大容量锅炉新型旋流生物质燃烧机技术的研究

大容量锅炉新型旋流生物质燃烧机技术的研究
    茌我国的能源生产和消费结构中，生物质炭一直占主导地位，生物质炭产量占全国一次能源生产总量的75%左右。我国动力燃料的特点是生物质种多变、生物质质偏差。近年来，由于电力生产用生物质的长期供应不足，发电用生物质品质进一步下降。旋流生物质燃烧机在我国电站锅炉及其它生物质粉应用领域占有一定的比例，从国外进口的300 MW及其以上容量机组很多采用旋流燃烧器。进口机组在运行日寸，普遍存在一些问题，如生物质种适应性差，低负荷稳燃能力差等。为了解决此问题，国内学者展开了广泛的研究。文献『1～4]提出*5期陈智**，等：大容量锅炉新型旋流生物质粉燃烧技术的研究了新型的旋流生物质燃烧机，并对其工作机理和影响因素进行了试验研究和理论分析。针对某厂两台采用EI-DRB型生物质燃烧机的1025 t/h炉存在的问题提出了浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机，在此基础上得出了中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧机，并进行了锅炉冷、热态实验研究。
1锅炉燃烧设备简介及存在的问题
    西柏坡发电有限责任公司厂1、2锅炉是由北京巴布科克。威尔科克斯有限公司制造的B跚B一1   025/18. 3-M型固态排渣生物质粉锅炉。采用钢球磨中间储仓式热风送粉系统。锅炉配有24个B跚B司标准的EI-DRB型旋流生物质燃烧机，其结构简图如图1所示。24只生物质燃烧机分为3层，前后墙对冲布置，标高分别为18 955 mrn、22 460 mm、25 965 mm。在锅的前、后墙各有一个14 090 mmX10 954 mmX2 438mm（宽×高×厚）的隔仓式大风稳每个大风箱由隔板分成3个隔仓，对3排生物质燃烧机进行配风。EI-DRB型生物质燃烧机为双调风形式，是为了降低NO。排放而开的一种燃烧技术，有8个内二次风轴向叶片，12个外二次风切向叶片，内、外层二次风的旋转方向是一致，内层二次风用来引燃生物质粉，外层二次风用来补充己然烧生物质粉所需的空气，使之完全燃烧。二次风的旋转强度可以改，旋转气流将炉膛内的高温烟气卷吸到生物质粉着火区，使生物质粉得到点燃和稳定燃烧。
  以上问题主要是由于原型生物质燃烧机设计结构不合理造成的。EI- DRB型生物质燃烧机空气动力场不合理，试验表明，在实际运行工况下，EI-DRB型生物质燃烧机扩展角小，没有回流区。EI-DRB型生物质燃烧机的氕固流动特性不合理，A，D．Lane对EI- DRB型生物质燃烧机的气固流特性进行了分析[91，一次风粉在扩流装置的导向作用下，生物质粉主要集中在一次风管边壁部分，形成浓生物质粉区；正对回流区中心部分的生物质粉少，形成淡生物质粉区（图1）。浓生物质粉到达生物质燃烧机喷口后，在预混段的作用下，与二次风提前混合，生物质粉被带入了低温的二次风中燃烧，而中心的高温回流区中生物质粉少，不易形成高温、高浓度区域。因此，该生物质燃烧机的稳燃能力差。原设计是通过调节二次风门挡板的开度来改变内、外层二次风风量的分配，从而调节整个气流的旋转强度。而实际运行中调节不灵活，不能在较佳状态下运行。
3浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机在1025 t/h锅炉上的应用
3.1  浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机
