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      新型生物質燃燒機的燃燒機理分析

      作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.74q677.fun/news/780.html?????發布時間:2018-12-25 20:44
      導讀:新型生物質燃燒機的燃燒機理分析 摘要:分析了國內超臨界和超超臨界鍋爐采用的幾種新型生物質燃燒機的燃燒機理。主要特點是采用多級配風技術靈活控制燃燒器出口的生物質火焰燃

      新型生物質燃燒機的燃燒機理分析
      摘要:分析了國內超臨界和超超臨界鍋爐采用的幾種新型生物質燃燒機的燃燒機理。主要特點是采用多級配風技術靈活控制燃燒器出口的生物質火焰燃燒過程;實現著火初期低氧燃燒和火焰內NO,還原技術;在旋流式燃燒器內采用生物質濃縮技術和環形齒狀穩燃器或直流過渡風在噴口附近生物質氣流著火初期,加強熱煙氣回流和維持高溫及低氧燃燒,促進揮發分析出過程中的NOx還原,并實現快速著火和低負荷穩定燃燒;在APM型直流式燃燒器上采用帶擴壓管的縮放型小噴口結構,增強穩燃能力和維持高溫和低氧燃燒,促進NO。還原,并均衡火焰溫度,降低水冷壁的熱負荷;設置可調節燃盡風進一步提高爐內脫氮效果和提高燃燒效率等。
          引進技術國產化的新一代超臨界和超超臨界鍋爐都采用了新型生物質燃燒新技術其技術目標是:實現生物質的高效燃燒、低NQ排放、低負荷不投油穩定燃燒、保證水冷壁可靠運行和減小受熱面熱偏差等。國產化超臨界和超超臨界機組鍋爐采用與英國B 8NV公司、三井巴布科克能源有限公司、日立集團、三菱集團、阿爾斯通集團等合作的新型生物質燃燒技術,根據不同技術風格設計的各種燃燒器,其結構雖然各育區別,但燃燒機理具有一些共同的特點,展現出為實現同一目標而實施的不同技術構思。本文主要分析了國內超臨界和超超臨界鍋爐采用的幾種生物質燃燒機的結構改進和相應的燃燒機理為消化吸收各類燃燒器的技術優勢,改進燃燒器設計和運行技術提供參考。
      1  B&W最新DR B- 42 nu旋流式生物質燃燒機
          B &W公司最新開發的DRB-421M旋流式生物質燃燒器用于北京巴威公司供貨的600 MW超臨界鍋爐。燃燒器由入口一次風管道接口處的陶瓷內襯彎頭、錐形的擴散器、用以優化生物質氣流流場的導向器、用以調節過渡區氣流的可調節的滑動擋板、內外二次風的調節葉片、帶線性執行機構的風量調節盤、燃燒器風量指示器、配高能點火器的油槍、火焰探測裝置用套管和觀察孔等組成。
          DRB-421M燃燒器的主要特點是供風多級化,尤其是在一次風外圍設置了直流過渡供風,使生物質氣流在著火區形成穩定的回流區,卷吸足夠的高溫煙氣,同時形成可控的NO。還原區,即靈活控制二次風與生物質氣流的混合,在火焰內實現脫氮。燃燒器供風分為4部分:一次風空氣和生物質的混合物;環繞在一次風外圍的直流過渡風;旋流內二次風;旋流外二次風。燃料的初始燃燒階段發生在煤粉濃度比較高的噴嘴附近。直流過渡風的作用是推遲內二次風與著火后的生物質氣流的混合,增強生物質氣流卷吸火焰核心區高溫煙氣,同時火焰外圍富氧區形成的NO。被還原成氮氣。內外二次風按一定的比例通過調風器進入燃燒器,提供生物質充分燃燒所需的氧氣,并且在鍋爐爐墻附近倮持氧化性的氛圍。
          一次風粉混合物經過生物質管道輸送到燃燒器的入口彎頭時,在離心力的作用下,靠近彎頭外邊緣的一次風生物質濃度較高在入口彎頭后的一次風管內裝有導流器和錐形擴散器。導流器的作用是將燃燒器彎頭外側濃度較高的生物質氣流導入錐形擴散器,錐形擴散器由內部中心錐體和外部的擴散體組成。來自導流器的濃相生物質氣流與中心錐形體碰撞后分散到四周的擴散體,經過擴散體的生物質氣流沿燃燒器噴口內壁形成一股富燃料區氣流,噴口中心為淡燃料區。形成有利于提高生物質氣流的著火穩定性及降低著火區的NOx生成量。
