回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)一、 慨述“回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)”由一項(xiàng)發(fā)明專利和七項(xiàng)實(shí)用新型專利所體現(xiàn)。這一組發(fā)明及實(shí)用新型專利的實(shí)質(zhì)是提出了一種新型的強(qiáng)化燃燒的基本原理與方法，對(duì)火焰穩(wěn)定與燃燒強(qiáng)化有著極為重要的作用。這一技術(shù)適用于氣、固、液三態(tài)燃料的各類燃燒器，和直流、旋流兩大類燃燒方式；并使燃燒強(qiáng)度可控，對(duì)燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，特別是不因燃燒過強(qiáng)而造成結(jié)焦、高溫腐蝕、燃燒器燒損等負(fù)面作用。本項(xiàng)技術(shù)獲2004年國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)［見附錄1］，1999年中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)，并由中央電視臺(tái)制成二十分鐘節(jié)目于2005年6月29日在十頻道“科技之光”前沿版播出。二、 回流區(qū)分級(jí)著火技術(shù)的基本原理自鈍體燃燒技術(shù)問世以來，作為強(qiáng)化燃燒穩(wěn)定火焰的基本手段，首先廣泛應(yīng)用在氣體燃料燃燒上。近年來又成為我國劣質(zhì)煤燃燒的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，使我國在劣質(zhì)煤的燃用達(dá)到世界一流水平。自本發(fā)明提出以前，對(duì)鈍體技術(shù)強(qiáng)化燃燒的原理認(rèn)識(shí)一直停留在高溫?zé)煔獾幕亓鲗?duì)初始燃料流的加熱作用；這固然正確，但回流區(qū)更為重要的特性并沒有揭示出來：鈍體后方的回流區(qū)，由于其高溫、低速和反向流的固有屬性，是燃燒過程中最為有利的著火源點(diǎn)區(qū)域，但一直未被認(rèn)識(shí)和利用。本發(fā)明的學(xué)術(shù)意義即在于發(fā)掘這一特征并利用之，在回流區(qū)中引入少量燃料與氣，在最有利的著火區(qū)域內(nèi)首先著火，形成著火源點(diǎn)，再點(diǎn)燃主流的回流區(qū)分級(jí)著火燃燒機(jī)制的確立（著火原理見下圖）。從而形成在鈍體燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上一個(gè)突破性的發(fā)展，有著比鈍體技術(shù)更為強(qiáng)大的燃燒性能和火焰穩(wěn)定性能。同時(shí)以不同方式來控制回流區(qū)，也就產(chǎn)生了一系列的為解決不同問題的專利技術(shù)?；亓鲄^(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)是在漫長(zhǎng)的對(duì)煤粉燃燒過程研究中逐步發(fā)展的。首先是在自然科學(xué)基金“粉煤燃燒回流熱質(zhì)傳遞研究”(1983?1986)中，提出了煤粉燃燒鈍體穩(wěn)焰的新觀點(diǎn)：即尾流恢復(fù)區(qū)與回流區(qū)相比，對(duì)煤粉穩(wěn)焰有著更為重要的作用，指出尾流恢復(fù)區(qū)也存在一個(gè)良好的著火環(huán)境，即低速、高溫和高湍流度區(qū)域；并以確切的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，鈍體對(duì)煤粉火焰的穩(wěn)定作用是由于少量細(xì)小煤粉顆粒經(jīng)鈍體繞流進(jìn)入尾流恢復(fù)區(qū)，形成一個(gè)穩(wěn)定的著火源點(diǎn)，再擴(kuò)展到主流，從而使鈍體能有效穩(wěn)定煤粉火焰。這一觀點(diǎn)更正了煤粉氣流中鈍體穩(wěn)焰單純的歸結(jié)為高溫?zé)煔獾幕亓骷訜嵝Ч?