電力百科第 23 期低風(fēng)速高切變：W 型火焰

　　一、概述

在現(xiàn)代高參數(shù)大容量燃煤鍋爐中, 較多的采用四角切圓燃燒方式但這種燃燒方式在燃燒劣質(zhì)煤, 特別是低揮發(fā)分的無(wú)煙煤時(shí), 存在著火不好、燃燒不穩(wěn)定、運(yùn)行易結(jié)渣低負(fù)荷下必須投油等問(wèn)題。

為低風(fēng)速高切變了更好地燃燒無(wú)煙煤鍋爐廠商開發(fā)出多種燃燒技術(shù), 其中W形火焰技術(shù)是實(shí)踐證明比較成功的燃燒技術(shù)并得到廣泛應(yīng)用。

在結(jié)構(gòu)上W型火焰鍋爐(見(jiàn)圖1) 和一般四角切圓燃燒方式鍋爐的n 型結(jié)構(gòu)不同, 它的燃燒室由 2 部分組成, 上部是輻射爐室, 下部為拱形的燃燒室, 燃燒室的深度一般比輻射爐室大 80 % -120 %, 前面突出部分的頂部構(gòu)成拱體, 煤粉氣流和二次風(fēng)噴嘴裝設(shè)在拱體上, 下噴的煤粉氣流接受爐膛輻射對(duì)流換熱著火后向下伸展。

在燃燒室下部的前后墻上布置有三次風(fēng)噴口, 主要補(bǔ)充煤粉燃盡所需的其余空氣量, 同時(shí)將下沖的火焰氣流沖折轉(zhuǎn)向上, 沿爐室中軸線上升, 從而形成W型火焰輻射爐室的作用則是進(jìn)一步完成煤粉的燃燒, 并使燃燒產(chǎn)物通過(guò)與受熱面之間的換熱后降到設(shè)定的爐膛出口溫度。

　　二、W 型火焰鍋爐燃燒機(jī)理及特點(diǎn)

W型火焰鍋爐主要燃燒低揮發(fā)分煤種, 因此鍋爐的爐膛結(jié)構(gòu), 燃燒器布置、送風(fēng)方式、粉風(fēng)配比等因素都按照符合低揮發(fā)分煤的燃燒特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)。

1) w 型火焰鍋爐的燃燒器布置在前、后墻的拱上, 上部爐膛深度小, 火焰流向與W 型火焰鍋爐平行, 不旋轉(zhuǎn), 爐膛出口煙氣溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)較均勻,因此爐膛不易結(jié)焦, 而且過(guò)熱器與再熱器的熱偏差較小。并且通過(guò)前后墻二次風(fēng)對(duì)撞增加爐內(nèi)的擾動(dòng), 既加強(qiáng)低風(fēng)速高切變了爐內(nèi)的混合, 又克服了火焰刷墻等缺點(diǎn)。

2) 煤粉著火后向下自由伸展, 在距一次風(fēng)口數(shù)米處才開始轉(zhuǎn)彎向上流動(dòng), 不易產(chǎn)生煤粉分離現(xiàn)象并且火焰行程較長(zhǎng), 爐內(nèi)充滿度好, 延長(zhǎng)了煤粉在爐內(nèi)的停留時(shí)間, 符合無(wú)煙煤燃燒速度較慢的特點(diǎn), 有利于煤粉的燃盡。

3) 切圓燃燒方式是四角互燃, 因此著火穩(wěn)定性與整個(gè)爐膛負(fù)荷有關(guān), 當(dāng)負(fù)荷較低時(shí), 難以保證四角風(fēng)粉均勻, 所以容易燃燒不穩(wěn)定。W型火焰鍋爐各燃燒器之間關(guān)聯(lián)度相對(duì)較小。而且調(diào)節(jié)手段較多,如改變煤粉濃度、風(fēng)溫、衛(wèi)燃帶的數(shù)量與位置以及燃燒器自身的調(diào)節(jié)等。因此,W型火焰鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較大。國(guó)內(nèi)W型火焰鍋爐較多采用旋流煤粉濃縮燃燒器, 提高了一次風(fēng)中的煤粉濃度, 降低了一次風(fēng)進(jìn)人爐膛的風(fēng)速, 增強(qiáng)了煤粉氣流卷吸高溫?zé)煔獾哪芰? 有利于煤粉著火。

