生物質(zhì)燃燒機(jī)的穩(wěn)燃及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
摘要：簡(jiǎn)要論述了國(guó)內(nèi)常見(jiàn)幾種生物質(zhì)燃燒機(jī)的穩(wěn)燃措施；介紹了ABT公司新近推出的’弓形’低NOx燃燒器；最后，提出了生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議。
 O引  言
    在我國(guó)燃煤火電機(jī)組中，對(duì)于著火和可燃性差的低揮發(fā)分煤，習(xí)慣上采用四角切圓的燃燒方式。這種燃燒方式容易實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒，分級(jí)燃燒不僅有利于低揮發(fā)分煤的著火和燃燒穩(wěn)定，而且對(duì)降低鍋爐的NOx排放也是一個(gè)重要措施。但四角切圓燃燒容易造成爐內(nèi)結(jié)渣和爐膛水冷壁管的高溫腐蝕；對(duì)兀型鍋爐來(lái)說(shuō)，爐膛出口的氣流殘余旋轉(zhuǎn)會(huì)造成水平煙道左右兩側(cè)嚴(yán)重的煙溫和流量偏差，成為過(guò)熱器和再熱器可靠運(yùn)行的障礙。一般來(lái)說(shuō)鍋爐容量越大，煙氣側(cè)偏差也越嚴(yán)重。
    相比之下，當(dāng)鍋爐采用墻式（對(duì)沖）布置的旋流燃燒器時(shí)，在爐內(nèi)結(jié)渣和煙溫偏差方面比四角切圓燃燒鍋爐具有明顯的優(yōu)趑性，600MW機(jī)組爐膛出口煙溫偏差一般不會(huì)超過(guò)50～800C,經(jīng)過(guò)調(diào)試還可降低到20℃以內(nèi)。當(dāng)爐膛出口煙溫偏差較小時(shí)過(guò)熱器和再熱器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以大大簡(jiǎn)化。所以，歐美等國(guó)的大型機(jī)組，除塔式鍋爐不存在高溫水平煙道外，絕大多數(shù)采用墻式布置的旋流燃燒器。我國(guó)進(jìn)口的30QVIW和600MWII型鍋爐，許多也都采用墻式旋流燃燒方式。
    生物質(zhì)燃燒機(jī)一般認(rèn)為適合于揮發(fā)分Vad《25%，發(fā)熱量Q ar net< 17～19 M J敝g的中等以上質(zhì)量煙煤的燃燒，當(dāng)燃用低揮發(fā)分煤時(shí)需特別注意其穩(wěn)燃問(wèn)題。近一二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)旋流燃燒器的穩(wěn)燃和降低NOX排放等問(wèn)題進(jìn)行大量研究工作，但穩(wěn)燃作為低揮發(fā)分煤墻式生物質(zhì)燃燒機(jī)可靠運(yùn)行的首要問(wèn)題，至今仍未很好解決。本文在論述現(xiàn)有典型生物質(zhì)燃燒機(jī)穩(wěn)燃措施及流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化作了近一步的分析。
1典型生物質(zhì)燃燒機(jī)及其穩(wěn)燃措施
    生物質(zhì)燃燒機(jī)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的發(fā)展，有很多種結(jié)構(gòu)形式，其共性和個(gè)性歸納如下：
    ( 1)-次風(fēng)分為多流道以實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒。分級(jí)燃燒不僅有利于降低NOx的排放，對(duì)品質(zhì)較差和低揮發(fā)分燃料也是著火和穩(wěn)燃不可缺少的措施。一般為雙流道（也稱雙調(diào)風(fēng)燃燒器），若鍋爐單獨(dú)設(shè)有燃盡風(fēng)(OFA)噴嘴，二次風(fēng)可以認(rèn)為是三流道，此外，還有四流道（主燃燒器二次風(fēng)為三流道）的設(shè)計(jì)。
    多數(shù)雙調(diào)風(fēng)燃燒器的內(nèi)外二次風(fēng)均為旋流，通道內(nèi)裝有可調(diào)軸向旋流葉片，以適當(dāng)調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度和配風(fēng)比；欞據(jù)煤種和不同要求，也有內(nèi)二次風(fēng)為旋流、外二次風(fēng)為直流的結(jié)構(gòu)，國(guó)外還有內(nèi)二次風(fēng)直流、外二次風(fēng)旋流的設(shè)計(jì)。
    (2)輸送煤粉的一次風(fēng)有直流和旋流兩種形式。風(fēng)粉氣流在進(jìn)入燃燒器本體前一般都要經(jīng)過(guò)一個(gè)90 0彎頭，因而在燃燒器一次風(fēng)通道內(nèi)會(huì)產(chǎn)生周向的煤粉不均。為消除這種周向不均，有采取一次風(fēng)旋流的；有采取擋板或均流柱或收縮一擴(kuò)散等不同措施，但一次風(fēng)為直流。此外，還有一次風(fēng)通道中加裝煤粉濃縮裝置的。
