| 達冠生物質燃燒機的穩燃性能分析 |
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鄭州達冠節能環保設備有限公司
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生物質燃燒機的穩燃性能分析 摘要：針對生物質燃燒機燃燒低揮發份煤的穩燃問題，介紹了擴口、擴錐、濃淡燃燒、齒環穩燃器等國內外的穩燃措施，采用數值方法模擬了生物質燃燒機一次風流場，詳細分析了生物質燃燒機的流場特性。分析得出，擴口、擴錐、濃淡燃燒等穩燃措施沒有考慮煤粉氣流進入爐膛與高溫煙氣的迅速混合問題。在這些穩燃措施的流場中，煤粉氣流進入爐膛，除脈動外，首先沿回流區外緣流動，向外張，而不是迅速與熱煙氣混合，因此，對于低揮發份煤不能起到良好的穩燃作用。提出了解決旋流燃燒穩燃問題的新的研究方向，拓展了穩燃理論，介紹了花瓣形穩燃器，為旋流燃燒穩燃技術的發展提供了新思路。 我國貧煤、無煙煤等低揮發份煤的資源極其豐富但這些煤種由于揮發份釋放速率低，著火溫度蒜可燃性能差，極不易著火與燃盡，調峰運行十分困難。 國內對于難燃的低揮發份煤，習慣采用四角切圓燃燒方式。但隨鍋爐容量的增加，氣流余旋在爐膛出口和水平煙道所產生的流場與溫度場的不均勻性也增大。據統計，200 MW機組爐膛出口煙溫最大偏差約為100℃300 MW機組爐膛出口最大煙溫偏差約為100℃～150℃600 MW機組爐膛出口最大偏差約為150℃～200℃，有些甚至可達180℃～第3期趙伶伶，等：生物質燃燒機的穩燃性能分析 。365。240℃”，鍋爐過熱器和再熱器甚至頻繁發生爆管事故，影響鍋爐運行的安全性和可靠性。 生物質燃燒機在爐膛中一般采用對沖布置，爐內流場不存在整體旋流，火焰充滿度好，流場均勻；在爐膛出口處和水平煙道內煙氣溫度也比較均勻，不存在四角切圓燃燒特有的爐膛出口氣流余旋，而造成流場和溫度場的嚴重不均。因此，對大容量鍋爐，多數采用生物質燃燒機。 傳統觀念認為：生物質燃燒機一般只燒Q。》16.8 MJ/kg,y【>25%的煤，很少設計用于燃燒低揮發份煤（貧煤、無煙煤）。對以生物質燃燒機燃燒低揮發分煤的深入研究，在國內尚屬空白。對于低揮發分煤，單純的煤粉濃度和氣流初溫等因素不足以在離噴口附近即行著火，針對我國進口大容量鍋爐(300 MW功率以上)多數采用墻式布置的生物質燃燒機的現狀，對生物質燃燒機的穩燃問題應進行深入研究。因此，需要對其進行詳細的流場分析。本文首先介紹國內外生物質燃燒機穩燃措施，然后進行其流場特性分析，最后提出解決穩燃問題的新的研究方向。 1 國內外穩燃措施 1.1擴口、擴錐 一般生物質燃燒機的一次風管或二次風管或二者都采用擴口，這已成為普遍現象。擴口對氣流起著一定程度酌導流作用，增加擴口角度可以使回流區加寬，增大回流區與高溫煙氣的接觸面積。 有些燃燒器出口設有擴流錐，也稱為鈍體。氣流經過其后，產生“脫流”，在它后面出現一個回流區。圖1所示為一軸向葉片型生物質燃燒機，一次風出口處裝有一蘑菇型擴流錐，擴流錐尾跡的回流區有助于煤粉氣流的著火。擴流錐的形式多種多樣，對于無中心風管的煤粉燃燒器，擴流錐固定在燃燒器中心桿上；國外另一種擴流錐為多層錐形圈，也稱多層盤式穩燃器。 擴流錐的位置可以伸縮，可以調節一次風的出口速度和氣流擴散角的大小，在燃用低揮發份煤時，習慣將擴流錐的錐角增大，以增加高溫煙氣的回流，但同時也增加了煤粉顆粒與擴流錐表面撞擊的幾率，撞擊后失去動能的煤粉顆粒，將從氣粉流中分離出來，未燒完就掉落到鍋爐的冷灰斗中，形成不完全燃燒損失。 