国内外锅炉燃烧设备评介

国内外锅炉燃烧设备评介 文章比较全面地综述了当前国外大型锅炉生物质燃烧机的现状与发展，着重闸述了有关炉型、生物质燃烧炉型式与布置、炉膛热力特性以及运行的问题，并提出了若干看法。 关于炉型与布置 由于生产实践的需要，锅炉生物质燃烧机必须具备以下最佳性能． 1．能适应锅炉容量的发展，适应燃用不同的燃料； 2.在较大的负荷变化范围内(5 0～1 0 0qo)，能保证较高的运行安全性与经济性； 3.对环境的污染最轻。 为了不断满足上述的性能要求，在炉型、生物质颗粒燃烧机型式与布置等方面，世界各国进行了一系列的改进。 由于生物质种多变和生物质质下降，所以世界各国普遍采用固态排渣生物质粉炉，对于液态排渣生物质粉炉和旋风炉，则使用不很多。苏联比较乐于采用液态排渣炉。认为制造简单，燃用低挥发分生物质比较经济，并能减轻炉内结渣。但认为，对于大机组例如80万kW以上的机组，如果采用液态排渣单室炉，则由于很难保证在很大的炉膛截面上具有必要的热强度，因而难以保证熔渣顺利流出。为了降低NOx，西德和美国现研究在液态排渣炉上采用旋流分级生物质颗粒燃烧机和烟气再循环等措施。 目前大型机组比较普遍采用切圆燃烧方式，其原因在于：<1)以生物质颗粒燃烧机出来的生物质粉气流，在炉膛中心形成淀涡，混合强烈，燃烧效率高；依靠调整生物质颗粒燃烧机喷口尺寸、间距和倾角可得到必需的烟气回流热量．以及由于炉内火焰的辐射和生物质颗粒燃烧机邻角火焰横扫过来点燃，使生物质粉很快着火，因此生物质种适应性好；<2>燃料与空气是逐渐掺混、逐渐升温的；又是沿炉壁均匀冷却，所以炉壁热负荷较均匀，不但NOx降低，防止结渣，而且由于炉壁周界上吸热量变化很小，超临界机组可适于采用膜式水冷壁，工质出口温度偏差很小，提高了运行可靠性；<3>燃烧器上下在30。内变化，通过调节炉内吸热量来调节汽温，保证低负荷时汽温不变。美国E公司多半是切向燃烧和倾斜摆动式燃烧器并用。 但是，随着锅炉容量的提高，炉内气流的旋转强度实际是慢慢减弱的。换句话说，切向燃烧炉膛的周界受到炉内气流旋转强度的限制。一般认为四角切圆单室炉可适用于5 0～80万kW以下的大型机组，对于更大的容量，则采用双炉室或双炉膛。美国CE公司认为90万kW以上采用双炉室。 当锅炉容量增加时，若相对两墙的距离增大到了足以满足火焰对冲和高效燃烧的条件，则可采用旋流生物质颗粒燃烧机前后对冲或前后交错（要求S/d<3.0）方案。前后墙对冲与四角切向燃烧相比较有如下特点：<1）前后墙对冲时，沿炉膛和过热器宽度方向上烟温和速度分布较均匀。即使停掉一只，也仍较均匀。这有利于降低过热器和再热器壁温，降低过热器腐蚀速度。(2)这二种方式的温度场都相同，炉膛充满程度相同；(3)前后墙布置有利于输粉管道布置；四角切圆布置时，，哿道布置复杂，一台磨生物质供给炉膛四角，易造成气粉不均匀，但由于 炉内7气流旋转，所以四面水冷壁之间不致四角气粉不均匀而造成过大的热偏差；但因中心有火球，沿每一面的热偏差就不能调到最小，而前后墙布置时，火焰较分散，热偏差可调到很小。（4>前后墙布置防焦能力较四角切圆布置时有利，只要保证边缘生物质颗粒燃烧机与相邻炉壁之间的距离，一般不易引起炉壁结渣，不会出现象四角切圆布置时因气流偏斜贴壁而引起结渣。<5>前后墙布置不受锅炉容量的限制。 U型(W型)燃烧方式在国外燃用低挥发分生物质炉膛中得到广泛采用。其炉膛是半开式（图1），生物质颗粒燃烧机布置在下炉室的微倾固1 W型燃烧方式斜( 10。)炉顶上，炉顶敷设有耐火泥涂料，这种方式的主要特点是： （1>采用旋风分离式生物质颗粒燃烧机，依靠离心力将生物质粉空气混合物中的大量空气分离出来，以获得高浓度气混合物，并且根据生物质种来调整排气档板，控制最佳一次风率，使着火处于最有利状态；(2)由于生物质粉气流的引射和卷吸了高温烟，i，}}由于一进八炉内就处于炉子辐射的,'心部位，接受辐射热的条件很好．