    哈尔滨工业大学在1993年提出的径向浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机是综合高浓度生物质粉燃烧技术和旋流式生物质燃烧机稳定火焰的原理而设计利卜8】。径向浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机已在燃用贫生物质、烟生物质、烟生物质与贫生物质的混生物质的220 t/h、410 t/h和670 t瓜锅炉上先后应用，实现了高效、稳燃、低污染、防结渣和防高温腐蚀燃烧。在应用过程中发现径向浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机的中心扩锥存在磨损问题，特别是在燃用烟生物质的锅炉中，一次风率高，磨损问题严萤，在4年大修期之内就需要更换中心扩锥。为了解决中心扩锥磨损的问题，在径向浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机的基础上，针对1025 th锅炉，提出了浓淡旋流生物质粉生物质燃烧机。
    浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉闱的结构简图如图2所示。为了解决中心扩锥磨损的问题，浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉进一步减小了中心扩锥但出于工程稳妥方面的考虑，保留了中心扩锥。取消了径向浓淡燃烧器的中心管，考虑浓缩环的支撑，设置了1个直径为+50 mm的耐磨棒。考虑到生物质粉颗粒的惯性，取消了隔离浓淡生物质粉气流的环形钢板。在一次风扩口和中心钝体之间加装了导流环和浓一次风扩口。一次风。620。经过生物质粉浓缩器进行浓淡分离，含粉浓度较高的气流走内侧环形通道，含粉浓度较低的淡气流走外侧环形通道，形成浓淡燃烧。二次风采用双通道式调风器，内层通道利用轴向弯曲叶片产生旋转气流作为内二次风，外层通道为不旋转的直流风作为外二次风，利用旋转的内二次风和不旋转外二次风的不同比例混合来改变出口气流的旋流强度。旋转气流产生的回流区卷吸高温烟气先点燃容易着火的浓生物质粉气流，进而引燃外侧的淡生物质粉气流。
    对1号锅炉下层生物质燃烧炉进行了技术改造，采用了浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉，并进行了空气动力场实验。将中层EI-DRB型生物质燃烧炉的内二次风叶片置于60。、外二次风叶片置于300、调风盘置于全开位置。根据电厂提供的实际运行风速，利用等温模化技术得出模化的一、二次风速，并保掎浓淡生物质燃烧炉与EI-DRB型生物质燃烧炉的一、二次风量基本相同。通过短飘带观察生物质燃烧炉的回流区和气流的扩展角。试验参数和结果如表1所示，表中D为生物质燃烧炉较外层扩口直径（1 217 mm）。图3给出了两种生物质燃烧炉的空气动力场结构，可以看出EI-DRB生物质燃烧炉在实际运行工况下没有回流区，扩展角小；浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉的扩展角较大，有明显、稳定的回流区，扩展角大，可卷吸足够的高温烟气及时引燃生物质粉。
3.3热态工业试验
3.3.1燃烧调整试验
    通过锅炉热态试验，得出了适于1 025 t/h燃生物质锅炉的运行方式，试验表明：1号炉下层生物质燃烧炉采用浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉后，锅炉可以在300 MW的电负荷下稳定运行，炉膛负压稳定，主蒸汽压力、主蒸汽温度达到了设计要求。经过一系列燃烧调整后，锅炉效率达到92. 02%，锅炉效率提高了0.11%。在额定负荷，保持中下排给粉机转速接近，上排给粉机转速不低于400 r/min,锅炉燃烧的经济性较好；各层二次风挡板全开时运行的经济性优于其它的挡板开庋组合的经济性；两台磨运行的经济性**三台磨运行的经济性。
3.3.2较低负荷稳燃试验
    1号锅炉下层生物质燃烧炉采用浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉后，进行了不投油较低负荷稳燃试验。首先降低上层生物质燃烧炉的给粉量，当电负荷降低到160 MW时，依次停运上层的8只生物质燃烧炉和后墙中层生物质燃烧炉，负荷稳定在135 MW，稳定时间为3h，主蒸汽温度为523.8 aC,主蒸汽压力为15. 05 MPa,排烟温度为132℃炉膛负压稳定，表盘监测的火焰强度和频率变化不大，较低负荷率达45%。
