低負荷穩燃技術

切向燃燒鍋爐由於其煤種適應性廣、穩燃性能好等特點,在我國電站鍋爐中得到了廣泛應用。這種燃燒方式基本上採用了直流煤粉燃燒器,所以本文將以直流煤粉燃燒為例討論切向燃燒鍋爐的低負荷穩燃問題。對於普通的直流燃燒器,一次風粉射流從一次風噴口射入爐膛後,只能靠從射流外側卷吸爐內的高温煙氣來提供着火供熱,一次風粉混合物的火焰傳播速度一般為1.5~6.0 m/s,而一次風粉輸送速度卻是20~30 m/s,因此在燃燒器噴嘴出口處穩定的着火只可能發生在一次風粉射流的邊緣處,所以從理論上説,自由射流的外邊界處速度梯度趨於零,幾乎沒有湍流擾動,傳熱傳質的作用很差。此外射流離開噴口後向外擴張,煤粉顆粒因慣性作用集中在射流內側,射流獲得的熱量必須首先加熱外側的空氣,然後才能對煤粉加熱,所以,普通單股直流燃燒器所形成射流的着火條件很差,它必須依靠上游鄰角的火焰穩燃。當鍋爐負荷降低時,爐温下降,為了維持必要的煤粉混合物輸送速度,一次風中的煤粉濃度將大為降低;對於切向燃燒鍋爐來説,二次風速度也要降低,爐膛中火球的轉動強度也逐漸減弱,以至於不投油最低負荷運行時,火球不能自行穩定燃燒,因此每個煤粉噴嘴必須具有自穩燃能力,而不是單單依靠鄰角燃燒器燃油火焰的助燃。以Qz表示煤粉氣流達到着火温度所必須的着火熱;以Qg表示外界提供給煤粉射流的着火供熱,要使一次風煤粉氣流着火,應保證穩燃指數e=Qg/Qz≥1,e值越大,則着火越穩定。由上式可見,煤粉氣流若要穩燃,應從兩個方面着手:一方面儘可能降低着火熱;另一方面應加強着火供熱。 ^[1] 

着火熱包括用於加熱煤粉和一次風所需的熱量,以及使煤粉中水分蒸發與過熱所需的熱量。下面討論單噴口一次風煤粉氣流着火熱的影響因素。

1.1.1 着火温度tz的影響 着火温度越低,所需的着火熱越小,影響着火温度tz的因素主要包括以下3點。

a. 燃料性質 燃料中的可燃基揮發分越高,着火温度越低。當燃料中灰分和水分增大時,發熱量降低,在爐內還要消耗部分熱量用來水分蒸發、過熱及灰分的加熱,致使燃料消耗量增大,着火温度升高,會使着火熱顯著增大。

b. 煤粉細度 煤粉細度對着火温度的影響比較複雜,對於煤粉雲團,其小顆粒團的熱容量小,能迅速加熱到着火温度,所以tz會降低。

c. 煤粉質量濃度 理論和實踐均證明,着火温度是隨着煤粉質量濃度提高而降低,當然煤粉質量濃度也不是越高越好,因為過高的煤粉質量濃度還涉及到煤粉輸送、燃燼等方面的問題。

增加一次風量會使着火熱增加,着火過程推遲。就組織燃燒而言,一次風量只需保證煤粉的揮發分燃燒即可,但是一次風量還應滿足輸送煤粉的需要。對於直吹式制粉系統,還要考慮制粉系統乾燥出力及磨煤機中通風量的要求。

1.1.3 風粉氣流初温的影響

提高一次風粉氣流的初温t1可降低着火熱,使着火點位置提前。

1.1.4 燃煤量的影響

通過改進燃燒器噴口結構,將燃煤量分成幾股(一般為2股)來降低每股的着火熱,保證其中的1股優先着火,然後再通過這一股燃燒所釋放的熱量來點燃另一股,濃淡煤粉燃燒器就是通過將煤粉氣流分成濃淡2股,由於濃煤粉氣流着火温度低,燃煤量只是總量的一部分,使其首先着火,然後再用它點燃淡煤粉氣流。