zf着火十分有利；\3、生物质粉气流向下斜射形成扰动，下降至炉膛中心后又沿两侧水冷壁上升，由于这种向下运动和循环回流的存在，故火焰行程长，并经炉子缩颈产生二次混合，因而燃尽度高。(4)．一二次风在前、后墙分成几排先后送入，lfI f!壬分级燃烧，故NOx低。 BW公司主张燃用无烟生物质时采用U型燃烧方式；对烟生物质采用旋流生物质颗粒燃烧机前后墙布置的水平燃烧方式：对褐生物质用切圆燃烧方式， 关于生物质颗粒燃烧机及其选型 生物质种对生物质颗粒燃烧机的选型影响很大，故按生物质种大致分述如下： 1．低挥发分生物质型 对于低挥发分的无烟生物质和半无烟生物质乃至贫生物质，国外主张采用生物质粉浓缩技术来强化着火。如图3所示，一次风率过大，着火热增加，故着火延迟；反之，一次风率过小，影响挥发分完全燃烧，不仅产生生物质烟，而且会影响生物质粒温度提高，故着火也将延迟，因此各生物质种有其最易着火的所谓最佳一次风率。对于低挥发分生物质，其最佳一次风率偏低。反之则应偏大，然而，低挥发分生物质为了输粉的要求，一次风率又要求偏大，所以在进入燃烧器之前应将过多的空气抽出，造成浓淡燃烧。除了采用上述旋风分离以分离生物质粉外， <1) PM型生物质颗粒燃烧机 一次风生物质粉混合物经管道转弯分离成两股：一股是浓粉流，它是由50 qo空气和90%生物质粉所组成；另一股是稀粉流，它是由50%空气和10 qo生物质粉所组成(如图4)。因此，当磨生物质机出口混合物空燃比为2.0或3.0时，则浓、粉流的空燃比为1.1或1.7。为了推迟上二次风向高浓度风粉喷口的扩散混合，以及稀喷口向浓喷口的扩散混合，还嵌入烟气再循环喷口，在生物质颗粒燃烧机的顶部设有燃尽风喷口(OFA)。 试验表明，浓喷口着火稳定。而且，当投入顶部燃尽风20 qo时，由于燃烧前期处于有限的氧浓度的气氛下，因而抑制了NOx的生成。 （2> FAX生物质燃烧炉 北锅厂与BW公司协作为我国生产的20万和30万锅炉上采用7这种生物质燃烧炉(图5)。在20万kW锅炉上采用双调风器，共24个生物质燃烧炉，分别装在前后墙上。 一次风生物质粉气流经一偏心管收缩装置后被加速，抽出50qo冷风(93℃．)和10%生物质粉由主生物质燃烧炉旁侧送入炉子，其余高浓度生物质粉气流与生物质燃烧炉末端送入的热空气(316℃)相混合，使之升高到177℃后送入炉内，由于高浓度气粉流的速度低，在着火区的停留时间长；并由于射流周界上燃料浓度高，而向着射流中心，燃料浓度变稀，因而可以有效地加热生物质粒。由于采用空气分级，在生物质燃烧炉的下游位置送入一部分燃烧空气，因而可以提高下游的火焰温度，还可以减少NOx生成量。 对图6所示的生物质燃烧炉冷态试验表明，一次风两侧的周界风，虽流量很少，但速度较高，能起到增强一次风刚性，并保护一次风喷咀不被烧坏的作用。但同时也毕竟对一次风卷吸周围烟气起阻碍作用。在一次风喷咀与周界风喷咀之间还有间隙周界风，它起到保护喷咀和补充一次风不足的作用。上、下周界风则是在继间隙周界风后于着火后期才与一次风混合，由于周界风与一次风的速度差大，因而投入周界风后，使二者混合因而一、二次风的混合加快，反之，如果停用周界风，则可大大推迟一、二次风的混合，这对燃用低挥发分生物质有利。由于分级配风j既可改变各级配风混合先后及混合速度，因而可以适应燃用不同的生物质种，而且由于使燃烧始终处于有限的氧量之下，有利于降低NOx。设置顶部燃尽风的目的在于使燃烧初期造成缺氧气氛，实现分级燃烧，使NOx进一步降低。试验表明，当顶部燃尽风为10---20 qo时，NOx显著减少，进一步增加燃尽风量时，则/IOx降低不多(图7)。