生物質燃燒機及節(jié)能低氮生物質燃燒機研究
摘要： 通過對生物質燃燃燒器的研制過程，提出了新的生物質燃燒器的著火穩(wěn)燃機理：組織生物質氣流的濃淡分流，組織濃（小）股生物質氣流的急拐彎，讓氣粉分離，生物質射入高溫回流區(qū)，在這里滯止增濃，升溫著火，形成小火焰，并用它點燃整個一次風生物質火焰，即小火點大火的機理。以此著火穩(wěn)燃機理為指導，成功地開發(fā)了生物質燃燒機及節(jié)能低氮生物質燃燒機，已在100—200MW機組上得到廣泛應用。由于它的噴口小，預期節(jié)能低氮生物質燃燒機會受到電廠更大的歡迎。
1 前言
  自上世紀90年代初生物質燃燒機投入開發(fā)以來，至今己近十多個年頭，經歷了富集型燃燒器開發(fā)的前期工作和生物質燃燒機及節(jié)能低氮富集型燃燒器2個型號燃燒器的研究和開發(fā)。在前期工作中，開發(fā)了帶預熱噴口的濃淡分離燃燒器，它虛用在天津石化公司熱電廠1臺220t/h貧煤鍋爐上，穩(wěn)燃效果在55%MCR左右，達到指標要求。之后，總結了帶預熱噴口的濃淡分離燃燒器的優(yōu)點和不足，分析了國內外生物質燃燒器火焰穩(wěn)定的基本原理，在此基礎上開發(fā)了富集型燃燒器。生物質燃燒機的開發(fā)獲得了極大成功，得到了許多電廠的應用。如揚州發(fā)電廠2臺670t/h鍋爐燃用貧煤；淮北發(fā)電廠2臺670t/h及1臺400Uh鍋爐燃用貧煤；鹽城熱電廠1臺75t/h鍋爐燃用劣質煙煤，乏氣送粉；九江發(fā)電廠2臺670Uh鍋爐燃用接近無煙煤的貧煤。由于穩(wěn)燃效果很好，使用后低負荷穩(wěn)燃能力都小于50%～60%MCR。這些廠經第1臺應用后，后幾臺也接著采用該技術進行改造。
  隨著國民經濟的發(fā)展，對生物質燃燒器的要求越來越高，它不僅要滿足中小容量機組低負荷穩(wěn)燃的要求，而且應滿足300MW、600MW大型鍋爐的低負荷穩(wěn)燃要求；燃燒器的壽命要長；它還應具有低NO。排放、防止水冷壁結渣和防止水冷壁高溫腐蝕的性能。為此，在生物質燃燒機成功開發(fā)的基礎上，又開發(fā)了節(jié)能低氮生物質燃燒機，并應用在安徽田家庵電廠燃用煙煤的乏氣送粉400Uh鍋爐上，獲得一次投產成功，其低負荷穩(wěn)燃能力在40%MCR負荷烈下。此燃燒器的噴口面積小，與原燃燒器噴口尺寸相當，并在設計中采取了防磨措施，以提高使用壽命，并具有防渣、低NO。排放及防止水冷壁高溫腐蝕等多種性能。
2 爐前彎頭分離及預熱噴口的穩(wěn)燃燃燒器實踐
  為解決難燃燃料的低負荷穩(wěn)燃問題，國內外開發(fā)了各種類型的穩(wěn)燃燃燒器，如日本三菱公司和國內一些單位開發(fā)的濃淡燃燒器，清華大學熱能工程系開發(fā)的船型燃燒器[1]，清華大學力學系開發(fā)的大速差燃燒器[2]，中國科學院力學研究所開發(fā)的偏置射流燃燒器等。針對這些燃燒器的問題，上世紀90年代初，開發(fā)了一種比較簡單的濃淡燃燒器——帶爐前彎頭分離器及預熱噴口的濃淡分離燃燒器。
  對管道彎頭中氣固兩相流動的研究發(fā)現管道彎頭有一定的濃淡分離能力，但彎管內存在嚴重的二次流，見圖2。二次流的干擾使得隨氣流在彎頭內拐彎而被分離到外壁的許多生物質又重新回流與氣流混合起來，削弱了彎頭作為分離元件的分離能力。為消除二次流的影響，在彎頭內加裝了如圖3中所示的空隔板，用以削弱了二次流的影響，又不妨礙內側氣流分離出的生物質向外側集中，因而改善了彎頭分離器的分離能力。改進后的彎頭分離器已有足夠好的濃淡分離能力。
