爐膛寬度而不增加爐膛深度,這對(duì)大型化是十分有利的14.綜上所述,旋流燃燒器和直流燃

18、燒器在技術(shù)上各有優(yōu)劣,我國(guó)在繼續(xù)對(duì)直流燃燒技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新的同時(shí),也應(yīng)重視旋流燃燒技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新.參考文獻(xiàn):1韓賓,等.大容量直流燃燒器與旋流燃燒器鍋爐的燃燒技術(shù)分析與性能對(duì)比J.鍋爐技術(shù),2003,34(5:40-47.2李志強(qiáng),等.新型旋流濃淡煤粉燃燒技術(shù)的發(fā)展前景J.華東電力,1999,(10:23-25.3包建鋒,等.旋流式煤粉燃燒器應(yīng)用分析J.黑龍江電力,2000,22(6:28-31.4徐通模,等.鍋爐燃燒設(shè)備M.西安:西安交通大學(xué)出版社,1987.5陳剛,等.電站鍋爐燃燒穩(wěn)定性研究J.熱能動(dòng)力工程,1994,9(3:151-154.6陳剛,等.用穩(wěn)燃腔煤粉燃燒器改燃煙煤為燃無(wú)煙煤鍋爐J.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),2000,8(1:38-40.7陳維漢,等.鈍化及開縫鈍體燃燒器火焰穩(wěn)定性對(duì)比分析J.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào),1997,25(12:80-83.8靳世平,等.氣體回流區(qū)分級(jí)著火試驗(yàn)研究J.工程熱物理學(xué)報(bào),1997,18,(6:754-758.9裴福佳.大速差和雙風(fēng)道兩種新型燃燒器J.東北電力技術(shù),1997,(3:6-8.10王靈會(huì).多功能直流煤粉