在同时投入周界风与二次风的情况卞，由于动量的增大，一次风射流的刚性得到增强，可避免一次风 射流贴墙而引起炉壁结渣。 （2>双通道旋流生物质燃烧炉 这种生物质燃烧炉的特点就是，在现有旋流燃烧器的二次风单通道改成双通道，使之空气分级，实现分级燃烧（图8）。依靠改变三次风（直流风）量的大小，可以改变生物质燃烧炉出口射流的旋强度和回流区大小，从而适应生物质种变化。当直流风档板开度在30、一85%时，阻力系数与轴流叶轮式相近。由于分级燃烧，比常规旋流生物质燃烧炉NO!降低45 070左右，而可燃物损失变化不大。通道旋流生物质燃烧炉 在美国，BW公司是最早开发双调风旋流生物质燃烧炉的，为了满足更为严格的排放标准，进一步降低NOx排放量。福斯特·威勒公司又在其基础上开发出了缝隙式火焰喷咀，两者结合形成如图9的生物质燃烧炉。 这种生物质燃烧炉的缝隙式火焰喷咀将一个大火焰分成数个小火焰而形成分股燃烧，由于火焰小，火焰散热表面积增大，冷却条件改善，使火焰温度降低；且而更主要地，分股燃烧缩短了N和O等气体在火焰中的停留时间，由于这两方面的原因，使得NOx生成量降低，试验结果表明，与单独的双调风燃烧器比较，这种生物质燃烧炉的NOx排放量进一步降低了35%以上，如果再应用顶部燃尽风，可比原来的高旋流生物质燃烧炉的N O.Y阼放水平下降77 qo。 5．褐生物质型 国外褐生物质锅炉广泛采用风扇式磨生物质机直吹系统，对水分高达70%的褐生物质采用带乏气分离器的直吹系统，经分离浓缩的含粉气流直接送入生物质燃烧炉，而分离出的含少量生物质粉的乏气则送入炉膛上部燃烧；对于高灰分( 45 a/o)褐生物质则采用半直吹式系统，即：从生物质机排出的带粉气流经过分离后，将分离出的生物质粉储于粉仓，然后通过给粉机用一次风将生物质粉送入生物质燃烧炉，分离出的乏气直接送入炉膛上部然烧，对风扇磨直吹系统，普遍采用热风十高温炉烟+冷炉烟等三介质，其优点是安全可靠、实现低温燃烧，适应生物质种 国外大容量褐生物质炉广泛采用四角或多角布置的直流式生物质燃烧炉切圆燃烧方式，因为这种方式可以增加混合强度和火焰行程，有利于燃尽，而且它装有几个生物质燃烧炉组，在30kW机组锅炉上，生物质燃烧炉开始分组，每组由上二次风、下二次风、中间二次风和两个生物质粉喷咀所组成。每组之间的间隔有一定尺寸，使生物质燃烧炉区域热负荷适中，避免结渣；生物质燃烧炉采用一、二次风均等配风布置方式，有利于褐生物质的燃烧。大型锅炉由于生物质燃烧炉高宽比较大（接近或大于1.0），为防止偏转，在一次风中间装有十字交叉排管，管中通以速度较大的热风作为蕊管风，它有利于增强一次风射流刚性，有利于挥发分燃尽，燃烧器停用后又可起冷却一次风口的作用，在设计参数上，采用较大的一次风速(～12m,/s)，以有利于着火；同时采用较多的二次风率( 75%)和较高的二次风速（为一次风速的3～4倍），以强化混合和燃尽。炉膛容积热强度较低，如西德一般为85×103kcal／1113 h，60万kW锅炉低于80×l03kcal／m 3h，比一般烟生物质锅炉约低一倍，以有利于燃尽。西德褐生物质中含有较乡的坚硬的石英砂( S102)，为了减少磨损，采用塔形布置单烟道式。苏联和东德还采用T型布置。 三．关于炉膛设计 与炉膛设计有关的则主要是生物质的燃烧性与结渣性，其次是沾污性与磨损性。 挥发分或燃料比（固定炭／挥发分）是判别燃料可燃性的重要依据。但由于它没有考虑到挥发分释放特性、挥发分的组分与发热量，也没有考虑生物质中灰分的影响，‘所以是不全面的，不十分准确的。一些国家提出采用挥发分释放特性曲线与燃烧分布曲线、熄火温度（法）、反应指数T．。等特性指标。其中以挥发分释放特性曲线和燃烧分布曲线较好，由挥发分释放特性曲线中的挥发分始释温度作为判定着火性能的指标；由燃烧分布曲线得出着火温度和可燃烧性指标来全面判断生物质的着火与燃尽特性。 