國外生物質(zhì)燃燒機技術(shù)的新進(jìn)展

摘要介紹分析了三菱公司。超低PM燃燒器”、德國B&W公司“DS燃燒器”和石川島插磨公司。內(nèi)部分隔型WR燃燒器”，對于生物質(zhì)燃燒機高濃度技術(shù)的發(fā)展提出了一些看法，

1 前言

近幾年來，國外電站鍋爐生物質(zhì)燃燒機技術(shù)的發(fā)展仍然是圍繞降低NOx和強化穩(wěn)燃兩個主要問題，在高濃度燃燒關(guān)鍵技術(shù)——濃縮調(diào)節(jié)技術(shù)方面開發(fā)研究，近期較新的成果主要是德國B&W·公司的“DS燃燒器”、三菱公司的“超低PM燃燒器”和石川島播磨公司的“內(nèi)部分隔型WR燃燒器”。前兩者已經(jīng)實用，后者正在研制中。本文專此作些分析介紹。

（由于關(guān)于煤粉高濃度燃燒技術(shù)的一些概念和名稱沒有統(tǒng)一，為敘述方便準(zhǔn)確，本文把“局部濃淡燃燒”、“器內(nèi)分級燃燒”和“濃淡分區(qū)燃燒”等統(tǒng)指燃燒器出口一股火焰不同濃度區(qū)域燃燒的概念，統(tǒng)一稱為：“局部濃淡燃燒”）。

2 三菱超低PM燃燒器

力了進(jìn)一步降低NOx，強化穩(wěn)燃，減少未燃分，三菱公司在PM燃燒器的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了所謂“High turn-domn PM 'burner”（本文譯為“超低PM燃燒器”），已在350MW機組煤粉鍋爐上應(yīng)用成功，為制造中的1000MW機組鍋爐采用。

日本文獻(xiàn)透露了“超低PM燃燒器”，但是只刊出圖l和圖2，沒有多少文字說明。尤其在圖1中，橫座標(biāo)沒有標(biāo)注數(shù)值，使讀者無法知道圖中“淡股”、“平均值”、“濃股”和“超濃股”的A/C值。且在圖2只有噴嘴簡圖，沒有燃燒器其它部分，也使讀者看不出入口的濃風(fēng)粉流從何而來。盡管如此，也并不難分析推斷出它的結(jié)構(gòu)原理。

2.1基本原理是兩級濃淡燃燒

分析比較圖1和圖2，“超低PM燃燒器”有“超濃”、“濃”和“淡”三股風(fēng)粉流，進(jìn)入燃燒器的是一股淡風(fēng)粉流，從噴嘴出口進(jìn)入爐膛的是“超濃”、“濃”和“淡”三股風(fēng)粉流?！暗惫墒且粋€噴嘴，“超濃”和“濃”股是共一個噴嘴進(jìn)入爐膛，一共兩個噴嘴。

我們知道，濃淡燃燒本質(zhì)上是不同煤粉濃度的濃淡分區(qū)燃燒。只要相近區(qū)域的風(fēng)粉流具有一定程度的濃度差，就能夠形成“濃淡燃燒”。由此分析，在超低PM燃燒器中，濃度相對較高的“超濃”風(fēng)粉流與濃度相對低的“液”風(fēng)粉流雖在同一出口同一火焰中，但是也能夠形成“濃淡燃燒”，只不過是“局部濃淡燃燒”。同時，“超濃”和“濃”股燃燒火焰還會與“淡”股燃燒火焰形成不同股火焰的“濃淡燃燒”。

可見，“超低PM燃燒器”的基本原理還是濃淡燃燒。所不同的是，PM燃燒器是“濃”、“淡”兩股火焰構(gòu)成一級“濃淡燃燒”。而超低PM燃燒器是“超濃”、“濃”和“淡”三股風(fēng)粉流的兩股火焰構(gòu)成兩級“濃淡燃燒”，是通過濃縮再濃縮辦法在一級“濃淡燃燒”后再加一級“局部濃淡燃燒”。

