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生物质燃烧机及节能低氮生物质燃烧机研究
摘要： 通过对生物质燃燃烧器的研制过程，提出了新的生物质燃烧器的着火稳燃机理：组织生物质气流的浓淡分流，组织浓（小）股生物质气流的急拐弯，让气粉分离，生物质射入高温回流区，在这里滞止增浓，升温着火，形成小火焰，并用它点燃整个一次风生物质火焰，即小火点大火的机理。以此着火稳燃机理为指导，成功地开发了生物质燃烧机及节能低氮生物质燃烧机，已在100—200MW机组上得到广泛应用。由于它的喷口小，预期节能低氮生物质燃烧机会受到电厂更大的欢迎。
1 前言
  自上世纪90年代初生物质燃烧机投入开发以来，至今己近十多个年头，经历了富集型燃烧器开发的前期工作和生物质燃烧机及节能低氮富集型燃烧器2个型号燃烧器的研究和开发。在前期工作中，开发了带预热喷口的浓淡分离燃烧器，它虚用在天津石化公司热电厂1台220t/h贫煤锅炉上，稳燃效果在55%MCR左右，达到指标要求。之后，总结了带预热喷口的浓淡分离燃烧器的优点和不足，分析了国内外生物质燃烧器火焰稳定的基本原理，在此基础上开发了富集型燃烧器。生物质燃烧机的开发获得了极大成功，得到了许多电厂的应用。如扬州发电厂2台670t/h锅炉燃用贫煤；淮北发电厂2台670t/h及1台400Uh锅炉燃用贫煤；盐城热电厂1台75t/h锅炉燃用劣质烟煤，乏气送粉；九江发电厂2台670Uh锅炉燃用接近无烟煤的贫煤。由于稳燃效果很好，使用后低负荷稳燃能力都小于50%～60%MCR。这些厂经第1台应用后，后几台也接着采用该技术进行改造。
  随着国民经济的发展，对生物质燃烧器的要求越来越高，它不仅要满足中小容量机组低负荷稳燃的要求，而且应满足300MW、600MW大型锅炉的低负荷稳燃要求；燃烧器的寿命要长；它还应具有低NO。排放、防止水冷壁结渣和防止水冷壁高温腐蚀的性能。为此，在生物质燃烧机成功开发的基础上，又开发了节能低氮生物质燃烧机，并应用在安徽田家庵电厂燃用烟煤的乏气送粉400Uh锅炉上，获得一次投产成功，其低负荷稳燃能力在40%MCR负荷烈下。此燃烧器的喷口面积小，与原燃烧器喷口尺寸相当，并在设计中采取了防磨措施，以提高使用寿命，并具有防渣、低NO。排放及防止水冷壁高温腐蚀等多种性能。
2 炉前弯头分离及预热喷口的稳燃燃烧器实践
  为解决难燃燃料的低负荷稳燃问题，国内外开发了各种类型的稳燃燃烧器，如日本三菱公司和国内一些单位开发的浓淡燃烧器，清华大学热能工程系开发的船型燃烧器[1]，清华大学力学系开发的大速差燃烧器[2]，中国科学院力学研究所开发的偏置射流燃烧器等。针对这些燃烧器的问题，上世纪90年代初，开发了一种比较简单的浓淡燃烧器——带炉前弯头分离器及预热喷口的浓淡分离燃烧器。
  对管道弯头中气固两相流动的研究发现管道弯头有一定的浓淡分离能力，但弯管内存在严重的二次流，见图2。二次流的干扰使得随气流在弯头内拐弯而被分离到外壁的许多生物质又重新回流与气流混合起来，削弱了弯头作为分离元件的分离能力。为消除二次流的影响，在弯头内加装了如图3中所示的空隔板，用以削弱了二次流的影响，又不妨碍内侧气流分离出的生物质向外侧集中，因而改善了弯头分离器的分离能力。改进后的弯头分离器已有足够好的浓淡分离能力。
  对预热喷口的冷态空气流场研究表明，浓股喷口高度与深度对卷吸烟气能力有重要影响，应根据实验结果确定喷口尺寸。
  实践中，由炉前原有生物质弯头中加装分离隔板做成的浓淡分离器，见图4。在如图5所示的预热喷口内以浓股生物质卷吸热烟气使生物质预热，在喷口出口增浓、着火。
  由炉前弯头分离器及预热喷口组合成的浓淡燃烧器，应用于天津石化公司热电厂220t/h贫煤锅炉上。该厂使用结果表明，弯头分离器的浓淡分离能力较好，浓股生物质的浓度足够高，预热喷口的卷吸炉膛热烟气的能力也较强，低负荷稳燃能力可达到50%左右。但实践中观察到，其低负荷稳燃不能进一步提高的原因在于预热后的浓股生物质温度不够高，这股生物质气流要远离喷口很远后才能着火．因而起不到用它来点燃整个一次风生物质气流的目的。加高或加深预热喷口都不能改善着火性能。这就提出应重新审视生物质气流的着火稳燃机理的问题，以开发出稳燃能力更好的燃烧器。
3生物质燃烧器的着火稳燃机理
  生物质气流的着火稳燃过程的一般规律是煤粉受热升温释放挥发物并首先着火，随后是煤粉的着火。前期研究工作表明，即使是在浓淡分离很好的情况下，用卷吸炉膛热烟气的方法也无法将难燃燃料的浓股生物质加热到所需的着火温度。在重新审视生物质气流的着火稳燃机理时发现组织好生物质气流的急拐弯是生物质能否着火稳燃的关键。
