天然气助燃超细无烟煤粉燃烧器设计要点概述.pdf

综述 天然气助燃超细无烟煤粉燃烧器设计要点概述 文章编号 1 0 0 4 8 7 7 4 2 0 1 5 0 2 - 0 0 0 1 -0 5 天然气助燃超细无烟煤粉燃烧器 设计要点概述 刘众擎 ， 何宏舟 ， 庄煌煌 ， 1 ． 集美大学 福建省能源清洁利用与开发重点实验室， 福建 厦门 3 6 1 0 2 1 ； 2 ． 集美大学 福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术研究 中心 ， 福建 厦门 3 6 1 0 2 1 摘要 提出在工业锅 炉上燃用低挥 发分超细煤 粉时 ， 燃 烧器 的选 型以及燃烧器设计应 注 意的关键问题。重点介绍了旋流燃烧器的部分关键结构对无烟煤超细煤粉的着火、 稳燃和燃尽 的作用。认为加入天然气补人结构能够实现天然气助燃无烟煤超细煤粉的效果； 一次风煤粉浓 缩、 中心扩口、 二次风旋流强度、 稳燃装置的布置等能够明显地影响无烟煤超细煤粉的稳燃； 燃 尽风的布置位置能够明显地影响飞灰含碳量和 N O 排放。 关键 词 超细煤粉 ； 无烟煤 ； 工业锅炉 ； 燃烧 器 中图分 类号 T K 2 2 3 ． 2 3 文献标识码 A Br i e f I n t r o d u c t i o n o f De s i g n o f t h e Ul t r a fin e 第一 作 者 刘 众 擎 1 9 8 9一 ， 集美大学 机械与能源工程学 院 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 为 粉 体 工 业 锅炉 燃 烧 器 的 设 计 开发。 Pu l v e r i z e d An t h r a c i t e Bu r n e r S u p p o r t e d b y Na t u r a l Ga s LI U Z h o n g ． q i n g 一 ，HE Ho n g z h o u 一 ，ZHUANG Hua n g h u a n g ， 1 ．K e y L a b o r a t o r y o f C l e a n E n e r g y U t i l i z a t i o n a n d D e v e l o p me n t o f F u j i a n P r o v i n c e J i m e i U n i v e r s i t y ， X i a m e n 3 6 1 0 2 1 ， F u j i a n ， C h i n a ； 2 ．C l e a n i n g C o mb u s t i o n a n d E n e r g y U t i l i z a t i o n R e s e a r c h C e n t e r o f F u j i a n P r o v i n c e J i me i U n i v e r s i t y ， X i a me n 3 6 1 0 2 1 ， F u j i a n ， C h i n a Abs t r a c t t Pu t f o r wa r d s o me a t t e n t i o ns p a i d t o t he b u r ne r s e l e c t i o n a n d de s i g n wh i c h b ur n i ng l o w v o l a t i l e u hr a f i n e p ul v e r i z e d c o a1．