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行業新聞

旋流生物質燃燒機W型火焰鍋爐特點及研究進展

旋流生物質燃燒機W型火焰鍋爐特點及研究進展

    摘要:本文介紹了中國引進和開發W型火焰鍋爐的背景、各技術流派在中國的份額,並通過燃燒、汙染物排放、結渣和偏溫特性等,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型火焰鍋爐生物質燃燒機的結構、配風方式、汙染物排放等特性及設計特點。綜述了我國各高校、科研院所和製造廠研究W型火焰鍋爐的曆程以及取得的進展,建議了需進一步研究的方向。

0我國引進和開發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29.  18%。我國低揮發份煤的分布很廣:北京、山西、河南、湖北、福建、湖南、山東等省均有豐富的蘊藏量[2]。目前全國燃無煙煤的電站約占總數的24.2 %[3J。

    無煙煤是埋藏年代最久、碳化程度最高的煤種,幹燥無灰基揮發分Vdaf≤10%、固定碳FC≥86%[4],貧煤的碳化程度稍低、揮發分含量稍高。隨著碳化程度提高、揮發分含量減少、活化能迅速增大,使煤的著火更加困難;其岩相結構更加緊密而穩定,可磨性和燃盡性變差;同時由於比表麵積小,相同條件下貧煤和無煙煤的火焰傳播速度比煙煤大為降低,不利於鍋爐穩燃[5-8];因此需要高溫的燃燒區和長的煤粉停留時間,但高溫又容易造成爐膛結渣和高NOx排放。因此燃無煙煤和貧煤電廠同時實現著火、穩燃、燃盡和降低NOx排放成了亟待解決的重要課題。

    過去,國內的燃無煙煤電站鍋爐主要選用固態排渣、四角切圓直流燃燒方式,但是這一燃燒方式很難達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到300 MW以上。為此需要新的、適於燃燒無煙煤和貧煤的大型電站鍋爐設備。專門用於燃用低揮發份煤的鍋爐1934年便己出現[7],美國Foster Wheeler公司(FW)首創W型火焰鍋爐[9],後來美國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)也開發了U型和W型火焰鍋爐用於燃無煙煤。W型火焰鍋爐具有長的煤粉停留時間、能實現分級燃燒和良好的空氣動力場等優點,宜用於大型燃無煙煤、貧煤電廠。20世紀80年代中後期我國開始引進W火焰鍋爐及其燃燒技術,至今全世界的W型火焰鍋爐大部分連在我國,目前國內投產和在建的W型火焰鍋爐一共有53台以上、總負荷超過20 500 MW,單台鍋爐電負荷300~660 MW,均通過直接進口和技術合作的方式采用以上幾家公司的技術,其中FW技術約占50%的市場分額、B鍘技術約占27%、MBEL技術約占12%、Stein技術約占11%。

1 W型火焰鍋爐主要特點

四種主要W型火焰鍋爐結構,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點[9- 12].

    (1)此類鍋爐屬垂直燃燒,火焰行程較長,爐膛充滿度好,爐膛容積熱負荷較低,延長了煤粉在爐內的停留時間,有利於難燃煤粉的燃盡。   

    (2)拱上風量相對較小,避免了生物質燃燒機主噴口處溫度的明顯下降同時通過衛燃帶提高燃燒室溫度,從而提高火焰根部的溫度水平,著火和穩燃性好、燃燒效率高符合燃低揮發份煤的要求,增大煤種適應性。

    (3)二次風可沿火焰行程逐步加入,達到分級配風的目的,不僅補充燃燒所需的空氣,還可迫使氣流轉彎,阻止火焰衝刷冷灰鬥,減輕了結渣和腐蝕、抑製燃燒過程中NOx的生成。

    (4)可通過一次風、二次風、三次風和分級風共同組織空氣動力場,擴大煤種適應範圍、增強燃燒性能。

    (5)火焰方向與水冷壁夾角多在0。~30。之間,有利於避免風粉氣流衝刷水冷壁、防止結渣,同時可使火焰行程延長、利於燃盡。

    (6)前後拱和衛燃帶將燃燒室與燃盡室屏蔽起來,負荷變化對燃燒室溫度影響不大,有利於穩定燃燒和低負荷運行,鍋爐不投油穩燃負荷可達到40%N 55 %BMC R。

    (7)火焰在爐膛下部轉彎180。,使煙氣中的部分粗灰粒分離,減輕了對流受熱麵的飛灰磨損。

    (8)鍋爐結構與生物質燃燒機的布置對稱,煙氣通過喉口後充分混合,不存在殘餘旋轉,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。

    但是在實際運行中,W火焰鍋爐也出現了一些問題,總結起未主要有‘13- 16]:

    (1)有些結構的W火焰鍋爐配風不當致使火焰中心上移,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渣等問題。

