1520 ～550 2～4
155
140
128
21. 00
21. 72
20. 50
32. 0
32. 0
31. 5
注 : ①45 %负荷时投运 7 、8 、11 、12 号 (复合旋流燃烧器) 和 9 、10 号 6 个下排燃烧器 ,不投油稳燃 ,试验时间 4. 5 小时 (夜间)
②原 ≤70 %负荷时需投油枪 。
图 2 复合旋流燃烧器简图
在设计复合旋流燃烧器时 ,应根据锅炉燃烧的 煤种范围 、燃烧器结构特点 、一次风和二次风的风率 等参数来决定所需的综合旋流强度的大小范围 ,进 而算出一次风的旋流强度的范围 。由于该方案只在 燃烧器出口增加了旋流器 ,所以改造方案设计只应 设计旋流器的各个参数 。但由于旋流器的叶片是螺 旋扭曲型的 ,该叶型设计时的叶片倾斜角在不断的 变化 ,所以设计较复杂 ,一般叶片开头采用等角速度 扭转曲线 ,外旋流角应大于内旋流角 5o～8o ,让气粉
对于旋流燃烧器来讲 ,中心回流区的烟气回流 量 、回流区尺寸 、射流扩张角和气粉流动湍流强度等
参数都与综合旋流强度的大小存在着密切关系 。随
着一次风的旋流强度的提高 ,虽然回流区的长度将 有所下降 ,但回流区的宽度将增加更快 ,最后高温烟 气回流率还是增加了 ,增加煤粉供热量 ;回流区流动 动能转变为湍动能 ,扰动增强 ,强化热质交换 ;同时 将提高煤粉的浓稀比 ,降低着火热 。这些都有利于
稳定燃烧的关键在于强化煤粉初始阶段燃烧 。 强化煤粉初始阶段燃烧应让煤粉迅速达到着火温 度 ,缩短着火时间 (距离) 。设单位质量煤粉在单位 时间吸收的热量 <1 ( T) 与单位质量煤粉达到着火温 度所需热量 <2 ( T) 之比值的对数为 ε= lg [ <1 ( T) / <2 ( T) ] 。当ε< 0 时 , 煤粉不可能着火或熄火 ; 当ε > 0 且越大 ,气流煤粉的着火速度越快 , 燃烧将更加 稳定 。从ε的表达式可以看出缩短着火时间有两种 途径 :一方面是降低煤粉着火热 。当外界供热量一 定时 ,我们可以适当提高煤粉浓度 ,并使其处于最佳 值 ,缩短着火距离 。另一方面是增加外界对煤粉的 供热量 。外界加热煤粉主要通过辐射传热和对流传 热 。由于这两种方式的加热机理不一样 ,辐射传热 是先加热煤粉再通过煤粉加热气相 ;而对流传热直 接加热气相 ,再由气相加热煤粉 ,所以它们对煤粉加 热作用的快慢也有很大的差别 ,如图 1 是对煤粉颗 粒直径为60μm、着火温度为 800 ℃、气粉混合物初温
6 结 论
6. 1 复合旋流燃烧器能有效地加强炉内烟气与煤 粉的混合和扰动 ,强化火焰的稳定性和提高煤粉燃 尽率 。 6. 2 增加一次风旋流 ,由于其温度较低 ,并带有比 重较大的煤粉 ,在喷口附近 ,能抑制旋流衰减 ,增大 和稳定回流区 ,增强冷 、热态回流特性的一致性 。 6. 3 在谏壁电厂 3 台 410t/ h 锅炉上的实践应用中 , 该燃烧器成功地保证了燃烧的稳定性 ,缩短了着火 距离 、提高了炉内温度和降低了飞灰含碳量 。 参考文献 : [1]韩才元 ,等. 煤粉燃烧 [M]. 北京 :科学出版社 ,
文章编号 :1001 - 5523 (2003) 04 - 0018 - 03
旋流燃烧器强化燃烧的途径及应用
陈有福 ,张永福 ,韦红旗
(东南大学动力工程系 ,江苏南京 210096)
摘 要 :通过对燃煤锅炉强化燃烧机理的分析 ,提出了一种改造普通旋流燃烧器的新型方 案 ,该方案能使锅炉的调峰性能得到很好的改善 。谏壁电厂 3 台 410t/ h 锅炉采用本方案进行 了燃烧器改造 ,提高了锅炉低负荷运行的稳燃能力 、可靠性和经济性 。 关键词 :旋流燃烧器 ;低负荷 ;强化燃烧
果。
表 1 谏壁电厂 3 台 410t/ h 炉主要参数
参数名称
炉膛温度 ( ℃) 着火距离 (mm) 飞灰含碳量 ( %) 排烟温度 ( ℃) 一次风速 (m ×s - 1) 风扇磨电流 (A)
改造前
改造后
100 %负荷 100 %负荷 45 %负荷
1530
> 800 6～10
1560 ～550 2～4
强化燃烧 。
4 燃烧器改造方案及其设计
