煤粉濃縮預(yù)熱低NO x燃燒器的應(yīng)用

蔡新春，郝江平，武衛(wèi)紅

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；2.北京圓能工業(yè)技術(shù)有限公司，北京 100190)

煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器的應(yīng)用

蔡新春1，郝江平2，武衛(wèi)紅1

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西太原 030001；2.北京圓能工業(yè)技術(shù)有限公司，北京 100190)

對某廠15號鍋爐投產(chǎn)以來一直存在的頻繁掉焦滅火事故、助燃油量多、低負荷穩(wěn)燃性能差等問題進行了全面地論述，并從結(jié)構(gòu)等多方面進行了原因分析。介紹了新型的煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器，總結(jié)了使用煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器后一年多的運行效果，對使用煤種易結(jié)焦及變化較大的鍋爐煤種具有重要的參考價值。

結(jié)焦；頻繁滅火；燃油量；低負荷；煤粉濃縮PRP燃燒器

0 引言

某發(fā)電公司15號鍋爐由四川鍋爐廠制造，CG-220/9.81-M14型，采用四角切向直流燃燒器和中儲式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)。設(shè)計為貧煤，設(shè)計和運行煤種主要成分見表1。自2001年投產(chǎn)以來，由于鍋爐設(shè)計等方面的原因，燃燒穩(wěn)定性一直很差。該爐原燃燒器為鈍體直流燃燒器，運行幾年后采用水平撞擊式濃淡燃燒器進行了改造，性能有所提升，最低穩(wěn)燃負荷從原來的80%降低到70%，但運行中還一直存在爐膛負壓波動大，單臺給粉機故障就需投油助燃的問題；鍋爐爐膛結(jié)焦嚴重，2005年—2007年的掉焦滅火次數(shù)分別為14、16和18次，全年助燃油量約180 t，啟動耗油320 t；燃燒效率低，飛灰含碳量高達12%～18%。另外，鍋爐燃燒器還兩次因使用煤種突然變化為煙煤而燒壞燃燒器。

鍋爐采用單汽包、自然循環(huán)、集中下降管、Л型布置、固態(tài)排渣的形式，按室內(nèi)布置設(shè)計。鍋爐前部為爐膛，四周布置膜式水冷壁，爐頂、水平煙道兩側(cè)及轉(zhuǎn)向室設(shè)置成頂棚和包墻過熱器。尾部豎井煙道中交錯布置兩級省煤器和兩級空氣預(yù)熱器。

表1 設(shè)計和運行煤種主要成分

考慮到燃用多種煤種的可能性和適應(yīng)四角燃燒的需要，爐膛斷面設(shè)計成正方形，深度和寬度均為7 570mm。

1 鍋爐問題產(chǎn)生原因

該爐設(shè)計中為了滿足較難燃燒的煤種，選用了傳統(tǒng)的一次風(fēng)集中布置的結(jié)構(gòu)特點[1]，即燃燒器中的一次風(fēng)口相對集中地布置在一起，形成Ⅱ-Ⅰ-Ⅰ-Ⅱ的布局。在爐內(nèi)水冷壁上鋪設(shè)衛(wèi)燃帶、較大的假想切園直徑（φ800mm）及一次風(fēng)集中布置，意味著煤粉氣流的著火和燃燒相對集中，有利于提高燃燒器區(qū)域局部熱負荷和溫度水平，以改善燃料的著火條件。這種結(jié)構(gòu)型式最適合燃用Vr較低的貧煤和無煙煤。

上述結(jié)構(gòu)設(shè)計提高了爐膛燃燒器區(qū)域斷面熱負荷，滿足了較難著火煤種的需要，但對于易結(jié)渣的煤種，由于沒有采用側(cè)二次風(fēng)等措施，煤粉燃燒后，靠近水冷壁的背火側(cè)如果不能及時得到氧氣補充，勢必產(chǎn)生還原性氣氛，使得灰熔點降低，加劇了結(jié)渣的趨勢，所以運行中高負荷工況爐內(nèi)結(jié)渣非常嚴重，并且頻繁發(fā)生掉焦滅火事故。

圍繞上述運行中存在的問題，該爐曾經(jīng)采用水平撞擊式濃淡燃燒器進行了改造，低負荷穩(wěn)燃有一定的提高。但對于特殊的煤種，以及由于該爐存在四角各燃燒器的粉風(fēng)不均勻、爐內(nèi)布置大量表面粗糙的衛(wèi)燃帶等原因，低負荷穩(wěn)燃有一定的提高，但鍋爐結(jié)渣及頻繁發(fā)生掉焦滅火事故的問題依然很嚴重。

