13、锅炉高效低污染燃烧技术.docx
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1、西安交通大学科技项目选编目录1、锅炉高效低污染燃烧技术22、拟先进燃烧理论研究83、液幕床湿法烟气脱硫技术104、锅炉水动力学及传热特性研究115、锅炉材料及长期服役安全性能保障关键技术126、饱和蒸汽汽轮机设计的关键技术157、蒸汽发生器水力特性及其传热强化16联 系 人:林 艺、殷秋萍联系电话:0512-58286109、58286105电子邮箱:linyi、yqp1、锅炉高效低污染燃烧技术成果简介:1、一次风折边型夹心风燃烧器设计技术西安交大负责承担的国家科技攻关项目“夹心风燃烧器的研制”,实现了以下创新:(1)充分发挥向火侧一次风的着火优势,形成稳定着火源的煤粉着火稳定性;(2)提出强
2、湍动、迎向炉内上游高温气流的折边型一次风喷口新结构及空气动力参数;(3)发明了着火稳定性好、适应于不同煤种的、型一次风折边型夹心风燃烧器。该成果在江西、广西、河南、四川、陕西等电厂50MW-100MW机组的锅炉上得到了成功的应用,在燃烧劣质烟煤、贫煤和无烟煤时锅炉燃烧稳定,炉膛温度显著提高,锅炉燃烧效率约提高3%4%,锅炉负荷率、可调率明显提高,取得了显著经济效益和社会效益。该研究成果获国家“六五”科技攻关成果奖,1987年获国家发明三等奖, 1988年被国家教委列为“六五”以来经济效益超过1000万元的九个项目之一,并获国家发明专利。2、可调水平浓、淡燃烧技术为解决我国低质煤稳定着火、燃烧和
3、低负荷调峰能力及降低烟气中NOx ,1987年西安交大提出变异煤粉浓度燃烧器的构思并开始研究。该技术主要是针对四角布置直流式燃烧器,提出了一种新型燃烧器结构,使得一次风气流在水平方向上向火侧和背火侧分别为浓、淡燃烧;研发出一种简单低阻的煤粉浓缩器,实现了向火侧高煤粉浓度、高温和高湍动度的稳定着火,解决了低质煤稳定燃烧的问题,并具有较好的低负荷稳定燃烧性能和降低NOx 的作用。在背火侧实现低煤粉浓度、低温燃烧,这可防止煤粉气流刷墙结焦的问题。在此基础上,又进一步开发了可调水平浓淡煤粉浓度的调峰型燃烧器,实现机组负荷变化情况下,向火侧和背火侧煤粉浓度比例的灵活调节,使锅炉保持在最佳煤粉浓度比例的状
4、态下运行,从而提高锅炉运行的经济性和安全性。 3、WR宽调节比燃烧器设计技术WR宽调节比燃烧器是用于大容量电站锅炉实现浓淡燃烧、调节锅炉负荷、降低烟气中NOx的一种新型煤粉燃烧器,适用于四角布置直流式煤粉燃烧器组织上下浓淡燃烧。西安交大和上海锅炉厂有限公司已经在该领域展开合作,针对引进型宽调节比燃烧器的结构,对关键技术进行消化、吸收和提高,使该燃烧器达到国内自主设计和生产的能力。经大量的热态试验研究,已在300MW机组锅炉的设计、生产、运行中得到了应用,并取得以下成果:(1)得到宽调节比燃烧器燃烧晋东南无烟煤和陕西贫煤时一次风平均煤粉浓度和浓、淡侧煤粉浓度比例的最佳值,提出了组织煤粉燃烧时存在
