W型火焰锅炉的燃烧机理及应用介绍
Combustion Mechanism and Application of W- shape Flame Boiler
(250002) 山东电力研究院　车　刚　苗长信　郭玉泉
摘　要　　通过现在电站锅炉中普遍存在的问题来说明W型火焰锅炉在燃烧无烟煤方面的巨大优势,阐述其燃烧机理,讨论其具有的优缺点,并介绍在国内的应用状况。
关键词　W型火焰锅炉　燃烧机理　应用
Abstract 　Advantages of the W- shape flame boiler on firing anthracite are discussed through the questions of utility boilers in our country. Combustion mechanism and relative merits of this boiler are analysed . At last , application of the W- shape flame boilers in our country is introduced. Key words 　W- shape flame boiler 　Combustion mechanism 　Application
中图分类号:TK223. 23 　　　　文献标识码:B 　　　　文章编号:1007 - 9904 (2002) 04 - 0039 - 03
1 　前言
依据我国目前的燃料政策和能源利用情况,电站锅炉主要燃用煤种为无烟煤、贫煤、劣质烟煤等低反应、劣质煤种,燃烧无烟煤的电站约占总数的24. 2 %。我国的无烟煤储量丰富,分布广泛,随着晋东南及川南、黔西无烟煤的进一步开发利用,电站锅炉燃用无烟煤和低挥发分贫煤的数量还将大幅增加。
国内的电站锅炉在燃烧无烟煤时主要选用固态排渣煤粉炉并采用直流燃烧器四角切圆燃烧方式,虽然积累了许多宝贵的经验,但在实际运行中普遍存在着火不好、燃烧不稳定、燃料灰熔点低时易结渣、飞灰可燃物含量高以及低负荷燃烧必须投油等问题;国内外围绕此类问题依据强化无烟煤燃烧的措施在无烟煤燃烧技术开发和推广方面作了大量的工作,取得了的不少成果,研制了许多新型燃烧器和预燃室,如煤粉旋流预燃室燃烧器、钝体燃烧器、火焰稳定船燃烧器、浓淡燃烧器、大速差同向射流燃烧器、PAX( Primary Air Exchange) 型燃烧器、夹心风燃烧器等,这些燃烧器在应用中取得了一定的效果,但仍然存在一些问题不能解决。所以美国CE 公司、FW 公司、英国Babcock 公司、法国Stein公司、德国MAN 公司等公司对于劣质煤,特别是低挥发分的无烟煤,大都倾向于采用U 型、W型火焰燃烧技术,认为Vdaf 低于10 %的煤必须采用U 型或W型火焰锅炉,目前W型火焰锅炉已在上述国家被广泛用来燃烧无烟煤。
2 　无烟煤燃烧的强化措施
从燃烧学和实践经验的角度可以得出强化无烟煤燃烧的如下技术措施:
(1) 提高煤粉细度。煤粒愈小,加热到着火温度就愈快;磨得细,反应的表面积增大,风粉混合物的着火品质得到提高。法国Stein 公司提出无烟煤通过200 目筛子的通过率应在90 %以上。
(2) 提高一次风中的煤粉浓度。要使风粉混合物在燃烧器喷口附近就达到着火温度,就应具有较高的煤粉浓度,尽可能的维持较低的空气份额,加速煤粉的吸收热量。日本三菱公司的实验研究结果表明燃用无烟煤时风煤比以0. 8 kgPkg 为佳。
(3) 提高一次风混合物进口温度和热空气温度。为保正能稳定着火,减少加热时间,风粉混合物的温度应达到250 ℃左右,预热空气温度加热到大约400 ℃。
(4) 采用较低的一次风速和较小的一次风率。
为了延长煤粉在燃烧器喷口附近的停留时间以及改善煤粉空气混合物的加热条件,提高气流的升温速率,减少煤粉气流的热容量,应选用较小的混合物出口速度,最高不超过15 mPs。
(5) 提高一次风的旋流强度,增加着火区内的高温烟气回流量。