3.3.3生物质种适应性
    在全国生物质炭供应紧张的大环境下，生物质种波动大的情况下，该厂没有采用该技术的3号、4号锅炉由于火焰不稳及结渣而导致了多次灭火事故的发生。浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉的生物质种适应性好，在燃用贫生物质、无烟生物质和贫生物质的混生物质时，1号锅炉在高负荷和低负表1浓淡生物质燃烧炉与EI-DRB型生物质燃烧炉的空气动力场试验参数和结果
4.1  中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧炉的提出
    1号炉下层生物质燃烧炉采用浓淡生物质燃烧炉后，锅炉可以在300 MW的电负荷下稳定运伉炉膛负压稳定，主蒸汽压力、主蒸汽温度达到了设计要求。在2004
年小修期间，发现浓淡生物质燃烧炉的中心扩锥磨损严重，但没有发生影响运行的现象，磨损后的中心扩锥如图4所示。中心扩锥的圆锥型钝体由耐磨棒固定、支撑，从图4中可以看出，迎着着气流方向，中心扩锥迎风面磨损严重，只剩下中心部分的耐磨棒。为了解决中心扩锥的磨损问题，同时进一步降低NO。的排放，2003年李争起教授提出了中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧炉。
    中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧炉内二次风叶片采用16个轴向弯曲叶片，外二次风叶片采用12个切向叶片，去除了浓一次风口、导流环和中心扩锥，如图5所示。其主要特点是不设置中心管，生物质燃烧炉一次风通遒位于生物质燃烧炉的中心，一次风为直流，在生物质燃烧炉一次风通道中安装一个或多个锥形分离器使生物质粉集中于生物质燃烧炉的中心并喷入炉内。生物质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生物质粉量，并延长了生物质粉在回流区的停留时间，有利于生物质粉的燃尽。这种中心给粉生物质燃烧炉即解决了浓淡生物质燃烧炉存在的中心扩锥的磨损问题又减小了一次风阻力，同时有利于安装和维修。一次风通道看火孔大风箱浓缩环风二次风外二次风通道
4.2炉内冷态模化实验
    对2号锅炉下层生物质燃烧炉进行了技术改造，采用了中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧炉，并进行了空气动力场试验。利用等温模化技术，得出模化的一、二次风速，并保持中心给粉生物质燃烧炉与EI-DRB型生物质燃烧炉的一、二次风量基本相同。试验参数和结果如表2所示，图6是中心给粉的空气动力场结构。试验表明：生物质燃烧炉具有大且稳定的回流区，并有较大的扩展角，能够满足稳定燃烧的需要，试验结果与试验室冷态试验结果相符。
4.3热态工业试验
4.3.1  额定负荷
    通过锅炉热态试验，得出了适于1025 t/h燃生物质锅炉的运行方式，试验表明，2号炉下层生物质燃烧炉采用中心给粉生物质燃烧炉后，锅炉可以在300 MW的电负荷下稳定运行，炉膛负压稳定，主蒸汽压力、主蒸汽温度达到了设计要求，在燃用贫生物质时（Vdaf一18. 4~必一7.80%，4。，=26.50%，Q。。，。- 23 323 kj/kg），锅炉热效率达到92. 06%，锅炉效率较改造前提高1.46个百分点经济效果明显。 
4. 3.2低负荷试验