          在鍋爐前后墻最上層燃燒器上布置燃盡風(over fired air, OFA),其噴嘴為軸向可調葉輪旋流式結構。采用滑動套筒來控制每個OFA噴口的空氣流量。進入每個OFA噴口的空氣分為中心風和外部風兩部分。中小風具有一定的穿透力,可以使空氣和爐膛深處的火焰混合;外部風具有一定的旋流強度,能促進可燃物和空氣的充分混合。OFA噴口的風量可以調節和控制,手動的可調風盤用以調節中心風的空氣流量;手動的可調節葉片用以調節外圍風的旋流強度;進入OFA噴口的二次風量由風箱入口的擋板來控制。
      2  日立NR3型生物質燃燒機
          四川東方鍋爐公司與巴布科克  日立公司合作制造的600 MW超臨界鍋爐和1000 MW超超臨界鍋爐采用日立技術的NR3燃燒器。NR3燃燒器由環形穩燃器、生物質濃縮器、外周空氣導管、調風器等組成。NR3燃燒器供風分為3個區域生物質由一次風送入,助燃風由內二次風和外二次風(或稱三次風)供給。
          控制最外圍的三次風的混合,可增強火焰內脫第4期樊泉桂:新型生物質燃燒機的燃燒機理分析氮效果。同時,三次風擋板開度影響NO。的產生量。文獻[2]給出的600 MW超臨界鍋爐同型燃燒器調節三次風時的運行數據表明,將三層燃燒器(每層4只)的三次風擋板開度沿爐膛左右分別優化調整為60%、35%、35%、60%時(二次風擋板開度全部為100%,下同),可以將NO。的質量濃度控制在500 mg/m3以下,飛灰可燃物質量分數控制在6.5%~6 7%(干燥無灰基揮發分為1 0.8%)。而文獻[3]給出的1 000 MW超臨界鍋爐同型燃燒器調節三次風時的運行數據表明,將每層燃燒器(每層8只)的三次風擋板開度沿爐膛左右分別優化調整為80%、50%、50%、80%、80%、50%、50%、80%時,可以將NO。的質量濃度控制在300 mg/m3以下,飛灰可燃物質量分數控制在2 5%~3.0%(干燥無灰基揮發分為39%)。
          NR3燃燒器能快速點燃生物質,維持高濃度煤粉火焰,急速降低著火區火焰中的氧氣的體積分數(著火區氧氣的體積分數約為0 8)。煙氣中產生的一部分NO在高溫缺氧火焰中被碳氫化合物分解,最終還原成N2,從而減少NO。的產生。
      2 1穩燃環
          穩燃器為陶瓷制的齒形環狀.生物質氣流在穩燃環的內側形成一次空氣旋轉射流,促進生物質氣流卷吸高溫煙氣并迅速著火燃燒。
          火焰穩燃環裝在生物質噴口的出口部位,其主要作用是:
          a)當生物質氣流繞過穩燃齒時,形成小渦流。在主回流區和小渦流區的共同作用下,促進未著火的生物質與高溫火焰接觸,使著火提rlIJ,增強火焰的穩定性。
          b)生物質顆粒流過穩燃齒日寸,其運動軌跡將向火焰中心區偏轉,使大部分生物質顆粒射入高溫煙氣回流區,從而在火焰核心區形成較高的生物質濃度。在生物質氣流著火區形成高濃度、高溫度、高湍動的條件,為生物質氣流盡快著火和穩定著火創造條件。
          c)在穩燃齒外裝設火焰穩燃環,以避免著火后的生物質氣流與內二次風過早混合,既利于生物質著火穩定,又可控制生物質氣流在著火區的燃燒進程,使火焰核心區形成NO。的還原區和分解區,提高了火焰內脫氮的能力。
          但是文獻認為,齒形穩燃器形成的生物質氣流旋流可能導致一次風外緣的較粗和較濃的生物質被甩向二次風氣流中,對低質煙煤和低揮發分煤的著火和燃燒產生不利影響。
      2 2生物質濃縮器