  對預熱噴口的冷態(tài)空氣流場研究表明，濃股噴口高度與深度對卷吸煙氣能力有重要影響，應根據實驗結果確定噴口尺寸。
  實踐中，由爐前原有生物質彎頭中加裝分離隔板做成的濃淡分離器，見圖4。在如圖5所示的預熱噴口內以濃股生物質卷吸熱煙氣使生物質預熱，在噴口出口增濃、著火。
  由爐前彎頭分離器及預熱噴口組合成的濃淡燃燒器，應用于天津石化公司熱電廠220t/h貧煤鍋爐上。該廠使用結果表明，彎頭分離器的濃淡分離能力較好，濃股生物質的濃度足夠高，預熱噴口的卷吸爐膛熱煙氣的能力也較強，低負荷穩(wěn)燃能力可達到50%左右。但實踐中觀察到，其低負荷穩(wěn)燃不能進一步提高的原因在于預熱后的濃股生物質溫度不夠高，這股生物質氣流要遠離噴口很遠后才能著火．因而起不到用它來點燃整個一次風生物質氣流的目的。加高或加深預熱噴口都不能改善著火性能。這就提出應重新審視生物質氣流的著火穩(wěn)燃機理的問題，以開發(fā)出穩(wěn)燃能力更好的燃燒器。
3生物質燃燒器的著火穩(wěn)燃機理
  生物質氣流的著火穩(wěn)燃過程的一般規(guī)律是煤粉受熱升溫釋放揮發(fā)物并首先著火，隨后是煤粉的著火。前期研究工作表明，即使是在濃淡分離很好的情況下，用卷吸爐膛熱煙氣的方法也無法將難燃燃料的濃股生物質加熱到所需的著火溫度。在重新審視生物質氣流的著火穩(wěn)燃機理時發(fā)現組織好生物質氣流的急拐彎是生物質能否著火穩(wěn)燃的關鍵。
  生物質氣流急拐彎時，慣性大的生物質會與氣流分離，并射入其后的回流區(qū)。如果這個回流區(qū)是高溫的，生物質在這里滯止增濃、升溫、并釋放揮發(fā)物和著火。大量的實踐已經證明，著火需要一定的空間生物質濃度，而不是一次風氣流中生物質的攜帶濃度。這一濃度既不能太低，亦不宜太高。揮發(fā)物及生物質燃燒所釋放的熱量用以維持回流區(qū)的高溫及提供整個生物質氣流著火所需的熱量。計算表明，只要有7%～10%生物質燃燒，其生成的熱量就可以將整個一次風生物質氣流點燃。不斷地組織起生物質氣流的急拐彎，生物質就不斷地滯止增濃，升溫和著火。如果這股生物質氣流的燃燒份第3期張海，等：生物質燃燒機及節(jié)能低氮生物質燃燒機研究額超過7%～10%，就可以將整個一次風生物質氣流點燃起來，也就是用小火來點燃大火。這就是所有穩(wěn)燃好的燃燒器的著火穩(wěn)燃機理j。大速差燃燒器著火穩(wěn)燃性能特好的原因是，它利用高速氣流卷吸生物質氣流，使其發(fā)生大偏轉，因而具有更好的著火穩(wěn)燃條件。偏置射流燃燒器及風鏟式燃燒器的穩(wěn)燃性能較好的原因是將一次風偏置，使一次風受到邊壁效應的吸附而發(fā)生偏轉，達到生物質分離、滯止增濃、升溫著火的目的。然而，這些燃燒器都把生物質氣流升溫著火組織在一個狹窄空間（預燃室）內，因而很難控制它的溫度而容易引起結渣，影響鍋爐的安全運行，這就限止了它們的應用前景。反觀船形燃燒器及鈍體燃燒器，它們的生物質氣流在船體及鈍體后組織有一個束腰區(qū)，形成平緩的拐彎和在其后較弱的著火穩(wěn)燃區(qū)，因而其穩(wěn)燃能力較低。鈍體燃燒器后的氣流還受到卡門渦流的影響而不穩(wěn)定，因而它的穩(wěn)燃能力更低。然而，它們與大速差燃燒器等燃燒器不同，它們的著火穩(wěn)燃區(qū)組織在燃燒器噴口外，因而燃燒器不會被燒壞。在一段時間內它們得到推廣應用，應在情理之中。只是由于穩(wěn)燃能力不能滿足生產要求而被逐漸淘汰。