5、最佳煤粉浓度的理论,开发了该燃烧器组织浓淡燃烧的技术关键;(2)得到该燃烧器组织炉内燃烧时沿炉膛高度和宽度的温度分布和热负荷分布的规律,为工程技术提供科学依据;(3)得出了该燃烧器组织炉内燃烧时碳粒沿炉高的燃烧过程和变化规律,为锅炉整体布置设计提供了依据。4、轴向叶片旋流式煤粉燃烧器多年来,我国电站锅炉的燃烧设备主要以直流式四角切圆燃烧器为主,作为锅炉的另一种燃烧设备旋流燃烧器在我国发展相对较慢。六、七十年代我国投运的200MW以上机组的旋流燃烧器煤粉炉大多数是从原苏联引进的。这些引进机组中锅炉的燃烧器结构主要为双蜗壳旋流燃烧器和切向叶片旋流燃烧器,它们的主要特点是结构简单,制造、运行方便,炉
6、膛出口气流偏差小,在煤质稳定、锅炉负荷不变的情况下基本能维持运行,但这种燃烧器存在以下几个缺点:(1)旋流强度不能调节或调节范围很小,对锅炉负荷变化适应性差;(2)燃烧器出口煤粉分配极不均匀(一般煤粉浓度分布的不均匀性系数达0.450.49),引起锅炉燃烧不稳定;(3)煤种适应性差,阻力大。所以在煤种和锅炉负荷稍有变化时就要投油助燃,运行经济性很差,更不能满足用电峰谷差变化时的低负荷运行。(4)该燃烧器的二次风采用径向进风的大风箱,在二次风箱出口的二次风管与一次风管的夹层通道内加装轴向叶片,轴向叶片的调节机构在二次风管外,避免了二次风叶片调节机构受热膨胀卡死的问题,从根本上解决了旋流燃烧器的调
7、节问题。因此,可根据燃料的特性在0 90的范围内灵活调节轴向叶片的开度,使之产生不同的旋流强度和中心回流区,扩大煤种适应性和提高锅炉低负荷运行的调节能力。轴向叶片旋流式煤粉燃烧器结构图和在200MW锅炉炉膛实测流场图经大量的试验研究和工业性试验得到了设计该燃烧器完整的结构参数和空气动力参数,并在200MW机组锅炉上得到了推广应用。该成果1994年在清河电厂200MW机组的锅炉上得到应用,燃烧铁法劣质烟煤时机组负荷在60时不需投油助燃,仍能稳定燃烧,年节约助燃油12000多吨,年直接经济效益1080多万元,并大大减少了机组事故,提高了机组运行的经济性和安全性。1994年该燃烧器又先后成功地应用在
8、山西漳泽电厂四台200MW机组锅炉上,燃烧山西漳泽贫煤时,锅炉在50负荷下运行不需投油助燃能稳定运行。1996年获山西省电力工业局科技成果二等奖.5、煤粉浓淡燃烧和低NOX旋流燃烧技术在用轴向叶片旋流式煤粉燃烧器解决了辽宁清河发电厂和山西漳泽发电厂引进前苏联的200MW机组的燃烧稳定性等问题的同时,西安交大开发的旋流燃烧器技术进行了深入的研究,得到了空气分级周向煤粉浓淡燃烧的低NOX燃烧器的空气动力参数和结构参数等重要设计数据,并在江苏利港电厂、宁夏石嘴山电厂得到了应用。通过试验研究总结提出了一种新型径向浓淡式旋流燃烧器,并获得了发明专利(ZL031343171)。在西安交大1MW的热态试验炉
9、上组织了热态试验研究,得到了组织高效低NOX燃烧的重要科学数据和设计参数。这些新型旋流燃烧器技术的开发,对我国大容量高参数机组锅炉技术的进步和发展将起到积极的推动作用。 6、W形火焰锅炉的设计技术研究W形火焰锅炉是国内引进美国福斯特惠勒公司的技术,其特点是煤粉空气混合物经旋风分离式燃烧器或惯性分离式燃烧器浓缩后从拱顶喷入炉内,分级二次风从两侧墙送入。由于浓煤粉气流从拱顶喷入炉内后向下运动,所以其浓度可以较常规燃烧器高得多,这对组织无烟煤的着火和燃烧是很有利的。但若组织不好则易出现气流短路,引起超温和结焦。为了能更好地掌握W形火焰锅炉的设计、运行参数,优化设计,西安交大组织了炉内冷态模化试验、旋