1.2氣流旋轉 對于燃用貧煤和無煙煤的生物質燃燒機，一般采用二次風更強烈（與燃燒煙煤相比）的旋轉，即采用更大的旋流強度，有時對一次風也施加旋轉，企圖造成更多的高溫煙氣回流，許多進口鍋爐在一次風中靠近風粉氣流出口處插入葉片式或螺旋槳式穩燃器造成一次風粉氣流旋轉，以加快難燃貧煤和無煙煤的著火燃燒。 但氣流的旋轉強度過大，會加速一、二次風之間的混合；一次風的旋轉更使一次風中的煤粉顆粒快速向二次風側擴散，反而會推遲煤粉氣流的著火，因此，僅采取加強氣流旋轉的措施不能解決貧煤和無煙煤的穩定燃燒問題。 1.3濃淡燃燒器 濃淡燃燒器‘3（圖2），通過在一次風管內加裝百葉窗式濃淡煤粉分離器，將風粉氣流分為內濃外淡兩股。將濃相煤粉氣流走內圈的設計，是為了讓它在進入爐內后直接與回流區的高溫煙氣接觸，有利其著火；淡相細煤粉在外圈，著火燃燒并不困難。為了增加回流區的尺寸和高溫煙氣的回流量，中心風管在出口處采用了角度較大(40。)的擴口。不過現有濃淡煤粉燃燒器有其缺點，即容易造成結渣舊。 此外，據某些電廠反映，這種濃淡燃燒器在燃燒揮發份較低的煤時效果并不理想。其原因可能在于百葉窗分離器的濃淡分離效果被中心風管擴口的導。向作用所抵消：高速濃相煤粉氣流在中心風管擴口的引導下在燃燒器出口處又與速度相對較低的淡相煤粉氣流混合；此外粗煤粉慣性大，甚至會穿過淡相風粉層沖向二次風氣流區，并過早地與二次風混合而影響燃燒效果。而且中心風管擴口的角度過大會導致與煤粉顆粒的碰撞，不利于煤粉的完全燃燒。 1.4齒環穩燃器 這一技術存在于進口鍋爐中，在一次風管中加裝齒環形或齒形穩燃器是許多進口鍋爐用于穩定燃燒的技術。齒形或齒環形穩燃器有裝在一次風粉氣流外緣的，也有裝在內緣的。圖3是德國Babcock公司DS燃燒器H上的齒環穩燃器示意圖，該齒環穩燃器裝在一次風粉氣流外側。此外法國S teinmuler公司的SM-IV型燃燒器舊，美國（加拿大）B硎公司的典型DRB-XCL燃燒器‘61等也均將齒形穩燃器裝在一次風粉氣流外側。丹麥B8NV Enegy公司則將齒環穩燃器附著在一次風粉氣流內側或內側和外側均裝齒環穩燃器。 齒或齒環穩燃器由～圈小齒（或再加一圓環）組成。其目的是在齒的背流面形成許多小渦流，如圖4所示，以穩定煤粉氣流的著火。附著在一次風粉氣流外側的齒形或齒環形穩燃器形成的回流區，處于一、二次風之間的環形區域，回流區的溫度不高，僅靠這一回流區難于穩定煤粉的著火燃燒，但它有適當阻止一次風與二次風過早混合和阻擋煤粉（特別是粗煤粉）向二次風擴散的趨勢，還可以讓適量煤粉顆粒進入高溫內回流區，對煤粉穩燃有一定作用；附著在一次風內側的齒形或齒環形穩燃器有助于高溫煙氣的回流，對煤粉氣流的著火燃燒有一定作用。 齒形和齒環形穩燃器的主要缺點，一是齒太小，其在背流面所形成的小渦流可能不穩定，穩燃效果不顯著，二是齒和齒環均非流線形，流動阻力大，容易遭受煤粉氣流的磨損，壽命短。因此，本文認為，裝在一次風外緣的該型穩燃器在降低NO。排放方面性能較好，但對低揮發份燃料的燃燒不具備特殊的優越性。 1.5運行參數調節 此外，適當降低一次風速和風率（提高煤粉濃度），采用熱風送粉，控制煤粉細度，以及妥善處理三次風等也可起到穩燃作用，但這些調節手段一般還受到其他因素的限制，常配合其他穩燃方式，起到輔助作用。 2生物質燃燒機流場特性 生物質燃燒機是利用旋轉氣流形咸有利于著火的回流區以及氣流混合強烈的特點來燃燒煤粉的。