| 旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)W型火焰鍋爐特點(diǎn)及研究進(jìn)展 |
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旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)W型火焰鍋爐特點(diǎn)及研究進(jìn)展 摘要：本文介紹了中國引進(jìn)和開發(fā)W型火焰鍋爐的背景、各技術(shù)流派在中國的份額，并通過燃燒、污染物排放、結(jié)渣和偏溫特性等，介紹了各自的性能及存在的問題。特別闡述了帶旋流燃燒器的W型火焰鍋爐生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)、配風(fēng)方式、污染物排放等特性及設(shè)計(jì)特點(diǎn)。綜述了我國各高校、科研院所和制造廠研究W型火焰鍋爐的歷程以及取得的進(jìn)展，建議了需進(jìn)一步研究的方向。 0我國引進(jìn)和開發(fā)W型火焰鍋爐的背景 我國動力用煤儲量中無煙煤占19. 99%，貧煤占9.19%‘1]，共計(jì)29. 18%。我國低揮發(fā)份煤的分布很廣：北京、山西、河南、湖北、福建、湖南、山東等省均有豐富的蘊(yùn)藏量[2]。目前全國燃無煙煤的電站約占總數(shù)的24.2 %[3J。 無煙煤是埋藏年代最久、碳化程度最高的煤種，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf≤10%、固定碳FC≥86%[4]，貧煤的碳化程度稍低、揮發(fā)分含量稍高。隨著碳化程度提高、揮發(fā)分含量減少、活化能迅速增大，使煤的著火更加困難；其巖相結(jié)構(gòu)更加緊密而穩(wěn)定，可磨性和燃盡性變差；同時由于比表面積小，相同條件下貧煤和無煙煤的火焰?zhèn)鞑ニ俣缺葻熋捍鬄榻档停焕阱仩t穩(wěn)燃[5-8]；因此需要高溫的燃燒區(qū)和長的煤粉停留時間，但高溫又容易造成爐膛結(jié)渣和高NOx排放。因此燃無煙煤和貧煤電廠同時實(shí)現(xiàn)著火、穩(wěn)燃、燃盡和降低NOx排放成了亟待解決的重要課題。 過去，國內(nèi)的燃無煙煤電站鍋爐主要選用固態(tài)排渣、四角切圓直流燃燒方式，但是這一燃燒方式很難達(dá)到鍋爐的大型化目前全世界四角切圓燃燒方式燃無煙煤鍋爐容量很少達(dá)到300 MW以上。為此需要新的、適于燃燒無煙煤和貧煤的大型電站鍋爐設(shè)備。專門用于燃用低揮發(fā)份煤的鍋爐1934年便己出現(xiàn)[7]，美國Foster Wheeler公司(FW)首創(chuàng)W型火焰鍋爐[9]，后來美國Combust Engineering公司(CE)、英國MBEL公司、Babcock 8XVilcox公司(B跚礦)、法國Stein公司、德國Maschinenfabrik Augs-burg-Numberg公司(MAN)也開發(fā)了U型和W型火焰鍋爐用于燃無煙煤。W型火焰鍋爐具有長的煤粉停留時間、能實(shí)現(xiàn)分級燃燒和良好的空氣動力場等優(yōu)點(diǎn)，宜用于大型燃無煙煤、貧煤電廠。20世紀(jì)80年代中后期我國開始引進(jìn)W火焰鍋爐及其燃燒技術(shù)，至今全世界的W型火焰鍋爐大部分連在我國，目前國內(nèi)投產(chǎn)和在建的W型火焰鍋爐一共有53臺以上、總負(fù)荷超過20 500 MW，單臺鍋爐電負(fù)荷300～660 MW，均通過直接進(jìn)口和技術(shù)合作的方式采用以上幾家公司的技術(shù)，其中FW技術(shù)約占50%的市場分額、B鍘技術(shù)約占27%、MBEL技術(shù)約占12%、Stein技術(shù)約占11%。 1 W型火焰鍋爐主要特點(diǎn) 四種主要W型火焰鍋爐結(jié)構(gòu)，W火焰鍋爐與普通的四角切向燃燒鍋爐相比具有下列主要優(yōu)點(diǎn)[9- 12]． (1)此類鍋爐屬垂直燃燒，火焰行程較長，爐膛充滿度好，爐膛容積熱負(fù)荷較低，延長了煤粉在爐內(nèi)的停留時間，有利于難燃煤粉的燃盡。 (2)拱上風(fēng)量相對較小，避免了生物質(zhì)燃燒機(jī)主噴口處溫度的明顯下降同時通過衛(wèi)燃帶提高燃燒室溫度，從而提高火焰根部的溫度水平，著火和穩(wěn)燃性好、燃燒效率高符合燃低揮發(fā)份煤的要求，增大煤種適應(yīng)性。 (3)二次風(fēng)可沿火焰行程逐步加入，達(dá)到分級配風(fēng)的目的，不僅補(bǔ)充燃燒所需的空氣，還可迫使氣流轉(zhuǎn)彎，阻止火焰沖刷冷灰斗，減輕了結(jié)渣和腐蝕、抑制燃燒過程中NOx的生成。 (4)可通過一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)和分級風(fēng)共同組織空氣動力場，擴(kuò)大煤種適應(yīng)范圍、增強(qiáng)燃燒性能。 (5)火焰方向與水冷壁夾角多在0！30。之間，有利于避免風(fēng)粉氣流沖刷水冷壁、防止結(jié)渣，同時可使火焰行程延長、利于燃盡。 (6)前后拱和衛(wèi)燃帶將燃燒室與燃盡室屏蔽起來，負(fù)荷變化對燃燒室溫度影響不大，有利于穩(wěn)定燃燒和低負(fù)荷運(yùn)行，鍋爐不投油穩(wěn)燃負(fù)荷可達(dá)到40%N 55 %BMC R。 (7)火焰在爐膛下部轉(zhuǎn)彎180。，使煙氣中的部分粗灰粒分離，減輕了對流受熱面的飛灰磨損。 (8)鍋爐結(jié)構(gòu)與生物質(zhì)燃燒機(jī)的布置對稱，煙氣通過喉口后充分混合，不存在殘余旋轉(zhuǎn)，所以爐膛出口處的煙氣溫度場和速度場比較均勻，減小了過熱器和再熱器的熱偏差。 但是在實(shí)際運(yùn)行中，W火焰鍋爐也出現(xiàn)了一些問題，總結(jié)起未主要有‘13- 16]： (1)有些結(jié)構(gòu)的W火焰鍋爐配風(fēng)不當(dāng)致使火焰中心上移，火焰行程變短，可燃物燃盡較差。 (2)空氣動力場組織不合理時容易造成火焰上飄直接進(jìn)入燃盡室，引起過熱器和再熱器超溫、排煙溫度升高以及喉口部位結(jié)渣等問題。 (3)由于爐膛內(nèi)的溫度水平較高，導(dǎo)致氮氧化物的生成量較大，高于國內(nèi)四角切圓燃燒鍋爐的一般水平，背離設(shè)計(jì)初衷。 (4)各電廠NOx排放量普遍偏高，可達(dá)300llg~ffl3以上。 (5)為了提高著火區(qū)溫度、增強(qiáng)著火，必須敷設(shè)的衛(wèi)燃帶導(dǎo)致爐膛局部溫度過高，極易引起側(cè)墻結(jié)渣。 (6)空氣動力場較為復(fù)雜，拱上動量太大容易造成火焰下射冷灰斗引起結(jié)渣，拱上動量太小將造成火焰上舔喉口。 (7)鍋爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，爐拱的設(shè)計(jì)安裝困難，生物質(zhì)燃燒機(jī)風(fēng)粉管道布置困難，鋼耗量大、造價(jià)商需要豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和較高的運(yùn)行水平，運(yùn)行管理費(fèi)用較高。 2帶旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)W型火焰鍋爐的特點(diǎn) 在全世界四個主要的W火焰鍋爐技術(shù)流派中，只有B鍘公司采用旋流燃燒技術(shù)，如圖l(a)。