开缝钝体燃烧技术及其应用

・试验研究・

开缝钝体燃烧技术及其应用

The Introduction and Utilization of G ap-Blunt-Body C ombustion T echnology

(250002)山东电力研究院　赵晴川

(430074)华中理工大学　钱壬章　陈维汉

摘　要　开缝钝体燃烧技术可应用于四角燃烧及旋流燃烧锅炉。不仅可保证低负荷稳燃,而且通过调节火焰位置,能够防止高负荷下结焦及高温腐蚀等问题。

关键词　回流区　低负荷稳燃　结焦　高温腐蚀

1　概述

回流区分级着火技术是一项十分有效的强化

燃烧方法。以其为基础的开缝钝体燃烧技术则是

该技术的完善和提高。开缝钝体是在钝体稳燃技

术基础上形成的重大突破。这种燃烧技术适用不

同的各类锅炉、窑炉、加热炉,以及在化工和石化系

统大量应用的圆筒形和方形管式加热炉,它对直流

燃烧和旋流燃烧一样适用。它与油点火系统的结

合可实现高效的煤粉直接点火技术。有关这些技

术都已投入了工业应用。

开缝钝体燃烧器在钝体中加入了中间缝隙流。通过调节缝隙流的强度,可以调节回流区的大小甚琢决定回流区是否能够存在。因此通过调整缝隙流的强度能够调整火焰的位置,从而实现低负荷时稳燃,高负荷时防止火嘴烧毁、水冷壁结焦及高温腐蚀等问题。开缝钝体的工业应用表明,其对于各类煤种均可实现45%～50%负荷下的脱油稳燃,飞灰含碳量在2%

～4%范围内波动。煤粉直接点火用油可节约80%以上。对于以往有结焦情况发生的锅炉,采用这种技术后很好地解决了低负荷稳燃和高负荷防结焦二者之间的矛盾。

2　开缝钝体燃烧技术的基本原理

开缝钝体燃烧技术的着火燃烧机制,是将少量煤粉气流引入回流区,使其首先着火再点燃主流的分级着火过程。其简要结构流态如图1所示,由于进入回流区的煤粉气流数量相对较少,能直接充分利用高温烟气的回流热,且因中缝微弱的气流受到钝体两侧中的一侧主流的吸引而靠拢,使得这些少量的煤粉更加局部富集。特别是回流区速度低,且有反向流,使得煤粉的停留时间大大增长,从而形成了着火最有利的区域。一旦着火,火焰在回流区内又十分稳定,犹如存在一个值班火焰,再去点燃主流实现分级着火过程。若喷入回流区的是冷却空气,则将破坏回流区,使火焰后移,从而可防止燃烧器的烧毁、结渣及高温腐蚀,并能对过热汽温和再热汽温进行调节。若将点火油枪插入钝体的缝隙内,先点燃喷入回流区的少量煤粉再点燃主流煤粉,形成对煤粉气流的分级点燃,可更大程度上节约煤粉直接点燃用油。

图1　自由空间开缝钝体流场示意图

总之,开缝钝体的分级着火燃烧机制可概括为:粉气分离,局部富集,回流加热,分级着火。分级着火是在回流区内实现的。形成回流区有多种方式。对直流燃烧器,以钝体形成回流区,并在钝体上开缝将部分燃料与空气送入回流区;对于蜗壳式旋流燃烧器,本身已伴有一个中心回流区,更易使少量燃料气进入回流区着火。因此分级着火机制对旋流燃烧器也是一样有效的。

3　开缝钝体缝隙流特性

由钝体上的开缝进入回流区的缝隙流的强度可以影响回流区的形态,并在达到一定强度时破坏

1

回流区的形成,实际上起到调节火焰位置的作用。试验结果表明,随着缝隙流的增大,存在四种流态(图2～图5)。当缝隙流很小时,进入回流区后将分为两股向两侧主流靠拢;当缝隙流有一定的强度时,又转为单股射流在中心轴线上的震荡;而后向两侧主流的一侧靠拢;当射流有足够强度时,将穿透回流区。在穿透回流区之前,缝隙流的引入使回流区长度有相当增长。这是因为缝隙流进入回流区,使回流区的负压减小,延缓了两侧主流的汇合,从而增长了回流区。

