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煤粉燃烧的优化
目录
2强化燃烧过程的初始阶段
一、电厂锅炉3
二、电厂锅炉特点与原理4
三、电厂燃煤污气排放的危害4
四、我国的资源和电力现状5
五、煤粉的高效燃烧5
1、强化煤颗粒和高温烟气的对流换热5
2、强化燃烧过程的初始阶段7
六、煤粉燃烧的新技术7
1、脉动燃烧器8
2、高预热空气温度的燃烧8
七、结论10
八、谢辞11
内容摘要
论文主要介绍了锅炉的发展以及电厂锅炉简单的工作过程和特点。
通过电厂锅炉目前的工作现状以及煤粉炉燃烧产生的烟气排放、煤粉炉的煤粉燃烧情况、我国电力业的主要资源情况等。
结合目前电厂锅炉燃烧的情况提出了若干煤粉炉高效燃烧的改革观点。
用比较具体详细的理论说明了改革的情况,通过这些有利的改革可以使我国煤炭资源的浪费降到更小的程度,文章最后还简单的介绍了煤粉炉煤粉燃烧的新发展技术。
目前,为了解决煤粉的高效低污染燃烧的问题,国内外正在发展多种煤粉燃烧的新技术。
一、电厂锅炉
在发电设备制造史上,直到20世纪50年代以前,电厂锅炉的发展一直落后于汽轮发电机,这限制了机组容量的提高。
最初,电厂采用火管锅炉。
这种锅炉容量小,压力低,效率低,适应不了电厂对动力日益增长的需求,因而被水管锅炉代替。
水管锅炉经历了由直水管向弯水管形式的发展。
后者与中参数机组配套,是电厂锅炉发展史上的一大进步。
随着材料、制造工艺、水处理技术、热工控制技术的进步,20世纪30年代,德国和苏联开始应用直流锅炉;40年代美国开发了多次强制循环锅炉。
到80年代,世界上最大的单台多次强制循环锅炉已可与100万千瓦机组匹配。
西欧则发展了低倍率强制循环锅炉,最大的单台容量可配60万千瓦机组。
在直流锅炉与强制循环锅炉的基础上,又出现了复合循环锅炉。
80年代世界上最大的单台锅炉是配130万千瓦机组的直流锅炉。
这些巨型锅炉满足了大型机组一机一炉单元制(即单元机组)的需要。
运行要求对电厂锅炉的发展影响很大。
为了适应昼夜负荷的变化和周六、周日的停机,甚至每天都要启停的运行方式的特殊需要,又开发出尖峰负荷锅炉和变压运行锅炉。
中国在50年代前不能制造电厂锅炉。
1953年成立了第一家锅炉厂(上海锅炉厂),1955年生产了第一台中国自行制造的中压链条锅炉,蒸发量为40吨/时。
1958年,哈尔滨锅炉厂试制成230吨/时的高压电厂锅炉。
80年代末已能制造1000吨/时的垂直上升管直流锅炉,以及为30万千瓦机组和60万千瓦机组配套的电厂锅炉。
二、电厂锅炉特点与原理
电厂锅炉容量大,蒸汽温度高、压力大,所用燃料的品种质量固定热效率高,能适应负荷变动的情况,对可靠性也有较高要求。
以煤粉炉为例,煤粉进入炉膛后,在炉膛内悬浮燃烧放出热量,在燃烧火焰中心有1500摄氏度或者更高的温度,炉膛周围布置着大量的水冷壁管,主要以辐射换热方式把热量传递给水冷壁加热水冷壁中的炉水,被加热成的饱和蒸汽通过过热器被加热成具有一定温度和压力的过热蒸汽,然后过热蒸汽通过主蒸汽管道进入汽轮机高压缸做功。
三、电厂燃煤污气排放的危害
四、我国的资源和电力现状
我国是产煤大国,但是人均的拥有量却不高,而且能源利用率很低,浪费较大,国民经济效益不大。
其中原因是多方面的,改进的方法和技术也是多样的。
目前我国的百分之七十用电还是来自于燃煤燃烧发电,也就是说,燃煤发电仍然是现在以及未来几十年内我国用电的主要来源,所以,提高煤粉的燃烧效率是相当重要的,即就是必须实现煤粉的高效燃烧。
煤炭资源对我国的电力业的发展来说是很重的,而可以节约煤炭资源的任何有利和实用并且现实的方法也是非常重要的。