2 PRP燃燒器的特點

煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器PRP（Pulverized Rich Preheating）采用旋轉(zhuǎn)慣性分離的濃淡燃燒技術(shù)。通過預(yù)熱筒內(nèi)一次風(fēng)氣流的卷吸作用，向預(yù)熱筒內(nèi)抽吸爐膛內(nèi)的高溫?zé)煔猓黾恿烁邷責(zé)煔獾幕亓髁亢蜏囟取ｎA(yù)熱筒設(shè)有自動補氣閥來控制預(yù)熱強度，當(dāng)煤質(zhì)變差或低負荷時，一次風(fēng)預(yù)熱后溫度降低，溫度控制系統(tǒng)自動關(guān)小或關(guān)閉補氣閥，以提高預(yù)熱筒內(nèi)負壓，增強回流預(yù)熱能力。當(dāng)煤質(zhì)變好或高負荷時，則開大補氣閥以降低一次風(fēng)預(yù)熱溫度和煤粉濃度，避免燒壞燃燒器。預(yù)熱筒工作原理見圖1。

圖1 PRP燃燒器的工作原理圖

該燃燒器結(jié)構(gòu)簡單、操控方便、安全可靠，適用于各種形式的制粉系統(tǒng)和燃燒方式，有如下特點。

a）較高的低負荷穩(wěn)燃性。由于采用了爐外煤粉濃縮和預(yù)熱的綜合手段，使煤粉在鍋爐內(nèi)著火燃燒的穩(wěn)定性顯著提高，可大大降低揮發(fā)份、低熱值難燃煤的最低不投油穩(wěn)燃負荷。

b）較好的煤種適應(yīng)性。該燃燒器可根據(jù)煤種的燃燒特性進行預(yù)熱程度的自動調(diào)節(jié)，通過改變高溫?zé)煔獾幕亓髁渴谷紵髂苓m應(yīng)煤質(zhì)的變化，既可以提高穩(wěn)燃性能又能防止燒壞燃燒器噴口，始終保持較佳的燃燒工況。

c）較低的NOx氣體排放。經(jīng)日本IHI公司測試，該燃燒技術(shù)能使煤粉以大于10 000℃/s的升溫速率進行高溫?zé)峤猓纱蠓岣邠]發(fā)分氮比例，在煤粉燃燒初期的還原性氣氛中，更大幅度地抑制了NOx的生成。

3 改造情況

為了解決鍋爐運行中一直存在的嚴重結(jié)渣及頻繁發(fā)生掉焦滅火等影響鍋爐安全經(jīng)濟方面的問題，2008年3月，該廠采用PRP燃燒技術(shù)對燃燒器進行了改造。這次改造的具體措施包括以下幾點。

a）將原燃燒器全部更換為穩(wěn)燃特性優(yōu)良的PRP燃燒器，為改善燃燒條件、采取多種措施解決問題提供了基礎(chǔ)。

b）改變原設(shè)計一次風(fēng)集中布置的做法，改用一、二次風(fēng)均等配風(fēng)的結(jié)構(gòu)，即采用Ⅱ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ的布局，保證著火后的煤粉及時得到助燃空氣的補充，并避免水冷壁附近產(chǎn)生局部的還原性氣氛。

c）拆除爐膛全部的衛(wèi)燃帶，消弱爐膛結(jié)焦的根基，避免結(jié)焦的生根和發(fā)展。

d）將鍋爐燃燒器假想切園直徑由φ800mm減小到φ700mm，降低高溫煤粉沖刷水冷壁的可能。

e）安裝可調(diào)入射角度的水平擺動式二次風(fēng)噴口，在運行中根據(jù)情況調(diào)節(jié)動力切圓的大小和中心，修正四角配風(fēng)的偏差，以獲得最佳的空氣動力場，徹底消除爐內(nèi)燃燒區(qū)結(jié)焦的條件。

