煤粉燃烧器的研究开发利用---热能0802班

1煤粉燃烧的研究、开发、利用--热能0802班第一章综述1.1课题的背景随着我国国民经济的迅速发展，人民生活水平日渐提高，对用电量的需求也越来越大。近二十年来，我国的电力工业有了很大的发展，技术水平也迅速提高。到2002年底，我国发电总装机容量达到3.53亿KW;总发电量16400亿瓦,发电总装机容量和总发电量均为世界第2位。但我国人均装机容量为0.27千瓦,人均发电量为1255KWB，不到世界平均水平的一半，仅为发达国家的一半。因此，今后若干年内我国火电事业的发展任重而道远。然而，我国火电的发展面临着以下几个问题:（1）我国人口众多，资源相对贫乏。尽管我国自然资源总量位居世界第7位，能源资源总量约为4万亿吨标准煤，居世界第3位;我国人均能源资源占有量不及世界水平的一半。同时我国还是世界唯一以煤炭为主的能源消耗大国，煤炭约占全国能源生产和消费的70%左右，煤耗占世界煤炭消费总量的27%。而火电厂又是我国的用煤大户，每年要耗煤3亿多吨，相当于国家原煤产量的三分之一。因此，为了保证其他行业用煤的质量及数量，我国火电的用煤多以劣质煤为主。这些劣质煤给锅炉煤粉燃烧带来了一系列问题，如:着火困难，燃烧不稳定，安全性差，燃烧效率低，经济指标差，受热面结渣，高温腐蚀现象严重，污染物排放高等。（2）随着经济的发展，由于对资源的不合理利用和能源消耗量的增加，我国生态环境不断恶化。我国烟尘和NO的排放量分别达到了2100万吨和353万吨，其中煤燃烧造成的排放量分别占70%和90%。而电厂又是煤燃烧的大户，因此要想阻止环境的继续恶化，电厂的环保是个不可忽视的问题。表1.1预计了2010年电厂污染物的年排放量：2表1.1预计2010年电厂各种污染物总排放量(单位:万吨)二氧化碳碳氢化合物氮氧化物二氧化硫灰渣烟尘37.49.7969.71875.027490.3277.7最后，近年来随着人民水平的不断提高和经济的飞速发展;生产用电和民用电都迅速增长，电网峰谷差急剧加大。各大电网的最大峰谷差己超过系统最大负荷的35%，有的甚至超过50%。这种情况下必然要求越来越多的大容量机组参加调峰。而我们国家将会更加大的依赖燃煤，所以新的煤粉燃烧器的研究成了当务之急。1.2课题的主要内容我们从煤粉燃烧的研究、开发、利用出发，了解传统与新型煤粉燃烧器的基本概况，并着重研究新型煤粉燃烧器的工作原理与日常应用，为了能更合理的利用燃料，提高燃烧效率，增强机组的调峰能力，降低污染物的排放，开发研究能满足稳燃高效、低污染排放等要求的燃烧器是十分必要的。而本论文所研究的不同旋流角对旋流燃烧器性能的优化能较好的满足这些要求，因此本课题具有很强的现实意义，对燃烧器的发展具有一定的价值。第二章传统与新型煤粉燃烧器的简介2.1.传统旋流燃烧器与发展2.1.1传统煤粉燃烧器我国早期设计的锅炉中，燃烧设备主要采用旋流燃烧器。旋流煤粉燃烧器。目前，旋流燃烧器己在国外各种大小容量锅炉机组上得到广泛应用，世界上己投运得大容量锅炉很多都采用对冲布置的旋流燃烧器。与直流燃烧器相比，旋流燃烧器具有以下特点:a)前期混合强烈，强化了燃烧，且火焰可以调节;b)有利于着火和稳燃，炉膛热负荷的均匀分布;c)每个燃烧器可看作一个单元，在研究和使用方面十分方便;3d)能够满足锅炉大型化的要求;e)对于受热面结构的要求与布置较为自由;f)炉膛出口烟温与烟速分布比较均匀，过热蒸汽热偏差小;g)能降低过热器与再热器的最高温度，减少局部结渣。我国早期设计的锅炉中，燃烧设备主要采用旋流燃烧器（见右图），后来发展为直流燃烧器的四角切圆燃烧方式，并成为煤粉炉的主要燃烧方式。但旋流燃烧器仍在我国电站锅炉中占了一定比例，且也得到了进一步的发展。这两年新建、在建和准备建设的600MW以上级火力发电厂的锅炉很多采用对冲布置的旋流燃烧器。随着电力事业及工业的发展，电力工业对煤粉燃烧提出了越来越高的要求，概括起来为:高燃烧效率、稳燃、防结渣及低污染。