摘要：通过对燃煤锅炉强化燃烧机理的分析，提出了一种改造普通生物质燃烧机的新型方案，该方案能使锅炉的调峰性能得到很好的改善。谏壁电厂3台410Uh锅炉采用本方案进行了燃烧器改造，提高了锅炉低负荷运行的稳燃能力、可靠性和经济性。
1 前 言
随着电网峰谷差逐渐加大，越来越多机组需频繁地在低负荷下运行，尤其是夜间经常要求机组在50%～60%额定负荷间运行，甚至在更低负荷下运行。当机组负荷降低时，锅炉断面容积热强度下降，着火时间延长，燃烧强度下降，引起燃烧不稳定，飞灰可燃物含量升高，最终导致锅炉运行的可靠性与经济性降低。实践证明，锅炉效率每下降1%将使整个机组效率下降0. 3%～0.4%，标准煤耗增加3g/kWh～4g/kWho保证燃烧稳定和燃尽是锅炉安全而高效运行的基本要求。改造现有燃烧器内部结构是强化炉内燃烧，提高锅炉负荷运行调峰能力常用而有效的手段乏一。
2普通生物质燃烧机存在的问题
普通生物质燃烧机均为二次风旋流，而含煤粉的一次风直流，出口处两股同轴的直流和旋流气流相互干扰；另外由于热风温度较氙再加上回流高温烟气的加热作用，二次风的粘性升高很多，导致阻力大幅度增加。这两个因素将导致燃烧器出口气粉综合旋流强度比冷态调整的结果减少不少而且在炉膛衰减很快、扩张角和回流区减小、火焰高温推后、燃烧强度低、低负荷稳燃能力差和飞灰含碳量高。有些机组在低于额定负荷的70%负荷下运行就必须投油稳燃。
提高锅炉机组煤粉燃烧的稳定性和煤粉的燃尽率是统一的，随着煤粉燃烧得到强化，炉内温度水平得到提高，这两个问题将同时得到解决。实现“三强原理”（即强化煤粉颗粒与高温烟气的对流传热、强化煤粉的高浓度聚集和强化燃烧过程的初始阶段）是提高炉内的温度水平的有效方法，所以在燃烧器的改造或设计中应设法形成煤粉气流的旋转、高温烟气的回流或设法使煤粉局部浓度加大，以利于强化煤粉的加热和着火过程。
稳定燃烧的关键在于强化煤粉初始阶段燃烧。强化煤粉初始阶段燃烧应让煤粉迅速达到着火温度，缩短着火时间（距离）。设单位质量煤粉在单位时间吸收的热量士．（T）与单位质量煤粉达到着火温度所需热量币2（T）之比值的对数为e= /g[中1（丁）／中2(T)]。当e<0时，煤粉不可能着火或熄火；当￡>0且越大，气流煤粉的着火速度越快，燃烧将更加稳定。从￡的表达式可以看出缩短着火时间有两种途径：一方面是降低煤粉着火热。当外界供热量一定时，我们可以适当提高煤粉浓度，并使其处于最佳值，缩短着火距离。另一方面是增加外界对煤粉的供热量。外界加热煤粉主要通过辐射传热和对流传热。由于这两种方式的加热机理不一样，辐射传热是先加热煤粉再通过煤粉加热气相；而对流传热直接加热气相，再由气相加热煤粉，所以它们对煤粉加热作用的快慢也有很大的差别，如图1是对煤粉颗粒直径为60um、着火温度为800℃、气粉混合物初温100℃条件下的定性计算结果。该图说明了当烟温相同时，对流传热把煤粉加热到着火温度所需时间不到辐射传热对应时间的1/15。根据强化传热原王里，为了强化煤粉燃烧，则应努力提高对流传热量（即强化煤粉颗粒与高温烟气的对流传热），如改善回流区参数。改善回流区参数可以加强回流烟气与煤粉的热交换和质交换。综上所述，改造旋流燃烧器时，应注意采取各种有利于减少着火热和增加高温烟气回流的措施。
我们可以知道煤粉颗粒在炉内的停留时间与炉内平均温度的提高成直线下降；而煤粉燃烧速度与炉内平均温度的提高成指数关系升高，并且随各反应物的浓度的提高而升氙这样提高炉内平均温度将有效地提高煤粉的燃尽率，提高锅炉效率。
对于生物质燃烧机来讲，中心回流区的烟气回流量、回流区尺寸、射流扩张角和气粉流动湍沆强度等参数都与综合旋流强度的大小存在着密切关系。随着一次风的旋流强度的提高，虽然回流区的长度将有所下降，但回流区的宽度将增加更快，最后高温烟气回流率还是增加了，增加煤粉供热量；回流区流动动能转变为湍动能，扰动增强，强化热质交换；同时将提高煤粉的浓稀比，降低着火热。这些都有利于强化燃烧。