I n t r o d u c e s s o me k e y s t m c t u r e s o f t h e b u rne r f o r t h e i n d u s t ria l b o i l e r wh i c h h a v e t h e i n fl u e n c e o n t h e a n t h r a c i t e S i g n i t i o n ， s t a b l e c o mb u s t i o n a n d t h e c o mb u s t i o n r a t e ． Ke y wor dsu l t r a fin e p ul v e r i z e d c oa l ；an t hr ac i t e；i nd us t ria l bo i l e r；bur ne r 0 引言 无烟煤是一种埋藏年代最久 、 碳化程度最深 、 挥 发分最低的煤 。典 型的无烟煤具有含碳量高 、 发热 量高 、 灰熔点高和挥发分低 、 灰分低和含硫量低的特 点 ， 即所谓 的“ 三高三低 ” 。无烟煤 的燃烧化学性能 差 ， 着火温度高 ， 结构致密 ， 即使在加热后也 只有极 少孔隙 ， 燃烧时氧气很难进入颗粒内部 ， 而燃烧产物 C O 等也不易扩散 出去 ， 燃烧过程进行很慢 ， 燃尽时 间长。 超细煤粉 筛选粒径 2 0 0目以上 燃烧是近年 来新兴的一种燃烧技术 ， 具有稳燃效果好 、 燃烧效率 基金项目 福建省高校产学研合作科技重大项 目 2 0 1 3 H 6 0 1 8 收 稿 日期 2 0 1 5 - 0 1 1 5 高、 N O 排放低 、 综合经济性高等优 点。研究发现 ， 煤粉超细化再燃方式可以很大程度降低电站锅炉的 N O 排放 ； 超细煤粉燃烧时火焰辐射相对较强， 燃 烧强度较大 ， 并可 以有效减 弱或消除飞灰在炉内受 热面上的沉积与结渣现象 。 旋流燃烧器作为煤粉燃烧的主要设备之一 已在 国内各种容量锅炉上得到广泛应用 ， 对于低挥发分 煤 的燃烧 ， 旋流燃烧器具有更好的稳燃效果 J 。 本文在总结国内外燃用低挥发分煤燃烧器特点 的基础上 ， 针对福建无烟煤 ， 提出一种采用天然气助 燃的超细煤粉燃烧器设计方案 ， 结合天然气助燃煤 粉燃烧器 的结构特点 ， 重点介绍针对超细煤粉着火 、 稳燃和燃尽等要求 的燃烧器关键结构的设计思路。 1 天然气 助燃 的无 烟煤超 细 煤 粉燃 烧器 的 结构介绍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 工业锅炉 2 0 1 5年第 2期 总第 1 5 0期 1 ． 1 天然气补气结构 天然气 的主要 成 分 与煤 挥 发 分 的 主要 成分 C H 等 相 同。本 文提 出通 过补人 天然气的方法 使煤粉在燃烧初期与天然气混合 ， 可促进煤粉及时 着火并提高煤粉燃尽率。煤粉与天然气 的混烧在 国 外已经有所应用 ， 其主要 目的是利用天然气 的再燃 技术 ， 降低烟气中 N O 的含量 。 姜谋等在快装链条炉上进行改造 ， 用天然气与 煤粉混烧 ， 燃烧器结构如图 1 ] 。运行结果表 明， 在 加人燃气 比例 与总热量 比 为 1 5 ％ ～ 2 0 ％ 的情况 下 ， 用天然气具有很好 的助燃效果。 旋流二次风 煤粉气 流 图 1 天然气／ 煤粉混烧燃烧器结构 天然气／ 煤粉混合燃烧器的补气结构特点是 1 纯净 的天然气从 中心风管 内的天然气管补 入 ， 天然气管出口与中心风管出 口之 间是较长的天 然气／ 空气预混管 。这种结构有利 于保证天然气及 时着火 ， 并缩短天然气的火焰长度 ， 保证天然气在有 限空间里 的高效燃尽。 2 预混 的天然气从 中心风管喷出后 ， 直接进 入一次风形成的高温 回流区与煤粉混合燃烧 ， 为煤 粉提供更多热量和助燃气体 ， 对低挥发分煤粉的着 火和稳定燃烧非常有利。 因此 ， 对于难燃 的福建无烟煤 ， 在工业锅炉上燃 用超细煤粉时可以加入类似 的补气装置， 用天然气 助燃煤粉 ， 以提高福建无烟煤的燃烧性能 。 1 ． 2预燃室的稳燃 煤粉预燃室燃烧器是我国研制最早且 目前应用 较多的一种煤粉燃烧装置 ， 具有较好 的节油和低负 荷稳燃的效果。