若以不同轴向距离上的回流量来比较钝体与开缝钝体的差异,从总体上看,开缝钝体的回流率比钝体大一些。这些结果表明在一定的缝隙范围内,缝隙流对回流区的性能影响是很小的,钝体的回流稳燃特性没有受到影响;但当缝隙较大,中心流有足够的强度时,就可将回流区吹穿,钝体回流的稳焰性能消失。而这一点恰好能利用来调节火焰的位置。如前所述,在高负荷时对于防止燃烧器烧毁,

蚀是一个十分有效的方法。

4　开缝钝体煤粉燃烧器燃烧性能试验 开缝钝体煤粉火嘴的燃烧性能是通过与钝体火嘴燃烧性能进行对比,即检验两种火嘴的出口温度场,特别是测量回流区内外的烟气成分,来说明少量煤粉在开缝钝体回流区内首先着火的实验依据。实验证明了进入回流区的少量煤粉气流将首先着火再点燃主流的分级着火机制的存在,而且它的稳焰能力比普通钝体的稳焰能力得到更大的增强。

实验中设计的开缝钝体外形与钝体完全相同。当开缝钝体中心缝隙为零时,则两种钝体的几何尺寸合二为一。实验得出的出口温度分布如图6所示。在离火嘴出口轴向距离x=55mm处的径向温度分布表明,在中心处由于开缝钝体缝隙冷空气的引入,温度为700℃左右,低于钝体火嘴出口相同点的温度1000℃。温度分布曲线的最低点,即为主流所具有的温度。钝体的主流温度为500℃,而开缝钝体的主流温度已超过700℃。在同一截面的其它径向位置上均高于钝体火嘴的温度分布。当轴向距离增大为x=185mm时,开缝钝体火嘴的烟气温度分布全面超过钝体的火嘴温度分布,开缝钝体中心轴线温度由700℃迅速升高到1150℃,表明回流区内已形成火焰。

图2　中缝流分岔图3　中缝流振荡

图4　中缝流偏斜图5　中缝流直射2

　图6　开缝钝体和钝体火嘴径向温度分布图7　开缝钝体和钝体火嘴径向可燃气体成分(C O+H

2

)分布

另外一个证明开缝钝体回流区内首先着火最有力的依据是烟气成分分布。如图7所示,在对应的轴向距离x=55mm的中心线上,对于钝体火嘴可燃气成分H2+C O(即析出的挥发分)的总含量不超过1%。而开缝钝体火嘴可燃气高达10%。随着径向距离增大,进入主流区,可燃气成分逐步减弱,但始终大于钝体火嘴煤粉气流析出的可燃气;随着轴向距离增大,即由x=55mm增大为x=135 mm时,开缝钝体回流区内的可燃气成分由10%降为4%。这表明着火已经发生。相应于烟气温度由700℃增至1150℃。

5　与回流区分级着火相结合的煤粉直接点火技术

发挥回流区对燃烧的控制功能,还对调峰和启动节油有着十分重要的作用。当投油稳燃或冷炉启动时,若将油雾直接喷入回流区内,对稳定火焰或点燃煤粉比喷入其它区域有更好更强的效果。因为在回流区内点燃主流所需要的能量是最小的。如果喷入回流区内不仅有油雾,也同时伴有少量一次风粉:即形成由油雾在回流区内首先着火,并立即点燃与油雾火焰同向相混而行的少量一次风粉,再由两种热量(即油雾和20%的一次风粉的燃烧释热)的总和去点燃已减少的一次风粉主流(80%),实现对一次风粉的逐级点燃过程,用油量将再一次大幅度减少。这是分级着火过程的技术特征,是低负荷稳燃技术与冷炉启动煤粉直接点火技术的结合。

本项技术已在黄石电厂5万千瓦机组涡壳式旋流燃烧锅炉上实施。实际效果是用250kg/h的小油枪代替了原有的700kg/h的大油枪。不仅大大缩短了投油时间,而且油枪的喷油量也减少三分之二。采用这一技术后可以同时获得三大好处:1)不投油稳燃负荷为45%～50%;2)免去了轻油系统,可用火把或电火花直接点燃重油;3)可节约启动用油量70%～80%以上。

6　开缝钝体煤粉燃烧器的工业应用

近年来共进行了九台炉子的改造。其中五台为四角切圆燃烧,四台为旋流燃烧。锅炉容量从75t/h到1100t/h,都取得了一次试验成功。

6.1　应用于四角切圆锅炉,能够同时满足低负荷稳燃和高负荷下防止炉膛结焦及高温腐蚀的要求1994年5月在江西乐平电厂2号炉(70t/h)上

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