電廠鍋爐W型火焰燃燒發(fā)展與改進(jìn)之我見

引言：我國的能源大部分是一次性能源，雖然能源的總體儲(chǔ)備量較大，但是隨著社會(huì)的發(fā)展，能源的消耗速度也是越來越快，我們除了大力發(fā)展可再生資源外，也要提高不可再生能源的利用率，本文重點(diǎn)介紹了大型電廠鍋爐的發(fā)展和W型火焰燃燒技術(shù)的發(fā)展和改進(jìn)。

一、我國大型電廠鍋爐的發(fā)展

我國電廠鍋爐已進(jìn)人大容量、高參數(shù)、多樣化、高度自動(dòng)化的發(fā)展新時(shí)期。到目前為止已投運(yùn)的500-800MW機(jī)組已有近40臺(tái)；300MW以上的超臨界壓力機(jī)組已有12臺(tái)投入正常運(yùn)行；900MW的超臨界壓力機(jī)組也在建設(shè)中。對(duì)于爐型，既有通常采用的“∏”型布置鍋爐，也有大型塔式布置鍋爐；既有四角切圓燃燒、墻式燃燒方式，也有“U”和“W”型下射火焰燃燒方式；既有固態(tài)除渣、液態(tài)除渣鍋爐，也有倍受關(guān)注的循環(huán)流化床鍋爐。燃用煤種從褐煤、煙煤、劣質(zhì)煙煤、貧煤直到無煙煤一應(yīng)俱全。作為煤粉燃燒鍋爐機(jī)組不可缺少的磨煤機(jī)，特別是中速磨煤機(jī)，RP、HP、MPS、MBF等，均已普遍運(yùn)行在鍋爐輔機(jī)上，雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)也打破了普通鋼球磨煤機(jī)一統(tǒng)天下的局面。

二、在能源緊張的形勢(shì)下，W型火焰鍋爐燃燒存在的問題

在我國已探明的煤炭?jī)?chǔ)量中，無煙煤約占15%。在能源日趨緊張的情況下，更好地利用這些資源，是今后研究的重要課題之一。W型火焰鍋爐由于采用了煤粉濃縮、長(zhǎng)火焰、分級(jí)送風(fēng)燃燒、敷設(shè)衛(wèi)燃帶等技術(shù)措施，有利于燃料的著火、火焰的穩(wěn)定以及燃料的燃盡，從而使鍋爐在煤種適應(yīng)性、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力、飛灰燃盡率等方面的優(yōu)勢(shì)大大提高，在我國電站中得到了廣泛的應(yīng)用。 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，W型火焰鍋爐在運(yùn)行過程中存在著各種各樣的問題：空氣與煤粉在燃燒后期混合較差，影響燃燒的燃盡過程，導(dǎo)致鍋爐的燃燒效率不高，表現(xiàn)為飛灰含碳量大幅度提高，這有悖于W型火焰鍋爐燃燒無煙煤的原設(shè)計(jì)意圖；對(duì)干燥無灰基揮發(fā)分低的無煙煤，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)還不能完全停用助燃油；爐膛溫度控制過高，鍋爐配風(fēng)存在不合理的地方，造成運(yùn)行中NOx排放量高，易結(jié)渣等問題。因此，有必要研究W型火焰鍋爐的燃燒特性。 作者對(duì)國內(nèi)各W型火焰鍋爐運(yùn)行情況的分析研究表明，上述問題的產(chǎn)生除與煤質(zhì)有關(guān)外，還與鍋爐爐膛及燃燒器的設(shè)計(jì)與布置（包括磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)）有關(guān)。