          生物質濃縮器安裝在生物質燃燒機的中心。生物質燃燒器末端為護展形狀。生物質氣流通過生物質濃縮器時,獲得周向運動的速度分量,從而使大部分生物質聚集在環形穩燃器四周,提高了穩燃環附近生物質的濃度,增強了生物質穩燃性,適應于低負荷穩定燃燒。生物質氣流在擴展管內流動時,由于煤粉氣流中的生物質粒子原先獲得相對高的動量,在慣性力的作用下沿直線向前運動,并集中于擴展管中心,使生物質粒子聚集在穩燃環附近。而空氣具有較低的動量,一次風中的大部分空氣留在漸擴的噴口內,氣流在漸擴噴口內流動的過程中膨脹擴展且流速降低,使得攜帶少量細微顆粒的一次風空氣流被迫從生物質氣流中分離出來。從而在燃燒器噴口中心形成高生物質濃度區域,在燃燒器出口部位形成高生物質濃度氣流,因此生物質氣流可被快速點燃并提高了火焰的穩定能力,即提高了不投油穩燃能力,同時在著火區缺氧狀態下又降低了NO。的生成量。
          生物質燃燒機的上部布置了一層主燃盡風噴口,主燃盡風噴口中心部分為直流風,其風速大,穿透力強,可到達爐膛中部;內二次風和外二次風可通過擋板調節風量,并通過可動旋流葉片調節氣流的旋流強度,增強燃盡風與可燃物的混合,以控制未燃盡碳。外二次風貼近水冷壁,在水冷壁周圍形成氧化性氛圍,以防止水冷壁結渣和腐蝕。燃盡風調節原理如圖6所示。
      3  旋流式濃淡生物質燃燒機
          國內某電廠600 MW超臨界鍋爐采用三井巴布科克技術設計的旋流式濃淡生物質燃燒機,其結構如圖7所示。燃燒器供風分為4級,一次風為生物質空氣的混合物,二次風通過軸向可動葉輪式旋流器產生旋轉射流,三次風(即外二次風)沿火焰外圍通過調節葉片形成弱旋轉氣流,既防止火焰貼壁,又滿足火焰后期可燃物與空氣的混合。其主要特點是在軸向可動葉輪雙調風旋流式燃燒器的基礎上,在內二次風和三次風之間又增設了直流四次風。直流四次風的主要作用是在高溫吠焰外圍形成空氣屏蔽推遲三次風與火焰的混合,以利還原火焰中的NO。。改進前后的二次風配風通道如圖8所示。三井巴布科克的實驗研究表明,改進后的配風可使NO。的生成量降低20%以上。針對中國某電廠燃用的貧煤(常村煤)進行的NOx排放量實驗表明,燃用貧煤時NOx排放量可控制在600mgm3(圖9)。圖9的數據還表明,對于高揮發分煤(干燥無灰基揮發分為39%),當控制氧氣的體積分數小于4%日寸,N0。排放量可控制在200 m∥m3。
          燃燒器一次風管進口部位裝設螺旋形均流器,生物質氣流在均流器的作用下,產生旋轉,并在一次一^』恥.君m~蜊鐸:喜喀rtroZ第4期樊泉桂:新型生物質燃燒機的燃燒機理分析風管中旋流向前。一次風管出口部位裝設4個生物質濃縮器,空氣生物質兩相混合物氣流在進入4個生物質濃縮器通道時,空氣的旋轉受到抑制,旋轉力減弱,基本上成為直流。而生物質顆粒則在慣性的作用下,向生物質濃縮器及附近密集,從而在每一通道中形成濃相和淡相生物質氣流,即生物質氣流在由旋流轉變為直流的過程中,完成了生物質氣流的濃淡分離和分布。因而在噴口出口的圓周上分布為4股濃相和4股淡相的直流生物質氣流,實現了旋流式燃燒器的濃淡生物質燃燒。濃淡旋流式燃燒器的噴口結構。
          在燃燒器上方的爐膛四壁上還設置高速OFA,使高溫火焰與高速OFA均勻混厶,促進燃料燃盡。
      4帶有中心風的旋流式燃燒器的燃燒機理
          帶有中心風的旋流式燃燒器的主要特點是:出口氣流在旋流二次風和中心直流風以及穩燃器的共同作用下形成兩個對稱的回流區,如圖11所示。從圖11可以看出,內二次風具有很強的旋流強度,使燃燒器出口氣流產生較大的回流區,由于中心風(三次風)的作用,促使生物質氣流中大部分生物質集中在2個回流區中,擴大了生物質氣流與回流區中熱煙氣的接觸面積。中心風的溫度為二次風熱空氣的溫度,控制中小風的風量和風速,可以調節熱煙氣回流區的大小,利于維持生物質氣流的穩定著火。同時在火焰初始階段,由于生物質濃度高,形成富燃料區,而在火焰外圍形成富氧區。即火焰形成二級燃燒,可實現低NOx燃燒。
