浓淡煤粉燃烧技术

1、项目简介

“风包粉”系列浓淡煤粉燃烧技术是针对我国电力工业对煤粉燃烧的需要，发明的一套适用于不同炉型、不同煤种的同时具有高效、稳燃、低污染、防结渣、防高温腐蚀性能的系列煤粉燃烧技术。

通过对炉内燃烧器区域气相及气固两相流场的深入研究，发现相当一部分锅炉炉膛内存在煤粉向炉膛四周分离，从而产生一系列不良后果。提出了解决这一问题的技术措施，使煤粉相对集中在火焰中部，而炉壁四角则空气相对过剩，从而实现了炉内“风包粉”的燃烧方式，以防止炉壁结渣和高温腐蚀、也有助于提高燃烧效率。浓淡燃烧的基本思路是将一次风分成浓淡两股气流，利用浓煤粉气流着火稳定性好的特点来提高燃烧器的着火稳燃能力，浓淡两股气流偏离各自燃烧的化学当量比，可以抑制NOx的生成排放。还研制了配套的高浓缩比、低阻力的煤粉浓缩器，增强了浓缩燃烧的作用。综合“风包粉”和“浓淡”燃烧的特点，根据不同炉型、不同煤种的要求，开发研制成功水平浓缩煤粉燃烧器、水平浓淡风煤粉燃烧器、径向浓淡旋流煤粉燃烧器、不等切圆墙式布置直流煤粉燃烧器等“风包粉”系列浓淡煤粉燃烧技术。

此系列煤粉燃烧技术覆盖了电站锅炉的主要燃烧方式和煤种，可以达到：大幅度提高低负荷稳燃性能，特别是对于燃用难燃的贫煤、无烟煤的机组尤为突出；燃用高硫煤机组中存在的高温腐蚀可望得到控制；锅炉的结渣问题得到解决或明显减轻；锅炉的NOx排放大幅度下降，特别是燃用控制NOx排放难度最大的贫煤、无烟煤的机组降幅更为明显；燃烧效率均有所提高。

此系列的各种燃烧器不仅可用于新锅炉的设计，而且对现有的锅炉的技术改造也非常方便。截止到2000年2月，“风包粉”系列浓淡煤粉燃烧技术已在全国34座发电厂的62台锅炉上应用，机组容量共计9455.8MW。并被国内的哈尔滨锅炉厂、上海锅炉厂、东方锅炉厂、武汉锅炉厂、北京B&W公司等锅炉制造厂在新产品设计或技术改造中所应用。

2、立项背景

能源是国民经济的基础。我国一次能源以煤为主，电力工业中煤电约占总电量的四分之三，电力工业每年耗煤2.9亿吨，相当于我国原煤产量的27%。电力工业在向国民经济提供强大动力的同时，也造成了大量的环境污染。因此，解决火电厂的环保问题已迫在眉睫，要求开发低NOx排放的燃烧技术。

随着国民经济的发展，电力工业对调峰的要求越来越高，锅炉要在较低的负荷下运行，另一方面，我国电厂用煤煤质多变，尤其是难燃的劣质煤数量较多，这就使稳燃问题更加突出。通常为了运行的安全性，防止爆燃事件发生，在较低的负荷下，要投油助燃，因而增加了发电成本。为此，需要开发能在低负荷下，无需投油，能稳定燃烧的燃烧技术。

有些煤由于灰分较多，灰熔点偏低，因此，运行中常发生结渣现象，轻者影响锅炉出力，使电厂的经济性受到影响，重者会影响锅炉的安全运行，造成设备或人身伤亡事故。另外，燃用高硫煤造成的水冷壁高温腐蚀也严重影响了锅炉的安全与经济运行。此外，还必须保证燃烧效率。

由此可见，我国电力工业所面临的燃烧方面的主要问题有五个，即高效燃烧、低负荷稳燃、减轻环境污染、防止结渣与高温腐蚀。实际上，这些问题的解决方法往往是互相矛盾的。提高燃烧效率和燃烧稳定性的重要措施之一是提高燃烧区域温度，但这又容易引起结渣和高温腐蚀，影响锅炉运行的可靠性和经济性，且使NOx排放量增加。为降低NOx排放量，一个有效的措施是提高燃烧器区域煤粉浓度，推迟混合，但这又不利于防止结渣和高温腐蚀，而且可能影响燃烧效率，因此，在解决某一问题时，必须不导致另一问题的恶化，研究对高效燃烧、低负荷稳燃、低污染、防止结渣与高温腐蚀这五个方面问题都有益的燃烧方式具有十分重要的意义。为此，发明了“风包粉”系列浓淡煤粉燃烧技术。

