1 穩燃技術的發展
煤粉鍋爐的穩燃技術應該能夠適應煤種變化和負荷變動,並達到各項燃燒性能指標--爐內合理的溫度分佈、濃度分佈、飛灰可燃物含量和對有害成分(NOx,SO2)的控制. 近年來,國內外有關研究單位和專業公司在煤粉燃燒器的穩燃性能方面進行了大量的研究和應用,如華中理工大學早期研究的從鈍體燃燒及後來發展的開縫式鈍體燃燒器;浙江大學研究的濃淡分離型燃燒器;清華大學在80年代研究的船型燃燒器,目前亦從事富集型煤粉燃燒器的研究與應用(濃淡型);美國CE燃燒公司研究的揉合了鈍體和濃淡分離兩類技術的WR燃燒器;B&W公司研究的二次風雙調節旋流燃燒器等. 本文重點敘述東南大學最近研究和應用的一、二次風複合旋流燃燒器.
2 複合旋流燃燒器的機理
2.1 複合旋流的空氣動力特性
旋流式燃燒器工作時,均有供著火燃燒的含粉一次風和供其餘燃燒所需的二次風.目前國產的或引進的旋流式燃燒器的二次風均為旋轉氣流,而一次風則以直流形式為多,出口處兩股同軸的直流和旋流氣流相互干擾,二次風旋流強度衰減較快,對於由旋流產生高溫迴流區的作用也受到削弱.一、二次風複合旋流屬共軸環套複合旋轉射流.
在複合旋轉射流的作用下,形成強大的中心迴流和外圍迴流2個迴流區,如圖1所示. 這種共軸環套旋流具有各自的不同旋流強度,各自的旋轉角度、質量流量(流速)是不同的,二次風的旋流強度可以調節. 因此,燃燒器出口的流動形態非常複雜. 從圖1中可以看出,迴流區3提供了著火燃燒的高溫源,迴流區邊界7外緣正是一次風中煤粉的富集區,既有外界充分的二次風氧濃度,又有高煤粉濃度,形成了燃燒物質高速反應的條件.
圖1 二重複合旋轉射流流動示意圖
1-一次風旋流葉片;2-二次風旋流葉片;3-迴流區;4-卷吸外界氣體;
5-軸向速度分佈;6-切向速度分佈;7-迴流區邊界;8-高溫、高濃度邊界
2.2 燃燒的強化和穩定
爐內煤粉燃燒的穩定和強化在技術上高度統一. 煤粉火焰穩定的關鍵是強化燃燒過程的初始階段. 在鍋爐燃用的煤粉粒徑狀態下,加熱速度為104 ℃/s,揮發分析出3%～4%以後,這部分揮發分先作均相著火燃燒,在0.03～0.05 s以後氣態均相和固態多相著火燃燒同時進行,在0.08 s以後,揮發分大量析出,直到0.15 s時,揮發分析出超過80%,固定碳亦完成燃燒反應的60%,溫度升高達1 300～1 500 ℃. 有些試驗表明:在燃燒初期階段0.2 s內完成80%的煤粉燃燒,而剩餘的20%煤粉需要4倍的時間才能完成,還有些專家根據大量試驗認為:90%的煤粉燃燒只需爐內10%的時間,然而剩餘10%的煤粉的燃盡則需要90%的時間來完成［1］. 可見,大量煤粉燃燒是在初期完成的,這就要求我們首先要注重關鍵的初始階段的燃燒強化.
對於複合旋流燃燒器,主要應組織好初始的著火燃燒. 一次風由原直流形式改變為旋流形式,煤粉氣流噴入爐內時生成了一股新的旋轉射流,周界高溫二次風旋流內緣的擴散面積增加,傳輸動量亦增加,使一次風混合物外緣煤粉的加熱和燃燒的條件得到充分改善;同時,一、二次風旋流產生的中心迴流隨著旋流強度的增加而增加,大量高溫煙氣迴流直接加熱一次風煤粉流中較細的顆粒. 有利於煤粉的著火,這就遵循了初始著火的必要條件:增加迴流熱量和提高對流換熱係數. 而且一、二次風複合旋流進一步帶動了爐內氣流的旋轉和擾動,氣體團和固體顆粒兩相之間的脈動度大為增加,火焰內部物質的有效行程(非火焰幾何行程)和固體顆粒的自身高頻旋轉次數可增加到原來的幾倍,有利於促進煤粉在爐內的燃盡程度.