2.2濃縮調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)是兩級彎管濃淡分離

目前，國外在電站煤粉鍋爐直流燃燒器上實現(xiàn)濃淡燃燒的濃淡分離技術(shù)主要有兩種：一種是以CE公司W(wǎng)R燃燒器為代表的“彎管噴嘴分隔板分離”技術(shù)，一種是以三菱公司PM燃燒器為代一．表的“彎管三通分離”技術(shù)，一般都只有

一級彎管濃淡分離。超低PM燃燒器是直流燃燒器采用兩級彎管濃淡分離技術(shù)的例，入口進(jìn)入的是“濃”股而非“漩”股。那么這股濃風(fēng)粉流從何而來？入口以下是如何結(jié)構(gòu)？它的另外一級濃淡分離結(jié)構(gòu)怎樣？對于這些問題的答案，我們可以合理地推斷出來。

三菱公司所有的PM燃燒器的濃淡分離基本技術(shù)是“彎管三通分離”技術(shù)，是一次風(fēng)入口彎管采用有兩個出口的三通彎管，利用一定流速的風(fēng)粉流在彎管中的離心分離作用使一次風(fēng)粉流分離成J濃淡兩股，分別從兩個出口入爐。這個三逋彎管被稱為“濃度分配器”，實質(zhì)上也是形成高濃度燃燒的濃縮器。經(jīng)三通彎管分離出的高濃度風(fēng)粉流從高濃度噴嘴進(jìn)入爐膛，在出口著火區(qū)形成高濃度燃燒，易著火穩(wěn)燃；低濃度風(fēng)粉流從低濃度噴嘴進(jìn)入爐膛，雖然自身難以穩(wěn)燃，但是能靠濃火焰支持著火燃燒。這種由彎管濃淡分離形成的濃淡燃燒既有利于降低NOx排放量，又有利于穩(wěn)燃?！暗蚇OxPM燃燒器”、“低揮發(fā)分煤PM燃燒器”和“無煙煤PM燃燒器”都采用這樣的技術(shù)。

由此分析，超低PM燃燒器圖2入口以下只須再增加一級“三通彎管分離”就可以了，這當(dāng)然是簡便的了。從圖1看，實際也應(yīng)如此。在“彎管噴嘴分隔板分離”的濃股入口以下，應(yīng)當(dāng)還有一級三通彎管分配器，由它提供“彎管噴嘴分隔板分離”所需的“濃”股。“淡”陂從單獨的噴嘴噴出，“濃”股被分高成“超濃”股和“濃”股共一個噴嘴噴出。這是超低PM燃燒器形成“超244濃”股、“濃”股和“淡”股三股風(fēng)粉流的合理解釋。

3 德國B&W的DS燃燒器

DS燃燒器是在ws旋流分級燃燒器基礎(chǔ)上改進(jìn)的，也是一種旋流分級燃燒器。德國所稱的“旋流分級燃燒器”，也就是一般意義上的“雙調(diào)風(fēng)燃燒器”?；驹硪卜Q為燃燒器內(nèi)分級燃燒，大體是通過調(diào)節(jié)風(fēng)速及風(fēng)量來濃縮調(diào)節(jié)燃燒器出口的高濃度燃燒區(qū)，也就是“局部濃淡燃燒”。ws燃燒器是80年代中為燃燒西班牙無煙煤的W火焰無煙煤鍋爐開發(fā)的低NOx穩(wěn)燃燃燒器，隨后推廣到德國B&W公司的雙W火焰液態(tài)排渣鍋爐上。二次風(fēng) 三次風(fēng)內(nèi)二次風(fēng)外二次風(fēng)

從圖3可看到，兩種燃燒器的形狀和結(jié)構(gòu)相似，都是雙調(diào)風(fēng)燃燒器形式。ws燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)是旋流，一次風(fēng)和外二次風(fēng)都是直流，是利用一組旋流葉片和一次風(fēng)、內(nèi)外二次風(fēng)風(fēng)量的調(diào)節(jié)在出口燃燒區(qū)形成高濃度區(qū)，其濃縮調(diào)節(jié)比較麻煩。DS燃燒器與之明顯的區(qū)別有3點：①一次風(fēng)是旋流，外二次風(fēng)改為三次風(fēng)；②噴嘴出口的穩(wěn)焰器是齒形盤；⑧采用三組葉片聯(lián)合調(diào)節(jié)一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和三次風(fēng)。