4燃烧器改造方案及其设计
针对一次风为直流的生物质燃烧机的不足的问题，并依据煤粉强化燃烧机理，我们可以在一次风管出口处加装一个轴向螺旋扭曲叶片旋流器，如图2。该复合生物质燃烧机的特点：①不仅仅是二次风产生旋流，含煤粉的一次风亦产生旋流，增强了燃烧器喷口的气粉混合物的综合旋流强度，协助二次风在喷燃器出口形成稳定的中心高温负压区，有利初期稳定着火燃烧，并大大提高火焰传播速度，尤其有利于克服低负荷运行难以着火的薄弱环节。②综合旋流强度的增加，可以减缓旋转效应的消失；带动炉内更多颗粒与气流旋转，旋转的含粉气流使煤粉颗粒自身的脉动频率和自身的旋转频率呈几何级数增加，在相同的理论运动轨迹下，煤粉颗粒的有益行程大为增加，为提高燃尽程度提供了有利的条件。③因一次风温度较低，能降低喷口附近热风粘度，并带有比重较大的煤粉进而抑制旎流衰减，增大和稳定回流区，增强冷、热态回流特性的一致性。④当一次风气粉混合物通过旋流器时，由于惯性和离心力的作用，密度较大的煤粉颗粒将被“甩”到内管壁聚集成高浓度的煤粉7实现了煤粉浓淡分离，强化煤粉着火和加快反应速度。同时有利于形成了还原性气氛，降低NOx和S02的生成量，减轻了环境污染。
在设计复合生物质燃烧机时，应根据锅炉燃烧的煤种范围、燃烧器结构特点、一次风和二次风的风率等参数来决定所需的综合旋流强度的大小范围，进而算出一次风的旋流强度的范围。由于该方案只在燃烧器出口增加了旋流器，所以改造方案设计只应设计旋流器的各个参数。但由于旋流器的叶片是螺旋扭曲型的，该叶型设计时的叶片倾斜角在不断的变化，所以设计较复杂，一般叶片开头采用等角速度扭转曲线，外旋流角应大于内旋流角5（J～80，让气粉混合物旋流逐渐加强，并可以减少磨损。在计算时应将叶片划分成几个等分，最后得出各个截面的倾斜角，设计出整个叶片的每个参数。在设计叶片的数目、叶片轴向宽度、叶片的旋流角和遮盖度等参数时，除了应满足旋流强度的需要，还应尽量减少一次风阻力。旋流叶片应采用优质耐磨铸钢，这样叶片的使用寿命可以达到一个大修周期，在大修中可以更换（因为结构简单，拆、装均方便）。安装叶片时，应考虑到叶片受热后的热膨胀具有自由度，不损坏原有的燃烧器结构。
5 改造方案的应用
谏壁发电厂的4～6号炉是HG410-1001535型自然循环煤粉锅炉，采用风扇磨直吹式制粉系统12只旋流式燃烧器分上下2排前墙布置，炉内呈“L”型火焰燃烧。其燃烧器改造前属一次风为直流的旋流燃烧器，在低负荷运行时气粉旋流强度不够，导致回流烟气量少，煤粉颗粒在炉内缺乏高温回流加热，着火晚，只宜烧高挥发份煤，且在低于额定负荷的70%负荷运行日寸，必须投助燃油，以维持火焰稳定。颗粒在炉内亦缺乏旋转动能，影响煤粉和周围高温烟气的热交换，以及煤粉和燃烧空气的传输混合。故初始燃烧不稳后期燃尽较低，自从对该三台锅炉的部分燃烧器依本方案进行改造投用以来，煤粉燃烧稳定、火焰充满度合理、炉膛负压波动小、机组稳定运行期l阃其各项参数变化稳定、煤种实用性强、飞灰可燃物含量明显下降、排烟温度也有较大幅度的下降且能很好的满足夜间低负荷运行的需要。在试验期间，锅炉在45%负荷下运行了4.5小时，且不需投稳燃油。这样不仅提高了锅炉效率，还大大地降低了机组稳燃油的使用量．降低了电厂的发电成本。表1为该3台炉的主要参数的考核记录结果。
6 结 论
6.1复合生物质燃烧机能有效地加强炉内烟气与煤粉的混合和扰动，强化火焰的稳定性和提高煤粉燃尽率。
6.2增加一次风旋流，由于其温度较低，并带有比重较大的煤粉，在喷口附近，能抑制旋流衰减，增大和稳定回流区，增强冷、热态回流特性的一致性。
6.3 在谏壁电厂3台410t/h锅炉上的实践应用中，该燃烧器成功地保证了燃烧的稳定性，缩短了着火距离、提高了炉内温度和降低了飞灰含碳量。
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