「W」型火焰鍋爐的技術特點及優勢、燃燒器和燃燒脈動

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「W」型火焰鍋爐的技術特點及優勢、燃燒器和燃燒脈動簡介
        通常,國內外將可燃基揮發份Vdaf<10%的煤列為無煙煤。無煙煤具有含碳量多、揮發份低、機械強度高……
「W」型火焰鍋爐的技術特點及優勢、燃燒器和燃燒脈動正文
        通常,國內外將可燃基揮發份Vdaf<10%的煤列為無煙煤。無煙煤具有含碳量多、揮發份低、機械強度高、質硬、密度大、內孔隙小、不易研磨、揮發份析出溫度高、導熱性差、著火困難、著火溫度高、熱穩定性差、燃燒時化學反應速度緩慢,不易燃燼等特性,在無煙煤的燃燒中要著重解決著火、穩燃、燃燼三個主要問題。為此,從燃燒學考慮,對無煙煤的燃燒,有如下要求:
(1)、原煤磨細。因為煤粒越細小,加熱到著火溫度愈快,反應的表面積增大,即提高了風粉混合物的著火品質。一般,取煤粉細度R90與煤的揮發份數值相近。
(2)、高的一次風粉混合物濃度。儘可能維持低的空氣份額,加速煤粉吸熱,使風粉混合物在燃燒器附近達到著火溫度。
(3)、高的一次風粉混合物進口溫度和燃燒空氣溫度。這樣可以減少加熱時間,易於著火。
(4)、低的一次風粉混合物出口速度。為延長煤粉在燃燒器噴口附近的停留時間以及改善煤粉空氣混合物的加熱條件,應選用較小的速度。
(5)、燃燒空氣分級輸入。為進一步改善加熱和著火條件,必須根據燃燒進程分階段輸入空氣。
(6)、長的燃燒路程。為使碳粒充分燃燼,就應使燃料顆粒有一個儘可能長的燃燼路程。
(7)、著火區域具有高的燃燒室溫度和燃燒室壁溫,以使煤粉儘早地達到著火條件。
       國內無煙煤的燃燒實踐表明,採用四角切圓燃燒的無煙煤爐,效率低,無油助燃負荷高,不能調峰。
      國外無煙煤鍋爐實際表明,以美國FW公司為代表的「W」火焰鍋爐,在許多國家已取得令人滿意的效果。該爐型在著火、穩燃、燃燼三方面都採取了有效措施,無煙煤鍋爐效率可達90%以上,無油助燃最低負荷可達40%左右,最低揮發份可達Vdaf=4%。這就從根本上解決了無煙煤鍋爐燃燒癥結。
       拱型爐膛「W」火焰固態排渣爐,由美國FW公司首創,為法國和日本等吸收並發展起來。爐膛由下部拱型著火燃燒室和上部輻射燃燒室組成。著火燃燒室敷設衛燃帶,以改善無煙煤的燃燒工況。燃燒室的前後拱上布置燃燒器。一、二次風向下噴出,著火的煤粉氣流向下形成「W」火焰再向上進入輻射燃燒室。其主要技術特點為:
(1) 採用分級送風的雙拱絕熱爐膛
  「W」型火焰鍋爐,採用雙旋風筒式燃燒器,錯列布置在前後牆的兩個拱上。下爐膛一般都根據不同煤種敷設不同面積的衛燃帶,用以減少下爐膛水冷壁吸熱,從而提高著火區和燃燒區的溫度。雙拱爐膛配以下射式燃燒器,形成「W」型火焰,使得燃料顆粒在爐內有足夠的行程和停留時間,保證無煙煤的燃燼。「W」型火焰鍋爐燃料所需的空氣只有很小一部分從拱上送入(通過主燃燒器噴口、乏氣噴口以及它們周圍的環形噴口),大部分燃燒空氣通過拱下前、后牆上的二次風分層送入爐膛。這種布置能保證二次風在煤粉著火后及時地補充燃燒所需要的空氣,因而是最適合燃燒反應緩慢的低揮發份特性的無煙煤。此外,這種分級送風亦可降低NOX的生成,對於減少環境污染是有利的。煤粉向下噴射燃燒和合理配風,避免了火焰沖刷爐牆。同時,在爐膛冷灰斗處設有少量邊界風,在爐膛四周形成氧化性氣氛,可有效地防止爐膛結渣。
(2) 採用旋風分離式煤粉濃縮型燃燒器
     旋風分離式煤粉濃縮型燃燒器在拱上的布置見簡圖。煤粉氣流同時切向進入兩個並列的旋風分離式燃燒器,在離心力的作用下,大量煤粉顆粒被甩到分離器外壁,含粉較少的乏氣在筒中心部分被引出,從而提高了燃燒器噴口下射主煤粉氣流的煤粉濃度,有利於著火。
燃燒器出口段裝有消旋葉片,噴出煤粉氣流的旋流度可以控制到很小,且氣流溫度低,圓形噴口氣流剛性好,所以主煤粉氣流的穿透力強,避免了火焰上飄,發生「短路」。
旋風分離器中心管引出的乏氣在拱*近爐膛中心部位送入爐膛,乏氣煤粉濃度雖然很低,但煤粉顆粒很細,且送入部位爐膛溫度高,因而也能充分燃燼。
     這種拱上燃燒器具有多種調節火焰的手段:
1) 乏氣風擋板
2) 主噴口周圍環形風擋板
3) 主噴口內消旋葉片位置
4) 垂直牆上二次風擋板
5) 垂直牆中二次風擋板
6) 垂直牆下二次風擋板
     鍋爐負荷的增減是通過增減燃料(煤粉)並同時按比例增減送入的風量來實現的。改變乏氣風擋板開度,改變消旋葉片在噴嘴中插入深度,以及改變主噴口周圍環形二次風量的大小和垂直風牆上風量的分配,均能改變火焰行程及擴展的形狀。各種調節手段將根據煤質變化加以調節。
(3) 配用雙進雙出鋼球磨煤機正壓直吹式燃燒系統
     正壓直吹式燃燒系統結構緊湊、簡單,操作方便,改變一次風量即能改變磨煤機負荷,因而鍋爐負荷響應速度快,是大容量煤粉鍋爐首選的經濟燃燒系統。無煙煤的著火和燃燼都比較困難,在整個負荷範圍內,特別是低負荷時均要求較高的煤粉細度,而雙進雙出磨煤機最能滿足上述要求。

