标题：低负荷稳燃技术
低负荷稳燃原理
切向燃烧锅炉由于其煤种适应性广、稳燃性能好等特点,在我国电站锅炉中得到了广泛应用。这种燃烧方式基本上采用了直流煤粉燃烧器,所以本文将以直流煤粉燃烧为例讨论切向燃烧锅炉的低负荷稳燃问题。对于普通的直流燃烧器,一次风粉射流从一次风喷口射入炉膛后,只能靠从射流外侧卷吸炉内的高温烟气来提供着火供热,一次风粉混合物的火焰传播速度一般为1.5~6.0 m/s,而一次风粉输送速度却是20~30 m/s,因此在燃烧器喷嘴出口处稳定的着火只可能发生在一次风粉射流的边缘处,所以从理论上说,自由射流的外边界处速度梯度趋于零,几乎没有湍流扰动,传热传质的作用很差。此外射流离开喷口后向外扩张,煤粉颗粒因惯性作用集中在射流内侧,射流获得的热量必须首先加热外侧的空气,然后才能对煤粉加热,所以,普通单股直流燃烧器所形成射流的着火条件很差,它必须依靠上游邻角的火焰稳燃。当锅炉负荷降低时,炉温下降,为了维持必要的煤粉混合物输送速度,一次风中的煤粉浓度将大为降低;对于切向燃烧锅炉来说,二次风速度也要降低,炉膛中火球的转动强度也逐渐减弱,以至于不投油最低负荷运行时,火球不能自行稳定燃烧,因此每个煤粉喷嘴必须具有自稳燃能力,而不是单单依靠邻角燃烧器燃油火焰的助燃。以Qz表示煤粉气流达到着火温度所必须的着火热;以Qg表示外界提供给煤粉射流的着火供热,要使一次风煤粉气流着火,应保证稳燃指数e=Qg/Qz≥1,e值越大,则着火越稳定。由上式可见,煤粉气流若要稳燃,应从两个方面着手:一方面尽可能降低着火热;另一方面应加强着火供热。[1]
1.1 降低着火热着火热包括用于加热煤粉和一次风所需的热量,以及使煤粉中水分蒸发与过热所需的热量。下面讨论单喷口一次风煤粉气流着火热的影响因素。
1.1.1 着火温度tz的影响 着火温度越低,所需的着火热越小,影响着火温度tz的因素主要包括以下3点。
a. 燃料性质 燃料中的可燃基挥发分越高,着火温度越低。当燃料中灰分和水分增大时,发热量降低,在炉内还要消耗部分热量用来水分蒸发、过热及灰分的加热,致使燃料消耗量增大,着火温度升高,会使着火热显著增大。
b. 煤粉细度 煤粉细度对着火温度的影响比较复杂,对于煤粉云团,其小颗粒团的热容量小,能迅速加热到着火温度,所以tz会降低。
c. 煤粉质量浓度 理论和实践均证明,着火温度是随着煤粉质量浓度提高而降低,当然煤粉质量浓度也不是越高越好,因为过高的煤粉质量浓度还涉及到煤粉输送、燃烬等方面的问题。
1.1.2 一次风量和风速增加一次风量会使着火热增加,着火过程推迟。就组织燃烧而言,一次风量只需保证煤粉的挥发分燃烧即可,但是一次风量还应满足输送煤粉的需要。对于直吹式制粉系统,还要考虑制粉系统干燥出力及磨煤机中通风量的要求。
1.1.3 风粉气流初温的影响
提高一次风粉气流的初温t1可降低着火热,使着火点位置提前。
1.1.4 燃煤量的影响
通过改进燃烧器喷口结构,将燃煤量分成几股(一般为2股)来降低每股的着火热,保证其中的1股优先着火,然后再通过这一股燃烧所释放的热量来点燃另一股,浓淡煤粉燃烧器就是通过将煤粉气流分成浓淡2股,由于浓煤粉气流着火温度低,燃煤量只是总量的一部分,使其首先着火,然后再用它点燃淡煤粉气流。
