国内W火焰炉应用前景的初探
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【摘要】世界上的化石能源有限，我国的人均占有量更是匮乏，在煤炭储藏量中占有一席之地的劣质煤，开发、利用步伐缓慢，如今资源短缺现象严重，劣质煤的开发、利用受到重视，本文从电站W火焰锅炉的燃烧特性进行调查、分析，结合国家能源环境政策，对我国W火焰锅炉在燃烧稳定性、调峰能力、炉膛结渣、低NOX排放等方面进行了研究，揭示了W火焰炉对劣质煤的适应性，有广阔的发展前景。
【关键词】W火焰；劣质煤燃烧；炉膛结渣；低NOX排放
1.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，资源短缺现象日益显现。因此利用劣质煤，来研究和开发国内W火焰炉的应用、对于发展我国资源节约型社会的发展具有重要意义。电站锅炉在燃用无烟煤时，以前主要选用四角切圆、固态排渣煤粉炉，但是这一燃烧方式很难达到锅炉的大型化，目前全世界四角切圆燃烧方式锅炉容量很少做到300MW以上。随着经济发展，节能减排的呼声越来越高，高参数、大容量发电机组强占了市场，无烟煤的燃烧设备，必须考虑大型化的问题。对于无烟煤这种反应特性极低的煤种，国际上一般采用W火焰的燃烧方式，通过提高炉膛局部热负荷、延长火焰行程等手段来获得满意的燃烧效果。随着W火焰锅炉技术传入中国，国人也曾对其进行研究，国内的大型锅炉设备制造厂也消化、吸收了其主要理论，并根据工程实际进行改进，目前已经设计制造了数台60万千瓦级的W火焰锅炉。
2.W火焰炉的特性分析
2.1 炉型结构
W型火焰锅炉的结构与常规燃煤锅炉不同，其燃烧室是由下部的拱状燃烧室和上部的燃烬室组成，燃料燃烧过程基本上是在下部炉膛内完成（约7O%～75%），上部炉膛主要是冷却烟气用。上下炉膛之间有一束腰，可减少上部炉膛水冷壁与着火和燃烧区域之间的辐射换热，有利于提高着火、燃烧区的温度。燃烧室的深度比燃烬室大80%～120%，前后墙突出部分的顶部构成拱体，煤粉燃烧器一、二次风装设在拱体上（有的W型锅炉的拱体上只装设煤粉气流和乏气喷嘴），下喷的煤粉气流着火后向下伸展，在燃烧室下部与三次风和分级风（也有的分级风布置在前后墙）混合后折转向上，沿炉室中轴线上升，从而形成W型火焰。燃烧产物气流上升进入燃烬室，继续反应直至燃烬。燃烧过程实现空气分级或者燃料分级。燃烧室均敷设燃烧带，减少受热面吸热、提高炉膛温度。这种锅炉一般配双进双出钢球磨直吹式制粉系统或中储式钢球磨热风送粉系统，燃用低粒度的煤粉。
2.2 燃烧优点
W火焰锅炉的燃烧优点一是着火条件好：煤粉着火最有利的条件就是局部三高：高温、高氧、高煤粉浓度。W火焰炉膛设计为双拱绝热炉膛，根据燃用煤种的特性在拱部和下炉膛四周合理敷设卫燃带，使着火区域形成高温，炉膛的拱式结构可以聚集辐射热量，提供充足的着火热。再加上这个高温区恰好位于喷燃器出口，所以非常利于着火。由于燃烧器布置在双拱上，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；其喷口向下，一次风速比常规炉降低10m/s左右，风粉比降低很多，而且W炉易于实现煤粉的分离浓缩技术，煤粉浓度可提高到1.5～2.0kg煤粉/1kg空气（一般的煤粉浓度为0.3～0.7kg煤粉/1kg空气）[8]。煤粉浓度的提高，可以大幅度减少煤粉气流的着火热，有利于提高低反应煤的着火稳定性。二是火焰行程长，有利于燃烬。煤粉气流向下喷射，再翻转上来，形成W轨迹，在炉内的停留时间达3～4秒，比其他燃烧方式有所增加，火焰充满度好，有利于燃烬，燃烧效率高。三是负荷调节范围大。由于拱形炉膛设计，使得燃烧室可以形成多个独立点火点，并且保持局部高温，受负荷影响不大，因而负荷调节性能好，既能带基本负荷又能参加调峰。一般配备双进、双出钢球磨煤机直吹式制粉系统，使煤粉细度能随燃烧及锅炉负荷的要求而变化。即便是燃用无烟煤和贫煤，最低不投油的稳燃负荷可可达到40%～55%。四是火焰不刷墙、烟温偏差小。烟气在炉内做180°转弯，可将10%～15%的粗粉粒分离下来，还可分离火焰中的部分飞灰。减轻了对流受热面的飞灰磨损；烟气通过喉口可做充分混合，上炉膛深度小，烟气流向与水冷壁平行，没有烟气刷墙现象，气流在其中又不旋转，所以炉膛出口处的烟气温度场和速度场比较均匀，减小了高温受热面的热偏差。五是炉膛截面布置灵活。煤粉燃烧过程主要在炉膛下部完成，而炉膛上部主要用来冷却烟气，因此，炉膛的高度主要由炉膛出口烟气温度决定。这样可以使上、下炉膛的横截面布置都比较灵活。
2.3 W火焰锅炉的燃烧缺陷
一是水冷壁和汽水管道布置复杂；燃烧器垂直向下布置，增加了风粉管布置的困难，检修燃烧器也不方便；燃烧器和水冷壁的吊挂、膨胀、炉墙的密封、以及梁和柱框的设计与布置都不方便；整台锅炉的制造工作量比普通锅炉大得多，制造周期长，成本高。二是为了解决着火、稳燃和燃烬问题，该锅炉在下炉膛需要敷设一定的燃烧带。而燃烧带敷设面积多少与煤质有直接关系，在我国设计煤种和实际燃煤会发生较大变化，难以掌握，燃烧带一旦敷设好了就有相对稳定性，从而使锅炉燃烧产生问题：敷设面积少了，容易灭火，多了，燃烧带上将结渣。三是排放烟气中NOX含量偏高：由于燃烧带的存在，使得主燃烧区域火焰温度偏高，热力型NOX大量生成，最终排放基本都在1000mg/m3（标准状态下，下同）以上，有的甚至高达（1800～2000mg/m3）[9]，远高于常规燃烧方式锅炉的排放水平，难以满足国家的排放标准。
3.结语
综上所述，W型火焰锅炉非常适合燃烧低挥发分煤，在燃烧稳定性、低负荷稳燃能力、带负荷性能、运行可靠性及可用率方面有明显的优势。其缺点是结构复杂、运行中炉膛结渣、NOx排放超标。下一步可以针对以下几个方面进行研究：一是运行中控制煤粉质量，保持相对稳定；二是科学布置、应用燃烧带，可以尝试燃烧带的灵活投退；三是合理组织燃烧，通过数值计算、模化试验等方法寻求最好的燃烧方式。
参考文献
[1]W.J.皮特,V.坎南.低挥发份煤锅炉的设计[J].河北电力技术,1991(6):53-58.
[2]许传凯.低挥发份煤的燃烧与“W”型火焰锅炉若干问题研究[J].中国电力,2004,37(7):
37-40.
[3]朱炳煌.大型锅炉低反应能力煤的燃烧[J].东方锅炉,1988(2):23-29.
[4]John Reason.How Fuel Volatility Impacts Boiler Design,Operation[J].Power,1983,12.