煤粉燃烧器的分级浓缩_张海

! 级浓缩是第 # 级浓缩的基础 ! 有了好的第 ! 级效
果 " 第 # 级浓缩就较易实现稳 燃 的 浓 度 要 求 ( 相 反 " 第 ! 级的效果差或根本没有 & 如双通道大速差燃烧
$
张
海等 ! 煤粉燃烧器的分级浓缩
发电技术
衡浓淡股之间的风量 ( 一般需要在浓股通道中通过 增设阻力件 ) 由于颗粒质量浓度增大 ( 浓股的单位动 量增大 ( 颗粒团聚的趋势增强 ( 不利于颗粒的快速加 热和挥发分析出 ( 也减少了化学反应所需的比表面 积 ( 另外颗粒团可能达不到或超出预定的射程 ( 在未 图# 煤粉在回流区内的空间质量浓度 "$# 完全燃烧时坠落炉底 ( 增加大渣含碳量 ) 因此 ( 在浓 缩的同时必须增强气粉之间的混合和湍动 ( 这就对 燃烧器出口的结构提出了一定要求 ) 图 & 所示是国 内 ( 家 大 型 锅 炉 厂 引 进 的 -.. #/0 公 司 的 12 型 燃烧器及喷口结 构 示 意 +#’,( 该 燃 烧 器 喷 口 附 近 布 置 $ $ !! " "!#$!!# !#" "!#$!!% "% "! % 的波纹式稳燃器一方面是以进一步提高煤粉局部空 间质量浓度 . 另一方面是为增强气固的混合和湍动 ) 相似的结构在我国自行开发的浓淡燃烧器中也得以 应用 +,,)
# 种燃烧器出口的颗粒分布 " 一次风气流流经钝体
或船体后被分离成运动方向发生偏转的 # 股 " 先扩 展 " 后收缩 " 最后汇集成 ! 股 " 并 在 下 游 形 成 以 ! 个 低速区或回流区 ! 固体颗粒则受到钝体或船体的引 导而向燃烧器两侧集中 " 且随气流向前 ! 当 # 股气流 收缩汇集 & 气流弯曲 ’ 时 " 质 量 比 气 流 大 近 千 倍 的 煤 粉会由于惯性而脱离气流 " 射入气流弯曲而形成的 高温回流区 " 在那里滞止增浓 " 同时升温着火 ! 钝体 燃 烧 器 & 图 !$ ’’ 中 煤 粉 气 流 偏 转 显 得 十 分 平 缓 " 且 钝体后易出现回流区不稳定的卡门涡流 " 造成燃烧 器出口气流左右摇摆不稳定 " 使着火推迟和火焰不 稳定 " 稳燃能力下降 ! 由于船体的特殊形状 " 船形燃 烧器 & 图 !% ’’ 中有 相 当 部 分 的 气 流 由 船 体 的 上 下 # 个尖端导出 " 使紧贴船形燃烧器出口有一个小而稳 定的回流区 " 船体后的 # 股煤粉气流有较大的偏转 " 且气流流场稳定 " 这就使船形燃烧器有更好的稳燃 能力 !
发分释放温度高 " 高温煤粉与其释放的挥发分更偏
( 概述
除时间 % 温度和混合 * 个因素外 " 煤粉颗粒的质 量浓度在煤粉燃烧过程中也起着关键作用 " 尤其是 对煤粉气流着火和稳燃的影响十分显著 *!"’+$ 在燃煤 锅炉中 " 煤粉质量浓度的提高可通过原始浓缩 ! 燃烧 器出口浓缩和燃烧器前浓缩来实现 " 其中主要依靠 一次风的浓缩 *’+$ 研究表明 " 煤粉质量浓度的提高有 助于煤粉挥发分的快速析出 " 有利于着火 ! 稳燃和降 低燃烧中 %&! 的生成 **+$ 从煤粉质量浓度与着火温 度的关系可看出 " 煤粉质量浓度的提高降低了煤粉 气流的着火温度 " 缩短了着火时间 $ 用热平衡的观点 及 , 着火热 - 的概念可一定程度地解释煤粉质量浓度 对 着 火 的 影 响 *$+" 但 这 一 解 释 没 有 充 分 结 合 煤 粉 在 炉内的燃烧过程 $ 一些研究者将是否可形成高煤粉 质量浓度与高温和较高氧质量浓度的区域并称为 ,三高稳燃区 -"并以此来判断燃烧器的稳燃性能 *!"-+$ 三高区理论强调了高煤粉空间质量浓度及其他相关 因素对着火稳燃的重要性 " 但未能全面地阐述煤粉 质量浓度对着火和稳燃的作用机理 $ 煤粉在射入炉膛 后 " 将 经 过 加 热 升 温 ! 裂 解 ! 挥 发分释放 ! 着火和燃尽等过程 $ 一般认为 ) 对挥发分 含量较高的烟煤 " 因挥发分释放温度低 " 煤粉不必加 热到很高温度 " 就有大量挥发分释放出来 " 这样挥发 分先着火 & 但对于低挥发分的贫煤及无烟煤 " 由于挥 收稿日期 ! ’""$－".－’*& 修回日期 ) ’""$－!!－!. 基金项目 ! 国家重点基础研究发展规划资助项目 ’/!..."’’’"$ ( 作者简介 ! 张
"
煤粉燃烧器的分级浓缩
我国早期 开 发 的 煤 粉 燃 烧 器 除 预 燃 室 式 的 外 "