1.2 強化着火供熱

a. 建立穩定的高温熱源

為確保低負荷狀態下鍋爐穩定燃燒,電廠一般都裝設一層或幾層油槍,在鍋爐燃燒不穩定時利用油燃燒釋放的大量熱量來建立穩定的着火熱源。

b. 提高迴流熱煙氣的“質”和“量”

點燃煤粉的着火熱主要來源於熱煙氣的迴流。為改善煤粉氣流的着火條件,穩定着火,除增大煙氣迴流量外,通過提高迴流煙氣的温度水平,組織好鏈環內煤粉的早期燃燒,即提高着火供熱的“質”。目前一般通過敷設衞燃帶、一次風口集中佈置、建立預燃室等辦法提高迴流煙氣的温度水平。另外,注意到在切向燃燒鍋爐中,一次風粉射流温度向火面比背火面一般高50~150℃,因此為提高燃燒器的穩燃能力,應充分利用向火面高質量的煙氣迴流。目前一般利用鈍體、高速射流引射等辦法加大回流量,形成高温、低速、熱質交換強烈的迴流區,增加煤粉氣流與高温煙氣的接觸面積並延長顆粒在這一區域的停留時間,來提高迴流煙氣的“量”。

2 低負荷穩燃技術

2.1 制粉系統方面的穩燃措施

a. 加強燃煤的統籌調度和管理,儘量避免煤質的大幅度變化;

b. 根據煤質特性、磨煤機型式、燃燒方式、爐膛結構和熱負荷等因素,選擇經濟的煤粉細度;

c. 提高一次風粉混合物温度。

2.2 爐膛設計方面的穩燃措施

a. 當燃用極難燃燒的劣質煙煤、貧煤或無煙煤時,可考慮採用W爐或U型火焰爐。

b. 切向燃燒鍋爐中,對於較難着火的貧煤和劣質煙煤,希望推遲一、二次風的混合,以保證在混合前一次風中的煤粉有較好的着火條件。為此,幾個一次風口相對集中在一起並靠近燃燒器區域下部,一、二次風噴口上下邊緣的間距較大,約160~350 mm,此時二次風為分級送入的配風方式。

c. 當燃用較難燃燒的煤種時,常在燃燒器區的水冷壁上敷設耐火材料做成衞燃帶,以提高煤粉着火區的温度。

d. 採用合適的容積熱負荷和斷面熱負荷。

2.3 採用新型結構的煤粉燃燒器

為降低着火熱和提高着火供熱,在燃燒器前、燃燒器內部及燃燒器出口分別採用了不同的結構。

a. 燃燒器前

從煤粉離開煤粉倉(中儲式系統)或磨煤機(直吹式系統)到燃燒器前這一段距離,由於不可能得到爐內高温煙氣的迴流加熱,穩燃結構只能以降低一次風粉氣流的着火熱為目標。具體措施:一種是通過提高一次風粉的煤粉質量濃度,降低着火温度來降低着火熱;另一種是通過提高一次風粉的初温來達到降低着火熱的目的。這一範圍的煤粉濃縮按其濃縮位置分為原始濃縮和燃燒器前濃縮。原始濃縮是指煤粉離開煤粉倉或磨煤機時採取措施提高煤粉濃度。燃燒器前濃縮即在正常質量濃度的煤粉氣流進入燃燒器前利用氣固分離裝置把煤粉氣流分成濃淡2股,分別送入燃燒器的濃淡噴口,如高調節比WR燃燒器。燃燒器前另一種降低着火熱的方法就是提高一次風粉的初温。如B&W公司在旋流燃燒器基礎上開發的PAX型燃燒器。