1.2 强化着火供热
a. 建立稳定的高温热源
为确保低负荷状态下锅炉稳定燃烧,电厂一般都装设一层或几层油枪,在锅炉燃烧不稳定时利用油燃烧释放的大量热量来建立稳定的着火热源。
b. 提高回流热烟气的“质”和“量”
点燃煤粉的着火热主要来源于热烟气的回流。为改善煤粉气流的着火条件,稳定着火,除增大烟气回流量外,通过提高回流烟气的温度水平,组织好链环内煤粉的早期燃烧,即提高着火供热的“质”。目前一般通过敷设卫燃带、一次风口集中布置、建立预燃室等办法提高回流烟气的温度水平。另外,注意到在切向燃烧锅炉中,一次风粉射流温度向火面比背火面一般高50~150℃,因此为提高燃烧器的稳燃能力,应充分利用向火面高质量的烟气回流。目前一般利用钝体、高速射流引射等办法加大回流量,形成高温、低速、热质交换强烈的回流区,增加煤粉气流与高温烟气的接触面积并延长颗粒在这一区域的停留时间,来提高回流烟气的“量”。
2 低负荷稳燃技术
2.1 制粉系统方面的稳燃措施
a. 加强燃煤的统筹调度和管理,尽量避免煤质的大幅度变化;
b. 根据煤质特性、磨煤机型式、燃烧方式、炉膛结构和热负荷等因素,选择经济的煤粉细度;
c. 提高一次风粉混合物温度。
2.2 炉膛设计方面的稳燃措施
a. 当燃用极难燃烧的劣质烟煤、贫煤或无烟煤时,可考虑采用W炉或U型火焰炉。
b. 切向燃烧锅炉中,对于较难着火的贫煤和劣质烟煤,希望推迟一、二次风的混合,以保证在混合前一次风中的煤粉有较好的着火条件。为此,几个一次风口相对集中在一起并靠近燃烧器区域下部,一、二次风喷口上下边缘的间距较大,约160~350 mm,此时二次风为分级送入的配风方式。
c. 当燃用较难燃烧的煤种时,常在燃烧器区的水冷壁上敷设耐火材料做成卫燃带,以提高煤粉着火区的温度。
d. 采用合适的容积热负荷和断面热负荷。
2.3 采用新型结构的煤粉燃烧器
为降低着火热和提高着火供热,在燃烧器前、燃烧器内部及燃烧器出口分别采用了不同的结构。
a. 燃烧器前
从煤粉离开煤粉仓(中储式系统)或磨煤机(直吹式系统)到燃烧器前这一段距离,由于不可能得到炉内高温烟气的回流加热,稳燃结构只能以降低一次风粉气流的着火热为目标。具体措施:一种是通过提高一次风粉的煤粉质量浓度,降低着火温度来降低着火热;另一种是通过提高一次风粉的初温来达到降低着火热的目的。这一范围的煤粉浓缩按其浓缩位置分为原始浓缩和燃烧器前浓缩。原始浓缩是指煤粉离开煤粉仓或磨煤机时采取措施提高煤粉浓度。燃烧器前浓缩即在正常质量浓度的煤粉气流进入燃烧器前利用气固分离装置把煤粉气流分成浓淡2股,分别送入燃烧器的浓淡喷口,如高调节比WR燃烧器。燃烧器前另一种降低着火热的方法就是提高一次风粉的初温。如B&W公司在旋流燃烧器基础上开发的PAX型燃烧器。
b. 燃烧器内
