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1、一种创新的煤粉燃烧理念煤粉预热燃烧,清华大学 热能系 贾臻 吕俊复 张海 毛健雄 吴玉新,2/9/2020,1,前言,目前我国发电企业出现了前所未有的困难，发电量下降、煤价高、煤质下降且煤质多变，给电厂锅炉安全优化运行带来了新的 困难；面对这样的挑战，摆在我们面前的问题是：我们应该采取怎样的技术措施，来保证安 全、高效生产？这是当前值得讨论的重要 议题。,2/9/2020,2,煤质问题给锅炉燃烧带来的主要困难,着火和稳定燃烧困难； 煤质差、煤质多变时，由于燃煤的燃烧特性存在很大差异，使电厂正在使用中的燃烧器很难适应，给安全运行带来了很大的困难, 增大了稳燃用油耗。低负荷困难； 炉膛温度低时，稳
2、定燃烧更为困难，极易发生灭火必需投油助燃，增加了油耗。炉膛易结焦； 为保证稳定燃烧，有些措施常会引发结焦，影响安全运行； 低挥发份煤火焰行程长，易结焦。NOx排放高。 低挥发份煤NOx产生量大，不易控制。,2/9/2020,3,煤质差、煤质多变带来的问题是多方面的，既有燃烧问题，也有制粉、除灰除渣等等问题。因此需要各个方面的部门通力合作，分头研究解决办法，分别采取应对措施。 其中燃烧问题很重要，因此就这个问题介绍一下我们长期以来的实践情况和一些有限的心得体会, 供大家参考。,2/9/2020,4,燃烧的基本要素,燃烧的三要素，（对锅炉而言）：1，燃料 （煤粉）；2，氧气 （空气）；3，温度。其
3、中温度是最为关键的因素。,2/9/2020,5,燃烧三要素的合理组织,三要素必须进行合理的组织才能良好的燃烧。 “风/煤”比例： 应根据不同的煤种，组织相应的最佳 “风/煤”比例（重量），以保证良好的着火燃烧性能。 难点在于：煤质变化时，燃烧器如何随机改变最佳“风/煤”比例？ 风煤混合物的温度： 根据不同的煤质怎样才能创造合适的风煤混合物温度，使得燃料能够快速、顺利的稳定着火和燃烧。 难点在于：锅炉的热风温度已定，风粉混合物温度不能改变。如何在煤种无规律的变化时，及时改变风煤混合物的温度来保证及时着火和稳定燃烧？ 所有措施必须兼顾到环保指标 NOx 排放的要求。而控制NOx必须欠氧燃烧，但氧气
4、浓度低会造成熄火。处理不好还会引起高温腐蚀。 难点在于：煤质变化时怎样控制NOx的生成？,2/9/2020,6,2/9/2020,7,低氧燃烧在煤粉着火阶段有利于控制 NOx 的生成，但低氧可能导致火焰不稳定。,欠氧燃烧控制NOx生成,2/9/2020,8,解决煤质差、煤质多变问题的一种可靠手段应用煤粉预热燃烧器,针对煤质差、煤质多变的问题，我们是应用了一项关键技术 “煤粉预热燃烧器” ，获得了很好的效果。 即，运用了这项技术的三个突出特点： 着火、稳燃性能特别强； 煤种适应范围特别宽； 控制NOx能力很强。 来适应煤质差、煤质多变的问题我们首先从保证任何煤种（从无烟煤到劣质烟煤）的快速着火和
5、稳定燃烧着手，再灵活运用一些辅助措施来解决相关的问题。,2/9/2020,9,煤粉浓缩预热低NOx燃烧器 Pulverized Coal Rich and Preheating Low NOx Burner ( 简称 PRP燃烧器),2/9/2020,10,PRP燃烧器原理示意图,负压区,控制风,补气门（自动控制）,强烈换热,卷吸高温烟气,浓缩后的煤粉,温度传感器,预热室,喷口,2/9/2020,11,2/9/2020,12,预热效果 实测曲线图 一 PRP燃烧器与常规燃烧器的火炬温度比较,一次风粉混合物在预热室中的升温过程 和 在喷口外着火后的火炬温度分布,2/9/2020,13,预热效果