分析以上不同點，可以看出DS燃燒器由于含煤粉的一次風(fēng)也旋轉(zhuǎn)，離心分離作用將使一次風(fēng)在燃燒器內(nèi)還未與=次和三次風(fēng)混合前就發(fā)生濃淡分離，煤粉朝器壁聚集，與旋流二次風(fēng)和三次風(fēng)混合后仍使高濃度區(qū)在外，朝向著火面。燃燒器出口的齒形盤可以把高濃度風(fēng)粉流分割成多股辮狀進(jìn)入爐膛，分布更加均勻，穩(wěn)焰效果更好。三組葉片聯(lián)合調(diào)節(jié)一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和三次風(fēng)，形成一個貧氧的內(nèi)回流區(qū)能獲得降低NOx的效果。

據(jù)介紹，實際應(yīng)用DS燃燒器的電廠鍋爐都取得了良好的效果。由于它對不同煤種和二、三次風(fēng)比反應(yīng)不敏感，使得調(diào)節(jié)起來要比WS燃燒器簡單容易；而且NOx排放量也少（如一例第4期何季民 國外生物質(zhì)燃燒機技術(shù)的新進(jìn)展的NOx排放量比用ws燃燒器時約降低200mglm3）。

不過，無論DS或WS燃燒器在用于W火焰鍋爐燃燒無煙煤時，都還須增加旋風(fēng)分離器作為專門的濃縮器，這一技術(shù)并沒有改變。

4 IHI內(nèi)部分隔型WR燃燒器

日本石川島播磨公司(IHI)繼“DF雙流旋流燃燒器”和“IHI-FW臥式旋風(fēng)分離器燃燒器”之后，目前正在與日本中央電力研究所合作研制式的“內(nèi)部分隔型寬調(diào)節(jié)比燃燒器”即“內(nèi)部分隔型WR燃燒器”，已取得一些成功的試驗結(jié)果。這種燃燒器的結(jié)構(gòu)原理比較特別，其別具一格的濃縮調(diào)節(jié)機構(gòu)尤其令人注目。

4.1基本原理是局部濃淡燃燒點一次風(fēng)

IHI公司在分析生物質(zhì)燃燒機在低負(fù)荷不能穩(wěn)燃的原因時認(rèn)為，主要原因是煤粉的著火性能和火焰?zhèn)鞑ニ俣入S一次風(fēng)A/C增大而降低，為此必須提高一次風(fēng)A/C，采取在燃燒器出口著火區(qū)的高濃度燃燒技術(shù)，這可保證降低NOx并低負(fù)荷穩(wěn)燃。所謂“內(nèi)部分隔型WR燃燒器”的基本結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。設(shè)想以DF雙調(diào)風(fēng)燃燒器為基礎(chǔ)，改進(jìn)濃縮調(diào)節(jié)機構(gòu)，增加所謂“內(nèi)部分隔機構(gòu)”，燃燒器中心通不含煤粉的中心風(fēng)，一次風(fēng)粉流從切向旋轉(zhuǎn)進(jìn)人燃燒器，由于離心分離作用使煤粉向管壁聚集，被濃縮調(diào)節(jié)器和三層管噴嘴分隔成濃淡兩股風(fēng)粉流，在噴嘴出口補充二次風(fēng)和三次風(fēng)后，形成一股火焰的局部濃淡燃燒。

與DF燃燒器不同的是，增加了濃縮調(diào)節(jié)器，改成了三層管噴嘴，濃縮調(diào)節(jié)器主要是濃縮套環(huán)，主要作用是提高濃縮能力，三層管噴嘴則進(jìn)一步分隔一次風(fēng)粉流，兩者結(jié)合能加強濃縮調(diào)節(jié)作用?？梢妰?nèi)部分隔型WR燃燒器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是三層管噴嘴和濃縮調(diào)節(jié)套環(huán)。過去的雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器也有一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)幾層噴口，但并不是這種專門濃縮分隔一次風(fēng)粉流的，因此可以．說這種三層管是前所未有的結(jié)構(gòu)技術(shù)。

