大容量锅炉高效低NOx旋流煤粉燃烧技术..pdf
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1、大容量锅炉高效低NOx旋流煤粉燃烧技术 编写:曾令艳博士 陈智超 博士后 校对:孙锐 教授 博导 审核:李争起教授 博导 批准:秦裕琨院士 哈尔滨工业大学燃烧工程研究所 2011年 4 月 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 1 页 1. 旋流燃烧技术的原理 旋流式燃烧器是其出口气流为旋转射流。气流旋转的情况有两种, 一种是一 次风粉气流和二次风都旋转, 一种是二次风旋转而一次风为直流。旋转气流离开 燃烧器喷口进入炉膛后, 在中心处形成回流区, 卷吸炉内的高温烟气至燃烧器喷 口附近,加热并点燃煤粉。并且,二次风不断和一次风粉混合,使燃烧过程不断 发展,臻于燃尽。 除了中心回流区的高
2、温烟气卷吸外,在燃烧器喷出气流的外围 也有高温烟气被卷吸。 旋流燃烧器依靠高温回流区作为稳定的热源,提高了火焰 稳定性,并可以单独组织燃烧。 2. NOx形成及分类 对于大型煤粉锅炉, NOx主要分为燃料型 NOx、热力型 NOx及快速型 NOx三 种。 燃料型 NOx是由燃料中 N元素转化生成的,它在挥发分着火后便开始生成, 主要受煤种和过量空气系数的影响。随着过量空气系数的增加, 燃料型 NOx生成 量增加,而且挥发分高的煤种受过量空气系数的影响高于挥发分低的煤种。 热力型 NOx是由燃烧空气中的 N2在高温下生成的, 它与温度关系很大, 在温 度小于 1500时生成量很少, 当温度大于
3、1500时,生成量明显增加, 同时热力 型NOx的生成量也随着过量空气系数的增加而增加。 快速型 NOx是燃烧时产生的烃 (CNi)等撞击燃烧空气中的氮气分子而产生 CN、HCN,然后 CN、HCN在火焰峰面处被氧化生成 NOx。 燃料型 NOx占全部 NOx的70%85%,热力型 NOx占15%20%,快速型 NOx 一般小于 5%,因此在煤粉炉中一般不予考虑。 3. 前苏联锅炉采用的旋流燃烧器 前苏联锅炉采用的旋流燃烧器多为蜗壳型旋流燃烧器,例如北京高井电厂采 用的双蜗壳燃烧器、 神华绥中电厂的切向叶片型燃烧器以及国华盘山电厂应用的 切向可调叶片型燃烧器均为前苏联生产的产品。 神华绥中电厂
4、燃烧器结构如图1所示,燃烧器由 4个通道组成,由内向外, 中 心投入中心风, 并装有火焰监视器;第 2层投入煤粉和一次风; 第3层投入循环烟 气;第 4层投入二次风。中心风、一次风、循环烟气均通过设置的轴向旋流叶片 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 2 页 产生旋流, 旋流叶片轴向角均为 40,且不可调。 二次风通过切向旋流叶片产生 旋流,旋流叶片的角度可调。锅炉机组共配备48只旋流煤粉燃烧器,分 4层对冲 布置在炉膛的前、后墙,每层装有12只。 1. 二次风2. 烟气3. 一次风4. 中心风 图1 神华绥中电厂燃烧器结构 1. 中心管2. 一次风通道3. 二次风可调叶片4. 二
5、次风通道5. 一次风固定叶片 图2 国华盘山电厂燃烧器简图 国华盘山电厂燃烧器结构如图2所示,中心管内是油枪和火检,一次风通道 内装有轴向固定叶片,叶片设计角度为45 ,二次风通道内装有切向叶片,叶片 角度可进行手动调节。图3是一次风通道现场照片。一次风粉混合物进入燃烧器 后,受轴向叶片的作用,产生一定的旋转。二次风切向进入燃烧器,经过环形通 道,与一次风同方向旋转,一次风脱离一次风喷口后,被二次风卷吸,在预混段 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 3 页 混合,一起喷入炉膛。其中,二次风叶片角度可通过手动调节装置进行调节,来 改变进入炉膛气流的旋流强度。 图3 国华盘山电厂燃烧器