回流區外層是溫度較低的二次風，起助燃作用。對煤粉的著火起決定作用的是煤粉氣流與高溫煙氣的接觸與熱交換，因此，本文重點研究一次風的流場特性。 2.1 常規生物質燃燒機的流場及燃燒特點 所謂‘常規”是指我國在生物質燃燒機中采用較多的軸向葉片式生物質燃燒機。這類燃燒器是靠二次風（或二次風與一次風）旋流及出口加裝擴口或擴錐而形成爐內高溫煙氣的反向回流來加熱煤粉氣流并使之著火燃燒的。中心回流區的存在是這類燃燒器的重要特點，它為煤粉的著火提供主要熱量來源。回流區的外邊界是一速度梯度很大的剪切層，剪切層在回流區尾部匯合，使煤粉氣流閉合。 本文采用數值計算方法㈤，模擬出不同中心風管擴口角度下一次風的流場分布，如圖5、圖6所示，從圖中可明顯看出回流剪切層的形狀變化。高溫流體的熱量隨回流帶到燃燒器出口部位，剪切層 流體的脈動及流體的卷吸使高溫回流流體與煤粉氣流之間發生熱、質交換，加熱煤粉氣流，直至著火燃燒。所以，生物質燃燒機的煤粉氣流是在剪切層附近開始著火燃燒的，并由內向外擴展。 回流區向煤粉氣流提供的著火熱來源于兩方面：一是回流高溫煙氣的熱量，其大小既取決于回流第3期趙伶伶，等：生物質燃燒機的穩燃性能分析 。367。煙氣溫度的高低和回流量的多少，還取決于回流煙氣與風粉氣流混合的強烈程度；二是進入回流區中煤粉顆粒的燃燒熱，其量取決于進入回流區的煤粉顆粒量及其在回流區的燃燒程度。 在風粉氣流與回流區之間的剪切層邊界上，風粉氣流與回流區流體之間發生質交換。剛從燃燒器流出的風粉氣流，動能較高，將回流區流體卷吸到其內表面與風粉氣流平行流動；沿風粉氣流流向在剪切層后部區域，風粉氣流的動能明顯降低，卷吸能力減弱，相反，在流動過程中風粉氣流范圍擴張，回流區寬度尺寸逐漸變小，部分風粉氣流因被擠壓而穿過剪切層進入回流區，并折向作反向流動，成為回流流體。回流區流體質量的守衡條件是在火焰根部被風粉氣流卷吸的回流區流體的質量應與剪切層后部由風粉氣流折回至回流區的流體質量處于平衡。在剪切層邊界上，在風粉氣流與回流區之間還進行著固相（煤粉）顆粒的交換。剪切層流體的脈動是風粉氣流與回流流體之間的氣相質交換和固相質交換的動力，但脈動速度較小，是主流速度的百分之幾（比主流速度約小二個數量級），對固相質交換而言，流體脈動只會導致極微細煤粉顆粒的遷移，而且，脈動造成的遷移是隨機的。另一糞固相質交換是隨被卷吸的回流流體帶出回流區和隨被擠壓的風粉氣流進入回流區的氣相交換過程中發生的。在組織旋流燃燒時應著重注意后一類固相的質交換。 在剪切層邊界上還發生熱交換。沿流體的流動方向，在剪切層不同位置將發生方向或大小不同的熱交換過程。在剪切層后部區域，在揮發份充分燃燒并有部 分焦碳也開始燃燒風粉氣流溫度大幅度提高的情況下，熟流方向是由風粉氣流指向回流區的；當風粉氣流中燃燒所產生的熱量不足以大幅度提高其溫度時，熱流方向則仍然是由回流區指向風粉氣流。維持回流區高溫流體溫度的條件是，在火焰根部區域，從回流區傳遞給風粉氣流的熱量應與剪切層尾部區域由風粉氣流傳遞給回流區流體的熱量保持平衡。當后者在數量上不能補償前者時，回流區中流體溫度就要降低，直至發生火焰滅火。在這種情況下，采取僅提高回流量的措施是難以強化燃料燃燒的，因為回流量提高意味著回流區中也有溫度不高的氣流加入，不足以維持回流區的溫度水平。 如果能夠讓風粉氣流中較多的煤粉顆粒，尤其是粗煤粉顆粒進入回流區，對強化燃料的燃燒是有利的：一方面，煤粉在回流區內有較多的停留時間，對粗煤粉燃盡有利；另一方面，煤粉在回流區內燃燒可補充回流流體一部分熱量。 