在利用天然气助燃煤粉时， 如让天 然气与煤粉先在混合预燃室进行预燃 ， 之后再进入 炉膛燃烧 ， 这样天然气对于低挥发分煤粉的助燃效 果会更好。预燃室的大小和形状与煤粉射流的形状 配合 ， 目的是促进在预燃室内形成 良好的回流 ， 保证 煤粉稳定燃烧 j 。预燃室的结构如图 2 。 预燃 室是 由耐热钢卷制成 的筒形前置燃烧器 ， 内衬耐火材料。在用天然气助燃时， 先点燃天然气 ， 用其加热预燃室内壁和筒 内气流 ， 然后再投入煤粉 气流 ， 与筒 内高温烟气混合 ， 并在高温筒壁的辐射作 用下着火燃烧。由于预燃 室空 问小 ， 壁温和筒 内气 流温度升高很快 ， 并可在预燃室中保持局部高温， 能 使进入预燃室 的煤粉迅速升温并着火。同时， 预燃 室与燃烧器的配合形成高温 回流 区， 能够强化燃烧 初始阶段 。试验发现 ， 燃烧过程的初始 阶段是整个 燃烧过 程的关键 ， 在煤粉燃烧过程初始的 2 0 ％ 时 问内有大约 8 0 ％ 的燃料已经烧完。 。 。 一 次风 t 二次 风 图2 旋流式预燃室燃烧器 此外 ， 在燃用无烟煤 、 低挥发分贫煤 、 劣质烟煤 和褐煤时 ， 还应该采用热风送粉进行稳燃。预燃室 输粉的热风要求在 2 5 0 c c以上 。 预燃室的容量由预燃室的直径和预燃室的长度 进行确定。预燃 室的直径 D 由预燃 室的断面热负 荷 g 和预燃室产热量 Q确定 。 MW／ m 1 D m 2 式中 卜预燃室断面积， Fs “ - D ， m 叶 9 预燃室产热量 ， MW 在预燃室直径确定后 ， 用预燃室长径 比 L ／ D确 定预燃室长度 ， J 。对于低挥发分煤 ， 增加预燃室长 度有利于稳燃 ， 但 当预燃室过长时， 却会因阻力大为 增加而造成筒内积粉和结渣。燃烧无烟煤时 ， 预燃 室长径 比 L ／ D为 1 ． 2～ 2 ． 2 。 1 ． 3一次风煤粉的浓缩 运行经验表 明， 当煤中的挥发分 比例小于 1 1 ％ ～ 1 4 ％时， 应使一次风煤粉浓缩， 并降低一次风风 速 ， 以保证煤粉气流稳定着火l 7 3 。 煤粉径 向浓淡分离可以将一次风煤粉气流分离 成内浓外淡两股 ， 浓股煤粉导向向火侧 ， 能够增加 向 火侧煤粉浓度 ， 让浓股气流进入高温 回流区， 释放更 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 综述 天然气助燃超细无烟煤粉燃烧器设计要点概述 5 烟煤粉燃烧器。燃烧器的结构如图 7所示 。 1 一 天然气管2 一混 合气喷嘴3 一一 次风入 口 4 一 前二次风人 口 5 一 后二次风入 口 6 一后二次风筒7 一预燃室 图 7 天然气助燃超细无烟煤粉燃烧器 天然气助燃超细无烟煤粉燃烧器 由旋流燃烧器 本体和预燃室组成 ， 其特点是 1 旋流燃 烧器本体 中心风管 内设 置天然气 管 ， 天然气管出 口与混合气喷嘴之 间是天然气一空 气预混段。天然气 的燃烧方式为非完全 预混燃烧 ， 保证天然气在喷入预燃室时能够及时着火 。 2 预燃室入 口设置前二次风管。前二次风为 旋流 ， 风速较高 ， 目的是在 预燃 室 内形 成 回流 的同 时 ， 吹扫预燃室壁面 ， 防止预燃室结渣和积粉。 3 一次风管扩 口内缩 ， 目的是在一次风粉气 流喷人预燃室前 ， 将煤粉浓缩。同时预燃室 出口内 缩结构的 目的是将前二次旋流风 、 一次风粉和天然 气三股气流充分混合 ， 增强气流问的扰动 ， 对燃料进 行稳燃。这两种结构分别借鉴了煤粉浓缩装置和稳 燃装置设计的经验。 4 后二次风出口贴在预燃室出口外侧， 其气 流可 以为旋流也可以是直流。 目的是稳定预燃室出 口火焰， 并及时补充燃烧所需空气， 降低火焰温度， 减少 N O 的生成。 3 结语 本文提出在工业锅炉上燃用低挥发分超细煤粉 时 ， 燃烧器的选型以及燃烧器设计时应注意的关键 问题 。