，也有效的解釋了?dāng)時(shí)國內(nèi)發(fā)展的不同類型穩(wěn)焰裝置，具有不同特征的回流區(qū)所具有的穩(wěn)焰作用，同時(shí)也萌發(fā)了本發(fā)明的初步思想[1]。隨后，在自然科學(xué)重大基金子項(xiàng)課題“鈍體回流煤粉混合和燃燒機(jī)理的研究”(1987?1991)中，將少量煤粉經(jīng)鈍體繞流進(jìn)入尾流恢復(fù)區(qū)形成著火源點(diǎn)的現(xiàn)象，發(fā)展為更直接的在鈍體中心開縫，將部分一次風(fēng)粉引入回流區(qū)，在最易著火的回流區(qū)或其后的尾流恢復(fù)區(qū)形成著火源點(diǎn)，再點(diǎn)燃主流的分級(jí)著火過程；并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，確切的驗(yàn)證了這一回流區(qū)分級(jí)著火燃燒機(jī)制的存在，從而確立了本項(xiàng)技術(shù)的基本思想。在研究中，還說明將均勻混合的一次風(fēng)粉進(jìn)行煤粉富集的目的，是在于著火的初期，加大煤粉中揮發(fā)份析出的份額，以便于與當(dāng)?shù)氐目諝庋杆龠_(dá)到合適濃度配比而立即著火;但是這種煤粉的富集只是為了形成提前著火源點(diǎn)，從整體上看，要使煤粉燃燼，粉、氣必須混合均勻，因此為提前著火，只能短時(shí)煤粉局部濃縮富集，而不是粉、氣的整體分離。這些研究結(jié)果，最后歸結(jié)為“粉、氣分離，局部富集，回流加熱，分級(jí)點(diǎn)燃”，這些原則指導(dǎo)本項(xiàng)發(fā)明以及后續(xù)七項(xiàng)實(shí)用新型專利的發(fā)展基礎(chǔ)。這一技術(shù)的基本原理和方法是將少量粉、氣送入鈍體后方的回流區(qū)，在最有利的著火環(huán)境中首先形成著火源點(diǎn)，再迅速點(diǎn)燃煤粉主流的分級(jí)著火燃燒機(jī)制。少量燃料氣流進(jìn)入回流區(qū)是否會(huì)造成回流區(qū)的破壞，反而損壞了鈍體高溫?zé)煔饣亓骷訜嶙饔茫砍閲鴥?nèi)外研究者所關(guān)心的問題。這在攀登計(jì)劃子課題“煤的結(jié)構(gòu)特性對(duì)燃燒過程的影響及火焰穩(wěn)定理論的研究”中進(jìn)行了系統(tǒng)工作，實(shí)驗(yàn)和分析表明隨著進(jìn)入回流區(qū)流量的增加，存在著不同的回流區(qū)流態(tài)結(jié)構(gòu)（見下圖），但只要控制在一定流量下鈍體后方的回流區(qū)不會(huì)破壞，反而增長(zhǎng)了。因?yàn)槔@過鈍體的兩股主流是因回流區(qū)的負(fù)壓的吸引而匯合，形成尾流恢復(fù)區(qū)域，當(dāng)少量氣流進(jìn)入回流區(qū)后，負(fù)壓減小，就減弱對(duì)兩股主流的吸引力，使兩主流匯合后移，增大了回流區(qū)長(zhǎng)度而有利于燃燒；實(shí)驗(yàn)還證明在每一斷面上的回流量，與鈍體相比完全相當(dāng)；但當(dāng)過大的氣流進(jìn)入回流區(qū)，則將成為三股強(qiáng)勁的射流，而使回流區(qū)消失，但這恰恰可成為高負(fù)荷控制結(jié)焦、高溫腐蝕和燃燒器燒損的另一種有用的手段。因?yàn)榇罅坷淇諝膺M(jìn)入回流區(qū)，必然降低了回流區(qū)的溫度，減弱了燃燒強(qiáng)度，使著火位置后移，也就控制了結(jié)焦的形成，以及對(duì)水冷壁的高溫腐蝕和火嘴燒損的發(fā)生。的不斷完善，由回流區(qū)二級(jí)分級(jí)著火燃燒機(jī)制演變?yōu)槿?jí)分級(jí)著火燃燒機(jī)制，和相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)，這些就成為后續(xù)實(shí)用新型專利的內(nèi)容。三、回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用自一九九四年本專利技術(shù)在江西樂平電廠第一臺(tái)鍋爐上應(yīng)用以來，已進(jìn)行了三十余臺(tái)鍋爐和二十余臺(tái)工業(yè)爐燃燒器的改造，從小型鍋爐的容量為65t/h，發(fā)展到35萬千瓦的大型鍋爐1160t/h。