分析流場圖（圖5和圖6）看出：中心風管擴口角度增大時，回流區范圍擴大，回流量增加，對煤粉氣流的著火和穩燃將有所改善，但風粉氣流與回流煙氣之間的熱質交換機理仍然主要是剪切層上流體的脈動，脈動產生的熱質交換強度比宏觀對流強度要低很多。從這一觀點出發，目前采取的中心風管加裝擴口、擴錐、一次風旋流等措施，很難說能根本上強化低揮發份燃料的燃燒。 2.2徑向速度場及擴口角度對流場的影響 圖5和圖6上還示出了流場中徑向速度為零的線，該曲線左邊，徑向速度為正值，曲線右邊則為負值。由圖看出，徑向速度零值線大概以中心回流區最寬邊界為分界，在回流區最寬邊界左邊（靠近燃燒器），徑向速度為正值；在最寬邊界右邊（遠離燃燒器），徑向速度為負值。 由回流流體（高溫煙氣）指向主流流體（煤粉氣流）的正向徑向速度和由主流流體指向回流流體的負向速度的存在，有利于兩流體之間氣、固兩相的熱質交換。由這兩幅圖還可以看出，煤粉氣流在進入爐內后，直至回流區最寬邊界這段距離上，由于擴錐面的引導，在煤粉氣流中也存在正向的徑向速度。該徑向速度不僅會使氣流向外擴展，還會引導氣流中的煤粉顆粒向外擴散，致使在煤粉氣流進入爐內后，煤粉顆粒沿氣流外緣流動，無形中增加了煤粉顆粒進入回流區的障礙。當旋流二次風加入后，這種現象將更加嚴重。 因此，擴流錐擴口角度的增加，雖然增加了回流區的回流量，但同時也提高了煤粉氣流進入爐內時的正向徑向速度，煤粉顆粒‘趨外”的趨勢更加明顯。煤粉顆粒將更難從煤粉氣流中進入回流區。對于低揮發份煤的著火燃燒這是丙個相互矛盾的因素，這也是加裝擴流錐或增加擴流錐外擴角度無法根本改善低揮發份燃料著火燃燒的另一個原因。 此外，大擴口還會造成煤粉氣流撞擊錐面的動量損失，使部分煤粉撞擊后還未來得及燃燒就直接落入冷灰斗，造成爐渣不完全燃燒熱損失及擴口的磨損。 3穩燃原理的拓展 對于低揮發份煤，單純的煤粉濃度和氣流初溫等因素還不足以在離噴口附近即行著火，在此本文提出為穩定煤粉燃燒，可供選擇的有效途徑有：①增加進入中心回流區的煤粉量，以提高中心回流區的煙氣溫度；②提高煤粉氣流與高溫煙氣熱質交換的強度。要增加湍流混合換熱強度，光靠煤粉氣流與回流區外邊界的脈動是不夠的，還必須加大煤粉氣流與熱煙氣的摻混強度，例如在射流的內部或側面形成強烈擾動，采用各種辦法在煤粉氣流的內部或外側形成高溫煙氣的回流區，促使高濃度煤粉氣流進入回流區，強化高溫煙氣對煤粉氣流的加熱等。 基于上述原理，東南大學提出了一種新型穩燃裝置，花瓣穩燃器障胡(圖7)0該型穩燃器，除中心回流區外，煤粉氣流的內部和外側形成軸向和徑向多種回流區，流場分布如圖8所示，使煤粉與高溫煙氣強烈混合；解決了傳統燃燒器煤粉顆粒迅速向二次風擴靚不利于煤粉著火的現狀；同時使部分煤粉犄別是粗煤粉粒顆在離開燃燒器噴口時能立即進入高溫回流區，在回流區中著火燃燒并反復循環，從而強化了高溫煙氣對煤粉氣流的加熱。該型燃燒器存在一個較大的負氧燃燒區，對降低NOx十分有利。 4結 論 本文通過模擬空預器現場工作環境，獲得了空預器在正常工況、出現火情時的圖像信息，通過小波包變換，對分解后系數熵進行分析，得到一組特征集，以此對空預器工況進行識別，試驗結果表明，可以準確地判斷出空預器是否發生火情。基于該方法的鍋爐空氣預熱器熱點檢測系統已經成功應用于國內外數臺200 MW容量以上的發電機組上。
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