生物質(zhì)燃燒機(jī)及節(jié)能低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)研究
摘要： 通過對生物質(zhì)燃燃燒器的研制過程，提出了新的生物質(zhì)燃燒器的著火穩(wěn)燃機(jī)理：組織生物質(zhì)氣流的濃淡分流，組織濃（小）股生物質(zhì)氣流的急拐彎，讓氣粉分離，生物質(zhì)射入高溫回流區(qū)，在這里滯止增濃，升溫著火，形成小火焰，并用它點燃整個一次風(fēng)生物質(zhì)火焰，即小火點大火的機(jī)理。以此著火穩(wěn)燃機(jī)理為指導(dǎo)，成功地開發(fā)了生物質(zhì)燃燒機(jī)及節(jié)能低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)，已在100—200MW機(jī)組上得到廣泛應(yīng)用。由于它的噴口小，預(yù)期節(jié)能低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)會受到電廠更大的歡迎。
1 前言
  自上世紀(jì)90年代初生物質(zhì)燃燒機(jī)投入開發(fā)以來，至今己近十多個年頭，經(jīng)歷了富集型燃燒器開發(fā)的前期工作和生物質(zhì)燃燒機(jī)及節(jié)能低氮富集型燃燒器2個型號燃燒器的研究和開發(fā)。在前期工作中，開發(fā)了帶預(yù)熱噴口的濃淡分離燃燒器，它虛用在天津石化公司熱電廠1臺220t/h貧煤鍋爐上，穩(wěn)燃效果在55%MCR左右，達(dá)到指標(biāo)要求。之后，總結(jié)了帶預(yù)熱噴口的濃淡分離燃燒器的優(yōu)點和不足，分析了國內(nèi)外生物質(zhì)燃燒器火焰穩(wěn)定的基本原理，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了富集型燃燒器。生物質(zhì)燃燒機(jī)的開發(fā)獲得了極大成功，得到了許多電廠的應(yīng)用。如揚州發(fā)電廠2臺670t/h鍋爐燃用貧煤；淮北發(fā)電廠2臺670t/h及1臺400Uh鍋爐燃用貧煤；鹽城熱電廠1臺75t/h鍋爐燃用劣質(zhì)煙煤，乏氣送粉；九江發(fā)電廠2臺670Uh鍋爐燃用接近無煙煤的貧煤。由于穩(wěn)燃效果很好，使用后低負(fù)荷穩(wěn)燃能力都小于50%～60%MCR。這些廠經(jīng)第1臺應(yīng)用后，后幾臺也接著采用該技術(shù)進(jìn)行改造。
  隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對生物質(zhì)燃燒器的要求越來越高，它不僅要滿足中小容量機(jī)組低負(fù)荷穩(wěn)燃的要求，而且應(yīng)滿足300MW、600MW大型鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃要求；燃燒器的壽命要長；它還應(yīng)具有低NO。排放、防止水冷壁結(jié)渣和防止水冷壁高溫腐蝕的性能。為此，在生物質(zhì)燃燒機(jī)成功開發(fā)的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了節(jié)能低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)，并應(yīng)用在安徽田家庵電廠燃用煙煤的乏氣送粉400Uh鍋爐上，獲得一次投產(chǎn)成功，其低負(fù)荷穩(wěn)燃能力在40%MCR負(fù)荷烈下。此燃燒器的噴口面積小，與原燃燒器噴口尺寸相當(dāng)，并在設(shè)計中采取了防磨措施，以提高使用壽命，并具有防渣、低NO。排放及防止水冷壁高溫腐蝕等多種性能。