b. 燃燒器內

由於燃燒器內可以採取措施卷吸爐內高温煙氣或預熱一次風粉,因此穩燃結構一般在降低着火需熱的同時,也要提高着火供熱的供應,一般將這種燃燒器稱為預燃室。從原理上講,煤粉預燃室是在燃燒器內形成高温迴流煙氣加熱一次風粉來流,其穩燃作用是顯而易見的,但是在預燃室內煤粉就開始燃燒,其燃燒的高温熔融粒子總會有沖刷壁面的機會,因此對於易結渣煤種,根據國內運行經驗,預燃室非常容易產生結渣,所結的渣塊有時將預燃室堵死,甚至把預燃室燒壞,局部燒熔,這種現象在各種預燃室中屢有發生。為解決預燃室容易結焦的問題,有些學者拋棄了“煤粉預燃”的概念,強調了“煤粉預熱”的作用,利用迴流使煤粉在較短的距離內預熱,從而保持火焰的穩定性,以便解決火焰穩定和筒內結渣的矛盾,並開發了穩燃腔。穩燃腔在設計思想上強調預熱而不是預燃,這就要求在結構設計上要合理,同時在空氣動力參數的選擇上也要給予充分的注意,以保證腔內温度不大於煤粉着火温度,因此該穩燃腔在應用中從燃燒器到爐膛設計,其結構和參數都要精心優化,以便既保證煤粉火焰穩定,又保證運行中不結焦。大速差射流燃燒器本質上也是一種預燃室。

c. 燃燒器出口處

燃燒器出口處的煤粉氣流,由於直接接觸爐內高温迴流煙氣,因此這裏的燃燒器噴口穩燃結構應一方面提高與高温煙氣接觸區域的煤粉質量濃度,降低着火温度;另一方面提高氣流與高温煙氣的接觸面積和熱質交換強度,以強化着火供熱。鈍體、火焰穩定船燃燒器就是這一類燃燒器。一次風粉氣流繞過鈍體後,形成高温煙氣迴流區,同時由於顆粒的慣性作用,鈍體尾跡有2條煤粉質量濃度很高的“黑龍”,使迴流區邊界速度梯度、質量濃度梯度和温度梯度很大,一次風粉氣流和高温煙氣迴流區的動量、質量和熱量交換很強,強化了煤粉的着火和燃燒,由於受高温煙氣的“內外夾攻”,內外着火,擴大了火焰燃燒的區域。火焰穩定船燃燒器的研製者提出了“三高區”理論,即設法在一次風噴口附近,建立一個具有高煤粉質量濃度、高温和氧含量較高的“三高區”。高温、高煤粉質量濃度和氧含量不算太低在射流束腰部的外緣處同時出現,為燃料着火創造了有利條件。另外,在燃燒器安裝位置和角度方面較成功的是一次風反切技術。一次風反切就是一次風沿反切圓方向送入爐膛,二次風射流方向與切圓轉向一致的切圓燃燒方式。一次風反切同時具有穩燃、防結渣和降低NOx的作用。在四角切圓燃燒中,將燃燒器出口一次風與二次風偏α轉角佈置。一次風逆頂上游吹來氣流,使一次風射流在開始段形成減速過程,煤粉顆粒不斷減速直至停滯不動。在該段煤粉顆粒停留時間相對較長,不斷升温、着火、燃燒,使該段煤粉着火後自身燃燒的放熱量增加,增大了該段的高温環境,從而使煤粉顆粒升温速度加快和更容易着火。當煤粉着火穩定後,在主氣流的衝擊和推動下,轉向進入主旋氣流與二次風混合及時造成補氧條件,同時由於慣性作用造成煤粉與空氣分離,改善煤粉氣流的着火條件,使其進行充分着火與燃燼,從而達到穩燃的目的。由於一次風粉氣流遠離下方水冷壁,減少了燃燒的煤粉火炬刷牆的可能性,同時,反切後一次風將在爐膛中心形成濃煤粉區域,二次風的切圓較大,形成“風包粉”,並在爐壁附近形成氧化性氣氛,從而減輕了爐內結渣與積灰的可能性。一次風反切雖然具有以上一些優點,但它對反切一次風的風速、風率要求較高,需經過燃燒優化試驗確定。

綜上所述,鍋爐穩燃措施主要從降低着火熱和提高着火供熱兩方面入手,對於不同的爐型、不同的煤種,應具體分析,綜合考慮穩燃、結渣、降低污染等因素,再採取合適的技術手段,才能取得較好的效果。