所有燃燒器的改造，都毫無例外的取得一次成功。下面對(duì)解決不同技術(shù)問題的實(shí)際效果分別說明：1、 低負(fù)荷穩(wěn)焰技術(shù)回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)的實(shí)施是在鈍體中心開縫，將一小部分的一次風(fēng)粉送入回流區(qū)，受高溫?zé)煔饣亓骷訜嵫杆偕郎?，同時(shí)受到鈍體兩側(cè)主流的一側(cè)的吸引，使細(xì)小的鈍體中心縫隙流彎曲靠向主流，而煤粉顆粒由于慣性與氣流分離，并在回流區(qū)高溫、低速和返混的氣流中增長(zhǎng)了停留時(shí)間，從而使所含的揮發(fā)充分析出著火，也點(diǎn)燃了煤粒本身，形成初始著火源點(diǎn)。也由于在回流區(qū)高溫低速返混氣流中，所建立了值班火源十分穩(wěn)定，從而穩(wěn)定了主流火焰。在樂平電廠當(dāng)兩層火嘴中底層火嘴因磨煤機(jī)事故而停運(yùn)，上層火嘴依然能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，按常規(guī)爐膛將立即熄火?；幢彪姀S五臺(tái)鍋爐改造，燃燒貧煤每晚日常運(yùn)行負(fù)荷都降到50%以下。為進(jìn)一步提高低負(fù)荷穩(wěn)焰能力，對(duì)淮北電廠4#爐燃燒器改造中增設(shè)了整流板，一次風(fēng)粉經(jīng)鈍體濃縮后立即與整流板相撞，將濃的煤粉流的流向由斜流改為水平，增大了一次風(fēng)的剛性，又起到再次增濃了煤粉的效果，還使?jié)獾囊淮物L(fēng)處于高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)邊界處，強(qiáng)化了傳熱；更為重要的設(shè)置整流板后，三股濃煤粉流均為一次風(fēng)所包納，經(jīng)過尾流區(qū)匯合，濃、稀煤粉流再次混合均勻，實(shí)現(xiàn)了煤粉局部短時(shí)富集，后期粉、氣又混合均勻，從而使灰、渣的含碳量均在1?4%內(nèi)變動(dòng)。如在洛陽熱電廠改造［2后，使俄羅斯制造的鍋爐灰渣含碳量由14%以上降為4%以下，提高了燃燒效率。視煤質(zhì)的不同，本項(xiàng)技術(shù)的采用，可使不投油的最低負(fù)荷在35?50%內(nèi)變化。2、 爐膛結(jié)焦的治理爐膛結(jié)焦是造成鍋爐效率下降和事故停爐的一大問題。前已說明，適當(dāng)量的氣流進(jìn)入回流區(qū)，不僅不會(huì)破壞回流區(qū)，相反的還增長(zhǎng)了回流區(qū)，但當(dāng)大量氣流進(jìn)入回流區(qū)，將使回流區(qū)消失，出現(xiàn)三股射流，而這一點(diǎn)恰好作為推遲著火防止結(jié)焦的一種有力手段。洛陽首陽山電廠［3燃用強(qiáng)結(jié)焦性煤——河南義馬煤，該廠的3#、4#爐，由東鍋制造，燃燒器內(nèi)設(shè)置了穩(wěn)焰體。強(qiáng)化燃燒與結(jié)焦防治是相互矛盾的，低負(fù)荷強(qiáng)化燃燒，必然帶來高負(fù)荷結(jié)焦趨勢(shì)增強(qiáng)。3#、4#爐由于燃用了義馬煤，高負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)焦，造成多次事故停運(yùn)，不得不拆除穩(wěn)焰體改為直流噴口，但又損害了低負(fù)荷火焰的穩(wěn)定性，不能適應(yīng)當(dāng)前對(duì)低負(fù)荷調(diào)峰的要求。當(dāng)采用本項(xiàng)專利技術(shù)后，高負(fù)荷時(shí)大量周界風(fēng)進(jìn)入回流區(qū)，推遲了火焰的位置，防止?fàn)t墻結(jié)焦；低負(fù)荷關(guān)閉周界風(fēng)門，少量一次風(fēng)進(jìn)入回流區(qū)，強(qiáng)化燃燒穩(wěn)定火焰，很好的解決了結(jié)焦防治和低負(fù)荷穩(wěn)焰一對(duì)矛盾；由于水冷壁面潔凈無焦使鍋爐效率提高1%。