達(dá)冠生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)研究進(jìn)展
    摘要：生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)作為煤粉燃燒技術(shù)核心關(guān)鍵設(shè)備，主要作用是將燃料與空氣合理混合，使燃料穩(wěn)定著火并形成某種流場(chǎng)以利于后續(xù)完全燃燒。實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能環(huán)保燃燒，必須根據(jù)燃料的特性，選擇合理的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)類型及布置形式。因此，本文介紹了國(guó)內(nèi)外幾種典型的旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的分類及其特點(diǎn)，并總結(jié)了旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。
    1引言
    煤作為我國(guó)主要能源，在一次生產(chǎn)中所占比例為75%，其使用效率的提升與對(duì)環(huán)境污染的降低顯得尤為重要。中小型燃煤工業(yè)鍋爐是我國(guó)除電站鍋爐外的主要燃煤裝備，總量近60萬(wàn)臺(tái)，占目前在役工業(yè)鍋爐總數(shù)的85010[1-2]，年煤炭消耗量達(dá)6.4億噸‘副。目前我國(guó)中小型燃煤工業(yè)鍋爐普遍存在效率低，污染嚴(yán)重的問題，其治理改造已經(jīng)迫在眉睫。調(diào)查表明，中小型燃煤工業(yè)鍋爐的實(shí)際平均運(yùn)行效率僅為60%-比國(guó)際先進(jìn)水平低20%-30%。其氮氧化物與煙塵等污染物排放量大，對(duì)環(huán)境的破壞相當(dāng)嚴(yán)峻，已成為中國(guó)城市大氣的主要污染源，目前有兩種降低NOx排放的方法：催化劑選擇法和在生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)內(nèi)降低NOx的方法。催化劑選擇法設(shè)備改造費(fèi)用極其昂貴，而通過優(yōu)化生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)的方法使燃料分層充分燃燒，不僅費(fèi)用低，而且還能提高資源利用率。
    生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)作為煤粉燃燒技術(shù)核心關(guān)鍵設(shè)備，主要作用是將燃料與空氣合理混合，使燃料穩(wěn)定著火并形成某種流場(chǎng)以利于后續(xù)完全燃燒。煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)具有特殊設(shè)計(jì)的多級(jí)多嘴送風(fēng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，能在短時(shí)間內(nèi)使煤粉產(chǎn)生高溫渦流，具有燃燒充分，熱利用率高，消煙除塵、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，可改善工作條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒效率、流場(chǎng)特性以及排放特性都有很大影響。
    煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)按出口氣流的特征，可把煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)分為直流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)和旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)兩大類。要做到組織煤粉氣流連續(xù)穩(wěn)定地著火，強(qiáng)烈燃燒和充分燃燼，降低NOx排放，實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能環(huán)保燃燒，必須根據(jù)燃料的特性，選擇合理的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)類型及布置形式。因此，根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)煤種及實(shí)際煤質(zhì)變化情況，選擇、調(diào)整及改進(jìn)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)顯得非常重要H1。同時(shí)，深入地研究煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)燃燒原理，開發(fā)高效低污染氣體排放的新型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)技術(shù)，對(duì)節(jié)能與環(huán)境保護(hù)具有重要意義。
    2典型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的類型及特點(diǎn)
    旋流式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)一般殉圓形噴口，可在出口處形成局部煤粉高濃度區(qū)，以獲得良好燃燒效果，并實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷穩(wěn)燃和低NOx排放。在旋流發(fā)生裝置的作用下，煤粉氣流或二次風(fēng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入爐膛后形成旋轉(zhuǎn)射流。旋轉(zhuǎn)射流的中心區(qū)是負(fù)壓區(qū)，在壓力的作用下高溫?zé)煔饣亓?，形成高溫回流區(qū)，有利于煤粉的著火陋1。由于旋流燃燒技術(shù)在強(qiáng)化燃燒、穩(wěn)定燃燒以及降低NOx等污染物排放方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，因此，旋流燃燒技術(shù)在國(guó)外得到了廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)在我國(guó)引進(jìn)的鍋爐上被廣泛采用，但由可丑化工裝備技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展于國(guó)內(nèi)外煤種的不同仍然存在燃燒火焰不穩(wěn)定、煤粉利用率低、爐內(nèi)結(jié)渣、高溫腐蝕、有害氣體排放等問題有待改進(jìn)。以下介紹幾種國(guó)內(nèi)外典型的旋流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)。