针对一次风为直流的旋流燃烧器的不足的问 题 ,并依据煤粉强化燃烧机理 ,我们可以在一次风管 出口处加装一个轴向螺旋扭曲叶片旋流器 ,如图 2 。 该复合旋流燃烧器的特点 : ①不仅仅是二次风产生 旋流 ,含煤粉的一次风亦产生旋流 ,增强了燃烧器喷 口的气粉混合物的综合旋流强度 ,协助二次风在喷 燃器出口形成稳定的中心高温负压区 ,有利初期稳 定着火燃烧 ,并大大提高火焰传播速度 ,尤其有利于 克服低负荷运行难以着火的薄弱环节 。 ②综合旋流 强度的增加 ,可以减缓旋转效应的消失 ;带动炉内更 多颗粒与气流旋转 ,旋转的含粉气流使煤粉颗粒自 身的脉动频率和自身的旋转频率呈几何级数增加 , 在相同的理论运动轨迹下 ,煤粉颗粒的有益行程大 为增加 ,为提高燃尽程度提供了有利的条件 。 ③因 一次风温度较低 ,能降低喷口附近热风粘度 ,并带有 比重较大的煤粉 ,进而抑制旋流衰减 ,增大和稳定回 流区 ,增强冷 、热态回流特性的一致性 。 ④当一次风 气粉混合物通过旋流器时 ,由于惯性和离心力的作 用 ,密度较大的煤粉颗粒将被“甩”到内管壁聚集成 高浓度的煤粉流 ,实现了煤粉浓淡分离 ,强化煤粉着 火和加快反应速度 。同时有利于形成了还原性气 氛 ,降低 NOX 和 SO2 的生成量 ,减轻了环境污染 。
收稿日期 :2003 - 04 - 10
· 1 8 · 能源研究与利用2003 年第 4 期
3 强化燃烧机理
提高锅炉机组煤粉燃烧的稳定性和煤粉的燃尽 率是统一的 ,随着煤粉燃烧得到 强化 ,炉内温度水 平得到提高 ,这两个问题将同时得到解决 。实现“三 强原理”(即强化煤粉颗粒与高温烟气的对流传热 、 强化煤粉的高浓度聚集和强化燃烧过程的初始阶 段) 是提高炉内的温度水平的有效方法 ,所以在燃烧 器的改造或设计中应设法形成煤粉气流的旋转 、高 温烟气的回流或设法使煤粉局部浓度加大 ,以利于 强化煤粉的加热和着火过程 。
2 普通旋流燃烧器存在的问题
普通旋流燃烧器均为二次风旋流 ,而含煤粉的 一次风直流 ,出口处两股同轴的直流和旋流气流相 互干扰 ;另外由于热风温度较高 ,再加上回流高温烟 气的加热作用 ,二次风的粘性升高很多 ,导致阻力大 幅度增加 。这两个因素将导致燃烧器出口气粉综合 旋流强度比冷态调整的结果减少不少而且在炉膛衰 减很快 、扩张角和回流区减小 、火焰高温推后 、燃烧 强度低 、低负荷稳燃能力差和飞灰含碳量高 。有些 机组在低于额定负荷的 70 %负荷下运行就必须投 油稳燃 。
· 2 0 · 能源研究与利用2003 年第 4 期
烟气的热交换 ,以及煤粉和燃烧空气的传输混合 。
故初始燃烧不稳 ,后期燃尽较低 ,自从对该三台锅炉
的部分燃烧器依本方案进行改造投用以来 ,煤粉燃
烧稳定 、火焰充满度合理 、炉膛负压波动小 、机组稳
定运行期间 ,其各项参数变化稳定 、煤种实用性强 、
Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
∏(
i =1
CMi)
vi
g/
s
(2)
其中 CMi —反应物 Mi 的浓度 ;
T —炉内平均温度 。
我们可以知道煤粉颗粒在炉内的停留时间与炉
内平均温度的提高成直线下降 ;而煤粉燃烧速度与 炉内平均温度的提高成指数关系升高 ,并且随各反 应物的浓度的提高而升高 ,这样提高炉内平均温度 将有效地提高煤粉的燃尽率 ,提高锅炉效率 。
图 1 对流与辐射加热煤粉至着火温度的时间对比
降低飞灰可燃物含量是提高锅炉热效率的一种
有效方法 。根据煤粉在炉内的平均停留时间 :
τ=
Vj
4. 19φ
98 T 273
×qV
×10 -
3
s
(1)
和 Arrhenius 定律 ,即煤粉燃烧速度 v 与温度 T
关系 :
v = Aexp (
-
Ea ) RuT
谏壁发电厂的 4～6 号炉是 HG410 - 100/ 535 型 自然循环煤粉锅炉 ,采用风扇磨直吹式制粉系统 ,12 只旋流式燃烧器分上下 2 排前墙布置 ,炉内呈“L”型 火焰燃烧 。其燃烧器改造前属一次风为直流的旋流 燃烧器 ,在低负荷运行时气粉旋流强度不够 ,导致回 流烟气量少 ,煤粉颗粒在炉内缺乏高温回流加热 ,着 火晚 , 只宜烧高挥发份煤 , 且在低于额定负荷的 70 %负荷运行时 ,必须投助燃油 ,以维持火焰稳定 。 颗粒在炉内亦缺乏旋转动能 ,影响煤粉和周围高温
应将叶片划分成几个等分 ,最后得出各个截面的倾
斜角 ,设计出整个叶片的每个参数 。在设计叶片的
数目 、叶片轴向宽度 、叶片的旋流角和遮盖度等参数
时 ,除了应满足旋流强度的需要 ,还应尽量减少一次
风阻力 。旋流叶片应采用优质耐磨铸钢 ,这样叶片
的使用寿命可以达到一个大修周期 ,在大修中可以
更换 (因为结构简单 ,拆 、装均方便) 。安装叶片时 ,
能源研究与利用2003 年第 4 期 ·19 ·
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混合物旋流逐渐加强 ,并可以减少磨损 。在计算时
Da 为外通道孔直
径 , Do 为中心孔直径 ;
式 (3) 表明 ,通过把一次风由直流改为旋流 ,适
当选取一次风出口旋流强度 n1 的值就可以使燃烧
器的综合旋流强度达到所需值 ,进而强化煤粉初期
燃烧 ,提高炉内温度水平 ,使更多的煤粉在炉内完全
燃烧 ,减少飞灰含碳量 ,提高锅炉效率 。
5 改造方案的应用