重点介绍 了旋流燃烧器 的部分关键结构对无 烟煤超细煤粉的着火 、 稳燃和燃尽 的作用 ， 并得 出以 下结论 1 选用合适的天然气补人结构将天然气与煤 粉在预燃室内充分混合， 燃料着火后再喷入炉膛燃 烧 ， 有利于实现天然气助燃超细无烟煤煤粉 的效果 。 2 加装一次风煤粉浓缩 和稳燃装置 ， 选取合 适的中心管扩 口和二次风旋流强度会影响低挥发分 煤粉的稳燃 。 3 存在有最佳的燃尽风 O F A 布置位置。适 当的燃尽风布置有利于降低煤粉燃烧时的飞灰含碳 量和 N O 的排放量。 4 根据以往设计经验 ， 提出了天然气助燃超 细无烟煤粉燃烧器的设计 ， 并对其结构进行了说明。 强 参考文献 [ 1 ] 魏砾宏． 超细煤粉燃烧机理研究 [ D] ． 哈尔滨工业大学， 2 0 07 37． [ 2 ] J i a n g X i u mi n ， Z h e n g C h u g u a n g ，Y a n C h e ．P h y s i c a l S t r u c t u r e a n d C o mb u s t i o n P r o p e r t i e s o f S u p e r F i n e P u l v e r i z e d C o a l P a r t i c l e [ J ] ．F u e 1 ．2 0 0 2 8 1 6 ． [ 3 ] L i u J ， J i a n g X，Hu a n g X，e t a 1 ．Mo r p h o l o g i c a l c h a r a c t e r - i z a t i o n o f s u p e r fi n e p u l v e r i z e d c o a l p a r t i c l e ． P a rt 2 ．AFM i n v e s t i g a t i o n o f s i n g l e c o a l p a r t i c l e [ J ] ．F u e l ， 2 0 1 0 8 9 3 8 8 43 8 9 1 ． [ 4 ] 王磊， 吴少华． 中心扩 口对径 向浓淡旋流煤粉燃烧器出 口气固流动特性的影响[ J ] ． 热能动力工程， 2 0 0 0 3 2 432 46． [ 5 ] 姜谋 ， 张丽丽． 天然气与煤粉混烧技术在工业锅炉上的 应用 [ J ] ． 实用节 能技术 ， 2 0 1 1 1 5 8 6 2 ． [ 6 ] 闫顺林 ， 陈华刚， 魏杰儒， 等 ．煤粉预燃室燃烧器的设计 [ J ] ． 应用能源技术 ， 2 0 1 2 8 2 1 2 3 ． [ 7 ] 李卫东 ， 周虹光， 徐党旗， 等． 低挥发分煤锅炉燃烧设备 选型[ J ] ． 中国电力 ， 2 0 1 0， 4 4 4 4 0 4 2 ． [ 8 ] 赵伶伶． 花瓣燃烧器的稳燃特性与应用研究[ D] ． 东南大 学 ， 热能工程 ， 2 0 0 5 1 8 2 8 ． [ 9 ] 张海， 吕俊复． 旋流煤粉燃烧器低 N O 排放的设计分析 [ J ] ． 热力发电， 2 0 1 0， 3 9 1 1 3 2 3 5 ． [ 1 0 ] 张海， 吕俊复． 若干煤粉燃烧的设计思想分析 [ J ] ． 锅炉 技术 ， 2 0 0 7 ， 3 8 6 3 7 4 1 ． [ 1 1 ] 王富强 ．一次风扩口对中心给粉燃烧器气固流动影响 的试验研究[ D] ． 哈尔滨工业大学， 2 0 0 7 ． [ 1 2 ] 薛山， 惠世恩． 径向浓淡旋流燃烧器 N O 排放和燃尽率 的试验研究[ J ] ．动力工程学报， 2 0 1 1 ， 3 1 1 1 8 2 1 ． [ 1 3 ] 徐旭常， 吕俊复， 张海． 燃烧理论与燃烧设备 [ M] ． 北 京 科学出版社 ， 2 0 1 2 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m