(6) 增强对着火区的热辐射,使着火区域具有高的燃烧室温和燃烧室壁温,燃烧室温度水平应尽可能的提高,以使煤粉尽早的达到着火条件。
(7) 增加燃料在炉内的停留时间,延长火焰行程。为使燃料颗粒充分燃烬,应使颗粒有尽可能长的燃烬路程,与此紧密相关的就是炉膛的形状和燃烧器的布置方式。
(8) 提高各次风的温度,并且分级送入参加燃烧,改善加热和着火条件。
(9) 将风、粉均匀地分配到各组燃烧器。


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4 　W型火焰锅炉的优缺点
W型火焰锅炉与普通的四角切向燃烧方式的锅炉相比具有下列的主要优点:
(1) 煤粉着火后向下自由伸展,在距一次风口数米处才开始转弯向上流动,这样不易产生煤粉分离现象,并且火焰行程较长,炉内充满度好,延长了煤粉在炉内的停留时间,符合无烟煤燃烧速度较慢的特点,有利于煤粉的燃烬。
(2) 着火区风量小,避免了温度的明显下降,使煤粉气流较多的接触到高温回流烟气,提高了火焰根部的温度水平,着火条件好,稳定性好,燃烧效率高,这对劣质煤,特别是低挥发分无烟煤的着火特别有利。
(3) 二次风可沿火焰行程逐步加入,达到分级配风的目的,不仅补充燃烧所需的空气,还可迫使气流转弯,阻止火焰靠近炉墙,减轻了结渣和腐蚀,并且分级燃烧降低了燃烧过程中的NOx 生成。
(4) 火焰方向与水冷壁平行,有利于避免风粉气流冲刷水冷壁,不易结焦。
(5) 可根据燃煤的不同挥发分含量调节一次风煤粉浓度、热风温度和煤粉细度,并可改变配风,因而具有较大的煤种适应性。
(6) 前后拱将燃烧室与燃烬室屏蔽起来,负荷变化对燃烧室温度影响不大,有利于稳定燃烧和低负荷运行。

(7) 负荷调节范围大,可通过各种手段进行调节,锅炉不投油稳燃负荷可达到40 %～55 %的额定负荷。
(8) 火焰在炉膛下部转弯180°,使烟气中的部分粗灰粒分离,减轻了对流受热面的飞灰磨损。
(9) 锅炉结构与燃烧器的布置对称,烟气通过喉口后充分混合,不存在残余旋转,所以炉膛出口处的烟气温度场和速度场比较均匀,减小了过热器和再热器的热偏差。
(10) 可以采用旋风分离式燃烧器,提高一次风中的煤粉浓度。
W型火焰锅炉存在的主要缺点有:
(1) 有些结构的W 型火焰锅炉配风不当时火焰容易短路,并易引起拱部区域结渣,火焰直接进入燃烬室,造成飞灰含碳量高,降低了煤粉燃烬率。
(2) 空气和煤粉的后期混合较差,影响燃烬。
(3) 尽管分级燃烧降低了燃烧过程中的NOx生成,但由于燃烧无烟煤的需要,炉膛内的温度水平较高,导致NOx 的生成量较大,高于国内四角切圆燃烧锅炉的一般水平。
(4) 由于炉膛下部断面约为水平燃烧方式的两倍,为防止火焰温度降低而使可燃物损失增加,必须敷设卫燃带,这就增加了结渣的可能性。
(5) 锅炉结构比较复杂,炉拱的设计安装困难,燃烧器风粉管道布置困难,整体体积大,钢耗量大,制造工作量大,周期长,造价高,调试复杂。
5 　结论
由以上的介绍可以看出, W 型火焰锅炉在燃烧无烟煤方面的应用前景无疑是广阔的,但是国内外对于大型W型火焰锅炉的炉内空气动力场缺乏系统的理论实验研究,没有指导大型W 型火焰锅炉制造和运行的理论,国内的企业也还没有很好的掌握如何组织最佳燃烧;而合理的炉内空气动力场对锅炉的燃烧过程是很重要的,燃烧器与前后墙各级风的配合直接影响到炉内空气动力场的好坏,若配风不当,可能引起炉内空气动力场恶化,引起过热器超温爆管、炉膛喉口部位结渣、火焰冲墙、冷灰斗严重结渣等问题,严重威胁锅炉的安全运行,因此详细的研究W型火焰锅炉对其推广应用是具有很重要意义的。
参考文献
[1 ]车刚. 带直流缝隙式燃烧器的W型火焰锅炉冷态空气动力特性的实验研究: [硕士学位论文] . 西安:西安交通大学,2000
[2 ]冯俊凯. 根据燃煤性质论电站锅炉燃烧方法的发展. 动力工程,1995 ,15(3) :34～38[3 ]许晋源、徐通模. 燃烧学. 北京:机械工业出版社,1990