該型鍋爐一次風(fēng)攜帶煤粉從拱上送入爐膛，磨煤乏氣從前后墻作為三次風(fēng)送入；二次風(fēng)分內(nèi)外兩股包裹在一次風(fēng)外圍，內(nèi)外二次風(fēng)通道中均設(shè)有軸向可調(diào)葉片，使二次風(fēng)旋轄進(jìn)入爐膛，內(nèi)外二次風(fēng)量由燃燒器入口處調(diào)風(fēng)盤調(diào)節(jié)；供給二次風(fēng)的大風(fēng)箱同時在風(fēng)箱底部分出一股氣流從前后墻三次風(fēng)下面供給爐膛，稱為分級風(fēng)，分級風(fēng)量由分級風(fēng)擋板開度調(diào)節(jié)；每股一次風(fēng)帶一股內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)、三次風(fēng)和分級風(fēng)，它們共同構(gòu)成一只完整的生物質(zhì)燃燒機(jī)，一次風(fēng)與內(nèi)外二次風(fēng)從拱上噴入爐膛，也稱拱上生物質(zhì)燃燒機(jī)，下文如無特殊說明，生物質(zhì)燃燒機(jī)即指拱上生物質(zhì)燃燒機(jī)。 此類鍋爐主要具有以下特點(diǎn)： (1)內(nèi)外二次風(fēng)葉片傾角和分級風(fēng)開度對火焰行程、火焰形狀、NOx排放、煤粉燃盡以及鍋爐穩(wěn)燃等有重要影響。 (2)旋流強(qiáng)度可調(diào)，因此可以達(dá)到較好的穩(wěn)燃，能夠適應(yīng)煤質(zhì)變化。 (3)燃燒室內(nèi)實(shí)現(xiàn)空氣分級、三次風(fēng)和分級風(fēng)下傾，使火焰行程更長，利于煤粉燃盡。 (4)可以通過調(diào)整一、二次風(fēng)的混合、調(diào)節(jié)回流區(qū)和火焰行程來降低NOx排放。 (5)與中儲式制粉系統(tǒng)和直吹式制粉系統(tǒng)都能匹配，煤種適應(yīng)范圍更廣。 (6)分級風(fēng)開度對火焰行程和火焰形狀影響明顯，開度越大火焰下射越深、行程越長，對鍋爐穩(wěn)燃和NOx排放產(chǎn)生較明顯的積極影響。 國內(nèi)制造帶旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)的W火焰鍋爐的廠家主要是北京B涮公司，投運(yùn)的電廠有上安電廠350 MW（1990年）、山西陽泉第二電廠#3#4爐2X300 MVV（1998～1999年）、黔北電廠#1 #2爐2×300 MVV (2002～2003年)、耒陽電廠#3 #4爐2×300 MW (2003～2004年)、國投北部灣北海電廠#1#2爐2×300 MVV（2004～2005年）和滇東電廠4×600 IWW (2006～2007年)等，總?cè)萘砍^5 500 MW。其中除上安電廠采用PAX- XCL (Plimary Air Exchange- Axial Cont.rol LowNOx)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)，如圖2(a)，其余均采用EI- XCL旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)，如圖2(b)、(c)。三種生物質(zhì)燃燒機(jī)的主要區(qū)別在 于一次風(fēng)煤粉的處理方式。PAX - XCL生物質(zhì)燃燒機(jī)在彎頭處依靠煤粉的慣性作用將煤粉濃縮，然后抽出淡側(cè)一次風(fēng)作為乏氣，同時用熱風(fēng)加熱濃一次風(fēng)煤粉噴入爐膛；濃縮型EI- XCL生物質(zhì)燃燒機(jī)與PAX- XCL生物質(zhì)燃燒機(jī)類似，只是沒有用熱風(fēng)加熱濃一次風(fēng)煤粉；增強(qiáng)著火人口彎頭內(nèi)二次風(fēng)葉片人口 濃縮型EI- XCL生物質(zhì)燃燒機(jī)型EI- XCL生物質(zhì)燃燒機(jī)在一次風(fēng)粉經(jīng)過彎頭后，設(shè)置導(dǎo)向器將濃側(cè)煤粉導(dǎo)至生物質(zhì)燃燒機(jī)中心的錐形擴(kuò)散器處，經(jīng)錐形擴(kuò)散器使煤粉均勻地濃縮于一次風(fēng)管壁面，中心煤粉濃度較低。 由此可見，進(jìn)入21世紀(jì)以來B鍘公司的EIXCL技術(shù)正在被廣泛運(yùn)用于W火焰鍋爐上，在中國發(fā)電市場的占有率也在提高。據(jù)作者統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)運(yùn)行的帶旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)W火焰鍋爐概況如表1。 