6、（图一的分析 ） PRP燃烧器预热室内一次风粉的升温速率的量级是104 /s (温升速率104 /s 就达到了煤的快速裂解条件） PRP燃烧器蓝，紫和黄色曲线； 常规低NOx燃烧器绿色曲线,以右图黄线工况为例:一次风粉混合物从进入预热室时的 90 升温至燃烧器出口处时已达1160,即在0.6米的距离内升温1070。一次风粉混合物的流速为20m/s,通过预热室的时间只有0.03秒。 故其在预热室内的每秒升温速率是 26000/s。（2.6104 /s ）所以，PRP燃烧器预热室对一次风/煤粉混合物起着快速加热，升温，热解的作用，因此能够保证煤粉在喷口外稳定着火燃烧。,燃烧器喷口位置,火焰温度（）
7、,测量点位（mm）,2/9/2020,14,预热效果 实测曲线图 二PRP燃烧器与常规燃烧器的火炬温度比较,PRP燃烧器和常规低NOx燃烧器在喷口外的火焰温度分布测量值的比较,2/9/2020,15,预热效果 实测曲线图 三炉膛出口处 PRP燃烧器、常规低NOx燃烧器的NOx排放值比较(无烟煤),锅炉负荷， ,PRP燃烧器,常规低NOx燃烧器,NOx ppm,100%负荷时PRP的NOx排放值比DF降低了 37.5%,2/9/2020,16,预热措施的效果,经过专门的工业测试证明：在煤粉穿行预热室的（0.03秒）短暂时间内，可将进口时只有90的一次风粉到达出口时迅速升温到1100以上；能使很难
8、着火的煤种（如：鸿基煤、石油焦、加福无烟煤）保证在喷口外 300mm处及时着火、连续燃烧。因此其着火、稳燃性能出众；着火后的火炬温度比常规火炬的温度高出 400。因此相对的加快了燃烧速度，提高了燃烧效率。同时，火炬特别稳定，燃烧无烟煤可以无需卫燃带保护。煤粉快速升温（温升速率高达26000/s）促使挥发分快速裂解，有利于煤中的燃料氮大量转化为挥发分氮，这为降低NOx排放创造了极为有利的条件，所以它确实是低NOx燃烧器。,2/9/2020,17,低氧燃烧在煤粉着火阶段有利于控制NOx的生成，但低氧可能导致火焰不稳定甚至熄火。高温预热可扩大低氧稳定燃烧的范围。当温度800oC时，氧的浓度即使低到3
9、5，火焰也是稳定的。这就为降低NOx创造了极其有利的条件。,高温预热燃烧为低氧控制NOx创造了条件,2/9/2020,18,煤粉预热燃烧器可根据煤种自动控制预热程度和调整A/C比值,可根据煤质、煤种的改变，通过： 调节预热室的负压 来控制卷吸热烟气的数量，自动、动态的控制预热度； 自动、动态的改变一次风粉的A/C比值。 两项措施的合成效果，可保证煤粉（包括石油焦、鸿基煤、加福煤 ）在喷口外一定的距离（0.3米）开始着火；自动控制可以保证预热室内不出现燃烧现象，因此喷口是安全的，使用寿命长；保证了各种煤质的着火和稳燃性能，因此可以单独一层燃烧器运行，故可扩大低负荷调峰幅度。,2/9/2020,1
