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银虫 (初入文坛)

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[交流] 浅谈低挥发分煤以及国产锅炉燃烧器的实践应用！

0 引言
我国是一个以煤为主要一次能源的国家，目前煤占能源泉消费的70%以上。随着经济社会的发展，我国能源需求不断增长，资源短缺现象逐渐显露出来。2003年我国能源消费总量16.78亿t标准煤，比上年增长10.1%，其中，原油消费量2.52亿t，增长12%；全年原油进口量9112.63万t，同比增长31.1%；出口原油813.33万t，同比增长12.84%。2003年全国生产原煤16.67亿t，其中发电用煤炭的消费已经达到8.5亿t，占全部煤炭消费的50%以上；原油产量1.69亿t；天然烟气产量达341.28亿m3。因此，研究低挥发分煤燃烧特性和W型火焰炉燃烧技术发展及存在问题，对于发展我国资源节约型社会有重要意义，也成为学术界和电力企业的一个研究热点。
1 低挥发分煤国产燃烧器特性
1.1 低挥发分煤的热解特性煤粒被加热超过一定温度后，就进入了热解阶段。这时煤粒释放出焦油和气体，并形成剩余焦碳。煤粒被加热时所释放出挥发分的重量和成分与其热解的条件有关，即主要取决于加热的升温速度、加热的最终温度和在此温度下的持续时间。根据加热时升温速度的不同，一般可把煤的热分解过程分为快速、中速和慢速热分解。这不仅由于热解是煤燃烧过程中一个重要的初始过程，对着火过程有极大的影响，也因为热解是其它转换过程，如气化、液化、精炼等的重要步骤，同时也与污染物的形成有密切关系。深入研究煤粉的热解机理，有助于了解煤粉的着火与燃烧过程，对煤粉低氮燃烧器的设计具有重要的指导意义。煤受热时，对构出气体采样并用气相色谱法进行分析，发现当温度低于200~300℃时，析出的气体几乎完全是吸附在微粒及晶格间的水分和结晶水，随着温度的升高，析出的产物依次是CO2、CO、CH4和H2，而后在较高的温度下析出称之为沥青的重要碳氢化合物。同时，在此升温的过程中，析出物在空间着火燃烧，使剩余碳达到着火条件而发生氧化反应。煤的物理化学结构十分复杂，热解挥发也是极其复杂的过程。在煤粒子被加热升温度过程中，首先将其物理化学键破坏、形成不稳定的中间产物，然后析出部分产物。所以，热解挥发必然是与传质、传热及化学反应动力学有关的过程。
1.2 低挥发分煤的着火特性煤的着火特性对于煤粉锅炉设计和运行极为重要。煤粉是否快速着火并稳定燃烧对锅炉运行的经济性有着极大影响。特别是无烟煤、贫煤等低挥发煤，其着火特性不仅决定煤粉火焰的稳定性，而且还直接影响火焰的传播速度和燃烧后期发展。煤粒的着火方式究竟是均相着火还是异相着火，在长达一个世纪的时间内，人们一直认为煤的着火总是在气相中发生的。上世纪60年代中期以来，许多学者进行了一系列的试验研究，从而证明煤粒的非均相着火方式也是大量存在的。在对低挥发分煤进行煤粉着火特性的研究过程中，哈尔滨电站设计成套设计研究所利用煤粉气流着火数装置测定了煤粉气流着火指数与煤特性、煤粉浓度、煤粉粒度和氧浓度的关系。同时也证明，将无烟煤同其他易燃烟煤混烧能不同程度地改善无烟煤的着火特性，原因是当混合粒子进入炉膛以后，烟煤与无烟煤的着火温度比无烟煤低，因而首先着火燃烧。燃烧放出的热量进一步加热其周围的无烟煤粒子，使其迅速达到着火温度，因而促进了无烟煤粒子的着火和燃烧。