3 國內(nèi)外W型火焰鍋爐研究進(jìn)展 基于上述W型火焰和旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)W型火焰鍋爐的特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀有必要對國內(nèi)相關(guān)研究進(jìn)行簡明扼要地綜述，以期發(fā)現(xiàn)問題并確定可能的研發(fā)方向。 20世紀(jì)30年代開發(fā)出燃低揮發(fā)分煤的鍋爐，到1950～1960年代FW公司和Stein公司逐漸在U型鍋爐基礎(chǔ)上發(fā)展出雙U型火焰鍋爐，即W型火焰鍋爐[7-lo，17]。雖然W型火焰鍋爐起源于歐美，幾家大的設(shè)計(jì)單位和制造廠都進(jìn)行了大量的開發(fā)工作，國外很少有研宛機(jī)構(gòu)對其特性進(jìn)行研究，而是對其燃燒產(chǎn)物和運(yùn)行管理等方面進(jìn)行研究。 在國內(nèi)，1984年王龍發(fā)[17]等介紹了W型火焰鍋爐，后來蘇允唐、何佩敖等也對W型火焰鍋爐進(jìn)行研究到80年代末國內(nèi)對W型火焰鍋爐的性能有了基本的認(rèn)識，當(dāng)時研究范圍只限于FW和Stein的技術(shù)。20世紀(jì)80年代末華能國際引進(jìn)了法國Stein公司的W型火焰鍋爐（珞璜電廠），這是我國第一臺W型火焰鍋爐，后來又引進(jìn)了加拿大B硎（上安電廠）和英國MBEL(岳陽電廠)的W型火焰鍋爐。90年代初西安熱工院調(diào)查了珞璜、上安和岳陽電廠，介紹了各自生物質(zhì)燃燒機(jī)的形式并研究了這三廠的NOx排放情況，認(rèn)為效率比較高、穩(wěn)燃性能比較好，但NOx排放量大‘21]；后來又調(diào)研了其運(yùn)行可靠性、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力、燃盡效果、結(jié)渣情況和NOx排放，總結(jié)了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、給出了該型鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)的參考數(shù)據(jù)[22l0 90年代西安交通大學(xué)按1：35建立了FW公司300MW鍋爐的冷態(tài)模型，研究了丫型流場[15]；按1：20對Stein公司的360MW鍋爐（珞璜電廠）進(jìn)行冷態(tài)；芯，提出增加折焰角以及縮小喉口的建議013 14]；按1：20模化株洲電廠300 MW鍋爐(FW技術(shù))，研究了主氣流速度衰減規(guī)律和下爐膛出口速度分布規(guī)律，認(rèn)為三次風(fēng)應(yīng)該下傾一個小角度[23]；并針對東方鍋爐廠引進(jìn)的FW技術(shù)300 MW的W型火焰鍋爐，建立了1 MW熱態(tài)實(shí)驗(yàn)臺，得到燃燒室“凸”字形溫度對稱分布、分析了側(cè)墻結(jié)渣原因、認(rèn)為溫度中心該在最下層二次風(fēng)處24l0 2004年以來哈爾濱工業(yè)大學(xué)對山西陽泉第二電廠#2W型火焰鍋爐進(jìn)行了冷態(tài)；瘜(shí)驗(yàn)，提出下層二次風(fēng)下傾的方案得到該電廠的認(rèn)可并加以改造，取得很好的效田[6，2s 26]，7K ，并進(jìn)一步在山西陽泉第二電廠的W型火焰鍋爐進(jìn)行增設(shè)OFA風(fēng)的技術(shù)改造；近來又在河北邯峰發(fā)電廠開展W型火焰鍋爐微油點(diǎn)火研究工作。 90年代中期清華大學(xué)對上安電廠#1W型火焰鍋爐進(jìn)行了三維傳熱數(shù)值模擬，并在1：25冷態(tài)模型上進(jìn)行二維流場圖譜比較，采用Monte Carlo輯射模型、三維網(wǎng)格、編制大型計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，還嘗試著將數(shù)論方法引進(jìn)大型燃燒室的三維傳熱計(jì)算，認(rèn)為上安電廠一次風(fēng)下沖不足、衛(wèi)燃帶過多[27．