10、9,煤粉预热燃烧器煤种适应范围很宽,由于具有出色的稳燃性能、保证一定的着火距离，自动适应不同性质的煤种，所以该燃烧器的煤种适应范围很宽，故可以用同一燃烧器燃烧多种煤种。（迄今为止还没有同样性能的燃烧器）煤种变换过程中，自动控制系统可以轻松、自然地维持正常燃烧。因此可以显著地减少运行人员的运行操作困难和减轻精神压力，也大幅度减少了助燃用油；有了良好的稳燃效果，可以扩大低负荷无油稳燃的调峰幅度。一般都可以在额定负荷的40%时平稳运行。,2/9/2020,20,PRP燃烧器使用过的煤种,2/9/2020,21,“常规燃烧技术”在 燃烧低挥发分煤种时通常采取的措施,（1）一次风集中布置；（2）增设卫燃
11、带；（3）加大假想切园直径，等措施；（4）跨煤种掺混燃烧。 这几项措施都是从促进低挥发分煤的着火、稳燃出发的，但是都存在着一定的负面影响。,2/9/2020,22,（1）一次风集中布置的副作用：,一次风集中布置，其目的是：推迟着火后的一次风粉与二次风相遇的时间，保证煤粉稳定燃烧。 这显然对提高燃烧速度不利，会造成火炬行程更为延长，使得火焰中心上升。 由此带来的副作用有：,1，升高了炉膛出口温度，可 能造成过热器超温、减温 水超量使用。 2，炉膛出口温度升高，有可 能引发炉膛高位结渣，对 安全运行构成威胁； 3，会造成飞灰可燃物增大、 排烟温度升高，影响锅炉 效率。,2/9/2020,23,（2
12、）设置卫燃带的副作用,设置卫燃带的目的是，保持燃烧区域有较高的 温度，以满足低挥发分煤着火温度高的需求，使 之能够顺利着火。 但是，卫燃带也有其副作用： 1，卫燃带往往是引发严重结焦的原因； 2，有了卫燃带，炉温高对降低NOx不利； 3，煤种发生变化时容易出问题。,2/9/2020,24,（3）加大假想切园直径的副作用,假想切园直径大，有利于更多的卷吸上游火焰，可对本角一次风粉提供更多的着火热，保证煤粉及时着火； 切园大烟气在炉膛内流动的廻转空间大，炉膛充满度好，烟气行程长，增加了煤粉的停留时间有利于降低飞灰可燃物。 但是，切园大有可能引起火焰扫墙，造成水冷壁卫燃带结渣；有些煤种不一定需要大切
13、园；而切园一旦做好便不能改动，在煤质变化时会带来问题。,2/9/2020,25,（4）跨煤种掺混燃烧的副作用,采用跨煤种掺混燃烧，是将高挥发份煤种和低挥发份煤种以一定的重量比例预先进行掺混，组成混煤来燃烧。表面上看可使燃煤的平均挥发分得到提高，可以改善燃烧状况。 但是，实际情况并非如此。因为这种办法并不能改变混煤中不同煤种各自的燃烧属性。固然其中的高辉发分煤容易着火燃烧，有了它的燃烧释热可以加热低挥发分煤，似乎有利于低挥发分煤的着火、“改善”了整体的燃烧。 其实不然，这种混烧的结果，会发生抢风现象。高挥发分煤一旦着火后会急剧争夺氧气，发展它自身的燃烧。此时，低挥发分煤虽然温度得到了提升，但却因
14、为它的化学活性差，争夺氧气的能力不及高挥发分煤种，由于缺氧，因而并不能正常燃烧。因此，低挥发分煤的燃烧将更为滞后，因此解决不了低挥发分煤火炬行程长、燃烧不完全的弊病。,2/9/2020,26,采用煤粉预热燃烧器后，可以不必顾虑着火、稳燃的困难,采用煤粉预热燃烧器后，着火稳燃有了充分的保证，我们实行了以下几项更为有利的措施：,2/9/2020,27,1，一次风口与二次风口实行间隔布置 （燃烧低质煤时如同烟煤燃烧器的做法）,目的： （1）及时为着火后的一次风粉补充氧气，促使快速发展燃烧； （2）防止产生还原性气氛，有利于防止结渣和高温腐蚀； （3）因为PRP燃烧器是低NOx燃烧器，因此二次风早些介