2 爐前彎頭分離及預(yù)熱噴口的穩(wěn)燃燃燒器實踐
  為解決難燃燃料的低負(fù)荷穩(wěn)燃問題，國內(nèi)外開發(fā)了各種類型的穩(wěn)燃燃燒器，如日本三菱公司和國內(nèi)一些單位開發(fā)的濃淡燃燒器，清華大學(xué)熱能工程系開發(fā)的船型燃燒器[1]，清華大學(xué)力學(xué)系開發(fā)的大速差燃燒器[2]，中國科學(xué)院力學(xué)研究所開發(fā)的偏置射流燃燒器等。針對這些燃燒器的問題，上世紀(jì)90年代初，開發(fā)了一種比較簡單的濃淡燃燒器——帶爐前彎頭分離器及預(yù)熱噴口的濃淡分離燃燒器。
  對管道彎頭中氣固兩相流動的研究發(fā)現(xiàn)管道彎頭有一定的濃淡分離能力，但彎管內(nèi)存在嚴(yán)重的二次流，見圖2。二次流的干擾使得隨氣流在彎頭內(nèi)拐彎而被分離到外壁的許多生物質(zhì)又重新回流與氣流混合起來，削弱了彎頭作為分離元件的分離能力。為消除二次流的影響，在彎頭內(nèi)加裝了如圖3中所示的空隔板，用以削弱了二次流的影響，又不妨礙內(nèi)側(cè)氣流分離出的生物質(zhì)向外側(cè)集中，因而改善了彎頭分離器的分離能力。改進(jìn)后的彎頭分離器已有足夠好的濃淡分離能力。
  對預(yù)熱噴口的冷態(tài)空氣流場研究表明，濃股噴口高度與深度對卷吸煙氣能力有重要影響，應(yīng)根據(jù)實驗結(jié)果確定噴口尺寸。
  實踐中，由爐前原有生物質(zhì)彎頭中加裝分離隔板做成的濃淡分離器，見圖4。在如圖5所示的預(yù)熱噴口內(nèi)以濃股生物質(zhì)卷吸熱煙氣使生物質(zhì)預(yù)熱，在噴口出口增濃、著火。
  由爐前彎頭分離器及預(yù)熱噴口組合成的濃淡燃燒器，應(yīng)用于天津石化公司熱電廠220t/h貧煤鍋爐上。該廠使用結(jié)果表明，彎頭分離器的濃淡分離能力較好，濃股生物質(zhì)的濃度足夠高，預(yù)熱噴口的卷吸爐膛熱煙氣的能力也較強(qiáng)，低負(fù)荷穩(wěn)燃能力可達(dá)到50%左右。但實踐中觀察到，其低負(fù)荷穩(wěn)燃不能進(jìn)一步提高的原因在于預(yù)熱后的濃股生物質(zhì)溫度不夠高，這股生物質(zhì)氣流要遠(yuǎn)離噴口很遠(yuǎn)后才能著火．因而起不到用它來點燃整個一次風(fēng)生物質(zhì)氣流的目的。加高或加深預(yù)熱噴口都不能改善著火性能。這就提出應(yīng)重新審視生物質(zhì)氣流的著火穩(wěn)燃機(jī)理的問題，以開發(fā)出穩(wěn)燃能力更好的燃燒器。
3生物質(zhì)燃燒器的著火穩(wěn)燃機(jī)理
  生物質(zhì)氣流的著火穩(wěn)燃過程的一般規(guī)律是煤粉受熱升溫釋放揮發(fā)物并首先著火，隨后是煤粉的著火。前期研究工作表明，即使是在濃淡分離很好的情況下，用卷吸爐膛熱煙氣的方法也無法將難燃燃料的濃股生物質(zhì)加熱到所需的著火溫度。在重新審視生物質(zhì)氣流的著火穩(wěn)燃機(jī)理時發(fā)現(xiàn)組織好生物質(zhì)氣流的急拐彎是生物質(zhì)能否著火穩(wěn)燃的關(guān)鍵。