          生物質氣流在出口處減縮形噴口的作用下形成濃淡生物質氣流的分離。其主要技術是利用了生物質氣流圖11帶有中心風的旋流式燃燒器的燃燒機理在燃燒器直段一次風管中的慣性力,在出口處減縮噴口的作用下,大多數顆粒較粗的生物質集中于減縮噴口的內壁附近,并隨流線軌跡而改變,依靠慣性力集中在出口中央處,形成濃生物質氣流;而顆粒較細的生物質在出口處擴張氣流的作用下,形成淡生物質氣流,從而實現濃淡生物質分離,并在中心風作用下,在濃淡生物質氣流之間形成錐狀環形熱回流區,擴大了生物質氣流熱回流面積,利于生物質氣流的盡快著火和穩定燃燒。
      5  A-PM型直流式生物質燃燒機
          由哈爾濱鍋爐廠為玉環和泰州等電廠提供的1000 MW超超臨界鍋爐采用三菱A-PM型燃燒器加MACT配風技術㈤。A-PM型燃燒器的火焰結構如圖12所示。
          值得注意的是,A-PM型燃燒器采用了帶有擴壓管結構的縮放形噴口,其燃燒機理如圖13所示。
          圖13左側的氣流流劫結構表明,不帶擴壓管的噴口射出的生物質氣流在噴口出口界面處由于靜壓第23卷圖13帶擴壓管的燃燒器的燃燒機理力降低,生物質氣流動能變大,形成加速流動,并在著火區由于生物質擴散,難于形成高濃度生物質氣流,因而既推遲著火位置,又難以形成NOx的高溫還原區,不利于實現火焰內脫氮和穩定燃燒。而帶擴壓管的噴口射出的生物質氣流在噴口出口界面處由于靜壓力升高,生物質氣流動能變小,流動速度減小,使生物質氣流在高溫煙氣回流區的加熱時間延長,并在著火區形成高濃度生物質火焰,穩燃效果增強,因而著火位置提前。同時有利于形成高溫還原區,促進NO。的還原,實現火焰內脫氮。
          圖13右側的氣流流動結構表明,帶擴壓管的PM型燃燒器噴口進一步使單個噴口的射流小型化這樣,濃生物質氣流和淡生物質氣流都可形成獨立的穩定回流區,即每一股小氣流的可控性提高。顯然更有利于穩定著火,并降低NO。的生成量。
          A-PM型燃燒器與A-MACT多級配風技術結合形成三菱燃燒技術的核心。A-MACT的技術是控制主燃燒區的燃料與空氣比為().8~0 9,在主燃燒器上方設置OFA供風,使主燃燒區產生的碳氫化合物被活化,并在OFA的上部留有足夠的空間,使主燃燒區生成的NO。到達OFA區時,由于缺氧而被還原成N2。在主燃燒器的上二次風OFA噴曰上部再設置一層附加空氣輔助風還原區的未燃盡物進入燃盡區后與輔助風供風混厶,被充分燃燒。
      6結束語
          本文分析了新型生物質燃燒機的技術特點和燃燒機理,其主要特點是燃燒器配風多級化;設置火焰內高溫還原區,以利于控制NO。的措施;采用煤粉濃縮技術和環形穩燃器或帶擴壓管的噴口結構增強著火區的熱煙氣回流穩定燃燒;利用特殊設計的生物質濃縮器,旋流式燃燒器可實現沿圓周方向的濃淡生物質燃燒;改進燃盡風的配置,提高爐內脫氮的效果并提高燃燒效率。
          國內的運行數據和國外的實驗研究數據表明,煤質特性是決定NO。的排放量的首要因素。即便采用新型燃燒器,NO。的排放量差別也較大。對于干燥無灰基揮發分為49%~39%的高揮發分煤,可制在200~300 mgm3;對于干燥無灰基揮發分為10% N13%的低揮發分煤,可控制在500~600 m∥m30可見對于著火和燃盡特性比較差的煤,為了穩定著火,必須維持著火區和爐膛內的高溫狀態,這就制約了NO。的還原和分解,排放量必然提高,這仍然是目前的技術難以克服的障礙。

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