15、入不会对降低NOx产生矛盾。,2/9/2020,28,2，适当缩小假想切园直径 PRP燃烧器不需要依赖大的假想切园来稳燃，故可以采用较小的假想切圆。因此，可避免烟气扫墙所引发的许多问题。对于防止水冷壁、卫燃带结渣很有利。,2/9/2020,29,3，不设卫燃带 采用PRP燃烧器，因其火炬温度比常规技术的火炬温度要高出400. 所以即使是燃烧无烟煤也可以不设卫燃带。 所以我们在原来燃烧烟煤的锅炉改造成烧无烟煤时，不加设卫燃带； 在改造原来燃烧无烟煤的燃烧器时，要把原有的卫燃带打掉。,2/9/2020,30,4，采用“水平摆动式二次风喷口”,这种二次风口可以在运行中根据需要，调整二次风口的角度。改
16、变一次风运动轨迹，使得热态情况下可以适当调整切园大小。 实践证明：该措施可以在运行中逐层消除火焰偏斜、纠正动力切园过大、过小、不对称等问题。 由此，对于防止水冷壁结渣、降低飞灰可燃物、控制炉膛出口温度等，都有良好的作用。,2/9/2020,31,5，对三次风也采用预热措施,三次风含粉量达15%左右，煤粉细，风量大（煤粉浓度很低）、温度低、水分高而燃烧困难。尤其是其喷口位置高，离炉膛出口较近，若燃烧不好细煤粉会直接从炉膛出口逃逸，对降低飞灰可燃物很不利。 采用预热措施后，可使三次风从喷口喷出时温度达到900以上，获得了良好的燃烧条件，可以有效的降低飞灰可燃物。如： 一般燃烧无烟煤的锅炉飞灰可燃物
17、4%。,2/9/2020,32,采用以上几条措施的积极效果,采用这些措施后：煤种适应性明显改善，尤其对煤种无规律变化的适应性大大提高；燃烧效率得到了提高；节约了低负荷稳燃和锅炉启动用油；过热器超温现象得到了纠正、减温水用量明显降低或恢复到了设计值；结焦问题得到了解决，垮渣熄火问题得到彻底解决；我们已将这些设计思想应用到了新项目设计中。,2/9/2020,33,对于劣质烟煤,劣质烟煤因其可燃质含量少而发热量低，但其挥发分不一定低，有时和烟煤差不多。然而，由于其灰分高 会阻碍挥发分的析出，因此是很难燃烧的煤种。 我们应用PRP燃烧器可以快速预热、升高煤粉喷出时的温度，有效的改变其着火燃烧性能。因此
18、即使是其热值低于3000大卡/公斤，照样能够很好的着火燃烧，平稳运行。而且可以不用助燃油维持40%的低负荷运行。,2/9/2020,34,PRP燃烧器的应用经验改造的锅炉一览表,2/9/2020,35,PRP燃烧器适用的煤粉系统,2/9/2020,36,例1， 华电清镇电厂四角燃烧锅炉由原来烧烟煤改烧无烟煤时采取的措施,不用卫燃带；采用一、二次风间隔布置；三次风也采用预热结构。,2/9/2020,37,PRP燃烧器在华电贵州清镇电厂的经验,该厂总装机容量为530MWe, 装有有2台65MWe 和 2台200MWe 切向燃烧煤粉锅炉。 这四台锅炉原来均按照燃烧烟煤(Vdaf=25%)设计的。20
19、04年起，该电厂周边地区烟煤资源枯竭，锅炉只能燃用混煤、贫煤，甚至无烟煤，其实际入炉燃煤的平均挥发分Vdaf为 8-13。因为运行煤种和锅炉设计煤种差别很大，原有燃烧器不能适应煤种变化，引起锅炉燃烧不稳定，经常投油助燃，频繁灭火。严重威胁机组的安全和经济运行。最后该电厂在调查研究的基础上经过反复比较论证，决定采用PRP燃烧器对该厂的4台锅炉的所有燃烧器系统进行改造，从2005年6月至2006年2月，完成了全部4台锅炉的改造。改造后的运行实践表明，在原按烟煤设计的锅炉炉膛、没有卫燃带的情况下燃烧无烟煤和贫煤的混煤、Vdaf6%的无烟煤时，锅炉达到了稳定燃烧，不需投油助燃。,2/9/2020,38