所以,我们每一位的专业人士都有责任,有义务去为我国电力业健康、长久、稳定、不断进步和改进的目标去努力积极的探索。
研究出更多、更先进的方法在保持高质量的发电过程中使煤炭的燃烧达到最大的节约。
五、煤粉的高效燃烧
1、强化煤颗粒和高温烟气的对流换热
煤粉的高效燃烧,煤粉锅炉运行的经济性和安全性都和煤粉火焰的稳定性紧密联系在一起,因为煤粉燃烧是不灭火或者不发生事故就是最大的节约。
据分析和计算,煤颗粒从加热到着火的时间以高温烟气回流加热比辐射加热快23倍,而且煤粉越细加热的时间就越短,着火和燃烧的时间就越快,就可以达到高效燃烧和火焰稳定的目的。
目前,我国大多数煤粉炉使用的燃烧器都是直流燃烧器,锅炉再冷态启动或者低负荷运行时,煤粉气流的着火和燃烧的稳定性很差,特别是再燃用低挥发分的无烟煤,贫煤以及其他劣质煤时,直流燃烧器、射流燃烧器、旋流燃烧器等很难稳定煤粉气流的着火和燃烧。
即就是很难保证燃烧的稳定性。
而为了提高燃烧的稳定性,过去常用的办法就是投油助燃。
然而,仅仅为了锅炉启动和低负荷时稳定燃烧,我国每年要消耗几十万吨燃料油。
因此,研制各种节油型稳燃装置是煤粉燃烧器的重要任务。
这种燃烧器可以强化煤颗粒和高温烟气的对流换热。
绕体
在工程实际中经常可以遇到这种情况,不同几何形状的物体沉浸在流体中时,流体的运动情况将发生较大的变化,物体会影响流体的流动,引起流体流动速度的变化以及流场中压力分布的变化。
这种现象统称为流体绕过物体的流动。
这种物体简称绕体。
2、可以使用圆柱体钝体产生高温烟气回流,如钝体燃烧器。
有些工程上的问题并不要求太低的阻力,相反,有时宁愿付出一定的能量,设计各种形状的物体置于流场中,使流体绕过它时,可能遇到尖角或者急剧的改变迎面流束的方向,随之而来的将是压力急剧增长,结果脱体现象在没离开绕体时提前发生了,于是阻力增大,速度的大小甚至速度方向发生了较大的变化,出现倒流现象。
这样的物体称为不良绕体,即钝体
如图,由于流体有粘性而圆柱有限长,流线不可能贴着圆柱表面流动。
例如,再点S处,脱体现象发生了,流体从点S分离出来,向下游冲出去,分离点后的流动为强湍流。
这种粘性的强湍流将圆柱后面堆积的流体带走产生负压,这种反向压力梯度,不断抽吸下游的流体,于是再圆柱的背后形成连续运动的回流区。
这对燃烧的稳定性是很有利的。
显然,流体绕流不同形状物体时,在物体表面附近,特别是下游的尾迹区,流场发生显著的差别。
钝体燃烧器作用就是再钝体的尾迹区形成回流漩涡,可以把高温烟气带回钝体附近,使得钝体后的回流区附近成为煤粉气流的一个稳定着火点。
它能很好的适用于劣质煤的燃烧。
还能成功的燃烧低挥发分的无烟煤。
一些燃烧不稳定,需要消耗燃料油助燃的锅炉,改装钝体燃烧器后,均能达到燃烧稳定、效率提高和节约部分助燃油的目的。
不良绕体的形状是多种多样的。
有30度和60度的V形钝体、平板,还有椭圆体、沙丘形体等等。
总之,它们都属于钝体,来流绕过它们流动后,在末端处发生分离,于是在钝体后面产生各种的漩涡,对火焰的稳定性起到了很好的作用。
2、强化燃烧过程的初始阶段
煤粉的高效燃烧和火焰稳定的关键是燃烧的初始阶段,当煤粉刚进入炉内0.15秒时,挥发分析出已经超过80%,固定碳烧掉60%,在0.2秒时,煤粉已经烧去80%,剩下的20%需要四倍的时间才能烧完。
也就是说,如果煤粉在炉内逗留的时间为1秒,那么燃烧的初始阶段用20%的时间烧去煤粉的80%,剩下的80%时间只烧煤粉的20%,可见强化燃烧过程的初始阶段是非常重要的。
1、在有限空间内使煤粉快速加热甚至着火。
稳燃腔煤粉燃烧器是在钝体燃烧器的基础上发展起来的。
