悬浮燃烧技术的优化方案

悬浮燃烧（或粉状燃料燃烧）使用粉状燃料，该粉状燃料以气动方式输送并与一次空气一起吹入锅炉。对于煤的燃烧，由于悬浮燃烧具有较高的整体发电效率且具备快速改变负荷的能力，因此悬浮燃烧技术是燃煤发电的首选技术。悬浮燃烧使用的燃料必须为细粉状，其燃烧方式类似于气体燃烧。在悬浮燃烧过程中，燃料的燃烧区可以分布在整个锅炉的大容积上，而不再局限于靠近锅炉底部的小区域。

由于悬浮燃烧前需要将固体燃料碾磨成粉状，并且燃烧过程中气体的流速很高，因此燃料颗粒与气流之间可以认为没有滑移速度，燃料颗粒和气体的停留时间几乎相等。煤粉的燃烧是一个快速过程，它分布在整个锅炉体内，因此悬浮燃烧系统比炉排或流化床燃烧系统具有更高的容量。该燃烧技术广泛应用于大型燃煤电厂。在这种系统中，燃料颗粒通过燃烧器喷嘴以高速气动喷射（一次风做载体）进入锅炉（见图7-17）。高功率运行时，需要一个旋流燃烧器，在这种运行工况下，二次空气通过叶片系统从燃料喷嘴周围给入，产生旋转运动。高湍流速度和小颗粒物使燃烧速度更快、效率更高、能量密度更大。因此，可以较容易实现不同负荷工况下的燃烧。然而，除了要求燃料颗粒粒径小（生物燃料的研磨困难）之外，这项技术还要求燃料质量均匀，燃料含水量低。出于这些原因，建议在研磨颗粒、木材工业废物（主要是锯末）与煤混燃（生物质占5%～20%）中使用含生物质燃烧器。此外，这类生物质的挥发物含量很高，因此需要特别注意燃料的供给，避免燃烧器喷嘴的烧损。随着生物质热化学提质（增强研磨）技术的发展，今后可能会在更大程度上允许将粉状燃烧器用于生物质的燃烧。

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图7-17　煤粉燃料锅炉

1—给水到省煤器，然后到汽包；2—过热器产生的蒸汽；3—来自锅炉的烟气；4—排污以去除杂质；5—燃烧室

在悬浮燃烧系统中，燃烧器可以以箱形或切线形放置，以形成复杂的漩涡状燃烧模式。在设计生物质悬浮锅炉时，与煤粉炉相比，还要考虑生物质与煤粉不同的化学成分、粒径和形状。煤的晶体结构使其很容易破裂，从而磨成细粉。煤粉的典型平均尺寸约为65μm。木材和其他类型的生物质原料具有纤维状结构，这意味着它们在受到压力时很难破裂，并且在研磨过程中必须使用很大的能量才能将其撕裂。生物质颗粒的平均尺寸取决于研磨过程以及原料特性，平均粒径甚至常常在200～300μm。同样，由于具有纤维状结构，因此生物质颗粒形态与煤颗粒形态相比具有显著差异。煤颗粒呈近似球形，木材颗粒则呈典型的矩形和片状，而稻草颗粒呈片状。值得指出的是，已有研究表明烘焙过的生物质具有与煤相似的研磨特性，而烘焙过的木材与成球木材相比在破碎过程中产生了更多的粉末。在试验中，对火焰的预测在很大程度上取决于将要燃烧的燃料颗粒的大小和形状。在锅炉内的燃烧区域进行预测时，通常假定颗粒是一个理想的等温球体，但更大的尺寸和独特的非球面形状通常会使这种假设失效。颗粒内部的温度梯度将导致颗粒燃尽时间更长，并使颗粒持续多个燃烧阶段（同时干燥、脱挥发分和焦燃尽）。因此，可燃气体的释放分布在颗粒的整个停留时间内。此外，颗粒形态可以引起不同的空气动力升力，该力作用在颗粒上会导致不同的颗粒流模式。化学成分的差异，特别是生物质中挥发分的比例比煤中的高得多，导致其燃烧速率和一般煤的燃烧模式存在明显差异。一些生物质原料中含有大量的氯，氯可通过终止自由基化学反应而阻碍生物质的燃烧。这大大增加了预测生物质燃烧过程的难度以及锅炉内部区域特性的复杂性。这些都是设计锅炉所必须考虑的问题。在实验室的实验研究过程中，通过对比炉中火焰特性已证明了煤粉和生物质燃烧之间存在显著的差异。