W形火焰鍋爐燃燒技術優勢:

1 一次風速比四角切圓鍋爐更低,即允許降低一次風速。對於無煙煤,一次風速可降低至10~15m,而四角切圓爐一般為20~22m,因此「W」爐允許的風煤比可降低很多,減少了著火熱,使煤粉氣流易於著火。

2 由於燃燒器布置在雙拱上,其噴口向下,故「W」爐易於實現煤粉的分離濃縮技術,煤粉濃度可提高到1.5~2.0kg煤粉/1kg空氣(一般的煤粉濃度為0.3~0.7kg煤粉/1kg空氣)。煤粉濃度的提高,可以大幅度減少煤粉氣流的著火熱,有利於提高低反應煤的著火穩定性。

3 「W」火焰的燃燒中心就在煤粉噴嘴出口附近,煤粉噴出后就直接受到迴流高溫煙氣的加熱,從而提高了火焰根部的溫度水平,對著火有利。

4 拱形爐膛為煤粉著火創造了有利條件:拱下為煤粉著火區,爐膛拱部對煤粉起「屏蔽」作用,使煤粉氣流不會受到爐內其它不正常煙氣流動的衝擊和影響。這有利於低揮發份煤的著火和穩定燃燒。

5 爐膛設計為雙拱絕熱爐膛,根據燃用煤種的特性在拱部和下爐膛四周合理敷設衛燃帶,用來提高爐內火焰溫度和煤粉著火穩定性。

6 「W」形火焰在爐膛內的行程較長,即可以延長煤粉顆粒在爐內的停留時間,這對提高低反應煤的燃燼率非常有利。

7 一般與雙進雙出鋼球磨匹配,應此在低負荷時煤粉較細,這有利於低負荷穩燃;另外,由於在負荷變化時,下部著火爐膛火焰中心溫度變化不大,因而負荷調節性能好,在較低負荷運行時可以不投油或少投油助燃。由於強化了穩燃條件,在單燒無煙煤或無煙煤與貧煤的混煤時,最低不投油的穩燃負荷可達到40%~55%。