    2.1雙調(diào)風(fēng)旋流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
    雙調(diào)風(fēng)旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的種類較多，但是雙調(diào)風(fēng)旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，雙調(diào)風(fēng)旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的二次風(fēng)劃分為內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，并且一次風(fēng)與外二次風(fēng)均采用直流風(fēng)，內(nèi)二次風(fēng)在旋流葉片作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。圖1所示為Babcock雙調(diào)風(fēng)旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，一次風(fēng)管內(nèi)的文丘里管可使煤粉氣流分布均勻陋1。這種生物質(zhì)燃燒機(jī)燃燒效率高、低負(fù)荷運(yùn)行性能良好，NOx排放少。
    公司設(shè)計(jì)的DRB型旋流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)如圖2所示，有的DRB的一次風(fēng)管為文丘利管，有的一次風(fēng)管則裝有錐形擴(kuò)散器。目的都是為了使一次風(fēng)風(fēng)粉混合物得到良好的分散，以形成一個(gè)核心富燃料、四周為富氧的穩(wěn)定火焰，且在核心下游實(shí)現(xiàn)完全混合。雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)主要通過控制煤粉與空氣的混合，延遲燃燒過程，降低燃燒強(qiáng)度和火焰最高溫度來(lái)降低NOx的生成。由于生物質(zhì)燃燒機(jī)的外二次風(fēng)有一定的厚度和動(dòng)量，火焰核心的還原性氣氛要穿過二次風(fēng)是不可能的。因此在滿足穩(wěn)定、高效相清潔燃燒的同時(shí)，還能有效的防止?fàn)t膛的結(jié)渣和高溫腐蝕口1。
    為了適于燃燒貧煤，北京B&W公司在DRB生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)了增強(qiáng)型雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)顆粒燃燒（EI-DRB，如圖3所示），該生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)是為低反應(yīng)能力的煤或因含水、含灰多而著火困難的煤設(shè)計(jì)的。其增強(qiáng)著火的原理是減小一次風(fēng)射流的動(dòng)量，延長(zhǎng)煤粉在著火區(qū)的停留時(shí)間，在短距離內(nèi)煤粉加熱到著火溫度；同時(shí)，通過加大二次風(fēng)動(dòng)量和提高旋流強(qiáng)度來(lái)增加高溫?zé)煔獾幕匾愿纳泼悍鄣闹鹦阅堋?br />    2.2 DS型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
    DS型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)是德國(guó)Babcock公司90年代開發(fā)的一種新型低NOx雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)，DS生物質(zhì)燃燒機(jī)剖面圖如圖4所示。它既可用于優(yōu)質(zhì)煙煤，也可用于劣質(zhì)煙煤和貧煤，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下啤1。
    2.2.1中心風(fēng)管直徑較大增加了一次風(fēng)與回流煙氣的接觸周界；
    2.2.2中心風(fēng)管端部（出口）采取平直結(jié)構(gòu)，一次風(fēng)管端部加裝擴(kuò)錐，內(nèi)、外二次風(fēng)端部也為外擴(kuò)形，可推遲與一次風(fēng)的過早混合；
    2.2.3一次風(fēng)通道內(nèi)加裝旋流葉片，消除煤粉氣流經(jīng)過彎頭后產(chǎn)生的煤粉周向不均；
    2.2.4在一次風(fēng)管內(nèi)壁加裝齒環(huán)形穩(wěn)燃器。
    2.3旋風(fēng)分離式旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
    美國(guó)FW公司在W型火焰鍋爐上采用旋風(fēng)分離式旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)實(shí)現(xiàn)濃淡燃燒。煤粉空氣混合物經(jīng)過分配器后分為兩路，各進(jìn)入一個(gè)旋風(fēng)子。來(lái)自磨煤機(jī)的一次風(fēng)粉流進(jìn)入旋風(fēng)分離器后形成高濃度的風(fēng)粉流和低濃度的風(fēng)粉流，高濃度風(fēng)粉流噴嘴呈旋渦狀低速向下噴進(jìn)爐膛著火燃燒，從旋風(fēng)子上部引出的低濃度流由空氣噴嘴噴入爐膛燃燒。低濃度風(fēng)粉流靠高濃度火焰點(diǎn)燃并維持燃燒，而下部火焰又有助于形成W型火焰，防止高濃度火焰熄滅。對(duì)燃用無(wú)煙煤的W型爐膛，須采用高濃度煤粉以加強(qiáng)燃燒。
    運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)煤中的揮發(fā)比例小于11%N14%時(shí)，應(yīng)使一次風(fēng)中的煤粉濃縮，使進(jìn)入主生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的一次風(fēng)中的煤粉濃度增加，并降低一次風(fēng)速，以保證煤粉氣流穩(wěn)定著火；當(dāng)揮發(fā)比例大于12 %—14%時(shí)，就不需要使一次風(fēng)濃縮，可不從旋風(fēng)子上部抽出風(fēng)量。揮發(fā)比例越低，從旋風(fēng)子上部抽出的風(fēng)量越大。當(dāng)燃用揮發(fā)比例低于4%的燃料時(shí)，只需投入少量的助燃油(占鍋爐總熱量的7%)可保證穩(wěn)定燃燒。
    2.4釉向葉片式旋流燃燒技術(shù)