4 改造后效果

該爐經(jīng)過燃燒器等一系列的改造后，取得如下效果。

a）低負荷穩(wěn)燃性能，節(jié)油性能顯著。運行中可實現(xiàn)單層燃燒器穩(wěn)燃和上下層燃燒器任意投停，不投油最低穩(wěn)燃負荷可達到55%以下（由于4號角二次風(fēng)箱總擋板關(guān)不到位，無法繼續(xù)減小風(fēng)量，實際更低的不投油穩(wěn)燃負荷未做）。助燃用油大幅減少，改造后已運行一年多未再發(fā)生掉焦滅火事故，解決了該爐投產(chǎn)以來的大問題，同時該爐同比全年節(jié)油約450 t。

b）飛灰含碳量降低，鍋爐效率提高。改造前為了保持爐膛負壓穩(wěn)定，爐膛出口含氧量僅能維持在3%以下，對于低揮發(fā)份的煤種明顯偏低。由于氧量供應(yīng)不足，燃燒不充分，飛灰含碳量高達12%～18%。經(jīng)過燃燒器改造后，爐膛出口含氧量可以提高到3%～5%范圍內(nèi)。另外，由于采用了一、二風(fēng)交替布置，煤粉著火后氧量供應(yīng)及時，燃燒效率提高，該爐飛灰含碳量降到4%～7%。

本次改造原計劃更換三次風(fēng)噴口為預(yù)熱結(jié)構(gòu)，但由于時間和安裝空間的限制，無法實施。另外，由于該爐燃燒系統(tǒng)風(fēng)門擋板等輔機設(shè)備狀況不佳，燃燒調(diào)整較為困難，致使降低飛灰含碳量還未能達到最佳效果。

c）煙氣爐膛出口煙溫降低，減溫水量大幅減少。由于煤粉著火及時，燃燒充分，進入爐內(nèi)的風(fēng)量增加，爐膛出口煙溫和排煙溫度略有不同程度的降低，排煙損失減小。過熱器減溫水量較燃燒器改造前減少30%～50%，高溫受熱面壁溫有不同程度的降低，其安全性有所提高。

5 結(jié)論

一次風(fēng)集中布置、爐內(nèi)過多的衛(wèi)燃帶、四角風(fēng)粉不均、易結(jié)焦煤種是鍋爐投產(chǎn)以來一直結(jié)焦嚴重、頻繁掉焦滅火、低負荷穩(wěn)燃性能差、助燃油量多的主要原因。PRP燃燒器有較好的燃燒和調(diào)節(jié)性能，能夠適應(yīng)較難燃燒及煤質(zhì)變化大的煤種，防止鍋爐結(jié)焦和避免高溫腐蝕，具有廣泛的應(yīng)用前景。

該爐改造前平均月因爐膛掉焦滅火一次。將燃燒器改為PRP燃燒器、取消爐內(nèi)衛(wèi)燃帶、減小假想切圓直徑等措施后，運行一年來未發(fā)生爐膛掉焦滅火事故，節(jié)油效果顯著，不投油最低穩(wěn)燃負荷率從70%降到55%，飛灰含碳量從12%～18%降到4%～7%，鍋爐的安全經(jīng)濟性顯著提高。

［1］ 徐通模，金定安，溫龍.鍋爐燃燒設(shè)備［M］.西安交通大學(xué)出版社，1990：300-301.

The Application of PRP Burner with Low NOxEm ission

CAIXin-chun1，HAO Jiang-ping2，WUWei-hong1
（1.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China;2.Beijing Yuanneng Industrial Technology Co.，Ltd，Beijing 100190，China）

This paper comprehensively expounds the problems occurring in#15 boiler in a plant since commissioning,such as frequent coke extinguishing,excessive combustion-supporting oil demand and non-stable combustion performance at low load，and then analyzes the reasons for these problems in respect to the structure.This paper also introduces PRPburnerwith low NOxemission and summarizes the effectof PRP burner after a year’s operation，whichmay bemeaningful for easy-coking coal type or coal of great diversity.

coking；frequentextinguishing；fuel quantity；low load；pulverized coal concentration PRP burner

TK223.23

B

1671-0320-（2011）03-0044-03

2010-12-20，

2011-03-11

蔡新春（1963-），男，山西介休人，1985年畢業(yè)于山西大學(xué)工程學(xué)院熱能動力專業(yè)，高級工程師，從事電廠鍋爐優(yōu)化運行與燃燒調(diào)整技術(shù)的試驗研究；

郝江平（1969-），男，山西大同人，2002年畢業(yè)于華北電力大學(xué)動力工程專業(yè)，高級工程師，從事電廠鍋爐的設(shè)備改造與調(diào)整工作；

武衛(wèi)紅（1965-），男，山西鄉(xiāng)寧人，1985年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱能動力專業(yè)，高級工程師，從事電廠鍋爐優(yōu)化運行與燃燒調(diào)整技術(shù)的試驗研究。