在福建邵武電廠兩臺(tái)125MW和攀枝花發(fā)電廠兩臺(tái)125MW都起到了防止結(jié)焦的極好效果。3、 煤泥、煤砰石的燃用改善環(huán)境是十五科技規(guī)劃的中心，其中在能源利用特別指出對(duì)煤的廢棄物，即洗煤廠的下腳料煤泥和采煤過程中的煤砰石的有效利用，因?yàn)檫@些廢棄物已大量堆積，占用農(nóng)田，并造成二次污染。本系列專利技術(shù)在有效燃用煤泥和煤砰石上已邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。平頂山坑口電廠［4］由俄羅斯協(xié)貨貿(mào)易引進(jìn)的一臺(tái)220t/h旋流燃燒煤粉爐，投運(yùn)不到三年，就面臨小機(jī)組退役，廠方為了電廠生存，改燒煤泥，但難以穩(wěn)定燃燒，需投油助燃，這就使得改燒煤泥得不償失。為了能有效燃用低品位的煤泥，將回流區(qū)二級(jí)分級(jí)著火過程發(fā)展為回流區(qū)的三級(jí)分級(jí)著火過程，即以1%一次風(fēng)由鈍體表面開孔進(jìn)入回流區(qū)首先著火，點(diǎn)燃進(jìn)入回流區(qū)內(nèi)二級(jí)風(fēng)粉（即開縫鈍體的縫隙一次風(fēng)）10%，再點(diǎn)燃主流風(fēng)粉的三級(jí)分級(jí)著火技術(shù)。這一技術(shù)實(shí)施得到了極好結(jié)果，當(dāng)全燒煤泥，最低不投油負(fù)荷可降為35?40%，鍋爐的各參數(shù)都處于正常范圍，使該廠得到巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，由河南電力局命名為“綜合利用發(fā)電廠”，每年保證85%平均負(fù)荷；燃用廢棄物煤泥，每年由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益為1400萬，加上環(huán)保項(xiàng)目免稅200萬，累計(jì)年效益1700萬。一項(xiàng)新技術(shù)的采用，使一個(gè)面臨關(guān)閉的廠完全改觀。4、 鍋爐冷態(tài)啟動(dòng)的節(jié)油技術(shù)一臺(tái)30萬千瓦鍋爐，一年的起動(dòng)用油在1000?1500噸，因此節(jié)約啟動(dòng)用油有很好的經(jīng)濟(jì)效益?；亓鲄^(qū)分級(jí)著火技術(shù)與小油槍的結(jié)合，對(duì)于煙煤和貧煤，以200?250kg/h的小油替代1200?1500kg/h的大油槍，啟動(dòng)節(jié)油可高達(dá)80%以上。由于小油槍插入一次風(fēng)鈍體的中心縫隙，油霧火焰首先點(diǎn)燃的是進(jìn)入回流區(qū)與其同向結(jié)伴而行的少量一次風(fēng)粉（約10?15%一次風(fēng)粉），再由少量油和點(diǎn)燃的少量粉在回流區(qū)內(nèi)釋放的熱量的和，再去點(diǎn)燃85%的主流一次風(fēng)粉，實(shí)現(xiàn)在回流區(qū)由油對(duì)粉的分級(jí)點(diǎn)燃，就能產(chǎn)生最大的節(jié)油效果。小油槍無須對(duì)鍋爐的預(yù)熱，冷態(tài)啟動(dòng)投油即投粉的煤粉的直接點(diǎn)燃技術(shù)，在1998年首先在黃石電廠220t/h和2001年在山東運(yùn)河電廠（420t/h）都取得一次投運(yùn)成功，在福建邵武電廠420t/h爐，近期燃用的煤的灰份高達(dá)50?66%的煤砰石，熱值為7000?11000KJ/kg，當(dāng)四支小油槍對(duì)鍋爐預(yù)熱1.5小時(shí)后，投粉即能點(diǎn)燃煤粉，可見回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)與小油槍的結(jié)合，所產(chǎn)生顯著的節(jié)油效果。5、 高爐煤氣的增燒技術(shù)高爐煤氣為一種低熱值煤氣，一般常在煤粉爐內(nèi)少量滲燒，余下的大部分對(duì)空排放，污染空氣。