    (3)在燃燒器氣流最內(nèi)層有設(shè)中心風(fēng)管或不設(shè)中心風(fēng)管兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于帶中心風(fēng)管的結(jié)構(gòu)，中心風(fēng)管內(nèi)設(shè)置點(diǎn)火油槍。中心風(fēng)可作為燃油風(fēng)（鍋爐點(diǎn)火時(shí)）、燃燒器冷卻風(fēng)或輔助調(diào)節(jié)風(fēng)。中心風(fēng)管的設(shè)置有利于中心回流區(qū)的生成，并增加風(fēng)粉氣流與高溫?zé)煔獾慕佑|加熱周界，有利于煤粉的著火和燃燒穩(wěn)定。
    幾種典型生物質(zhì)燃燒機(jī)的穩(wěn)燃措施：
    DS燃燒器既可用于優(yōu)質(zhì)煙煤，也可用于劣質(zhì)煙煤和貧煤，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和穩(wěn)燃措施為：
    (1)采用直徑較大的中心風(fēng)管以增加一次風(fēng)與回流煙氣的接觸周界。    
(2)中心風(fēng)管端部（出口）采取平直結(jié)構(gòu)，一次風(fēng)管端部加裝擴(kuò)錐，內(nèi)、外二次風(fēng)端部也為外擴(kuò)形，外擴(kuò)形二次風(fēng)噴口可推遲與一次風(fēng)的過(guò)早混舍。
    ( 3)-次風(fēng)通道內(nèi)加裝旋流葉片，采用旋流方式消除煤粉氣流經(jīng)過(guò)彎頭后產(chǎn)生的煤粉周向不均。
    (4)在一次風(fēng)管內(nèi)壁加裝齒環(huán)形穩(wěn)燃器。
1 2 B&W公司的DRB型燃燒器
    B&W公司70年代推出的二次風(fēng)雙流道均為旋流的燃燒器，常稱雙調(diào)節(jié)（或雙調(diào)風(fēng)）燃燒器（D ualRegis ter Bu mer簡(jiǎn)稱DRB），經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展有多種變形產(chǎn)品，在我國(guó)進(jìn)口鍋爐和北京巴威公司生產(chǎn)的鍋爐中運(yùn)用較多。
    B&W燃燒器在一次風(fēng)管內(nèi)不設(shè)中心風(fēng)管，一次風(fēng)為直流。在燃燒器前一次風(fēng)管彎頭處安裝一塊偏流板，以改善風(fēng)粉混合物過(guò)大的上下偏差，在一次風(fēng)管內(nèi)部設(shè)有擴(kuò)流錐，以消除周向的煤粉不均，但這種結(jié)構(gòu)又在一次風(fēng)管內(nèi)形成外濃內(nèi)淡的風(fēng)粉分布。故在一次風(fēng)管出口內(nèi)壁加裝類(lèi)似于DS穩(wěn)燃器的方齒穩(wěn)燃環(huán)，以改善一次風(fēng)出口的煤粉分布，并適當(dāng)阻擋煤粉過(guò)快的向外擴(kuò)散。
1 3徑向濃淡生物質(zhì)燃燒機(jī)
    近年來(lái)我國(guó)對(duì)以煤粉氣流的濃淡分離作為煤粉穩(wěn)燃和降低NOx排放的措施進(jìn)行了廣泛的研究工作。對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)采用徑向煤粉濃淡分離已有廣泛報(bào)道。徑向煤粉濃淡分離原理和旋流燃燒器的基本結(jié)構(gòu)大體類(lèi)同，有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
    (1)燃燒器設(shè)有中心風(fēng)管，中心風(fēng)管端部（出口）帶有擴(kuò)錐。
    ( 2)-次風(fēng)管和申心風(fēng)管之間的環(huán)狀通道為一次風(fēng)粉流道。其中設(shè)有煤粉的濃淡分離器，將煤粉氣流分離成濃淡兩股，靠近中心風(fēng)管一股為濃煤粉氣流（煤粉顆粒也較粗）；另一股淡煤粉氣流（煤粉顆粒較細(xì)），包裹在濃煤粉氣流之外進(jìn)入爐內(nèi)。其設(shè)計(jì)意圖是使?jié)夂痛值拿悍垩杆龠M(jìn)入或接近中心回流區(qū)，盡快接受高溫?zé)煔獾募訜幔岳诿悍鄯€(wěn)燃和完全燃燒。
    ( 3)-次風(fēng)分內(nèi)外兩個(gè)流道，內(nèi)二次風(fēng)為旋轉(zhuǎn)氣流，外二次風(fēng)為直流。第1期顧瑋倫，等：生物質(zhì)燃燒機(jī)的穩(wěn)燃及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
2新型生物質(zhì)燃燒機(jī)穩(wěn)燃技術(shù)
2 1 ABT公司低NOx燃燒器
    美國(guó)ABT (A dvanced Bumer Technologies)公司在2004中國(guó)國(guó)際脫硫脫硝技術(shù)及設(shè)備展覽研討會(huì)（北京，2004年1 1月9日- 11日）上展示了一種新型低NOx生物質(zhì)燃燒機(jī)。該燃燒器的剖面圖如圖10據(jù)ABT公司介紹，這種燃燒器火焰可調(diào)且穩(wěn)定性高，而且還具有同時(shí)降低NOx排放和飛灰殘?zhí)紦p失(UBC)以及減輕爐內(nèi)結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：