4 ) 在著火區(qū), 設(shè)計(jì)較小的送風(fēng)量, 提高了火焰根部的溫度, 有利于低揮發(fā)分無(wú)煙煤的著火和穩(wěn)定燃燒。一般一次風(fēng)率較低, 約為 15% 一20%。由于一次風(fēng)本身的風(fēng)量和風(fēng)率無(wú)法獲得足夠的穿透深度, 所以必須在拱部送入大量的二次風(fēng), 利用二次風(fēng)的引射, 保證一次風(fēng)具有較好的穿透深度。一般二次風(fēng)率約為75 % 一85 %。當(dāng)配風(fēng)不當(dāng)時(shí), 會(huì)造成火焰短路,火焰直接進(jìn)人輻射爐室, 引起飛灰含碳量較高, 影響鍋爐經(jīng)濟(jì)性。

5) 采用分級(jí)燃燒方式, 燃燒用的二次風(fēng)可根據(jù)不同無(wú)煙煤著火后開始燃燒至燃盡的各個(gè)階段的不同需求, 沿火焰行程從爐膛前后墻逐漸加人不同風(fēng)量, 達(dá)到分級(jí)送風(fēng)、低風(fēng)速均衡燃燒和低NOx 排放的目的。

6) 為提高爐膛溫度一般在爐膛拱區(qū)和下部爐膛四周嫩設(shè)了大面積的衛(wèi)燃帶, 以加速著火。但同時(shí)增大了結(jié)渣的可能性。

7 ) 排渣方式有液態(tài)排渣和固態(tài)排渣2 種。經(jīng)驗(yàn)表明: 固態(tài)排渣煤粉鍋爐能穩(wěn)定燃燒6% 一20% 揮發(fā)分的無(wú)煙煤和貧煤, 甚至能燃用4% 揮發(fā)分的無(wú)煙煤,所以W型火焰鍋爐一般采用固態(tài)排渣。而液態(tài)排渣由于存在NOx 排放量高、水冷壁高溫腐蝕較嚴(yán)重、檢修時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題而采用較少。

8) 鍋爐結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜, 爐拱的設(shè)計(jì)安裝困難, 燃燒器風(fēng)粉管道布置困難, 整體體積大, 鋼耗量大, 制造工作量大, 周期長(zhǎng), 造價(jià)高, 調(diào)試復(fù)雜。

　　三、W 型火焰爐爐內(nèi)流場(chǎng)

對(duì)于W 型火焰爐, 比較理想的爐內(nèi)流場(chǎng)如圖2 , 爐內(nèi)氣流充滿度較好,氣流不沖刷爐墻, 但實(shí)際鍋爐運(yùn)行影響爐內(nèi)流場(chǎng)的主要因素, 除與燃燒器有關(guān)外, 還與進(jìn)風(fēng)點(diǎn)的位置、方向、動(dòng)量比及爐膛幾何形狀有關(guān)。

2.1進(jìn)風(fēng)點(diǎn)位置方向?qū)α鲌?chǎng)及燃燒的影響

對(duì)于只有拱頂風(fēng), 無(wú)前后墻側(cè)風(fēng)時(shí), 爐內(nèi)流場(chǎng)極不對(duì)稱, 火焰形狀不是W 型, 而是一個(gè)大旋渦。此時(shí)爐膛上部直段和爐膛出口的速度分布很不均勻, 這樣會(huì)增加過(guò)熱器的熱偏差, 對(duì)鍋爐安全運(yùn)行不利。

另外, 從燃燒角度考慮, 因無(wú)煙煤揮發(fā)分少, 如將燃燒所需空氣量全部由拱頂送人爐膛, 就必然造成燃燒區(qū)的煤粉濃度降低, 從而導(dǎo)致燃燒區(qū)揮發(fā)分濃度降低。這對(duì)火炬的點(diǎn)燃和穩(wěn)燃都是不利的。