    西安交通大學(xué)徐通模等人提出了一種軸向葉片式旋流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)p1（見圖5），采用軸向葉片使二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)，一次風(fēng)可不旋轉(zhuǎn)，有的在出口處裝有擴(kuò)錐；有些改進(jìn)型設(shè)計(jì)還具有燃燒劣質(zhì)煤和低負(fù)荷穩(wěn)燃的能力。其特點(diǎn)是：①在蝸殼式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的一次風(fēng)管內(nèi)壁加裝多頭螺旋均流條，對(duì)一次風(fēng)進(jìn)行整流，優(yōu)化生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口的氣流速度和煤粉濃度分布；②二次風(fēng)采用徑向進(jìn)風(fēng)的大風(fēng)箱，在二次風(fēng)的環(huán)行通道中加裝軸向葉片，調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度，其調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)在管外，以防止因受熱膨脹而難以調(diào)節(jié)的問題。工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)用表明，這種生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)解決了低負(fù)荷或煤質(zhì)較差工況下燃燒不穩(wěn)的問題，使鍋爐具備了在50%ECR下斷油調(diào)峰的能力。
    2.5徑向濃淡旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)
    近幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)徑向濃淡旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)進(jìn)行了很多研究報(bào)道[10-12]，徑向濃淡旋流煤粉燃燒的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。新型生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)在一次風(fēng)道中加入百葉窗煤粉濃縮器，從而一次風(fēng)分為濃淡兩股，靠近中心的一股為含粉較多的濃煤分氣流，它經(jīng)過濃一次風(fēng)道噴入爐膛，同時(shí)二次風(fēng)分為兩部分，一部分二次風(fēng)通過旋流器以旋流的形式進(jìn)入爐內(nèi)，另一部分以直流的形
式噴入爐內(nèi)[13]。墓于以上創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，徑向濃旋流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)具有以下鮮明的特劇141。化工裝備技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展直流二次風(fēng)道
    圖6徑向濃淡旋流煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
    2.5.1在穩(wěn)燃性方面，徑向濃淡旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)基于煤粉火焰穩(wěn)定燃燒的原則，采用的方法是：采用直流形式將濃煤粉氣流噴人中心回流區(qū)四周，從而形成高溫、有足夠的氧、高煤粉濃度區(qū)域，以便于煤粉的溫度與濃度分布相匹配，最終保證火焰穩(wěn)定；
    2.5.2在燃燒效率方面，基于隨燃燒過程及時(shí)供風(fēng)的原則，徑向濃淡煤粉燃燒的濃煤粉著火后，緊接著，淡一次風(fēng)及時(shí)混入，從而保證了徑向濃淡煤粉燃燒具有較高的燃燒效率；
    2.5.3在NOx排放方面，在徑向旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃燒過程中，含較多煤粉的濃煤粉氣流先于淡煤粉氣流著火燃燒，爾后依次是旋流二次風(fēng)、直流二次風(fēng)混入燃燒，從而構(gòu)成分層次多級(jí)燃燒過程，最終達(dá)到降低NOx排放的目的。
  3發(fā)展趨勢(shì)
  總結(jié)以上各國(guó)研發(fā)的典型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的狀況，可得出它們大都具有以下幾個(gè)相似的發(fā)展趨勢(shì)。
    3.1高效燃燒、低氮燃燒、低塵燃燒是改進(jìn)目標(biāo)；
    3.2雙調(diào)風(fēng)是新型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)；
    3.3葉片軸向可調(diào)式旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，風(fēng)量均勻，應(yīng)用更為廣眨；
    3.4基本上都使用中心管、擴(kuò)口、穩(wěn)燃環(huán)共的機(jī)理和規(guī)律上有待進(jìn)一步研究。
    4總結(jié)
    煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)按出口氣流的特征，可把煤粉生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)分為直流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)和旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)兩大類。要做到組織煤粉氣流連續(xù)穩(wěn)定地著火，強(qiáng)烈燃燒和充分燃燼，降低NOx排放，實(shí)現(xiàn)安全節(jié)能環(huán)保燃燒，必須根據(jù)燃料的特性，選擇合理的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)類型及布置形式，因此，本文對(duì)簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的類型及特點(diǎn)，并根據(jù)這些旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的特點(diǎn)，總結(jié)了典型旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。