    ( 1)-次風(fēng)通道中除彎頭內(nèi)設(shè)一塊均流板外，沒(méi)有任何阻擋煤粉氣流的其他部件，也不設(shè)中心風(fēng)管，是一種開(kāi)放式的一次風(fēng)粉氣流通道。
    ( 2)-次風(fēng)管出口采用一個(gè)核心部件，ABT公司稱之為弓形噴嘴(Segn en tedrlOZZb)o這個(gè)噴嘴可在一次風(fēng)出口對(duì)煤粉濃度進(jìn)行重新分配，使出口截面煤粉濃度均勻，有利于同時(shí)降低NOx和UBC;每個(gè)拱門(mén)上設(shè)置相應(yīng)的穩(wěn)燃葉片以便在其背面形成回流區(qū)。這個(gè)噴嘴還可產(chǎn)生湍流強(qiáng)烈的火焰，ABT公司認(rèn)為低負(fù)荷穩(wěn)燃性能良好。
    (3)內(nèi)外二次風(fēng)均為旋流，旋流葉片采用軸向可移動(dòng)的擋板用人I調(diào)節(jié)。
    這種燃燒器可與燃盡風(fēng)(OFA)噴嘴聯(lián)合使用，也可單獨(dú)使用，取決于對(duì)NOx排放的要求。
    ABT公司的燃燒器不設(shè)中心風(fēng)管，穩(wěn)燃葉片背流面形成的回流區(qū)是處于一次風(fēng)粉氣流與二次風(fēng)之間的空間與DS型燃燒器齒環(huán)穩(wěn)燃器所產(chǎn)生的回流區(qū)相似，對(duì)于低揮發(fā)分煤的適應(yīng)性如何，有待考驗(yàn)。
3生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化
    根據(jù)我國(guó)電廠目前燃料供應(yīng)現(xiàn)狀，燃燒器應(yīng)有較廣的燃料適應(yīng)性，既能燒質(zhì)量較好的煙煤，也能燒質(zhì)量較差的煤，如劣質(zhì)煙煤和低揮發(fā)分煤（貧煤，甚至無(wú)煙煤）。燃燒器還能滿足低負(fù)荷時(shí)燃燒的穩(wěn)定性。
    燃燒器的設(shè)計(jì)在注意降低NOx排放和UBC損失的同時(shí)，不會(huì)造成爐膛和燃燒器的結(jié)渣以及水冷壁的高溫腐蝕。
    鍋爐燃燒問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)工程與很多因素有關(guān)，就燃燒器本身而言，應(yīng)有多種適應(yīng)和可調(diào)手段，為此提出如下優(yōu)化的生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)：
    (1)帶有中心風(fēng)管，中心風(fēng)管不僅有利于高溫?zé)煔饣亓鞯漠a(chǎn)生和增加其與一次風(fēng)粉氣流的接觸面積，在正常運(yùn)行時(shí)，還可作為一種調(diào)節(jié)配風(fēng)和清除開(kāi)放式燃燒器上結(jié)渣的手段。
    ( 2)-二次風(fēng)比率按低揮發(fā)分煤設(shè)計(jì)，此時(shí)中心風(fēng)率取最低值或取為零；當(dāng)鍋爐燃燒質(zhì)量較好或易著火的煙煤時(shí)，為避免燃燒中心太靠近噴口，造成燃燒器結(jié)渣或燒損，用中心風(fēng)耐燃燒中心進(jìn)行調(diào)節(jié)。并調(diào)節(jié)一二次風(fēng)的比例。
    ( 3)-次風(fēng)采用雙流道，內(nèi)二次風(fēng)為中等強(qiáng)度的旋流，外二次風(fēng)采用旋流強(qiáng)度中等或中等偏低的旋流，風(fēng)管出口呈擴(kuò)錐結(jié)構(gòu)，錐角不宜過(guò)大，以避免水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕。此外，內(nèi)外二次風(fēng)的比率應(yīng)可方便調(diào)節(jié)，可考慮采用ABT燃燒器的調(diào)節(jié)方式。
    (4)中心風(fēng)、一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)的風(fēng)量總和，不超過(guò)總風(fēng)量的60～700A，以最大限度地抑制NOx的排放。
4結(jié)束語(yǔ)
    目前生物質(zhì)燃燒機(jī)燃燒低揮發(fā)分煤的穩(wěn)燃問(wèn)題，還沒(méi)有徹底解冼針對(duì)我國(guó)電站鍋爐煤種多變等狀況，燃燒器應(yīng)有多種調(diào)節(jié)手段，并根據(jù)對(duì)燃燒器的全面要求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而設(shè)計(jì)出適合我國(guó)國(guó)情的、切實(shí)可行的新型低NOx燃燒器，以解決日益緊迫的氮氧化物排放問(wèn)題。