一般钝体燃烧器的钝体外露在炉膛中,一个是容易烧坏,二是上下气流窜入回流区,必然会影响钝体的寿命,进而影响火焰的稳定性。
这种燃烧器也比较简单,就是在钝体的基础上加装了稳燃腔,它的最大的特点是腔体较短,避免煤粉腔内预燃,甚至燃烧引起结渣现象,从而破坏燃烧器的安全性。
它们在提高燃烧的稳定性和安全性方面都起到良好的作用。
由于稳燃腔燃烧器的效果比较明显,所以即使是难燃的低质煤,用稳燃腔燃烧器不仅能保持火焰稳定,强化燃烧,节煤和节油的经济效益也是十分的明显。
2、稳燃腔的内回流使煤粉火焰稳定
钝体燃烧器的发明和成功的应用在钝体的尾迹产生一个有利于火焰稳定的内回流区。
这个回流区使火焰稳定和燃烧强化的理论是很明显的。
1、强化了燃烧过程的初始阶段
2、强化了燃烧过程的对流换热
在一般情况下,当烟气的平均温度为1100摄氏度,以高温烟气回流加热为主的着火时间为0.003s,而以火焰和炉墙的辐射加热为主的着火时间为0.07s。
也就是说,钝体的高温烟气加热煤粉到着火的时间比没有钝体的辐射加热要快23倍。
六、煤粉燃烧的新技术
1、脉动燃烧器
脉动燃烧这项技术始于20世纪初,它已经成功用于导弹上,后来用于加热、采暖,20世纪80年代用于块煤,燃烧效率高达99%,而且C0和Nox大幅度降低,最近用于研究煤粉燃烧,已经建立了较好的煤粉燃烧的物理模型和数学模型。
实践证明,脉动燃烧大大降低了飞灰含碳量,气流振荡时湍流强度大大增加,使传热过程增强,受热面除灰更干净。
脉动燃烧是一种介于正常燃烧和爆炸之间的燃烧方式。
它可以燃烧气体燃料,液体燃料和固体燃料。
2、高预热空气温度的燃烧
在电站锅炉的煤粉燃烧中,空气的预热温度一般都不太高,烟煤一般为300左右,较难燃烧的无烟煤的预热温度可高达450到480,这是一种传统的概念。
目前提出高达1267度甚至更高的预热温度,它有三个优点:
1、高温使火焰稳定
2、高温使热效率提高
3、再循环分级燃烧降低NOx
1、低氧浓度的火焰稳定
燃料燃烧时需要足够的氧浓度助燃,否则火焰会不稳定。
如果有较高预热温度的空气,火焰就比较稳定。
如上图,为不同的氧浓度和空气预热温度的关系,从图可见,当空气温度较高而氧气的浓度即使低至3%到5%时,火焰也是稳定的。
2、高温使燃烧速率提高
高的空气预热温度的一个重要的效果是提高燃烧设备的热效率,它的直接效果是燃料的燃烧速率的提高。
如下图表示温度对燃烧速率的影响,随着温度的提高燃烧速率几乎是直线上升。
七、结论
论文主要对锅炉燃烧的优化做了几点比较详细的说明,总之,对资源的节约是个很重要的任务,也是一个很必要的任务,对于燃煤锅炉来讲,保持火焰的稳定,煤粉燃烧时不灭火或者不发生事故就是对资源很大的节约。
还有一些新的优化改革的技术也在陆续的进入使用和不断的积极研究中。
总之,为了解决煤粉的高效低污染问题,国内外正在努力发展多种煤粉燃烧的新技术。
八、谢辞
在完成这篇论文的过程中,首先,非常感谢刘彦新老师的知道帮助,还要感谢妈湾发电总厂的夏主任,是他们给了我书写过程中很大的帮助,给了我了书写的方向、一个书写的轮廓,教给我写论文要有一个明确的目的。
同时,夏主任也非常的尊重我,给了我很多的有用的建议。
正是有了这些帮助,我才会比较顺利的完成这篇论文的书写。
所以,在此,真诚的感谢刘彦新老师和夏主任在实习和论文的书写方面给我的帮助,非常感谢您!
参考文献
2001年科学出版社出版的《煤粉燃烧》
作者:
韩才元徐明厚周怀春邱建荣
2008年化学工业出版社出版的《燃烧理论与技术》
作者:
刘联胜
2008年中国电力出版社出版的《工程燃烧学》
作者:
汪军马其良张振
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