1.3 低挥发分煤的燃尽特性按照我国发电用煤分类标准，干燥无灰基挥发分Vdaf小于20%者为低挥发分煤，其中小于6.5%者为特低挥发分煤。低挥发分煤因其煤化程度高、挥发分含量低、煤发热量中挥发分的发热量比率亦低等，从而使煤的着火变得困难；煤化程度加深也使其岩相结构紧密而稳定，孔隙率小，使其磨碎性减弱，反应性降低，燃尽性能变差。因此，低挥发分煤种的着火与燃尽都比较困难，需要较高的着火和燃尽温度，以及较长的燃尽时间。此外，还有一些低挥发分煤的灰熔点较低，易在高温下形成结渣。煤的燃烬过程是那样的复杂，所以现在还不能对整个燃烬过程提出一个比较完整的物理模型。近年来，有不少研究者提出了这种或那种物理模型，但是只能解释某些局部的现象，或者对燃烬过程作出了许多简化的假设。对于燃煤锅炉燃烧器，尤其是大型电站锅炉来说，煤粉的燃尽特性将直接影响锅炉的燃烧效率和运行经济性。而煤粉的燃尽性能取决于碳粒的燃尽。碳粒的反应速度则受氧浓度、气体温度以及颗粒直径等因素的影响。
2 W型火焰炉燃烧技术发展及存在问题
我国电站锅炉燃用低挥发分煤种已有50余年历史，在上世纪80年代初投运了一批容量为670t/(配200MW机组)的国产切圆燃烧干态排渣炉，上世纪90年代起投运了一批容量为1025t/h(配3MW机组)的国产干态排渣炉，其中大部分为切圆烧，也有少量的墙式燃烧。上述机组的投运标志着国在燃用低挥发分煤的电站锅炉大型化方面取得了足的进步，但同时也存在着机组可靠性不高、飞灰可物高、负荷调节幅度小等问题。W型火焰燃烧过程分为3个阶段：第一是着火阶段。燃料在低扰动状态下以较低的速度和较小的一次风率自上而下引入炉膛，相应提高了火焰根部的温度，延长了煤粉气流在着火区的停留时间，对着火有利；第二是燃烧阶段。由于二次风与三次风的高速引入，混合强烈第三是辐射冷却阶段。烟气进入上部炉膛，除继续以低扰动状态使燃料燃尽外，还受到炉膛辐射受热面的冷却。W型火焰燃烧方式的特点与优势：一是在着火与稳燃方面。起始阶段，由于煤粉自上而下进入炉膛，故一次风速低（10—15m/s），煤粉在低扰动状态下着火引燃，有利于着火点的形成；采用旋风分离式燃烧器，从磨煤机出口的风粉混合物中分离掉一部分空气，经燃烧器送入炉膛的是高浓度煤粉空气混合物，使着火热减少，于着火有利。在前后拱上都可布置燃烧器，使燃烧器数量增加，单个燃烧器的容量可设计得小一些，有利于着火燃烬；高温热烟气自下而上流出下炉膛之前，有一部分热烟气回流至燃烧器出口处的着火区域，对一次风煤粉进行加热。燃烧器出口处水冷壁一般敷设有卫燃带，提高了着火区温度，于着火有利，而且，负荷变化时对炉膛影响不大，故有利于稳燃与调峰。二是在燃烧与燃烬方面。二次风沿火焰行程逐渐加入已着火的煤粉气流中，符合无烟煤燃烧延缓的特点，对燃烧和燃烬有利；炉膛充满度好和炉膛容积热负荷低，使煤粉在炉内停留时间长，有利于燃烬。因此，W型火焰燃烧方式尤其适合无烟煤燃烧，而且可根据实际燃煤的挥发分多少来调节一次风煤粉浓度、热风温度等，改变燃烧器结构和卫燃带面积等，就可扩大煤种的适应范围。当然，W型火焰锅炉也存在一些不足之处，主要有：①空气和煤粉后期混合较差，不利于燃料的燃尽；②由于炉膛下部断面约为常规燃烧方式锅炉的两倍，为保证着火及火焰稳定，必须敷设大面积的卫燃带，从而导致结渣；③炉膛结构比较复杂而且尺寸较大，因而造价较高；④NOx排放量较高，对环境污染严重。
参考文献：
[1]毕玉森，陈国辉.低挥发分煤种与W型火焰锅炉[J].热力发电，2005.7.
[2]许传凯.低挥发分煤的燃烧与“W”型火焰锅炉若干问题研究[J].中国电力，2004.7.
[3]樊泉桂W型火焰锅炉的性能评价[J]动力工程.1994，14.
http://www.down-burner.cn/news/industry/223.html

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