  生物質(zhì)氣流急拐彎時，慣性大的生物質(zhì)會與氣流分離，并射入其后的回流區(qū)。如果這個回流區(qū)是高溫的，生物質(zhì)在這里滯止增濃、升溫、并釋放揮發(fā)物和著火。大量的實踐已經(jīng)證明，著火需要一定的空間生物質(zhì)濃度，而不是一次風(fēng)氣流中生物質(zhì)的攜帶濃度。這一濃度既不能太低，亦不宜太高。揮發(fā)物及生物質(zhì)燃燒所釋放的熱量用以維持回流區(qū)的高溫及提供整個生物質(zhì)氣流著火所需的熱量。計算表明，只要有7%～10%生物質(zhì)燃燒，其生成的熱量就可以將整個一次風(fēng)生物質(zhì)氣流點燃。不斷地組織起生物質(zhì)氣流的急拐彎，生物質(zhì)就不斷地滯止增濃，升溫和著火。如果這股生物質(zhì)氣流的燃燒份第3期張海，等：生物質(zhì)燃燒機(jī)及節(jié)能低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)研究額超過7%～10%，就可以將整個一次風(fēng)生物質(zhì)氣流點燃起來，也就是用小火來點燃大火。這就是所有穩(wěn)燃好的燃燒器的著火穩(wěn)燃機(jī)理j。大速差燃燒器著火穩(wěn)燃性能特好的原因是，它利用高速氣流卷吸生物質(zhì)氣流，使其發(fā)生大偏轉(zhuǎn)，因而具有更好的著火穩(wěn)燃條件。偏置射流燃燒器及風(fēng)鏟式燃燒器的穩(wěn)燃性能較好的原因是將一次風(fēng)偏置，使一次風(fēng)受到邊壁效應(yīng)的吸附而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，達(dá)到生物質(zhì)分離、滯止增濃、升溫著火的目的。然而，這些燃燒器都把生物質(zhì)氣流升溫著火組織在一個狹窄空間（預(yù)燃室）內(nèi)，因而很難控制它的溫度而容易引起結(jié)渣，影響鍋爐的安全運行，這就限止了它們的應(yīng)用前景。反觀船形燃燒器及鈍體燃燒器，它們的生物質(zhì)氣流在船體及鈍體后組織有一個束腰區(qū)，形成平緩的拐彎和在其后較弱的著火穩(wěn)燃區(qū)，因而其穩(wěn)燃能力較低。鈍體燃燒器后的氣流還受到卡門渦流的影響而不穩(wěn)定，因而它的穩(wěn)燃能力更低。然而，它們與大速差燃燒器等燃燒器不同，它們的著火穩(wěn)燃區(qū)組織在燃燒器噴口外，因而燃燒器不會被燒壞。在一段時間內(nèi)它們得到推廣應(yīng)用，應(yīng)在情理之中。只是由于穩(wěn)燃能力不能滿足生產(chǎn)要求而被逐漸淘汰。
  綜上所述，合理的低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器應(yīng)詼?zhǔn)牵航M織好生物質(zhì)氣流的濃淡分離，組織好濃股煤粉氣流的急拐彎，并卷吸熱煙氣預(yù)熱濃股氣流，讓急拐彎后的濃股氣流的生物質(zhì)滯止增濃，升溫著火，形成小火焰，并讓此小火穩(wěn)定在緊靠燃燒器噴口外，以保證燃燒器既有很好的穩(wěn)燃性能，又不會結(jié)渣影響安全運行。
4 生物質(zhì)燃燒機(jī)的開發(fā)