劫，但沒有指出衛(wèi)燃帶占下爐膛多大比例最佳、衛(wèi)燃帶應(yīng)該鋪設(shè)的確切位置。90年代后期浙江大學(xué)通過冷態(tài)空氣動力場和熱態(tài)數(shù)值模擬，分析了帶旋流燃燒器的W型火焰鍋爐的流動特性和燃燒產(chǎn)物，認(rèn)為旋流W型火焰爐受旋流強(qiáng)度的影響比動量比的影響強(qiáng)、火焰充滿度受旋流強(qiáng)度影響小、分級風(fēng)噴口應(yīng)該增大、高溫區(qū)出現(xiàn)在拱下以及靠墻處和軸線上NOx量大等[28- 31]，但還缺乏工業(yè)運(yùn)用實(shí)際數(shù)據(jù)的支持。武漢鍋爐廠郭曉寧對煤粉濃縮后著火溫度的變進(jìn)行了理論分析和計(jì)算并分析了上安電廠的燃燒器著火特性[32]。湖南省電力試驗(yàn)研究院黃偉和李文軍對耒陽電廠進(jìn)行了工業(yè)實(shí)驗(yàn)分析，包括著火性能、燃盡性能、結(jié)渣性能和NOx含量等[33]，但工業(yè)試驗(yàn)尚需機(jī)理實(shí)驗(yàn)的支撐。目前哈爾濱工業(yè)大學(xué)已經(jīng)開展了帶旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)W型火焰鍋爐及其生物質(zhì)燃燒機(jī)的機(jī)理實(shí)驗(yàn)、工業(yè)試驗(yàn)和數(shù)值研究工作。 另外，華中科技大學(xué)近年曾對某臺W型火焰鍋爐的飛灰進(jìn)行TGA- DTF分析得到相應(yīng)的形成機(jī)理和成分[34]。華北電力大學(xué)、國投扎部灣電廠李振寧等人也作了一些研究[35, 36]。 對于中心富燃料旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)L37]、旋流燃燒著火性能[38]和預(yù)混燃燒[39]，國內(nèi)外的研究提供了一些可用信息，我國對EI- XCL生物質(zhì)燃燒機(jī)的研究僅限于電廠冷態(tài)調(diào)試以及此類生物質(zhì)燃燒機(jī)在W型火焰鍋爐上運(yùn)用的介紹等少數(shù)報(bào)道‘40- 42]，而來自國外的相關(guān)可用信息也不多，僅有B鍘公司工程或其他形式的雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的介紹[43-45] 4結(jié)論 綜合前文所述可見，對帶旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)的W型火焰鍋爐衛(wèi)燃帶、爐膛溫度分布、燃燒產(chǎn)物分布、動量比與旋流強(qiáng)度的關(guān)系等問題已經(jīng)開展了研究工作，但還不夠深入和全面。 到目前為止，國內(nèi)外對帶旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)的W型火焰鍋爐的研究多停留在計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，或者僅是運(yùn)行調(diào)試從數(shù)值模擬、機(jī)理實(shí)驗(yàn)、工業(yè)試驗(yàn)到形成自主技術(shù)真正投入工業(yè)運(yùn)用的研究還沒有完成。 單獨(dú)對W型火焰鍋爐上的旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)的研究非常少，特別是不同噴口的混合特性、旋流特性、不同葉片傾角的影響以及不同分級風(fēng)開度下的燃燒狀況等，這些都有待進(jìn)一步深入研究。
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