此工況下, 火焰明顯沖刷冷灰斗, 還可能造成冷灰斗結(jié)渣。當(dāng)側(cè)風(fēng)僅占拱頂風(fēng)的1/60 時(shí), 爐內(nèi)流場(chǎng)呈對(duì)稱狀態(tài), 出口速度也均勻了。這說(shuō)明前后墻側(cè)風(fēng)對(duì)穩(wěn)定爐內(nèi)流場(chǎng)起著非常重要的作用。

若使前后墻側(cè)風(fēng)增加, 使其與拱頂風(fēng)相等時(shí), 效果也不好, 此時(shí)火焰行程短, 火焰短路上翹, 不利于煤粉燃燒。

同時(shí), 由于火焰上翹, 使燃燒區(qū)位置抬高, 因而有可能造成過(guò)熱器超溫或渣。是否可得到理想的爐內(nèi)流場(chǎng), 不但與各風(fēng)量有關(guān)( 動(dòng)量) , 還與側(cè)風(fēng)進(jìn)風(fēng)點(diǎn)的位置和拱頂風(fēng)的方向有關(guān)。

側(cè)風(fēng)進(jìn)風(fēng)點(diǎn)若從前后墻下半部分送風(fēng)比沿整個(gè)前后墻送風(fēng)火焰行程長(zhǎng),從而提高了爐膛的充滿度, 延長(zhǎng)了煤粉燃燒時(shí)間。

拱頂風(fēng)與拱頂垂直時(shí)( O=90°) , 火焰行程較短, 拱頂風(fēng)鉛直向下時(shí)火焰行程較長(zhǎng), 這是由于拱頂風(fēng)與拱頂垂直時(shí), 兩股射流相遇后轉(zhuǎn)折向上比拱頂風(fēng)鉛直向下時(shí)要早。當(dāng)其方向?yàn)镺=64° ~ 77° 時(shí)爐內(nèi)流場(chǎng)比較理想。

2.2爐膛內(nèi)幾何尺寸對(duì)流場(chǎng)及燃燒的影響

爐膛的幾何尺寸對(duì)流場(chǎng)的影響是很明顯的。下部爐膛的幾何尺寸及燃燒器的正確設(shè)計(jì)和布置是保證W 型火焰爐著火迅速、燃燒穩(wěn)定、不結(jié)渣的關(guān)鍵。下部爐膛的主要尺寸如圖2 , 下部爐膛深度B ; 下部爐膛前后墻的高度H ; 敷設(shè)衛(wèi)燃帶尺寸及冷灰斗傾角a 。

( 1) 下爐膛深度B 不能太小, 若B值小, 一次風(fēng)射流將會(huì)過(guò)早棍合, 速度衰減也將加快, 使火焰行程短, 火焰短路上翹, 不利于煤粉的燃燒和燃燼。

( 2) 當(dāng)深度合適時(shí), 下爐膛前后墻的高度H 也不能太小, 當(dāng)H 小時(shí), 即拱頂距冷灰斗距離短, 故火焰不能在爐膛內(nèi)自由伸展, 也會(huì)過(guò)早地轉(zhuǎn)折上行。火焰行程短, 影響燃燒還可能造成爐拱頂轉(zhuǎn)彎角結(jié)渣及風(fēng)嘴燒壞。

( 3) 衛(wèi)燃帶的敷設(shè)是為了提高燃燒區(qū)溫度, 有利于低揮發(fā)分無(wú)煙煤和劣質(zhì)煤的著火和穩(wěn)定燃燒但若敷設(shè)太多會(huì)使燃燒區(qū)內(nèi)結(jié)渣。

參考文獻(xiàn)低風(fēng)速高切變：

陳天熙. 國(guó)內(nèi)W型火焰鍋爐的探討[J]. 特種設(shè)備安全技術(shù), 2009, 22(5):231-232.

陳曉珊, 張衛(wèi)會(huì). W型火焰鍋爐技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用前景分析[J]. 東北電力大學(xué)學(xué)報(bào), 1994(3):135-142.

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