8 與四角切圓燃燒方式相比,單個燃燒器的可調節性比較強,爐出口沒有煙氣的殘餘旋卷,爐水平煙道煙氣流速與煙溫偏差小、汽溫偏差小。

9 空氣可以沿著火焰行程逐步加入,易於實現分級配風,分段燃燒,有利於低揮發份無煙煤的著火和燃燒。

10 「W」形火焰在下部著火爐膛底部向上反向流動時,可使部分飛灰分離出來,減少了煙氣中的飛灰含量。

 「W」形火焰燃燒方式所採用的燃燒器簡介

1 、 PAX型雙調風旋流燃燒器  
         
1.1 PAX型燃燒器是在雙調風旋流式燃燒器的基礎上,增設了PAX裝置(將煤粉氣流中的部分冷風分離出來形成分級風,並在燃燒器內送入熱空氣加熱煤粉氣流)的新型煤粉燃燒器。它由內外環形通道、旋流葉片、可動葉片、入口彎管、出口擴錐、乏氣抽出管等組成。如河北上安電廠#1,2鍋爐。
   1.2  工作原理:來自雙進雙出球磨機的一次風粉氣流在通過燃燒前的彎頭后,由於離心力的作用,絕大多數煤粉顆粒被分離出來,集中在一次風管中,這部分濃縮后的煤粉與增壓風機送來的熱風均勻混合併被加熱,然後噴入爐膛。分離出來的含有10%的煤粉,這股氣流經乏氣管引入下爐膛燃燒,還可以補充後期燃燒所需的氧量。濃縮后一次風的煤粉溫度提高,有利於著火與穩燃。旋流燃燒器引入的內外二次風可及時卷吸高溫熱煙氣並適時補充燃燒所需的空氣,有利於著火與燃燼。
   1.3  燃燒調整:調節內環形通道的旋流葉片,能改變二次風的旋流強度,以適應煤種及負荷的變化,保持燃燒穩定;內二次風量的大小是由單獨的風門控制的,此風門可沿軸向拉動,用來調節空氣入口間隙即內二次風量的大小;調節外環形通道的可動葉片開度,能改變外二次風量的大小,可調節整個射流的旋卷強度及剛性。燃燒所需的空氣除了從拱上通過燃燒器內外二次風套筒引入爐膛外,在下爐膛前後牆適當位置布置了分級風,分級風采用風牆形式,形成水冷壁四周的富氧氣氛,既有效地抑制了NOx的生成,並能防止水冷壁的結渣。設置分級風,使燃燒器的調節性能進一步提高。高負荷時,減少分級風,增大燃燒器二次風量,可使火焰增長,火焰中心下移,燃燒停留時間延長,有利於燃燼。但對於難燃煤,如果燃燒器的二次風量過多則會影響著火穩定性。低負荷時,增大分級風,減少燃燒器的二次風量,有利於穩定著火及燃燒。
      2  雙旋風筒分離式煤粉燃燒器
      2.1  雙旋風分離式煤粉燃燒器的設計著眼點是煤粉濃縮,並提供多種調節手段,以適應無煙煤的燃燒。它由煤粉進口管、煤粉均分器 、雙旋風筒、煤粉噴嘴、乏氣管、乏氣擋板、旋風調節桿/葉片組成。如貴州安順電廠#1,2鍋爐,山西陽泉電廠#1,2爐,湖南株洲電廠#13,14爐。
     2.2  工作原理:一次風粉混合物經煤粉管道輸送到燃燒器,然後均分器將其分成兩股分別切向進入兩個旋風筒。一次風粉混合物在旋風筒中旋流前進,因離心分離作用,煤粉與一次風分離,煤粉被旋至筒壁附近,而一次風(即乏氣)留在筒中心。乏氣管安裝在筒中心位置,能將部分乏氣抽出並送入爐拱上部*近爐膛中心的部位燃燒。乏氣管上裝有乏氣擋板,可改變抽出的乏氣量而調節煤粉噴嘴出口的煤粉濃度及速度。煤粉噴嘴中還裝有旋流調節葉片,可調節煤粉出口的旋流強度以調節火焰形狀。
     2.3  燃燒調整:二次風采用多級送風,每個燃燒器的二次風分為6股,即A、B、C、D、E、F,A、B、C由爐拱部位送入,其風量約佔二次風量的30%~40%;D、E、F由拱下方的垂直牆上送入,其風量約佔二次風量的65%~70%。增大A、B風量可提高煤粉氣流的穿透能力,增強熱空氣與可燃物的混合強度,減少煙氣中飛灰可燃物含量,提高燃燒效率。但是,A、B風量過大時,會造成火焰沖刷冷灰斗,引起結渣。正常運行時,F層二次風比例最大,接近50%,其主要供給燃燒後期所需要的氧,並增強後期可燃物與空氣的混合。C層風主要供給油燃燒器的風量及冷卻風量。D、E層風對燃燒的影響相對較小,煤質變差時,可適當關小。
3  直流縫隙式燃燒器:
我國有珞璜電廠某「W」火焰鍋爐,岳陽電廠#1,2「W」火焰鍋爐均採用此種燃燒器。
 