  生物质气流急拐弯时，惯性大的生物质会与气流分离，并射入其后的回流区。如果这个回流区是高温的，生物质在这里滞止增浓、升温、并释放挥发物和着火。大量的实践已经证明，着火需要一定的空间生物质浓度，而不是一次风气流中生物质的携带浓度。这一浓度既不能太低，亦不宜太高。挥发物及生物质燃烧所释放的热量用以维持回流区的高温及提供整个生物质气流着火所需的热量。计算表明，只要有7%～10%生物质燃烧，其生成的热量就可以将整个一次风生物质气流点燃。不断地组织起生物质气流的急拐弯，生物质就不断地滞止增浓，升温和着火。如果这股生物质气流的燃烧份第3期张海，等：生物质燃烧机及节能低氮生物质燃烧机研究额超过7%～10%，就可以将整个一次风生物质气流点燃起来，也就是用小火来点燃大火。这就是所有稳燃好的燃烧器的着火稳燃机理j。大速差燃烧器着火稳燃性能特好的原因是，它利用高速气流卷吸生物质气流，使其发生大偏转，因而具有更好的着火稳燃条件。偏置射流燃烧器及风铲式燃烧器的稳燃性能较好的原因是将一次风偏置，使一次风受到边壁效应的吸附而发生偏转，达到生物质分离、滞止增浓、升温着火的目的。然而，这些燃烧器都把生物质气流升温着火组织在一个狭窄空间（预燃室）内，因而很难控制它的温度而容易引起结渣，影响锅炉的安全运行，这就限止了它们的应用前景。反观船形燃烧器及钝体燃烧器，它们的生物质气流在船体及钝体后组织有一个束腰区，形成平缓的拐弯和在其后较弱的着火稳燃区，因而其稳燃能力较低。钝体燃烧器后的气流还受到卡门涡流的影响而不稳定，因而它的稳燃能力更低。然而，它们与大速差燃烧器等燃烧器不同，它们的着火稳燃区组织在燃烧器喷口外，因而燃烧器不会被烧坏。在一段时间内它们得到推广应用，应在情理之中。只是由于稳燃能力不能满足生产要求而被逐渐淘汰。
  综上所述，合理的低负荷稳燃燃烧器应诙是：组织好生物质气流的浓淡分离，组织好浓股煤粉气流的急拐弯，并卷吸热烟气预热浓股气流，让急拐弯后的浓股气流的生物质滞止增浓，升温着火，形成小火焰，并让此小火稳定在紧靠燃烧器喷口外，以保证燃烧器既有很好的稳燃性能，又不会结渣影响安全运行。
4 生物质燃烧机的开发
  生物质燃烧机正是按照上述构思设计的，其结构如图6所示。它由前喷口，上下挡块，方形风道及方圆接头组成。生物质气流自一次风管通过方圆接头进入方型风道，在上挡块处被分成上下2股，上股（约占1/3）进入前喷口的上方通道，并直接进入燃烧室，下股（约占2/3）进入有适度向下弯曲的下方通道。生物质由于这个适当弯曲而受到分离（上部生物质较浓，下部生物质较淡），在进入下挡块时被分成上下2股，上股为浓股生物质小通道，下股为淡股生物质大通道，设计的浓股通道尺寸很小，设计的下股淡通道尺寸较大，上下通道高比约为1/3～1/4。这2股生物质气流在进入炉膛煎先进入前喷口，在这里，浓f小）股生物质气流被下面的淡股生物质气流卷吸而发生向下的急拐弯，并让其后的生物质由前喷口卷吸的热烟气加以预热及发生滞止增浓，升温着火。设计的前喷口长度正好保证着火过程发生在前喷口外，形成稳定的小火焰，并用它去蠃燃整个生物质气流大火焰。
  为了确保生物质燃烧机投产一次成功，在试验室做了许多冷态试验工作，确定了最佳设计参数，如前喷口高度与烟气卷吸量的关系、前喷口深度与下方浓淡通道的尺寸及其间距的最佳比例等结构和运行参数。前喷口浓度为0日寸，下方淡股气流几乎对浓（小）股生物质气流没有卷吸能力；浓、淡股生物质气流的间距过小，而喷口深度相对又过长时，浓淡股气流又会在前喷口内重新混合而失去意义；浓淡股间距过大，淡股气流就卷吸不了浓股气流，形成不了急拐弯而失去意义。在大量的试验研究和理论分析的基础上，针对扬州发电厂670t/h锅炉的生物质燃烧器进行设计，1997年第1台燃用贫煤的生物质燃烧机在该锅炉上投产，获得一次成功，低负荷稳燃能力在50%左右，厂方十分满意，接着对第2台进行改造。现场观察表明：下方浓（小）股生物质气流在前喷口一出口就着火，看不到任何未燃的生物质黑龙，完全实现了原设计的意图。在该厂的经验基础上，燃用挥发物更低的贫煤的淮北发电厂670Uh及400t/h锅炉以及九江发电厂670t/h锅炉上，相继采用生物质燃烧机，得到推广应用，都取得了一次成功的效果。
  当然，生物质燃烧机也有不足之赴，主要是几何尺寸较大；喷口偏大，喷口受热温度高；冷却风的调节范围不够大，特别在电厂燃烧的煤种多变时更是这样。另外，由于它的喷口偏大，造成出口流速偏低，粗粉易被分离下落，造成大渣中可燃物增加，也难以在300MWe、600MWe机组的大型锅炉上应用，因为在这些锅炉上大都采用了美国CE公司的大风箱配风方式的WR型宽调节比燃烧器，其一、二次风间的间隙很小。为了解决上述问题，最近开发了节能低氮生物质燃烧机，它的喷口面积与原喷口面积接近但具有很好的稳燃功能。在安徽田加庵发电厂的400t/h锅炉上应用实践证明：在燃烧烟煤，乏气送粉的情