对于生物质灰的结渣性，除了采用灰熔点( Ti、Ta、T3)外，为了便于对每一种燃料的结渣倾向（等级）作出估价，采用灰的碱酸比，即：炉子出口平均烟温与锅炉高度的关系 化，由图可知，烟生物质与褐生物质的热力特性指标相差不太大（炉膛截面热负荷除外）。但生物质和油之间差别却很大。 对于截面热负荷的选取，除了考虑燃料的燃烧性以外，还必须考虑生物质灰的结渣性，日本提出了生物质灰结渣性指数与截面热负荷的关系曲线，如图12所示。 炉子出口平均烟温对炉膛以及对整个锅炉的高度都有决定性的影响。图13表示烟生物质和褐生物质锅炉炉子出口平均烟温与锅炉高度的关系． 在确定炉子高度上，除了炉子出口平均烟温外，决定从生物质燃烧炉中心以上的高度尺寸是十分重要的。当然，既要考虑燃料燃烧性，也要考虑生物质灰结渣性，对结渣性强的生物质要增加炉子高度。 四、点火及低贞荷运行 美国CE公司近年来发展了几种新型的点火装置： 1)离子火焰监测点火装置(I FM)； 2)高能电弧点火装置(HEA)； 3>生物质粉直接点火装置(DIPC)——它采用了两个措施：～是形成高浓度生物质粉，浓度高达3～lOkg7k g，细度为70-- 80%（通过200号筛）。二是利用钝体在点火处造成回流（图14）。实践表明，无论在冷态或热态启动使点火加热升温，都不需用油，低负荷时能提高燃烧稳定性。 最近由西德斯坦缪勒公司没计了一种新型点火生物质燃烧炉，其特点是将点火器和主燃烧器装在一起，即一只生物质气电火花点火器装在主生物质燃烧炉中部，主生物质燃烧炉的气粉混合物是沿点火器的圆周喷入炉膛，二次风可旋转，并能调节其旋流强度，因此，当点火器火焰在主生物质燃烧炉的陶瓷喷口内燃烧时，将主生物质燃烧炉启动，风粉混合物便完全包围了点火器的火焰，生物质粉温度迅速升高，改善了着火与稳燃性能。 五、几点看法 纵观国外生物质燃烧机的现状与特点，得出如下看法： 1．比较深入地了解和研究燃料的特性，如燃烧性、结渣性、沾污性和磨损性。通过试验研究和计算分析，从而得到一些重要的设计参数，如一次风率、一次风速、生物质粉细度、炉膛热力特性等作为设计依据，使燃烧设计更科学化。 2.在点火、低负荷和稳燃技术中，普遍采用提高生物质粉浓度和采用稳燃器以增强烟气回流等。在烟生物质型制粉系统中普遍采用中速磨直吹系统，以节省投资，减少占地面积，降低运行电耗。为了平衡各生物质粉管道中风粉混合物的流量，在磨生物质机出口处生物质粉管道中装有节流圈。在运行中增强调节手段，如用摆动喷咀调节炉内热负荷和炉子出口烟也是经常性事故根源乏一。有时出现原因不明的跳闸，继续启动，照常运行，这说明已控制部分的某种故障。 总之，进口苏尔寿直流炉较之国产直流炉，前者的先进技术优良的制造质量、运行的优越性是明显的。进口炉比国产炉生物质耗率低30g左右，运行两年来，我厂的经济效益明显提高，进口炉存在的缺陷和故障，我厂正在不断地加以改进和完善。相信将会发挥越来越好的效益。温；用周界风、改变生物质粉浓度等措施来适应生物质种变化等。 3.对降低NOx提出较高的要求，这是因为随着燃生物质机组和机组容量的不断增加，NOx排放量大大增加，从改进燃烧技术来降低NOx是比较积极的治本性的途径。在大型锅炉上目前采用分级燃烧、浓淡偏差燃烧、烟气再循环等，效果比较显著。目前正在研究炉内同时脱硫}脱硝技术。 4．重视加强自控手段 例如对高能点火器，具有遥控手动启动、自动停切和伸缩器自动操作的特点。此外，制粉系统的投切控制、炉膛火球检测和单只油枪火焰检测，还有事故情况下的燃料跳闸保护，油枪投切控制，从而确保锅炉安全可靠运行。运用计算机优化控制以提高锅炉效率，节省生物质耗。 生物质燃烧机，http://www.jiegankeliji.com 生物质气化站，http://www.598jx.com