三、W型火焰爐燃燒技術(shù)發(fā)展

我國電站鍋爐燃用低揮發(fā)分煤種已有50余年歷史，在上世紀(jì)80年代初投運(yùn)了一批容量為670t/（配200MW機(jī)組）的國產(chǎn)切圓燃燒干態(tài)排渣爐，上世紀(jì)90年代起投運(yùn)了一批容量為1025t/h（配3MW機(jī)組）的國產(chǎn)干態(tài)排渣爐。上述機(jī)組的投運(yùn)標(biāo)志若國在燃用低揮發(fā)分煤的電站鍋爐大型化方面取得了足夠的進(jìn)步，但同時(shí)也存在著機(jī)組可靠性不高、飛灰可物高、負(fù)荷調(diào)節(jié)幅度小等問題。W型火焰燃燒過程分為3個(gè)階段：第一是著火階段。燃料在低擾動(dòng)狀態(tài)下以較低的速度和較小的一次風(fēng)率自上而下引入爐膛，相應(yīng)提高了火焰根部的溫度，延長(zhǎng)了煤粉氣流在著火區(qū)的停留時(shí)間，對(duì)著火有利；第二是燃燒階段。由于二次風(fēng)與三次風(fēng)的高速引入，混合強(qiáng)烈第三是輻射冷卻階段。煙氣進(jìn)入上部爐膛，除繼續(xù)以低擾動(dòng)狀態(tài)使燃料燃盡外，還受到爐膛輻射受熱面的冷卻。W型火焰燃燒方式的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)：一是在著火與穩(wěn)燃方面。起始階段，由于煤粉自上而下進(jìn)入爐膛，故一次風(fēng)速低（10--5m/s），煤粉在低擾動(dòng)狀態(tài)下著火引燃，有利于著火點(diǎn)的形成；采用旋風(fēng)分離式燃燒器，從磨煤機(jī)出口的風(fēng)粉混合物中分離掉一部分空氣，經(jīng)燃燒器送入爐瞠的是高濃度煤粉空氣混合物，使著火熱減少，于著火有利。在前后拱上都可布置燃燒器，使燃燒器數(shù)量增加，單個(gè)燃燒器的容量可設(shè)計(jì)得小一些，有利于著火燃燼；高溫?zé)釤煔庾韵露狭鞒鱿聽t膛之前，有一部分熱煙氣回流至燃燒器出口處的著火區(qū)域，對(duì)一次風(fēng)煤粉進(jìn)行加熱。燃燒器出口處水冷壁一般敷設(shè)有衛(wèi)燃帶，提高了著火區(qū)溫度，于著火有利，而且，負(fù)荷變化時(shí)對(duì)爐膛影響不大，故有利于穩(wěn)燃與調(diào)峰。二是在燃燒與燃燼方面。二次風(fēng)沿火焰行程逐漸加入已著火的煤粉氣流中，符合無煙煤燃燒延緩的特點(diǎn)，對(duì)燃燒和燃燼有利：爐膛充滿度好和爐膛容積熱負(fù)荷低，使煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，有利于燃燼。因此，W型火焰燃燒方式尤其適合無煙煤燃燒，而且可根據(jù)實(shí)際燃煤的揮發(fā)分多少來調(diào)節(jié)一次風(fēng)煤粉濃度、熱風(fēng)溫度等，改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)和衛(wèi)燃帶面積等，就可擴(kuò)大煤種的適應(yīng)范圍。當(dāng)然，W型火焰鍋爐也存在一些不足之處，主要有：①空氣和煤粉后期混合較差，不利于燃料的燃盡；②由于爐瞠下部斷面約為常規(guī)燃燒方式鍋爐的兩倍，為保證著火及火焰穩(wěn)定，必須敷設(shè)大面積的衛(wèi)燃帶，從而導(dǎo)致結(jié)渣；⑨爐膛結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜而且尺寸較大，因而造價(jià)較高；④NOx排放量較高，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。

四、在高溫燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)W型火焰鍋爐燃燒器

高溫空氣燃燒技術(shù)是一種新型的燃燒技術(shù)，它在燃燒條件、反應(yīng)機(jī)理、火焰特征等方面均不同于傳統(tǒng)的燃燒技術(shù)，其核心是使得進(jìn)入燃燒室的空氣溫度達(dá)到1000℃左右的高溫，并將燃料燃燒的前期和中期組織在一個(gè)還原性氣氛下。因?yàn)槿紵窃诟邷貤l件下進(jìn)行的，可燃范圍擴(kuò)大，含氧量只要大于2%，就可保證穩(wěn)定燃燒。燃燒過程類似于一種擴(kuò)散控制式反應(yīng)，不再存在局部高溫區(qū)，在這種環(huán)境下NOx生成受到抑制。同時(shí)在這種低氧環(huán)境下，火焰體積明顯增大，甚至可以擴(kuò)大到整個(gè)燃燒室空間，整個(gè)燃燒空間形如一個(gè)溫度相對(duì)均勻的高溫強(qiáng)輻射黑體。 依據(jù)高溫空氣燃燒理論設(shè)計(jì)的煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器，其一次風(fēng)煤粉氣流在出口前有一預(yù)熱室，利用射流卷吸燃燒器噴口外的高溫回流，煤粉在離開燃燒器前在燃燒器的預(yù)熱室中會(huì)被快速預(yù)熱至高溫。煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器具有很寬的煤種適應(yīng)性，特別適用于揮發(fā)份低的煤種，它將煤粉濃縮和煤粉預(yù)熱結(jié)合起來，確保了煤粉的快速、穩(wěn)定著火，同時(shí)可以改善鍋爐燃燒效率，降低NOx的排放量，減輕或消除爐膛結(jié)渣等問題。 在此基礎(chǔ)上，作者提出了W型火焰鍋爐燃燒器的改造方案。其核心技術(shù)思想是，充分利用煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器的優(yōu)勢(shì)，在目前無法保證煤粉細(xì)度的實(shí)際狀況下，盡可能地解決無煙煤著火難、穩(wěn)燃難、燃盡難的問題，體現(xiàn)在以下方面：（1）通過卷吸燃燒器噴口外的高溫回流對(duì)一次風(fēng)粉混合物進(jìn)行預(yù)熱，提高其初溫；（2）適當(dāng)提高一次風(fēng)粉混合物的噴出速度，延長(zhǎng)煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間；（3）通過調(diào)整各擋板開度及時(shí)補(bǔ)充二次風(fēng)。 盡管受實(shí)際條件的限制，針對(duì)陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司W(wǎng)型火焰鍋爐燃燒器的改造方案尚未付諸實(shí)踐，但是分析表明，該方案不僅具有可靠的理論依據(jù)，而且結(jié)合了陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司W(wǎng)型火焰鍋爐的實(shí)際情況?？梢灶A(yù)測(cè)，該方案的實(shí)施必將改善陽城國際發(fā)電有限責(zé)任公司W(wǎng)型火焰鍋爐的性能，對(duì)其它W型火焰鍋爐的改造及運(yùn)行調(diào)整也具有一定的參考價(jià)值和借鑒作用。

作者簡(jiǎn)介

王宇航，男，本科，工作單位：商丘裕東發(fā)電有限責(zé)任公司發(fā)電部，鍋爐主控員。

（作者單位：河南省商丘裕東發(fā)電有限責(zé)任公司發(fā)電部）