W火焰鍋爐燃燒脈動:

       當發生燃燒器燃燒脈動時,某個或某幾個燃燒器的燃燒工況會發生強弱相間的周期性變化,在就地的看火孔處可以看到火焰明暗交替地周期性變化,此時的鍋爐負荷可能變化也可能不變化,這與發生脈動的燃燒器的熱功率、脈動的強度以及控制系統有關。

       當燃燒器出力、鍋爐供風以及燃燒調整不平衡時,必然會導致一些燃燒器的著火條件變差,煤粉著火推遲,燃燒速度降低。由於W火焰鍋爐爐膛內敷設有大量的衛燃帶,並且有較大的爐膛容積,所以鍋爐熱慣性較大,溫度變化較慢,火焰的燃燒行程較長。對於無煙煤,由於其含碳量較高、揮發份較低,著火和燃盡都相對比較困難,需要較長時間,進一步增加了鍋爐的熱慣性。當鍋爐的燃燒工況發生變化時,爐膛溫度的響應慢,可能會導致著火較差的燃燒器的燃燒工況達到某一臨界狀態,引起燃燒脈動。

       例如,在升負荷過程中,一次、二次風速增加,會使得燃燒器著火區域的散熱量增加;同時爐膛溫度的升高,會使得煤粉的著火條件改善。在此過程中,如果某些燃燒器著火區域散熱量的增加對燃燒產生的負面影響大於由爐溫提高而產生的正面影響,就會使燃燒器的著火條件隨負荷升高逐漸變差。當達到某一臨界值時,會使得該燃燒器的燃燒情況突然惡化(可穩定著火的煤粉所佔比例突然大幅減少)、燃燒器的熱功率大幅下降。同時,鄰近的燃燒器也必然會受到影響,而導致燃燒工況變差,熱功率減小,機組負荷下降。此時,若增加燃料量。隨著燃料量的增加,爐膛溫度升高,使得煤粉的著火條件改善,發生燃燒惡化的燃燒器的著火情況迅速好轉(可穩定著火的煤粉所佔比例突然大幅增加)、燃燒器熱功率大幅增加,機組負荷快速上升。由於前期燃料量的過量供給,必然會導致機組負荷的上升超過設定值。此時,若減少鍋爐的燃料供給量,減弱燃燒,爐膛溫度下降。著火較差的燃燒器的燃燒情況又會逐漸變差,發生燃燒惡化……周而復始,產生鍋爐整體燃燒脈動。在這種情況下,燃燒的脈動幅度一般會隨著負荷的升高而增大,當達臨界狀態時會發生鍋爐滅火。

    另外,一次風管流動阻力不均,也會發生流動脈動而引起鍋爐燃燒脈動。
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