但现在国内使用的燃烧器还不能很好的满足上面的要求;因而，回顾现有技术，分析成功原因对我国旋流燃烧器的发展很有益处。2.1.2旋流煤粉燃烧器的发展采用旋流燃烧器的大型煤粉锅炉可以避免采用四角切圆燃烧产生的过热器区的热偏差;其次是对炉膛形状没有严格的要求，不必一定接近正方形;燃烧器单独组织燃烧，不互相影响;气流的强烈旋转形成回流区，提高了火焰稳定性。在我国早期锅炉设计中，燃烧设备主要采用旋流燃烧器，后来发展直流燃烧器的四角切圆燃烧方式，并成为我国煤粉炉的主要燃烧方式。但旋流燃烧器在我国煤粉炉中仍占有一定比例，并且也可能得到发展，为此哈工大开发了径向浓淡旋流煤粉燃烷器，新型燃烧器在一次风道中加装了一个煤粉浓缩器，从而将一次风粉混合物分成两股，靠近中心的一股为含粉量较多的浓煤粉气流.它经过浓一次风通道喷入炉膛，另外一股为含粉量较少的淡煤粉气流，在浓煤粉气流外侧环形通道喷入炉内。同时，二次风通道分成了两部分，一部分二次风经过旋流器以旋流的4形式进入炉内，另一部分二次风以直流的形式进入炉内。这样，在旋流次风和扩流锥形成的中心高温回流区四周喷入的是浓煤粉气流，形成一个高温、高浓度区域。提高煤粉浓度可以降低煤粉气流的着火热，降低着火温度，缩短着火时间及着火距离，保证煤粉气流及时着火，提高火焰稳定性，淡煤粉气流及二次风在浓煤粉气流着火后及时混入，保证了煤粉燃烧所需的氧，并形成多层分级燃烧，拟制了NO二的形成。同时，煤粉向燃烧器中心集中，保证了燃烧器区水冷壁附近形成相对较强的氧化性气氛，提高了灰的熔结温度，减少了结渣倾向，防止了燃烧器区高温腐蚀。调节直流、旋流二次风量的比例，改变射流的扩展角及回流区大小，可以保证燃烧器稳定燃烧。旋流煤粉燃烧器根据不同的分类标准，得出不同的分类型式。按旋流器的型式，可分为蜗壳式、轴向叶片式和切向叶片式三类。根据二次风的供入方式及一次风粉中煤粉浓度的不同可分为:普通型、分级燃烧型和浓缩型三类。2.1.3旋流煤粉燃烧器的工作原理旋流式燃烧器由圆形喷口组成，燃烧器中装有各种型式的旋流发生器（简称旋流器）。煤粉气流或热空气通过旋流器时，发生旋转，从喷口射出后即形成旋转射流。利用旋转射流，能形成有利于着火的高温烟气回流区，并使气流强烈混合。射出喷口后在气流中心形成回流区，这个回流区叫内回流区。内回流区卷吸炉内的高温烟气来加热煤粉气流，当煤粉气流拥有了一定热量并达到着火温度后就开始着火，火焰从内回流区的内边缘向外传播。与此同时，在旋转气流的外围也形成回流区，这个回流区叫外回流区。外回流区也卷吸高温烟气来加热空气和煤粉气流。由于二次风也形成旋转气流，二次风与一次风的混合比较强烈，使燃烧过程连续进行，不断发展，直至燃尽。2.1.4.旋流煤粉燃烧器的优点旋流式燃烧器的优点可以用以下的几点来概括：a)一次风量少（约为入窑总风量的8%）充分利用高温二次风，降低热耗。b)外风采用高速喷射，穿透力强，易形成热回流。c)火焰形成合理，温度高，不发散，不涮窑皮，处长窑衬和耐火砖的使用寿5命，可提高水泥熟料的产量和质量。d)适应各种煤质，对低挥发份、无烟、烟煤、半烟煤等均可使用。e)稳定热工制度，可根据窑内状况，对火焰实行无级调节，获得较为理想的火焰形状。f)煤粉燃烧效率高，大量减少NO的形成，减少有害废气排放，利于环保。g)头部采用优质耐热钢制造，耐磨损，耐高温，更换方便。h)改造周期短，基本不占用生产时间。2.1.5.提高旋流强度的优点提高旋流强度，既能强化内回流区的作用，又能强化空气与可燃物的混合，以及高温烟气与煤粉、空气的混合。随着旋流增强，内回流区变得更宽更强，但同时也会带来一些问题。即一次风与二次风以及内回流与外回流的过早强烈混合，会降低一次风中煤粉的浓度和火焰温度，这对着火的稳定性又是不利的。因此，提高旋流强度给稳定着火造成两个相互对立和相互矛盾的条件。增强内回流对着火造成的有利条件从某一点开始，又被太强的过早混合破坏了。为了解决这一矛盾，可通过运行调节或试验确定出适应燃烧不同煤质的最佳旋流强度和相应的混合强度以及混合点位。