由于燃烧器内可以采取措施卷吸炉内高温烟气或预热一次风粉,因此稳燃结构一般在降低着火需热的同时,也要提高着火供热的供应,一般将这种燃烧器称为预燃室。从原理上讲,煤粉预燃室是在燃烧器内形成高温回流烟气加热一次风粉来流,其稳燃作用是显而易见的,但是在预燃室内煤粉就开始燃烧,其燃烧的高温熔融粒子总会有冲刷壁面的机会,因此对于易结渣煤种,根据国内运行经验,预燃室非常容易产生结渣,所结的渣块有时将预燃室堵死,甚至把预燃室烧坏,局部烧熔,这种现象在各种预燃室中屡有发生。为解决预燃室容易结焦的问题,有些学者抛弃了“煤粉预燃”的概念,强调了“煤粉预热”的作用,利用回流使煤粉在较短的距离内预热,从而保持火焰的稳定性,以便解决火焰稳定和筒内结渣的矛盾,并开发了稳燃腔。稳燃腔在设计思想上强调预热而不是预燃,这就要求在结构设计上要合理,同时在空气动力参数的选择上也要给予充分的注意,以保证腔内温度不大于煤粉着火温度,因此该稳燃腔在应用中从燃烧器到炉膛设计,其结构和参数都要精心优化,以便既保证煤粉火焰稳定,又保证运行中不结焦。大速差射流燃烧器本质上也是一种预燃室。
c. 燃烧器出口处
燃烧器出口处的煤粉气流,由于直接接触炉内高温回流烟气,因此这里的燃烧器喷口稳燃结构应一方面提高与高温烟气接触区域的煤粉质量浓度,降低着火温度;另一方面提高气流与高温烟气的接触面积和热质交换强度,以强化着火供热。钝体、火焰稳定船燃烧器就是这一类燃烧器。一次风粉气流绕过钝体后,形成高温烟气回流区,同时由于颗粒的惯性作用,钝体尾迹有2条煤粉质量浓度很高的“黑龙”,使回流区边界速度梯度、质量浓度梯度和温度梯度很大,一次风粉气流和高温烟气回流区的动量、质量和热量交换很强,强化了煤粉的着火和燃烧,由于受高温烟气的“内外夹攻”,内外着火,扩大了火焰燃烧的区域。火焰稳定船燃烧器的研制者提出了“三高区”理论,即设法在一次风喷口附近,建立一个具有高煤粉质量浓度、高温和氧含量较高的“三高区”。高温、高煤粉质量浓度和氧含量不算太低在射流束腰部的外缘处同时出现,为燃料着火创造了有利条件。另外,在燃烧器安装位置和角度方面较成功的是一次风反切技术。一次风反切就是一次风沿反切圆方向送入炉膛,二次风射流方向与切圆转向一致的切圆燃烧方式。一次风反切同时具有稳燃、防结渣和降低NOx的作用。在四角切圆燃烧中,将燃烧器出口一次风与二次风偏α转角布置。一次风逆顶上游吹来气流,使一次风射流在开始段形成减速过程,煤粉颗粒不断减速直至停滞不动。在该段煤粉颗粒停留时间相对较长,不断升温、着火、燃烧,使该段煤粉着火后自身燃烧的放热量增加,增大了该段的高温环境,从而使煤粉颗粒升温速度加快和更容易着火。当煤粉着火稳定后,在主气流的冲击和推动下,转向进入主旋气流与二次风混合及时造成补氧条件,同时由于惯性作用造成煤粉与空气分离,改善煤粉气流的着火条件,使其进行充分着火与燃烬,从而达到稳燃的目的。由于一次风粉气流远离下方水冷壁,减少了燃烧的煤粉火炬刷墙的可能性,同时,反切后一次风将在炉膛中心形成浓煤粉区域,二次风的切圆较大,形成“风包粉”,并在炉壁附近形成氧化性气氛,从而减轻了炉内结渣与积灰的可能性。一次风反切虽然具有以上一些优点,但它对反切一次风的风速、风率要求较高,需经过燃烧优化试验确定。
综上所述,锅炉稳燃措施主要从降低着火热和提高着火供热两方面入手,对于不同的炉型、不同的煤种,应具体分析,综合考虑稳燃、结渣、降低污染等因素,再采取合适的技术手段,才能取得较好的效果。