6、一次风通道照片 3. 北京巴威公司采用的旋流燃烧器 北京巴威公司采用的旋流燃烧器多为强化点火双调风燃烧器(EI-DRB ), 例如神华内蒙古国华准格尔发电厂、西柏坡电厂#2炉、邯郸电厂 #11、#12炉、宁 夏大坝发电厂 #1炉。 强化点火双调风旋流燃烧器(EI-DRB)的结构如图 4所示。煤粉气流在一次 风管内经导向器和圆锥导向器后以直流的形式喷入炉膛。二次风分成两部分, 内 二次风道中设有轴向可动叶片,外二次风道中安装可调节的切向或轴向叶片,使 内、外二次风旋转。一般,一次风量占15%30%,内二次风量占 35%45%,外 二次风量占 55%65%。通过调节内外二次风的比例和气流的旋转强度
7、,可以调 节一、二次风的混合。 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 4 页 1- 导向器 2- 均流装置 3- 调风盘操作杆 4- 内二次风轴向叶片 5- 外二次风切向叶片 6- 外二次风通道 7- 内二次风通道 8- 窥视孔 图 4 强化点火双调风旋流燃烧器(EI-DRB )的结构示意图 4. 锅炉运行存在的问题及原因分析 1)前苏联锅炉蜗壳型旋流燃烧器 前苏联锅炉投运后, 经过各厂上下的共同努力, 机组能够达到额定负荷出力, 煤粉燃烧效率高,运行安全、稳定,但还存在低负荷稳燃能力差,排烟中NOx 含量较高及点火用油量大等问题。例如国华盘山电厂, 国家电站燃烧工程技术研究 中心在
8、2005年8月测得#1锅炉尾部排烟中NOx平均含量为599.5mg/Nm3; 华北电力科 学研究院在 2006年4月测得#1锅炉尾部排烟中NOx平均含量为 490.5mg/Nm3,未达 到当地对环保减排的要求。 产生以上问题的主要原因是现用的切向可调叶片型旋流燃烧器是早期产品, 技术落后,该燃烧器对 NOx影响分析如下: 旋流燃烧器依靠旋转射流形成的回流区作为稳定的热源,使煤粉气流及时着 火并稳定燃烧,在蜗壳型燃烧器中,煤粉由于离心力的作用,多被甩到旋转射流 外表面附近,大部分煤粉远离高温回流区,只能在回流区的外边流过, 使煤粉的 浓度分布和气流的温度分布不匹配,即高温回流区中煤粉很少, 其外
9、缘的附近低 温区却集中了大量的煤粉,没有形成有利于火焰稳定的高温、高浓度区域,不利 于煤粉的及时着火和稳定燃烧。 蜗壳型燃烧器出口一次风和二次风混合强烈,温度峰位高,有利于热力型 NOx的形成;一次风气流旋转,煤粉由于离心力的作用,多被甩到二次风中,使 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 5 页 风和粉混合均匀,煤粉在氧化性气氛下燃烧,不利于抑制燃料型NOx的形成,从 而使NOx排放量较高。 在一座冷态气固两相试验台上, 采用PDA激光测量系统研究了燃烧器出口的 两相流动特性。比较了一次风为旋转的蜗壳式燃烧器和中心给粉旋流煤粉燃烧器 的出口流场。 图5显示了蜗壳式燃烧器颗粒体积流量
10、分布,从图中可以看出,在蜗壳式燃 烧器中,旋转的一次风使煤粉分离到一次风管四周,在燃烧器出口与强烈旋转的 二次风相遇, 更迅速向四周分离, 显然这样的煤粉分布方式从各方面看都是不利 的。 图5 蜗壳式燃烧器颗粒体积流量分布 2)北京巴威公司强化点火双调风燃烧器 采用北京巴威公司强化点火双调风燃烧器的锅炉投运后,机组能够达到额定 负荷出力, 但是存在满负荷灭火、助燃油量大、低负荷稳燃性能较差以及排烟中 NOx 含量较高等问题。例如燃用烟煤的宁夏大坝发电厂#1炉 NOx排放量为 843.55mg/m 3(O 26%),未达到当地对环保减排的要求。 产生以上问题的主要原因主要是因为强化点火双调风燃烧
11、器一次风管中存 在一个均流装置,使大部分煤粉远离高温回流区,只能在回流区的外边流过,使 煤粉的浓度分布和气流的温度分布不匹配,即高温回流区中煤粉很少, 其外缘的 附近低温区却集中了大量的煤粉, 这就使得煤粉在还原性气氛的高温回流区中的 停留时间短,不利于煤粉的燃尽和抑制NOx的生成。 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 6 页 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 0 10 20 30 40-1 0 1 2 3 40.0 0.2 0.4 0.60.00.10.00.10.20.00.10.00.1 半 径 ( m m ) x=17.6 mm x/d=0.