20、,清镇发电公司四台锅炉的设计煤种（水城烟煤）的煤质参数,2/9/2020,39,清镇发电公司实际燃用的各种煤种的煤质参数,2/9/2020,40,清镇电厂5、6号炉（265MWe）采用PRP燃烧器改造前、后性能对比一览表,2/9/2020,41,清镇电厂7、8号炉（2200MWe）采用PRP燃烧器改造前、后性能对比一览表,2/9/2020,42,例2，国电太原第一热电厂 15炉的改造,太原第一热电厂15 炉 50MW 机组, 是四川锅炉厂生产的CG-220/9.81-M14型的第一台锅炉。设计煤种为贫煤，中储式、热风送粉、四角燃烧、假想切园800，敷设了34.56m2 的卫燃带，采用水封式的捞
21、渣机除渣。 燃烧器设计上采取：一次风集中布置；一次风上面的两层二次风下倾 015；三次风也是下倾 015。 从2001年投产以来，因设计问题和辅机质量问题的干扰，燃烧稳定性一直很差，不敢给二次风，炉膛负压波动大，喷烟喷火环境很差，助燃油耗很高；炉膛严重结焦，年平均垮焦灭火事故近20次。飞灰可燃物高达18%，锅炉效率很低。 近几年又因煤质没有保证，经常要燃烧无烟煤，问题更为严重。电厂曾经计划将捞渣机改成干式的，但因成本太高未能实施。,2/9/2020,43,2008年3月采用了PRP燃烧技术进行改造。改造采用了以下措施： 一次风间隔布置； 缩小假想切园到700； 提高二次风速度、二次风喷口一律取
22、消下倾角并且改成可左右摆动式的喷口； 三次风也取消下倾角、增加预热措施； 打掉卫燃带，等措施。由此一举解决了长期严重结焦、垮渣熄火的问题。改造后： a，燃用无烟煤(Vdaf=10.27%)时燃烧稳定，炉膛负压平稳。 b，炉内不再结焦，因此解决了电厂严重关切的垮焦灭火问题； c，可单层一次风运行和上下层一次风任意投停，不投油最低负荷可达126t/h(因 供热不能再降低负荷）； d，投运已一年多，未再投油助燃，安全性显著提高，节油量较大； e，燃烧稳定性提高后，炉膛出口含氧量可在35%范围内调整。一改以往不敢送 风只能维持氧量在3%以下运行； f，过热器减温水量较改前减少了3050%，基本恢复到了
23、设计值。,2/9/2020,44,PRP能够单层独立稳定燃烧,不仅可以在没有卫燃带、一、二次风间隔布置的情况 下稳定燃烧无烟煤，而且可以单层运行以及调节该层 燃烧器的功率。 这一点对于超超临界大型锅炉具有重要意义： 可以拉开每层一次风之间的距离，避免炉膛热负荷过 于集中。因此可避炉膛内局部温度过高，产生热力型 NOx； 对于超超临界直流锅炉的汽、水过渡段具有特殊意 义，它可以很好的配合锅内过程的需要。,2/9/2020,45,例3 下吹式 下吹式“W”型火焰锅炉 燃烧器改造（阳城电厂350MWe）,阳城电厂锅炉燃烧的主要问题： （1）由于提供给设计方 FW公司 的煤质资料出错，导致磨煤机选型偏
24、小，以致实际磨煤机出力不足。为了保证锅炉出力，只得放宽煤粉细度，致使燃烧着火困难、飞灰可燃物高达45，甚至有时超过50； （2）原 双旋风子浓淡型燃烧器 性能有问题，煤粉自喷口喷出后4米开外仍然不能正常着火，使得上下炉膛燃烧份额失衡，下部炉膛燃烧不充分，上部炉膛燃烧份额过高，导致上下炉膛热量分配失衡，由此过热器超温，减温水用量很大；燃烧效率低、助燃油耗大； （3）由于着火困难，无法正常投入二次风，否则就有熄火的危险，因此炉膛出口氧量只有1.05%以下，严重缺氧。被迫高负荷时投入油枪来稳燃才敢开大二次风门。因此油耗很高，每年达到万余吨。,2/9/2020,46,W炉燃烧器改造试验,为了验证PRP