高爐煤氣內(nèi)含有大量的 CO2和N2，熱值極低，一般為700-800kcal/Nm3，燃燒火焰很弱。如寶鋼自備電廠，煤氣在燒嘴出口不能形成火焰，遇高溫煤粉火焰后才能有效燃燒，造成爐膛后部設(shè)備的超溫、爆管。采用回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)，燒嘴出口即形成強(qiáng)烈的火焰，爐膛上部煙氣溫度平均下降50°C,有效的克服了后部設(shè)備的超溫問題。目前鋼鐵公司的自備電廠的煤粉煤氣混燒爐都面臨增燒高爐煤氣緊迫要求，用以凈化周邊的環(huán)境，減少環(huán)保罰款。對(duì)混燒改為全燒高爐煤氣的鍋爐改造，除了采用回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)，提高低熱值煤氣燃燒強(qiáng)度外，還必須強(qiáng)化爐膛內(nèi)的換熱。低熱值煤氣理論燃燒溫度低，約為1200-1300C左右，加上煤氣火焰為透明火焰，爐內(nèi)輻射力弱，按常規(guī)換熱方式，爐膛容積必須增大40%，才能滿足全燒高爐煤氣的要求。常規(guī)的改造方案，需拆除冷灰斗，將爐膛下沉增大容積，改造工程量極大。本專利技術(shù)一反常規(guī)，提出加大爐內(nèi)煙氣切向速度，增強(qiáng)水冷壁的對(duì)流換熱，來彌補(bǔ)輻射換熱的不足⑸，為此使燒嘴出口氣流的假想切園增大，接近與爐墻相切，并使燒嘴出口冷態(tài)速度增大為50m/s。整個(gè)改造只需以回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)來改造原燃燒器，并加大安裝切園，而爐膛原封不改。本專利技術(shù)在馬鋼自備電廠應(yīng)用，使一臺(tái)鍋爐增燒高爐煤氣15000Nm3/h，另一臺(tái)增燒25000Nm3/h。在湘鋼和攀鋼自備電廠將煤粉、煤氣混燒爐改造為全燒高爐煤氣，有很大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。6、 回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)在旋流燃燒器上的應(yīng)用。前已說明回流區(qū)分級(jí)著火燃燒技術(shù)對(duì)兩大類燃燒器，即直流燃燒和旋流燃燒都一樣適用。在已改造煤粉爐中已有四臺(tái)鍋爐旋流燃燒器進(jìn)行了成功的改造。其中特別是平頂山坑口電廠220t/h鍋爐旋流燃燒器的改造，由回流區(qū)二級(jí)分級(jí)著火發(fā)展為三級(jí)分級(jí)著火，成功的燃用洗煤廠的下腳料煤泥，并能在35-40%負(fù)荷不需投油穩(wěn)焰。旋流燃燒器廣泛的應(yīng)用在油霧的燃燒上。本項(xiàng)專利技術(shù)已對(duì)寶鋼熱軋廠的三座加熱爐的油、氣兩用燃燒器進(jìn)行改造。原燃燒器為法國引進(jìn)，運(yùn)行中出現(xiàn)重油燃燒冒黑煙，且有一些油霧被吸入煤氣管內(nèi)形成結(jié)焦堵塞管道。該油氣兩用燃燒器為旋流結(jié)構(gòu)，空氣外旋，煤氣內(nèi)旋，油槍插入中心。油霧噴出后受旋流負(fù)壓吸引，部分油霧進(jìn)入煤氣旋流的內(nèi)核形成結(jié)焦，堵塞管道；其次油霧噴入旋流形成的中心回流區(qū)，由于不能及時(shí)獲得充分空氣，生成大量黑煙。本項(xiàng)專利的應(yīng)用，即在緊挨油槍的外圍送入少量空氣，一方面防止油霧被吸入煤氣管；另一面形成回流區(qū)分級(jí)著火燃燒機(jī)制，使少量空氣與油霧在回流區(qū)首先著火，強(qiáng)化燃燒，消除黑油黑煙。經(jīng)半年的對(duì)比試驗(yàn)后，將三座加熱爐的75臺(tái)兩用燃燒器全部改型，解決了該廠的一大攻關(guān)難題。四、本項(xiàng)技術(shù)已形成的業(yè)績(jī)目前已有三十余臺(tái)鍋爐和二十余臺(tái)工業(yè)爐［見附錄2］的燃燒器進(jìn)行了成功的改造，其中屬于火電廠煤粉爐的有二十余臺(tái)（四臺(tái)為旋流燃燒器，其余為