4.2關(guān)于三層管噴嘴

(1)如圖5所示，使用三層管分隔一次風(fēng)粉流可以有6種濃淡燃燒組合方式，典型的三種為：①內(nèi)層濃，中層淡，外層全風(fēng)無粉，風(fēng)粉混合惡劣，只能形成細(xì)長火焰，還伴有黑煙。②內(nèi)層淡，中層濃，外層全風(fēng)無粉，火焰形狀大小不穩(wěn)定，調(diào)風(fēng)門的燃燒調(diào)節(jié)范圍很小。③內(nèi)層全風(fēng)無粉，中層淡，外層濃，容易形成穩(wěn)定寬大的短焰，燃燒調(diào)節(jié)范圍也寬。這時高濃度區(qū)域朝外向著著火面，是比較理想的濃淡燃燒形式。

組合③的變風(fēng)量燃燒試驗結(jié)果表明：當(dāng)外層A/C小即濃度高時，能形成良好燃燒，若A/C在3縱下，能維持穩(wěn)燃。

(2)三層管的中層管長度是一個很重要的因素，因為它與濃縮調(diào)節(jié)套環(huán)的配合直雛發(fā)揮濃縮分離的作用。在一定范圍內(nèi)，它的長度長些，與套環(huán)的距離近些，兩者配合發(fā)揮的濃縮作用就大些。反之長度短些，與套環(huán)的距離遠(yuǎn)些，配合發(fā)揮的濃縮作用就小些。

(3)三層管噴嘴在外層內(nèi)壁靠近噴嘴處還安有一些導(dǎo)流棍，用以糾正風(fēng)粉流沿圓周發(fā)生的偏流。這是因為在試驗臺比例試驗中發(fā)現(xiàn)負(fù)荷只降低到25%，達(dá)不到20%。分析原因是噴嘴噴出的風(fēng)粉流沿圓周發(fā)生偏流，使得圓周煤粉濃度分布不均，導(dǎo)致在更低負(fù)荷難以維持著火穩(wěn)燃。

為此，用合適長度和形狀的導(dǎo)流棍安裝在高濃度風(fēng)粉流的通道壁上，能有效地糾正沿圓周的煤粉濃度分布不勻現(xiàn)象。

4.3關(guān)于濃縮調(diào)節(jié)套環(huán)

內(nèi)部分隔型WR燃燒器是通過調(diào)節(jié)中心管外壁的濃縮調(diào)節(jié)器來濃縮調(diào)節(jié)燃燒煤粉濃度，這種濃縮調(diào)節(jié)器實際是套在中心管外壁的可調(diào)節(jié)套環(huán)，通過改變套環(huán)的位置來分離并調(diào)節(jié)向管壁聚集的煤粉濃度和旋轉(zhuǎn)強度。圖6示出了小I—J形狀和大小的套環(huán)。

(1)五種形狀套環(huán)中，雙面錐形套環(huán)的濃縮凋節(jié)能力。

(2)三種不同直徑的雙面錐形套環(huán)在軸向移動，圖7是濃縮比測量結(jié)果，反映套環(huán)大小位置與濃縮調(diào)節(jié)效果的關(guān)系。當(dāng)套環(huán)的直徑小到一定程度，移動套環(huán)就不能改變濃縮性能。

(3)套環(huán)對流速分布的影響

5 結(jié)束語

通過以上分析介紹，對于上述三種新型燃燒器提出如下認(rèn)識：

(1)三菱公司在燃燒器技術(shù)上的發(fā)展是進(jìn)一步提高和完善PM燃燒器，超低PM燃燒器通過采用兩級彎管濃淡分離實現(xiàn)兩級濃淡燃燒，不但濃縮能力得到進(jìn)一步提高，而且濃度調(diào)節(jié)能力也能得到改善，同時有助于進(jìn)一步提高燃盡率，降低未燃炭。

(2)德國B&W公司的DS燃燒器采用一次風(fēng)旋流，三組葉片聯(lián)合調(diào)節(jié)，濃縮調(diào)節(jié)能力應(yīng)該比一次風(fēng)直流