    (3)由於爐膛內的溫度水平較高,導致氮氧化物的生成量較大,高於國內四角切圓燃燒鍋爐的一般水平,背離設計初衷。

    (4)各電廠NOx排放量普遍偏高,可達300llg~ffl3以上。

    (5)為了提高著火區溫度、增強著火,必須敷設的衛燃帶導致爐膛局部溫度過高,極易引起側牆結渣。

    (6)空氣動力場較為複雜,拱上動量太大容易造成火焰下射冷灰鬥引起結渣,拱上動量太小將造成火焰上舔喉口。

    (7)鍋爐結構比較複雜,爐拱的設計安裝困難,生物質燃燒機風粉管道布置困難,鋼耗量大、造價商需要豐富的運行經驗和較高的運行水平,運行管理費用較高。

2帶旋流生物質燃燒機W型火焰鍋爐的特點

    在全世界四個主要的W火焰鍋爐技術流派中,隻有B鍘公司采用旋流燃燒技術,如圖l(a)。該型鍋爐一次風攜帶煤粉從拱上送入爐膛,磨煤乏氣從前後牆作為三次風送入;二次風分內外兩股包裹在一次風外圍,內外二次風通道中均設有軸向可調葉片,使二次風旋轄進入爐膛,內外二次風量由燃燒器入口處調風盤調節;供給二次風的大風箱同時在風箱底部分出一股氣流從前後牆三次風下麵供給爐膛,稱為分級風,分級風量由分級風擋板開度調節;每股一次風帶一股內二次風、外二次風、三次風和分級風,它們共同構成一隻完整的生物質燃燒機,一次風與內外二次風從拱上噴入爐膛,也稱拱上生物質燃燒機,下文如無特殊說明,生物質燃燒機即指拱上生物質燃燒機。

    此類鍋爐主要具有以下特點:

    (1)內外二次風葉片傾角和分級風開度對火焰行程、火焰形狀、NOx排放、煤粉燃盡以及鍋爐穩燃等有重要影響。

    (2)旋流強度可調,因此可以達到較好的穩燃,能夠適應煤質變化。

    (3)燃燒室內實現空氣分級、三次風和分級風下傾,使火焰行程更長,利於煤粉燃盡。

    (4)可以通過調整一、二次風的混合、調節回流區和火焰行程來降低NOx排放。

    (5)與中儲式製粉係統和直吹式製粉係統都能匹配,煤種適應範圍更廣。

    (6)分級風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,對鍋爐穩燃和NOx排放產生較明顯的積極影響。

    國內製造帶旋流生物質燃燒機的W火焰鍋爐的廠家主要是北京B涮公司,投運的電廠有上安電廠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,總容量超過5 500 MW。其中除上安電廠采用PAX- XCL (Plimary Air Exchange- Axial Cont.rol LowNOx)旋流生物質燃燒機,如圖2(a),其餘均采用EI- XCL旋流生物質燃燒機,如圖2(b)、(c)。三種生物質燃燒機的主要區別在

於一次風煤粉的處理方式。PAX - XCL生物質燃燒機在彎頭處依靠煤粉的慣性作用將煤粉濃縮,然後抽出淡側一次風作為乏氣,同時用熱風加熱濃一次風煤粉噴入爐膛;濃縮型EI- XCL生物質燃燒機與PAX- XCL生物質燃燒機類似,隻是沒有用熱風加熱濃一次風煤粉;增強著火人口彎頭內二次風葉片人口

    濃縮型EI- XCL生物質燃燒機型EI- XCL生物質燃燒機在一次風粉經過彎頭後,設置導向器將濃側煤粉導至生物質燃燒機中心的錐形擴散器處,經錐形擴散器使煤粉均勻地濃縮於一次風管壁麵,中心煤粉濃度較低。

    由此可見,進入21世紀以來B鍘公司的EIXCL技術正在被廣泛運用於W火焰鍋爐上,在中國發電市場的占有率也在提高。據作者統計,目前國內運行的帶旋流生物質燃燒機W火焰鍋爐概況如表1。

3  國內外W型火焰鍋爐研究進展

    基於上述W型火焰和旋流生物質燃燒機W型火焰鍋爐的特點及應用現狀有必要對國內相關研究進行簡明扼要地綜述,以期發現問題並確定可能的研發方向。

    20世紀30年代開發出燃低揮發分煤的鍋爐,到1950~1960年代FW公司和Stein公司逐漸在U型鍋爐基礎上發展出雙U型火焰鍋爐,即W型火焰鍋爐[7-lo,17]。雖然W型火焰鍋爐起源於歐美,幾家大的設計單位和製造廠都進行了大量的開發工作,國外很少有研宛機構對其特性進行研究,而是對其燃燒產物和運行管理等方麵進行研究。