基本上都采用了在出口 附 近 的 浓 缩 来 实 现 稳 燃 " 其 中具有代表性的燃烧器有钝体燃烧器 # 船形钝体燃 烧器 # 双通道大速差燃烧器等 $!"%" 它们通过在喷口附 近放置不良导流体 # 相邻 # 股动量不同射流的相互 作 用 "或 旋 流 叶 片 产 生 的 旋 转 流 场 等 措 施 "在 炉 膛 内 形成一个局部高浓度的浓 度 场 " 提 供 稳 燃 的 必 要 条件 ! 现以钝体和船形燃烧器为例来讨论出口浓缩的 形成过程和相关燃烧器的稳燃机理 ! 图 ! 给出了这
# 煤粉燃烧器的第 $ 级浓缩
尽管目前多种的浓淡燃烧器以第 ! 级的浓缩方 式和特点命名 " 采用的浓缩方式也多种多样 " 如旋风 分离器 # 水平弯管 # 垂直弯管 # 百 叶 窗 和 异 型 挡 板 等 多种形式的分离器 " 但第 ! 级浓缩的根本目的只是 为实现浓淡分离 " 是为第 # 级提供浓缩的基础 ! 对于 各个浓淡燃烧器 " 第 ! 级浓缩的分离效率可能有所 差别 " 但这一差别不是影响燃烧器的稳燃性能的根 本原因 ! 可通过 # 方面解释 + 一是输送浓度与空间浓 度的区别 ( 二是颗粒浓度与稳燃的关系 ! 文献 $! % 指出 " 锅炉中的煤粉质量浓度有 # 个不 同 的 概 念 " 一 种 是 煤 粉 输 送 质 量 浓 度 " 它 是 指 ! 45 & 或 ! 67 ’ 气体 携 带 & 输 送 ’ 多 少 45 的 煤 粉 " 常 用 !6 &45-45 ’ 或 !8 &45-67’ 表 示 ( 另 一 种 是 煤 粉 的 空 间 质 量浓度" 它指某一固定空间内煤粉具有的质量浓 度 " 常用 " &45-67’ 表示 ! 显然描述煤粉在炉内的最 终燃烧特性需要使用的质量浓度是空间质量浓度 ! 在质量流率不变的情况下 " 煤粉的空间质量浓 度 " 与输送质量浓度 !8 的关系为 +
%&! 排放都取得了相当的成效 $ 同时 " 也遇到了一些
问题 " 如燃烧不完全 ’ 包括飞灰和大渣含碳量大幅增 加(!水冷壁在还原气氛下的高温腐蚀!炉膛结焦等 *.+$ 因此 " 如何在燃烧器的设计中 " 既保证良好的煤粉浓 缩效果 " 又克服浓缩对燃烧的负面影响是一个重要
海 ’!.01－(" 男 " 福建宁化人 " 博士 " 从事洁净煤燃烧技术研究开发 # 2－34567845984:;<=>5:;8?4+@A?+B:
图%
在燃烧器出口的浓缩方法
,!8 "9 &!5-!:’
&! ’
&’() % *+, -. /01231 34’.
从图 ! 可看到 " 钝体和船形燃烧器中颗粒的浓 缩分 # 级完成 " 第 ! 级浓缩发生在燃烧器前 " 是一次 风煤粉气流在流经燃烧器时 " 气流速度发生偏转 " 煤 粉沿燃烧器的外壁面浓缩 ( 第 # 级浓缩发生在燃烧 器后 " 是第 ! 级浓缩后的煤粉依靠惯性射入燃烧器 下游的回流区后滞止增浓 ! # 级的浓缩密切相关 " 第
%&’( #
)*+,&-./*,0 01+&-2301, &1 +0-&+-./*,&41 5410 "6+43706( $#
似表达为 ! 式中 !!# &!! 分别为燃烧器内一次风口和出口回流 区内的煤粉速度 ’ 可以看出 ( 当煤粉由于速度滞止而 减速就会发生增浓现象 ( 并可能成倍地增大空间质 量浓度 ) 因此 ( 燃烧区的煤粉质量浓度更大程度上取 决于一次风的出口浓缩 ( 即所谓的第 ! 级浓缩 ( 或取 决于下游的低速 * 或回流 # 区的形成 ) 从着火和稳燃的角度看 ( 煤粉颗粒浓度亦存在 一个最佳值 ( 过浓的煤粉气流 ( 反而使煤粉燃烧区的 温度下降 +&,) 实际上 ( 实现良好的稳燃不仅不需要一 次风过高的浓缩 ( 而且不需要一次风整体的浓缩 ) 经 计 算 ( 只 要 有 大 约 #’! 的 煤 粉 先 着 起 来 ( 就 可 维 持 整个煤粉气体的稳燃 ( 这一点在富集型燃烧器上的 实 践 经 验 得 到 了 证 实 " 见 图 ( %( 该 燃 烧 器 采 用 了 用 小火点大火的设计思想 ( 实现了很好的低负荷稳燃 的效果 +),) 另外 ( 过分地追求第 # 级浓缩的效果可能 带来燃烧器阻力增大 - 磨损增强 & 稳定和可靠性降 低 ( 燃烧器喷口烧损 ( 煤粉后续的混合变弱和燃烧效 率降低等问题 )
式 中 +!5 #!: 分 别 为 气 体 和 煤 粉 颗 粒 的 平 均 流 速 &4; 通常 !5 !!:" 因而 " ! !8" 即