10、风分离式煤粉燃烧器的气固两相流试验,得出了一套可供工业设计运行的结构参数和空气动力参数。并率先提出了组织形燃烧火焰的构思,经实验得到了实现形燃烧火焰工况的空气动力参数和结构参数。目前正在开发拱上分级送风技术,以求降低NOX的排放。7、大容量锅炉炉膛出口气流偏差的原因分析及对策近年来,我国的电力工业以前所未有的发展速度增长,大量的大容量火电机组投入运行。但大容量机组投运以来出现的突出问题是锅炉炉膛结渣,出口水平烟道左右两侧烟温差及流速偏差大,过热器和再热器局部超温爆管等更为突出。本研究对大容量锅炉炉膛出口气流偏差的原因进行了详细的理论分析和实验研究,找到了炉膛出口残余旋转的动力源,提出了削弱该动
11、力源的措施,建立了炉膛出口残余旋转强度的基本关联式及消旋数值计算软件。在研究基础上,在国内首次提出用反切与正切射流的旋转动量流率矩之比XJ这个无量纲准则数来作为炉内燃烧空气动力工况的基本判据,即用反切动量流率来消除炉膛出口的残余旋转,减小炉膛出口烟温和汽温偏差。该成果1999年通过国家机械工业局组织的技术鉴定:专家认为用反正切动量流率矩之比的无量纲准则数控制偏差,在国内外均属首次,达到国际先进水平。 8、600MW褐煤锅炉炉内空气动力工况及燃烧器的研究为了开发国产大容量锅炉技术,上世纪80年代初,国内引进了有十字风和周界风燃烧褐煤的600MW锅炉技术,并组织对引进技术的消化、吸收和提高的技术研
12、究工作,通过组织炉内冷态实验和燃烧器模化实验,掌握了该锅炉和燃烧器的关键技术,为国产化设计提供了可靠的科学数据。该研究成果1978年获全国科技大会奖。9、循环流化床型高温热风炉系统热风炉广泛用于农产品、食品、医药药品、化工原料、轻重工业产品的加热除湿,还可用于各种设施的加热以及库房除湿等。现有燃煤热风炉大都采用水平往复炉和链条炉,存在诸如热效率低、使用寿命短、体积庞大等缺点;产生的热风温度一般在300左右,燃烧效率不到50;燃用煤种单一,主要以优质煤为热源,煤种适应差;使用寿命短,一般不到3年;维护和运行费用昂贵;污染严重,脱硫效率低,氮氧化物排放高达6001000mg/Nm3;运行不稳定,负
13、荷调节范围小,负荷不能太低等。而循环流化床锅炉燃料适应性广,可以燃用优质煤,也可以燃用各种劣质燃料,如高灰煤、高硫煤、泥煤等;染排放物低,脱硫效率高达90以上,氮氧化物排放只有50150ppm;炉膛单位截面积的热负荷高,可以到达并超过煤粉炉,因此锅炉所耗金属少,造价便宜;运行维修费用低;负荷调节范围大,负荷调节快,一般负荷在50情况下仍然可以稳定运行;投资和运行费用适中,和配有脱硫设备的煤粉锅炉相比,可以降低1520。因此采用循环流化床设计一种热风洁净、温度高、设备运行稳定和维护费用低、效率高、使用寿命长及无污染的热风炉,是一项适应工业发展要求的具有重要意义的技术成果。为了弥补现有水平往复炉、
14、链条炉等热风炉燃烧效率低、污染严重的缺点,本发明采用循环流化床技术对热风炉进行设计。基于上述原则本发明的目的在于,提出一种新型的循环流化床热风炉系统,能使热风炉达到热风洁净高温、节能环保、经济可靠的要求。本发明的独特之处还在于:(1)炉膛水冷壁采用直流锅炉形式,盘绕一次上升管,在炉膛内增加了受热面,可以使整体结构更加紧凑,同时可以防止高温烟气直接冲刷炉墙,降低了炉墙温度,从而可以延长炉墙寿命并且减少高温耐热钢的使用;在二次风附近引入从尾部抽出的烟气,进行烟气再循环,实现低温燃烧,并达到调整炉膛出口烟温、强化烟气侧传热和实现快速负荷调节等要求,降低锅炉运行费用;(2)在空气预热器部分采用加入扰流