    在國內,1984年王龍發[17]等介紹了W型火焰鍋爐,後來蘇允唐、何佩敖等也對W型火焰鍋爐進行研究到80年代末國內對W型火焰鍋爐的性能有了基本的認識,當時研究範圍隻限於FW和Stein的技術。20世紀80年代末華能國際引進了法國Stein公司的W型火焰鍋爐(珞璜電廠),這是我國第一台W型火焰鍋爐,後來又引進了加拿大B硎(上安電廠)和英國MBEL(嶽陽電廠)的W型火焰鍋爐。90年代初西安熱工院調查了珞璜、上安和嶽陽電廠,介紹了各自生物質燃燒機的形式並研究了這三廠的NOx排放情況,認為效率比較高、穩燃性能比較好,但NOx排放量大‘21];後來又調研了其運行可靠性、低負荷穩燃能力、燃盡效果、結渣情況和NOx排放,總結了運行經驗、給出了該型鍋爐設計參數的參考數據[22l0 90年代西安交通大學按1:35建立了FW公司300MW鍋爐的冷態模型,研究了丫型流場[15];按1:20對Stein公司的360MW鍋爐(珞璜電廠)進行冷態模化研究,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),研究了主氣流速度衰減規律和下爐膛出口速度分布規律,認為三次風應該下傾一個小角度[23];並針對東方鍋爐廠引進的FW技術300 MW的W型火焰鍋爐,建立了1 MW熱態實驗台,得到燃燒室“凸”字形溫度對稱分布、分析了側牆結渣原因、認為溫度中心該在最下層二次風處24l0 2004年以來哈爾濱工業大學對山西陽泉第二電廠#2W型火焰鍋爐進行了冷態模化實驗,提出下層二次風下傾的方案得到該電廠的認可並加以改造,取得很好的效田[6,2s 26],7K    ,並進一步在山西陽泉第二電廠的W型火焰鍋爐進行增設OFA風的技術改造;近來又在河北邯峰發電廠開展W型火焰鍋爐微油點火研究工作。

    90年代中期清華大學對上安電廠#1W型火焰鍋爐進行了三維傳熱數值模擬,並在1:25冷態模型上進行二維流場圖譜比較,采用Monte Carlo輯射模型、三維網格、編製大型計算程序進行計算,還嚐試著將數論方法引進大型燃燒室的三維傳熱計算,認為上安電廠一次風下衝不足、衛燃帶過多[27.劫,但沒有指出衛燃帶占下爐膛多大比例最佳、衛燃帶應該鋪設的確切位置。90年代後期浙江大學通過冷態空氣動力場和熱態數值模擬,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物,認為旋流W型火焰爐受旋流強度的影響比動量比的影響強、火焰充滿度受旋流強度影響小、分級風噴口應該增大、高溫區出現在拱下以及靠牆處和軸線上NOx量大等[28- 31],但還缺乏工業運用實際數據的支持。武漢鍋爐廠郭曉寧對煤粉濃縮後著火溫度的變進行了理論分析和計算並分析了上安電廠的燃燒器著火特性[32]。湖南省電力試驗研究院黃偉和李文軍對耒陽電廠進行了工業實驗分析,包括著火性能、燃盡性能、結渣性能和NOx含量等[33],但工業試驗尚需機理實驗的支撐。目前哈爾濱工業大學已經開展了帶旋流生物質燃燒機W型火焰鍋爐及其生物質燃燒機的機理實驗、工業試驗和數值研究工作。

    另外,華中科技大學近年曾對某台W型火焰鍋爐的飛灰進行TGA- DTF分析得到相應的形成機理和成分[34]。華北電力大學、國投紮部灣電廠李振寧等人也作了一些研究[35, 36]。

    對於中心富燃料旋流生物質燃燒機L37]、旋流燃燒著火性能[38]和預混燃燒[39],國內外的研究提供了一些可用信息,我國對EI- XCL生物質燃燒機的研究僅限於電廠冷態調試以及此類生物質燃燒機在W型火焰鍋爐上運用的介紹等少數報道‘40- 42],而來自國外的相關可用信息也不多,僅有B鍘公司工程或其他形式的雙調風生物質燃燒機的介紹[43-45]

4結論

    綜合前文所述可見,對帶旋流生物質燃燒機的W型火焰鍋爐衛燃帶、爐膛溫度分布、燃燒產物分布、動量比與旋流強度的關係等問題已經開展了研究工作,但還不夠深入和全麵。

    到目前為止,國內外對帶旋流生物質燃燒機的W型火焰鍋爐的研究多停留在計算分析和實驗室試驗,或者僅是運行調試從數值模擬、機理實驗、工業試驗到形成自主技術真正投入工業運用的研究還沒有完成。

    單獨對W型火焰鍋爐上的旋流生物質燃燒機的研究非常少,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開度下的燃燒狀況等,這些都有待進一步深入研究。

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