复合旋流燃烧器的稳燃机理和应用

电力18讯：    1　稳燃技术的发展

煤粉锅炉的稳燃技术应该能够适应煤种变化和负荷变动,并达到各项燃烧性能指标--炉内合理的温度分布、浓度分布、飞灰可燃物含量和对有害成分(NOx,SO2)的控制. 近年来,国内外有关研究单位和专业公司在煤粉燃烧器的稳燃性能方面进行了大量的研究和应用,如华中理工大学早期研究的从钝体燃烧及后来发展的开缝式钝体燃烧器;浙江大学研究的浓淡分离型燃烧器;清华大学在80年代研究的船型燃烧器,目前亦从事富集型煤粉燃烧器的研究与应用(浓淡型);美国CE燃烧公司研究的揉合了钝体和浓淡分离两类技术的WR燃烧器;B&W公司研究的二次风双调节旋流燃烧器等. 本文重点叙述东南大学最近研究和应用的一、二次风复合旋流燃烧器.

2　复合旋流燃烧器的机理

2.1　复合旋流的空气动力特性

旋流式燃烧器工作时,均有供着火燃烧的含粉一次风和供其余燃烧所需的二次风.目前国产的或引进的旋流式燃烧器的二次风均为旋转气流,而一次风则以直流形式为多,出口处两股同轴的直流和旋流气流相互干扰,二次风旋流强度衰减较快,对于由旋流产生高温回流区的作用也受到削弱.一、二次风复合旋流属共轴环套复合旋转射流.

在复合旋转射流的作用下,形成强大的中心回流和外围回流2个回流区,如图1所示. 这种共轴环套旋流具有各自的不同旋流强度,各自的旋转角度、质量流量(流速)是不同的,二次风的旋流强度可以调节. 因此,燃烧器出口的流动形态非常复杂. 从图1中可以看出,回流区3提供了着火燃烧的高温源,回流区边界7外缘正是一次风中煤粉的富集区,既有外界充分的二次风氧浓度,又有高煤粉浓度,形成了燃烧物质高速反应的条件.

图1　二重复合旋转射流流动示意图
1-一次风旋流叶片;2-二次风旋流叶片;3-回流区;4-卷吸外界气体;
5-轴向速度分布;6-切向速度分布;7-回流区边界;8-高温、高浓度边界

2.2　燃烧的强化和稳定

炉内煤粉燃烧的稳定和强化在技术上高度统一. 煤粉火焰稳定的关键是强化燃烧过程的初始阶段. 在锅炉燃用的煤粉粒径状态下,加热速度为104　℃/s,挥发分析出3%～4%以后,这部分挥发分先作均相着火燃烧,在0.03～0.05 s以后气态均相和固态多相着火燃烧同时进行,在0.08 s以后,挥发分大量析出,直到0.15 s时,挥发分析出超过80%,固定碳亦完成燃烧反应的60%,温度升高达1 300～1 500 ℃. 有些试验表明:在燃烧初期阶段0.2 s内完成80%的煤粉燃烧,而剩余的20%煤粉需要4倍的时间才能完成,还有些专家根据大量试验认为:90%的煤粉燃烧只需炉内10%的时间,然而剩余10%的煤粉的燃尽则需要90%的时间来完成［1］. 可见,大量煤粉燃烧是在初期完成的,这就要求我们首先要注重关键的初始阶段的燃烧强化.

对于复合旋流燃烧器,主要应组织好初始的着火燃烧. 一次风由原直流形式改变为旋流形式,煤粉气流喷入炉内时生成了一股新的旋转射流,周界高温二次风旋流内缘的扩散面积增加,传输动量亦增加,使一次风混合物外缘煤粉的加热和燃烧的条件得到充分改善;同时,一、二次风旋流产生的中心回流随着旋流强度的增加而增加,大量高温烟气回流直接加热一次风煤粉流中较细的颗粒. 有利于煤粉的着火,这就遵循了初始着火的必要条件:增加回流热量和提高对流换热系数. 而且一、二次风复合旋流进一步带动了炉内气流的旋转和扰动,气体团和固体颗粒两相之间的脉动度大为增加,火焰内部物质的有效行程(非火焰几何行程)和固体颗粒的自身高频旋转次数可增加到原来的几倍,有利于促进煤粉在炉内的燃尽程度.

一次风气粉两相混合物在管内产生旋流的同时,固相煤粉的离心力高于气相侧,并向旋流外边界聚集,形成一个伞形的高浓度煤粉区. 在燃烧化学反应中,燃烧速度ω和反应物的氧浓度CO2和煤粉浓度Cp成正比

当相同质量的反应物参与燃烧反应,尤其是燃烧器出口属气固多相燃烧动力反应区,具有较高的氧浓度,提高煤粉浓度的聚集程度参与着火边界区的燃烧,将会提高该区域的燃烧反应速度. 旋流一次风产生的煤粉浓淡两相分离是连续性变化的,从工作过程来看,卷吸的高温气流中氧的补充配给也是恰到好处的. 因此,火焰的传播也具有较好的连续性. 在高浓度煤粉区,旋流卷吸高温气流也强,火焰传播速度也高

综上所述,复合旋流燃烧器实现了强化燃烧所必需的三大要素:高温度、高浓度和强混合程度. 为低氧燃烧提供了有利条件,对控制SO2,NOx有害物的排放,以及降低排烟温度起到十分有益的作用.

3　设计和应用

原普通旋流燃烧器一次风(气粉混合物)呈直流的特性,其自身不能产生回流热,并削弱二次风产生的回流,煤粉燃烧所需的着火热不足,平直流中的煤粉颗粒脉动度亦不足. 因此,对原始设计曾有些说法,认为旋流式燃烧器初期动量较大,后期动量不足,只宜烧烟煤(挥发份高的煤),而不宜烧挥发份较低的劣质烟煤、贫煤和无烟煤. 正是基于原旋流燃烧器动量不足的特点,设计成一、二次风复合旋流,增强了回流着火热 、扰动度、火焰合理的充满度,强化整个燃烧过程,<