15、子(扭片)的办法,达到强化传热的目的;(3)采用间壁式加热装置,可以保证热风的清洁度;(4)此外,经过对系统各部分进行详尽的计算和优化布置,针对不同装置温度的不同来选择钢材,尽可能减少昂贵的耐热钢的使用,可以在保证装置强度的基础上最大限度的减少成本。因此,该发明设计的循环流化床热风炉是一种热风清洁、风温高、投资小的适应现代化发展要求的高效节能型热风炉。其特点如下:(1)可以提供高达550的洁净热风;(2)结构简单、有效,钢材耗量小,制造成本低;(3)采用了一系列强化换热措施,排烟温度低,热效率高;(4)由于炉内处于相对较低的燃烧温度,因此氮氧化物排放减少,具有一定的环保优势。10、用于实现城市
16、生活垃圾高效洁净燃烧的新型复合循环流化床系统目前,我国的城市生活垃圾的年产量已经达到1.5亿吨左右,累积量则在60亿吨以上,而到2010年时中国城市垃圾将达3.7亿吨。据专家统计全国现有668个市,三分之二都在垃圾环带的包围中。目前,一方面我国城市生活垃圾年产生量在迅速增长,另一方面我们有效处理垃圾的方法还不多,垃圾处理技术还很落后,真正符合国家环境控制标准和建设标准的垃圾无害化处理率仅有25%左右。而且垃圾长期大量堆积,给环境带来了极大的危害。垃圾焚烧是通过高温燃烧减少可燃废物,将垃圾变成惰性残余物。垃圾焚烧处置具有显著的特点,即减容减量效果明显,一般减容8090;无能彻底地消除细菌、病毒、
17、氨气、有机质废气,并能使有害气体和烟尘通过净化处理达到环保要求;适应能力较强,只要垃圾的热值达到3344kJ/kg以上就具有利用价值;节约场地,运行费用低。但是,垃圾焚烧也存在一些缺点,如:(1)一次性投资大,投资回收周期长;传统的焚烧技术难以保证焚烧处理的无害化程度,也难以适应生活垃圾因季节和气候变化而导致生活垃圾中热值、水分含量的变化;(2)而且,如果焚烧技术不先进,配套设备不完善,生活垃圾的焚烧容易产生严重的二次污染,这种污染主要体现在焚烧后尾气的排放上,如排放废气中的烟尘、排烟黑度、一氧化碳、二氧化硫等污染物严重超标,更令人担忧的是焚烧厂排放废气中的二噁英类物质严重超标。为此,特别针对
18、城市生活垃圾焚烧过程中二噁英的产生以及为达到高效燃烧的目的,对循环流化床垃圾焚烧炉进行了创新设计。提出一种新型复合循环流化床系统,用于实现城市生活垃圾的高效、洁净焚烧。为了实现上述目的,本发明从延长固体颗粒炉内停留时间和强化燃烧两方面出发,在外循环的基础上附设内循环以形成物料的高温复合循环。11、 撬装式燃油超临界压力直流注汽锅炉在石油工业中,把蒸汽锅炉(注汽锅炉)产生的蒸汽注入油井中以提高采油率,是原油常用的热采方法之一。由于所需出口蒸汽压力变化范围较大(从6MPa到20MPa),所需出口蒸汽干度变化也较大(从50%到100%),且需要撬装和便于运输,因而只有采用结构简单的直流锅炉才能满足这