25、燃烧器在“W”火焰锅炉上的使用性能和效果，阳城电厂要求在一台锅炉上24组燃烧器中先改造其中的两组燃烧器做试验，以观察PRP燃烧器的实际效果。 2007年11月中旬两组燃烧器改造完毕投产运行。,2/9/2020,47,西安热工院测量数据改造前的情况,2/9/2020,48,西安热工院测量数据改造前情况,2/9/2020,49,同一台炉未改造的燃烧器看火孔温度,2/9/2020,50,采用PRP技术改造后燃烧器看火孔处明亮的火焰,2/9/2020,51,下部炉膛出渣口上方的看火孔观察到的情况,2/9/2020,52,结论,我们采用了PRP燃烧器来克服燃烧低挥发分煤、低质煤的困难，以及依靠它作为基础
26、，来应对容易出现的诸多问题。所有采用的措施，都是实用、可行、有效的，收到了良好的效果。 尤其是，PRP燃烧器可以单独一层运行，而且可以选择运行某一层或者选择某几层搭配运行。这些都给锅炉运行带来了更多的方便；既扩大了调峰幅度，又在低负荷时可以兼顾到过热蒸汽温度的要求。,2/9/2020,53,结束语,煤质差总是要影响锅炉效率和发电经济性的，煤质多变更会给运行带来较多的困难。但是当前必须采取有效措施来应对挑战，因为保证发电生产是当务之急。 然而，事物总是有限度的。有了好技术好措施可以缓解燃烧方面的问题，但也不能一味的降低煤质。因为现有的磨煤机、制粉系统、除灰除渣设备的出力情况会起到制约作用；它们的
27、设备状况就是控制煤质下限的参照物。我们不能拼设备，太差的煤应由流化床锅炉去使用。,2/9/2020,54,谢谢！如有兴趣，可参阅动力工程2008 NO.1的有关文章 本次会议的论文集也已收录本文。,2/9/2020,55,原电力工业部颁发的科学技术进步奖,2/9/2020,56,国家科委颁发的国家科技成果证书,2/9/2020,57,原国家科委颁发的国家科技成果完成者证书,2/9/2020,58,PRP燃烧器试验现场燃烧器平台,2/9/2020,59,热态燃烧试验炉的测点位置,燃烧器,燃烧器预热室和燃烧器出口（热电偶）,炉膛温度（辐射高温计）录像机，数码相机,2/9/2020,60,PRP煤粉
28、浓缩预热低NOx旋流燃烧器燃烧石油焦时的火焰,燃烧器出口处即出现明亮的火焰,后墙部分清晰透明,2/9/2020,61,(PRP燃烧器) 靠近燃烧器 出口处的石油焦火焰,热烟气回流,燃烧器出口,2/9/2020,62,2/9/2020,63,2/9/2020,64,6， 主燃烧器上增设小油枪点火措施,1 炉墙 2 预热室本体； 3 小油枪；4 油枪套管； 5 油枪固定座； 6 油炬中心风进口；7 煤粉进口管；,2/9/2020,65,小油枪点火启动锅炉，实质上是以少量燃油直接点燃煤粉，在少量燃油伴烧之下，主要依靠燃烧煤粉提供足够的能量，来提高炉膛及热风系统的热量，直至炉膛温度水准可以保证煤粉独立稳定燃烧。 由于PRP燃烧器的卷吸作用能把油火炬卷吸进入预热室，以及预热室具有快速加热煤粉的能力，对油火炬的热利用程度较高，能有效加热煤粉使之着火。因此可实现大幅降低锅炉启动燃油量。 这项技术对于低挥发分的贫煤、无烟煤的点火节油具有简单可行，有实用价值。,2/9/2020,66,