12、1 x=52.8 mm x/d=0.3 x=88 mm x/d=0.5 x=123.2 mm x/d=0.7 x=176 mm x/d=1.0 颗粒体积流量 10 -6 m 3/m2s x=264 mm x/d=1.5 x=440 mm x/d=2.5 图6 强化点火双调风燃烧器的颗粒体积流量分布 强化点火双调风燃烧器的颗粒体积流量分布见图6。对于强化点火双调风燃 烧器,由于圆锥型导流体的导向作用,在各个截面,半径小于20mm的范围内, 颗粒体积流量很低。 在x/d=0.7的截面,强化点火双调风燃烧器在中心线附近才开 始出现明显的颗粒回流。在x/d=0.1-1.0之间的截面,在径向测量范围内,
13、强化点 火双调风燃烧器的颗粒体积流量呈双波峰单波谷分布。颗粒由位于燃烧器中心的 一次风通道喷出, 从而在距离中心很近的区域形成一个高的颗粒体积流量峰值区 域;颗粒在圆锥型导流体的导向作用下,迅速混入二次风中, 从而在靠近中心的 峰值区域外侧又形成了一个颗粒体积流量的高峰区。随着射流的发展, 二次风向 外扩散,在 x/d=1.5和2.5的截面,大部分颗粒已甩向了壁面,在壁面处出现了颗 粒体积流量的高峰区, 表明在第二峰值区域的颗粒沿着中心回流区的外侧流动或 穿越中心回流区的边缘。 因此这种一次风管中存在均流装置的旋流燃烧器不利于 煤粉的燃尽和抑制 NOx的生成。 5. 前苏联锅炉和采用北京巴威燃
14、烧器锅炉机组性能优化方案 (1)采用中心给粉旋流煤粉燃烧技术 在锅炉机组中采用中心给粉旋流煤粉燃烧器。 (2)在炉膛上部加开旋流OFA 喷口 在顶层燃烧器上方一定高度处开设一层或两层旋流OFA 喷口,用来进一步 降低排烟中 NOx 的含量。 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 7 页 6. 中心给粉旋流煤粉燃烧技术的基本原理 哈尔滨工业大学长期致力于煤粉高效、低NOx燃烧、稳燃、防结渣、防高温 腐蚀等方面技术开发及相关的基础研究,开发的系列“风控浓淡煤粉燃烧技术” 获2000年度国家技术发明二等奖及黑龙江省科技进步一等奖。承担的国家电力公 司科技项目“大型火力发电厂燃煤发电机组低N
15、Ox燃烧技术的研究”,采用浓淡 燃烧技术和炉内空气立体分级燃烧技术相结合,已经成功地降低了大型燃煤机组 的NOx排放。 哈尔滨工业大学的专利技术径向浓淡旋流煤粉燃烧器目前已经得到了广泛 的应用,并得到了用户一致好评,西柏坡电厂#1、#2炉30MWe机组锅炉、山东 黄岛发电厂 #3、#4炉200MWe机组锅炉、马头发电总厂#5、#6炉200MWe机组锅 炉、邯郸电厂 #11、#12炉200MWe机组锅炉、华能新华发电厂#1、#2、#3、#4炉 50、100MWe机组锅炉、哈尔滨热电厂 #4、#5炉50MWe机组锅炉、辽宁发电厂 #6、 #7炉50MWe机组锅炉都利用径向浓淡旋流煤粉燃烧器对其进行
16、过改造,并取得 了良好的效果。 哈工大在径向浓淡旋流燃烧器的基础上,开发出一种中心给粉旋流煤粉燃烧 器结构,如图 7 所示。中心给粉旋流煤粉燃烧器内二次风叶片采用16 个轴向弯 曲叶片,外二次风叶片采用12 个切向叶片。在燃烧器一次风通道中安装一个或 多个锥形分离器使煤粉集中于燃烧器的中心并喷入炉内,在一次风管、 内二次风 管和外二次风管出口安装扩口。 在燃烧器一次风通道中安装煤粉分离器,使煤粉集中于燃烧器的中心并喷入 炉内。在燃烧器中心区域形成高温高浓度区域,有利于稳燃。煤粉着火适时,保 证了煤粉的燃烧时间,因而可保证燃烧效率。煤粉集中在燃烧器的中心区域,可 有效地防止煤粉被甩到两侧墙上,因