2.1.6几种典型旋流燃烧器2.1.6.1普通型旋流燃烧器普通型旋流燃烧器是指二次风通过燃烧器送入炉膛，一次风粉混合物没有浓缩的旋流燃烧器，有以下几种形式：一、二次风均旋转的双蜗壳式旋流燃烧器；一次风为直流，二次风为旋流的单蜗壳－扩锥型燃烧器；一次风可以旋转或不旋转，二次风通过可动的切相叶片送入炉膛的切相可动叶片燃烧器；轴向可动叶轮燃烧器，利用拉杆移动二次风通道中的叶轮，从而改变二次风中直流气流和旋流气流的比例；轴向叶轮－蜗壳型燃烧器，一次风通过蜗壳进入炉膛，二次风的旋流器为直叶片；旋流预燃室燃烧器，根部二次风经过不旋转的直叶片进入预燃室，另外的二次风在预燃室出口附近通过直叶片或有倾角的叶片送入炉膛；管式旋流燃烧器。2.1.6.2分级燃烧型旋流燃烧器分级燃烧型旋流燃烧器是指二次风分两级或两级以上送入炉膛，一次风粉没6有浓缩的旋流燃烧器，有以下几种形式：双通道外混式旋流燃烧器，一次风为直流风，大部分二次风过轴向固定叶片送入炉膛，另外的二次风为直流风；SM型燃烧器，一次风不旋转，二次风通过旋转叶片形成旋转气流，一、二次风占燃烧总空气量的80-90%，剩下的二次风从燃烧器喷口周边外一定距离处均匀布置的四个喷口以直流的形式送入炉膛；蜗壳－叶片式燃烧器，一次风通过蜗壳进入炉膛，二次风通过内、外二次风通道的轴向叶片一旋转的方式进入炉膛；RSFC型燃烧器，一次风为直流风，二次风由三个分风道以旋流的形式进入炉膛，其中一个或三个分风道均可以掺入在循环烟气。2.1.6.3浓缩型旋流煤粉燃烧器浓缩型旋流燃烧器是指一次风粉混合物经过浓缩后通过提高煤粉浓度来改善煤粉的着火及燃烧条件的旋流煤粉燃烧器。2.1.6.3.1高浓度型旋流燃烧器前苏联高浓度型旋流燃烧器前苏联在一台300MWe的TΠΠ-210A型锅炉上对旋流燃烧器试验了煤粉浓缩燃烧。浓度高达40-50kg/kg的(C/A)煤粉空气混合物从新设置的一根细管中，由空气泵通过压缩空气来输送，一次风管变成只输送空气的通道，煤粉在送到燃烧器出口之前，在燃烧器内选好合适的位置“注射”道一次风中，形成煤粉浓度为0.9kg/kg左右的一次风煤粉气流再进入炉膛燃烧。2.1.6.3.2PAX燃烧器PAX燃烧器在燃用低挥发份贫煤和半无烟煤时，美国B&W公司采用PAX型燃烧器配中速磨直吹式系统。携带煤粉的一次风送入燃烧器时，靠燃烧器入口的弯头利用惯性力把一次风粉分为两股：弯头内侧的一股含50%一次风和原来煤粉的10%，由在燃烧器周围另开的三次风口喷入炉膛，弯头外侧的另一股含50%一次风和原来煤粉的90%，进入燃烧器和热风混合后作为一次风喷入炉膛。此时一次风不旋转，二次风通过轴向叶片形成旋转气流。由于提高了一次风温和煤粉浓度，燃烧稳定性提高。(PAX燃烧器燃烧器见下图)72.1.6.3.3WR型旋流燃烧器日本IHI公司开发了一种带有卧式分离器的WR型旋流燃烧器。在燃烧器入口处采用一台卧式旋风分离器，在低负荷运行时调节隔离挡板，把一次风煤粉混合物引入卧式分离器，浓煤粉气流被送入燃烧器中央的低负荷喷口，淡煤粉气流由燃烧器的基本负荷喷口喷出。一部分二次风通过挡板引入低负荷喷口外侧，通过固定式切相叶片以旋流的形式在低负荷喷口的外侧喷出。其余的二次风则通过内、外两层切相叶片分成旋转气流。当磨煤机的出力大于40%以后，一次风粉混合物即部分通过卧式分离器，又部分直接进入基本负荷导管，由基本负荷喷口喷出。试验表明：该燃烧器可在燃烧器的负荷为10%的最低出力下运行。2.1.6.3.4NSW型旋流燃烧器NSW型旋流燃烧器的一次风通道内装有轴向叶片式分离器，利用惯性分离作用将一次风风粉混合物分成浓、两股气流，淡煤粉气流通过一次风内通道，浓煤粉气流通过一次风外通道。两股气流在喷口处，通过导向装置将浓煤粉气流引向燃烧器中心附近，淡煤粉气流引浓煤粉气流外侧喷入炉膛，二次风通过内、外二次风通道以旋流的形式进入炉膛。运行表明火焰稳定性提高。82.1.6.3.5双调风燃烧器双调风燃烧器是美国B&