  生物質(zhì)燃燒機(jī)正是按照上述構(gòu)思設(shè)計的，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。它由前噴口，上下?lián)鯄K，方形風(fēng)道及方圓接頭組成。生物質(zhì)氣流自一次風(fēng)管通過方圓接頭進(jìn)入方型風(fēng)道，在上擋塊處被分成上下2股，上股（約占1/3）進(jìn)入前噴口的上方通道，并直接進(jìn)入燃燒室，下股（約占2/3）進(jìn)入有適度向下彎曲的下方通道。生物質(zhì)由于這個適當(dāng)彎曲而受到分離（上部生物質(zhì)較濃，下部生物質(zhì)較淡），在進(jìn)入下?lián)鯄K時被分成上下2股，上股為濃股生物質(zhì)小通道，下股為淡股生物質(zhì)大通道，設(shè)計的濃股通道尺寸很小，設(shè)計的下股淡通道尺寸較大，上下通道高比約為1/3～1/4。這2股生物質(zhì)氣流在進(jìn)入爐膛煎先進(jìn)入前噴口，在這里，濃f?。┕缮镔|(zhì)氣流被下面的淡股生物質(zhì)氣流卷吸而發(fā)生向下的急拐彎，并讓其后的生物質(zhì)由前噴口卷吸的熱煙氣加以預(yù)熱及發(fā)生滯止增濃，升溫著火。設(shè)計的前噴口長度正好保證著火過程發(fā)生在前噴口外，形成穩(wěn)定的小火焰，并用它去蠃燃整個生物質(zhì)氣流大火焰。
  為了確保生物質(zhì)燃燒機(jī)投產(chǎn)一次成功，在試驗室做了許多冷態(tài)試驗工作，確定了最佳設(shè)計參數(shù)，如前噴口高度與煙氣卷吸量的關(guān)系、前噴口深度與下方濃淡通道的尺寸及其間距的最佳比例等結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)。前噴口濃度為0日寸，下方淡股氣流幾乎對濃（?。┕缮镔|(zhì)氣流沒有卷吸能力；濃、淡股生物質(zhì)氣流的間距過小，而噴口深度相對又過長時，濃淡股氣流又會在前噴口內(nèi)重新混合而失去意義；濃淡股間距過大，淡股氣流就卷吸不了濃股氣流，形成不了急拐彎而失去意義。在大量的試驗研究和理論分析的基礎(chǔ)上，針對揚州發(fā)電廠670t/h鍋爐的生物質(zhì)燃燒器進(jìn)行設(shè)計，1997年第1臺燃用貧煤的生物質(zhì)燃燒機(jī)在該鍋爐上投產(chǎn)，獲得一次成功，低負(fù)荷穩(wěn)燃能力在50%左右，廠方十分滿意，接著對第2臺進(jìn)行改造?，F(xiàn)場觀察表明：下方濃（小）股生物質(zhì)氣流在前噴口一出口就著火，看不到任何未燃的生物質(zhì)黑龍，完全實現(xiàn)了原設(shè)計的意圖。在該廠的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，燃用揮發(fā)物更低的貧煤的淮北發(fā)電廠670Uh及400t/h鍋爐以及九江發(fā)電廠670t/h鍋爐上，相繼采用生物質(zhì)燃燒機(jī)，得到推廣應(yīng)用，都取得了一次成功的效果。
  當(dāng)然，生物質(zhì)燃燒機(jī)也有不足之赴，主要是幾何尺寸較大；噴口偏大，噴口受熱溫度高；冷卻風(fēng)的調(diào)節(jié)范圍不夠大，特別在電廠燃燒的煤種多變時更是這樣。另外，由于它的噴口偏大，造成出口流速偏低，粗粉易被分離下落，造成大渣中可燃物增加，也難以在300MWe、600MWe機(jī)組的大型鍋爐上應(yīng)用，因為在這些鍋爐上大都采用了美國CE公司的大風(fēng)箱配風(fēng)方式的WR型寬調(diào)節(jié)比燃燒器，其一、二次風(fēng)間的間隙很小。為了解決上述問題，最近開發(fā)了節(jié)能低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)，它的噴口面積與原噴口面積接近但具有很好的穩(wěn)燃功能。在安徽田加庵發(fā)電廠的400t/h鍋爐上應(yīng)用實踐證明：在燃燒煙煤，乏氣送粉的情