一次風氣粉兩相混合物在管內產生旋流的同時,固相煤粉的離心力高於氣相側,並向旋流外邊界聚集,形成一個傘形的高濃度煤粉區. 在燃燒化學反應中,燃燒速度ω和反應物的氧濃度CO2和煤粉濃度Cp成正比
當相同質量的反應物參與燃燒反應,尤其是燃燒器出口屬氣固多相燃燒動力反應區,具有較高的氧濃度,提高煤粉濃度的聚集程度參與著火邊界區的燃燒,將會提高該區域的燃燒反應速度. 旋流一次風產生的煤粉濃淡兩相分離是連續性變化的,從工作過程來看,卷吸的高溫氣流中氧的補充配給也是恰到好處的. 因此,火焰的傳播也具有較好的連續性. 在高濃度煤粉區,旋流卷吸高溫氣流也強,火焰傳播速度也高
綜上所述,複合旋流燃燒器實現了強化燃燒所必需的三大要素:高溫度、高濃度和強混合程度. 為低氧燃燒提供了有利條件,對控制SO2,NOx有害物的排放,以及降低排煙溫度起到十分有益的作用.
3 設計和應用
原普通旋流燃燒器一次風(氣粉混合物)呈直流的特性,其自身不能產生迴流熱,並削弱二次風產生的迴流,煤粉燃燒所需的著火熱不足,平直流中的煤粉顆粒脈動度亦不足. 因此,對原始設計曾有些說法,認為旋流式燃燒器初期動量較大,後期動量不足,只宜燒煙煤(揮發份高的煤),而不宜燒揮發份較低的劣質煙煤、貧煤和無煙煤. 正是基於原旋流燃燒器動量不足的特點,設計成一、二次風複合旋流,增強了迴流著火熱 、擾動度、火焰合理的充滿度,強化整個燃燒過程,使其成為一種高效多功能的新型燃燒器.
旋流式燃燒器一般均有安裝油槍的中心管,因此一次風管的通道基本上呈一環形通道,考慮到儘可能小的流動阻力,複合旋流燃燒器一次風的旋流葉片宜定型為軸向葉片,葉片的數目應根據一次風通道的截面變化率、葉片旋流角度、葉片軸向寬度、前後遮蓋度等來確定,以使通道內流體的無效擾動度最小. 葉片的流線應考慮過渡區的流動阻力和磨損,不宜採用直葉片,流線形狀採用等角速度扭轉曲線,為考慮通道內環管的阻力特性,內環旋流角應小於外環旋流角5°～8°,葉片的旋流角度應根據不同的煤種範圍與旋流強度相適應進行設計. 在葉片的安裝中應考慮葉片熱膨脹的自由度.
諫壁發電廠4#～6#(410 t/h)爐採用風扇磨直吹式制粉系統,風扇磨葉輪撞擊板的磨損壽命一般為450個工作小時,在葉輪更換周期內,28,100,200,300,400 h共5個階段,進行了技術跟蹤測試考核,觀察磨煤機葉輪磨損變化和複合旋流燃燒器工作性能相互之間的關係,自投運15個月以來,複合旋流燃燒器始終著火穩定,飛灰可燃物明顯下降,燃料適應性強,晚間低負荷不投助燃油. 現場長期考核主要統計數據對比如表1所示.
表1 主要技術參數統計值
名稱 改造前100%負荷 改造后100%負荷 45%負荷
爐膛溫度/℃ 1530 1560 1520
著火距離/mm >800 500～600 500～600
飛灰含碳量/% 6～10 2～4 2～4
煙氣含氧量/% 5～6.5 4～6 4.5～5.5
排煙溫度/℃ 155 140 128
一次風速/(m*s-1) 21.0 21.72 20.50
風扇磨電流/A 32 32 31.5
注:① 45%負荷時投運7#,8#,11#,12#(複合旋流燃燒器)和9#,10#六個下排燃燒器,不投油穩燃,試驗時間4.5 h(夜間).
② 改造前70%負荷時,需投助燃油槍.
4 結 論
1) 複合旋流燃燒器具有優化燃燒的綜合條件,提高了鍋爐低負荷燃燒的穩定性、煤種變化的適應性和燃燒效率.
2) 複合旋流燃燒器能夠採用低氧燃燒,有利於控制有害物(NOx,SO2)的排放量.
3) 旋流葉片用於煤粉氣流中,並在噴嘴出口處受到爐內高溫輻射,應具有較好的耐熱耐磨性能,在設計中應予以專門考慮.