17、而有利于防止结渣。 煤粉集中在燃烧器的中 心区域,减少了进入二次风中的煤粉量,易在水冷壁区域形成氧化性气氛,防止 水冷壁的高温腐蚀。 煤粉喷入位置正对中心回流区的中心部分,增加了穿过回流 区的煤粉量,并延长了煤粉在回流区的停留时间。使煤粉在还原性气氛中燃烧, 延长在还原性气氛中的停留时间,可有效抑制NOx 的形成。中心回流区为低氧 还原性气氛区,有利于抑制燃料型NOx 的形成。二次风分成了内外旋流二次风 两部分,通过调节风门挡板开度, 可改变二次风分级燃烧的程度。中心给粉与二 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 8 页 次风分级燃烧相结合,可实现最大限度的低NOx 燃烧。 7612
18、345 1. 一次风通道2. 看火孔3. 浓缩环4. 内二次风叶片 5. 内二次风通道6.外二次风叶片7. 外二次风通道 图 7. 中心给粉旋流煤粉燃烧器结构简图 在燃烧器一次风通道中锥形分离器后部插入微油气化油枪,采用油枪斜插入 燃烧器一次风道内引燃煤粉。油枪形成的高温火焰点燃燃烧器一次风道内煤粉, 并喷入炉膛,达到节油目的。油枪停用后,中心给粉燃烧结构未改变,仍为浓淡 燃烧,不影响浓淡效果,也不会产生油枪套管磨损问题。 图8显示了中心给粉燃烧器颗粒体积流量分布,从图中可以看出,在 x/d=0.1-0.7之间的截面,在径向测量范围内,颗粒体积流量呈双波峰、双波谷分 布, 靠近中心线的峰区为一
19、次风粉流动区域;靠近壁面的峰区为二次风流动区域。 靠近中心线的峰值远大与外侧的峰值,靠近中心线的波谷的绝对值也要大于外侧 波谷的绝对值,由中心给粉燃烧器结构知,颗粒由浓一次风通道直接喷入,从而 在燃烧器的中心附近形成一个高的颗粒体积流量峰值区域。中心给粉燃烧器随着 射流的发展, 中心线附近的颗粒体积流量开始降低。在x/d=1.0截面,靠近壁面的 峰值消失。 大容量锅炉高效低 NOx 旋流煤粉燃烧技术 第 9 页 0 10 20 30 40 50 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 -1 01 23 4 50.00.20.40.60.00.10.20.00.10.2
20、0.00.10.20.00.1 半 径 ( m m ) x=17.6 mm x/d=0.1 x=52.8 mm x/d=0.3 x=88 mm x/d=0.5 x=123.2 mm x/d=0.7 x=176 mm x/d=1.0 颗粒体积流量 10 -6 m 3/m2s x=264 mm x/d=1.5 x=440 mm x/d=2.5 图8 中心给粉燃烧器颗粒体积流量分布 7. 中心给粉旋流煤粉燃烧器和OFA 技术结合的性能特点 (1)NOx 排放量 煤粉喷入位置正对中心回流区的中心部分,增加了穿过回流区的煤粉量, 并 延长了煤粉在回流区的停留时间。使煤粉在还原性气氛中燃烧, 延长在还原性
21、气 氛中的停留时间,可有效抑制NOx 的形成。中心回流区为低氧还原性气氛区, 有利于抑制燃料型NOx 的形成。二次风分成了内外旋流二次风两部分,通过调 节风门挡板开度, 可改变二次风分级燃烧的程度。浓淡燃烧与二次风分级燃烧相 结合,可实现最大限度的低NOx 燃烧。同时,在炉膛上部加开OFA 喷口,实现 了炉内轴向空气分级燃烧, 降低了主燃区过量空气系数, 使主燃区还原性气氛增 强,可进一步降低烟气中NOx 的排放量。 (2)高温腐蚀问题 中心给粉旋流煤粉燃烧器在径向上实现了浓淡分级,产生了中心浓, 四周淡 的煤粉浓淡效果。 煤粉集中在燃烧器的中心区域,有效地防止煤粉被甩到两侧墙 上,增强了两侧
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