    2号锅炉下层生物质燃烧炉采用中心给粉旋流生物质燃烧炉后，燃用随机生物质质进行了低负荷试验。试验时生物质质为：V~= 21. 35%，蚴一7.10%，4。，= 29. 42%，Q。m。一23 162 kJ ~go首先降低上层生物质燃烧炉的给粉量，当电负荷降低到160 MW日寸，依次停运上层的8只燃烧器和后墙中层生物质燃烧炉，负荷稳定在140 MW,稳定时间为2h，主蒸汽温度为523.8℃主蒸汽压力为15. 05 MPa,排烟温度为132 0C,炉膛负压稳定，炉膛火焰监视电视图象正常，锅炉整体运行状况良好。火焰白亮，表盘监测的火焰强度和频率变化不大，较低负荷率达47%。
4.3.3生物质种适应性
    在全国生物质炭供应紧张、生物质种波动大的情况下，该厂没有采用该技术的3号、4号锅炉由于火焰不稳及结渣而导致了多次灭火事故的发生。中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧炉的生物质种适应性好，在燃用贫生物质、无烟生物质和贫生物质的混生物质时（混合比为1：1），采用该技术的2号锅炉在高负荷和低负荷下均可稳定运行。
4. 3.4   NO。排放试验
    在额定负荷，采用习惯运行方式，没有进行任何调整的工况下，投运A、B、C磨，对2号锅炉的NO，的排放量进行了测量，NO，的排放量为1 113 mg/N ff13，在运行情况基本相同的情况下，1号锅炉的NO。的排放量为1 206 mg/Nm3。仅下层采用该技术的锅炉与同类型没有采用该技术的锅炉相比NO。排放量降低93—ng/Nm3，降幅达8%0可以设想，若将锅炉的24只生物质燃烧炉全部更换为新型生物质燃烧炉，锅炉的NO。将进一步下降。
5  生物质燃烧炉性能及经济效益
    中心给粉生物质燃烧炉与EI-DRB旋流生物质燃烧炉相比有明显、稳定的回流区，扩展角大，可卷吸足够的高温烟气及时引燃生物质粉可以满足实际电厂运行的需要。中心给粉生物质燃烧炉与浓淡生物质燃烧炉相比流场变化不大，但中心给粉生物质燃烧炉解决了浓淡生物质燃烧炉存在的中心扩锥的磨损问题，又减小了一次风阻力，同时有利于安装和维修。
    下层生物质燃烧炉采用浓淡生物质燃烧炉后，1号锅炉可以在135 MW的电负荷下不投油稳定运行，低负荷稳燃能力强。2002年的助燃油为1 869t，2003年的助燃油为269 t，2003年的助燃油比2002年的助燃油降低1 600 t，按照每吨燃油3 000元计算，节约480万元。
    下层生物质燃烧炉采用中心给粉生物质燃烧炉后，2号锅炉可以在l40 MW的电负荷下不投油稳定运行，低负荷稳燃能力强。2003年的助燃油为1  152 t，2004年的助燃油为138 t，2003午的助燃油比2002年的助燃油降低1 014 t，按照每吨燃油3000元计算，节约304万元。由于改善炉内燃烧而提高了经济性，2号锅炉效率提高了1. 46%，每年节生物质10 794.6 t，按照每吨生物质300元计算，每年节约324万元，生物质燃烧炉改造对节生物质的贡献率约为50%，由生物质燃烧炉改造所带来的节生物质经济效益约为162万元。2号锅炉下层生物质燃烧炉采用中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧炉后每年可节约466万元。
6结  论
    针对某厂采用EI-DRB型生物质燃烧炉的1025 t瓜锅炉稳燃能力差的问题，在径向浓淡生物质燃烧炉的基础上，提出了浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉，锅炉冷、热态试验表明：1号锅炉下层生物质燃烧炉采用浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉后，解决了锅炉稳燃能力差的问题。在1号锅炉小修期间，发现浓淡生物质燃烧炉的中心扩锥磨损严重，但没有发生影响运行的现象。在浓淡旋流生物质粉生物质燃烧炉的基础上，针对生物质燃烧炉存在的问题，提出了中心给粉旋流生物质粉生物质燃烧炉，2号锅炉下层生物质燃烧炉采用中心给粉燃烧器后，既解决了锅炉稳燃能力差的问题，又彻底避免了中心扩锥的磨损，同时，NO。排放量有所降低。