3、详细科学技术内容

风包粉”系列浓淡煤粉燃烧技术包括：水平浓缩煤粉燃烧技术、水平浓淡风煤粉燃烧技术、径向浓淡旋流煤粉燃烧技术和不等切圆墙式布置直流燃烧技术以及与之配套的百叶窗煤粉浓缩器。

燃煤火力发电厂多采用煤粉燃烧方式，特别是大型机组全部燃烧煤粉。国际上煤粉燃烧技术主要分两大流派，一是采用四角切向直流式燃烧器，二是采用墙式布置旋流式燃烧器。我国电厂以前者为主，而在燃烧褐煤时，一般采用六角或八角墙式布置直流燃烧器。新研制的系列燃烧器覆盖上述多种燃烧方式，并且适用于火力发电厂采用的多种煤种。

3.1、水平浓缩煤粉燃烧技术

它适用于四角切向燃烧。为了提高低负荷稳燃性能和降低NOx排放，国际上普遍采用垂直浓淡燃烧技术。即：将煤粉气流分成浓淡两股，分别送入炉膛。浓淡气流各自远离燃料燃烧的化学当量比燃烧，从而可以抑制NOx生成，高浓度煤粉气流易于

着火和稳定燃烧，从而提高了整个火焰的稳定性。图1 是我国大型机组引进的美国C.E公司的WR型燃烧器，它利用煤粉气流在弯头处的惯性将气流分成上下两股。显然，上股为高浓度煤粉气流、下股为低浓度煤粉气流。该燃烧技术也称为“上下浓淡燃烧”，该燃烧方式取得了良好的效果。但是，我们的研究工作发现，由于在很多情况下，或是由于一次风风速较低，或是由于喷嘴形状所致，含煤粉的一次风气流的刚性小于二次风气流，受到上游气流的撞击，一次风气流偏转要大于二次风，使一次风首先贴向壁面，二次风则偏转较小，在炉内旋转，而浓一次风贴向壁面则可能造成结渣或高温腐蚀，并且不利于提高燃烧效率。为了避免上述问题的发生，研究开发了水平浓淡燃烧技术。如图2、图3所示，一次风经过专门的浓缩器在水平方向上被分成浓淡两股，以一定的夹角喷入炉膛内，同时使得浓气流在向火侧。由于四角切向燃烧时煤粉气流是靠上游火焰点燃的，向火侧一次风的煤粉浓度高有助于提高火焰稳定性，且它的着火面比WR燃烧器增加了一倍左右，使着火更为有利。采用专门的浓缩器使更多的煤粉集中在浓一次风气流中，有利于低负荷稳燃和低NOx排放。浓淡两股气流的夹角根据煤质确定，它控制两股气流的混合。这样，即使一次风气流贴向壁面，由于背火侧是淡煤粉气流，也可以防止结渣和高温腐蚀，实现“风包粉”。图4、图5为在冷态试验台上用PDPA激光两相测速系统测出的采用水平浓淡和上下浓淡两种燃烧器时炉膛角部的煤粉浓度。可见，采用水平浓淡时壁面粒子浓度要比上下浓淡低的多。现在国内已有24台锅炉采用了这种燃烧技术。燃用烟煤时可在35~50%ECR负荷下断油稳燃，NOx排放量低达424mg/Nm3(折算到

O2=6%)；在焦作电厂200MW机组燃用Vdaf≥8.0%无烟煤、贫煤时，50%ECR断油稳燃，燃烧效率提高了2.53个百分点，防结渣能力大幅度提高，在四层一次风口只改造两层的条件下，NOx排放量约800mg/Nm3(折算到O2=6%)。为实现水平浓淡燃烧，将一次风分成浓淡两股，专门开发了百叶窗煤粉浓缩器，它可以用较小的阻力将一次风气流分成浓度不同的两股气流。百叶窗煤粉浓缩器的工作原理参见图3。它结构简单，易磨损的叶片可以采用陶瓷材料，且易于更换。在改造现有锅炉时，可用它取代部分一次风管道，不改变燃烧器外形尺寸。根据需要，可以控制浓淡两侧的煤粉浓度，也可以控制两股气流的风量。对于低挥发份的燃料，可以将浓侧的煤粉浓度提高一倍。必要时，部分叶片可做成可调节的旋转叶片，以具有良好的调节性能。

3.2、水平浓淡风燃烧技术

在水平浓缩煤粉燃烧技术的基础上，为更加提高其防高温腐蚀、防结渣性能，研制开发了一种新型的带有侧二次风的水平浓缩煤粉燃烧技术，即水平浓淡风煤粉燃烧技术。其原理如图6所示，该燃烧系统在同一水平截面上将一次风气流分成浓淡两股，并在淡侧煤粉射流的外侧，增加一股侧二次风射流。这样，在同一水平截面上，浓一次风喷入炉膛中央，其假想切圆较小；淡一次风和侧二次风平行并与总的二次