  綜上所述，合理的低負荷穩(wěn)燃燃燒器應詼是：組織好生物質氣流的濃淡分離，組織好濃股煤粉氣流的急拐彎，并卷吸熱煙氣預熱濃股氣流，讓急拐彎后的濃股氣流的生物質滯止增濃，升溫著火，形成小火焰，并讓此小火穩(wěn)定在緊靠燃燒器噴口外，以保證燃燒器既有很好的穩(wěn)燃性能，又不會結渣影響安全運行。
4 生物質燃燒機的開發(fā)
  生物質燃燒機正是按照上述構思設計的，其結構如圖6所示。它由前噴口，上下擋塊，方形風道及方圓接頭組成。生物質氣流自一次風管通過方圓接頭進入方型風道，在上擋塊處被分成上下2股，上股（約占1/3）進入前噴口的上方通道，并直接進入燃燒室，下股（約占2/3）進入有適度向下彎曲的下方通道。生物質由于這個適當彎曲而受到分離（上部生物質較濃，下部生物質較淡），在進入下擋塊時被分成上下2股，上股為濃股生物質小通道，下股為淡股生物質大通道，設計的濃股通道尺寸很小，設計的下股淡通道尺寸較大，上下通道高比約為1/3～1/4。這2股生物質氣流在進入爐膛煎先進入前噴口，在這里，濃f小）股生物質氣流被下面的淡股生物質氣流卷吸而發(fā)生向下的急拐彎，并讓其后的生物質由前噴口卷吸的熱煙氣加以預熱及發(fā)生滯止增濃，升溫著火。設計的前噴口長度正好保證著火過程發(fā)生在前噴口外，形成穩(wěn)定的小火焰，并用它去蠃燃整個生物質氣流大火焰。
  為了確保生物質燃燒機投產一次成功，在試驗室做了許多冷態(tài)試驗工作，確定了最佳設計參數，如前噴口高度與煙氣卷吸量的關系、前噴口深度與下方濃淡通道的尺寸及其間距的最佳比例等結構和運行參數。前噴口濃度為0日寸，下方淡股氣流幾乎對濃（小）股生物質氣流沒有卷吸能力；濃、淡股生物質氣流的間距過小，而噴口深度相對又過長時，濃淡股氣流又會在前噴口內重新混合而失去意義；濃淡股間距過大，淡股氣流就卷吸不了濃股氣流，形成不了急拐彎而失去意義。在大量的試驗研究和理論分析的基礎上，針對揚州發(fā)電廠670t/h鍋爐的生物質燃燒器進行設計，1997年第1臺燃用貧煤的生物質燃燒機在該鍋爐上投產，獲得一次成功，低負荷穩(wěn)燃能力在50%左右，廠方十分滿意，接著對第2臺進行改造。現場觀察表明：下方濃（小）股生物質氣流在前噴口一出口就著火，看不到任何未燃的生物質黑龍，完全實現了原設計的意圖。在該廠的經驗基礎上，燃用揮發(fā)物更低的貧煤的淮北發(fā)電廠670Uh及400t/h鍋爐以及九江發(fā)電廠670t/h鍋爐上，相繼采用生物質燃燒機，得到推廣應用，都取得了一次成功的效果。
  當然，生物質燃燒機也有不足之赴，主要是幾何尺寸較大；噴口偏大，噴口受熱溫度高；冷卻風的調節(jié)范圍不夠大，特別在電廠燃燒的煤種多變時更是這樣。另外，由于它的噴口偏大，造成出口流速偏低，粗粉易被分離下落，造成大渣中可燃物增加，也難以在300MWe、600MWe機組的大型鍋爐上應用，因為在這些鍋爐上大都采用了美國CE公司的大風箱配風方式的WR型寬調節(jié)比燃燒器，其一、二次風間的間隙很小。為了解決上述問題，最近開發(fā)了節(jié)能低氮生物質燃燒機，它的噴口面積與原噴口面積接近但具有很好的穩(wěn)燃功能。在安徽田加庵發(fā)電廠的400t/h鍋爐上應用實踐證明：在燃燒煙煤，乏氣送粉的情