19、些要求。目前国内外注汽直流锅炉出口压力均为亚临界压力,最高达到20MPa左右,尚未见生产出超临界压力注汽锅炉的报道。为了进一步提高油田采油率,有必要研制开发超临界压力注汽锅炉。为此,在综合考虑火电厂超临界压力直流锅炉所遇到的问题的基础上,于1998年在国内首次开发成功了燃油超临界压力直流注汽锅炉(26MPa,390)。开发出了可靠运行的超临界压力注汽锅炉方案及系统,并着重解决了受热管内的工质流量脉动问题、工质传热恶化问题、管内积盐问题、水质和水处理系统等问题。所设计的系统紧凑,不仅能满足采油工作地点不断变换的需要,而且方便运输。在超临界压力注汽锅炉的受热面布置上采用了辐射受热面和对流受热面两级
20、布置,工质与烟气流动方向总体是逆向流动。这样布置有利于提高换热,同时有效地减少了受热面的分级,使锅炉结构紧凑、实用,而且工质侧流动阻力较低,降低了克服阻力的能耗,提高了系统的经济性。其中,辐射受热面总体呈圆筒形,与长方形炉膛相比,其对称性提高,具有以下优点:(1)可以保证炉膛水冷壁受热均匀,防止热偏差出现;(2)可以防止烟气死区的出现,使得辐射受热区内烟气的流动更为顺畅,减少烟风阻力;(3)圆筒形炉膛的结构强度、稳定性更好,更适应于频繁移动。对流受热面为一梯形结构,沿烟气流向其横截面不断缩小,这样设计最大程度地保证了横向冲刷对流管束的烟气流在各个截面上取得一致的烟速,使得对流受热管受热均匀。为
21、了减少炉墙的散热损失,提高锅炉的效率,本发明采用了三层炉墙结构,不仅具有优良的保温性能,而且整个炉墙轻便适用,方便运输和安装,非常适用于油田的热采驱油,可进一步提高采油率,增加油田的经济效益。 12、工业锅炉型煤技术我国的能源储备特征决定了短期内我国还无法改变对煤炭资源的依赖,根据国家的中长期能源发展规划,至2050年,煤炭在我国能源消费中的比重仍高达50%。但是,大量燃煤带来严重的环境污染问题。为解决我国大量工业锅炉的SO2排放问题,国务院1998年颁发了城区禁烧散煤令,随后各级政府相继出台了禁烧散煤的具体执行时间表。虽然一些发达地区已经开始将天然气、重油等作为工业锅炉燃料,但是我们必须看到
22、,要在全国范围内尤其是一些经济欠发达地区禁烧散煤而推行液化气、天然气等清洁燃料是有很大难度的。而型煤作为燃料比液化气、油等燃料价格低廉很多。随着煤矿生产机械化水平提高,炭块率也相应降低,煤炭市场就形成了炭块供不应求,粉煤堆积如山的状况,大量价格低廉的粉煤为型煤生产提供了充足的原料。以粉煤为原料生产型煤,可以进一步降低型煤生产成本。因此,型煤产业在我国应该说有着广阔的市场前景。国家环保部门已于2000年开始在全国全面推广工业型煤以解决我国严重的大气污染问题,这为我国工业型煤产业的发展提供了一个良好契机。从燃烧效果看,型煤相对散煤的优势更为明显:(1)虽然型煤看起来与空气接触面积比散煤小,但实际上
23、它的孔隙率比散煤均匀的多,一般为20%30%,无论是园柱状的或是球状的型煤,其表面都比较规整、光滑,燃烧时火苗从园柱体或球体孔隙中窜出,火焰比燃烧散煤均匀稳定;(2)可使空气过量系数明显降低,炉渣含炭量也可减少,从而减少了排烟和机械不完全燃烧损失,因此可以提高锅炉效率5%13%左右;(3)减少了漏煤量,相对燃烧散煤可有10%20%左右节煤率;(4)反应活性比散煤高;(5)使燃料燃烧更充分,苯并芘(致癌物)排放量大大减少;(6)烟尘排放量大幅减少;(7)固硫剂使SO2排放浓度显著降低。综合以上型煤诸多优点可以看出,以型煤代替散煤供工业锅炉燃用,不仅是解决煤烟型大气污染的有效措施,也是改善燃烧、提
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