提高旋流燃燒器燃燒經(jīng)濟(jì)性方法的探討

周義剛 薛澤海 邊疆（天津電力科學(xué)研究院，天津，300384）

前言

國電寧夏石嘴山發(fā)電有限責(zé)任公司330MW機(jī)組鍋爐近年來出現(xiàn)了燃燒可燃物偏高、爐膛結(jié)焦，高溫腐蝕等影響鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問題。為此通過優(yōu)化燃燒解決爐內(nèi)燃燒工況不佳影響安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問題，在該機(jī)組進(jìn)行了擴(kuò)大型小修后，對鍋爐進(jìn)行了優(yōu)化燃燒試驗。

1 設(shè)備概況

機(jī)組為330MW燃煤機(jī)組，鍋爐為武漢鍋爐股份有限公司制造的WGZ-1004/18.44-2型、亞臨界壓力、中間一次再熱、自然循環(huán)、固態(tài)排渣爐，采用中速磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，系統(tǒng)配有4臺MPS225中速磨煤機(jī)和兩臺一次離心式風(fēng)機(jī)。鍋爐燃燒室為膜式水冷壁，煤粉燃燒器為帶有煤粉濃縮裝置的軸向旋流燃燒器，采用前墻水平布置4層，每層6只，共24只。燃燒器旋流方向分為12只順時針旋轉(zhuǎn)和12只反時針旋轉(zhuǎn)。

鍋爐風(fēng)、煙系統(tǒng)由送風(fēng)系統(tǒng)和對流煙道組成，配有兩臺軸流式送風(fēng)機(jī)、兩臺軸流式引風(fēng)機(jī)、兩臺三分倉容克式空氣預(yù)熱器。

1.1 主要設(shè)計參數(shù)

燃燒器及其布置示意圖

1.2 燃燒器設(shè)計參數(shù)

2 鍋爐燃燒過程中存在的問題

2.1 實(shí)際運(yùn)行中爐渣的可燃物含量較高，在爐渣中含有大量未燃盡黑色塊狀物，占10%，旋流燃燒器的穩(wěn)燃齒上也附著黑焦；

2.2 通過實(shí)際觀測發(fā)現(xiàn)，爐膛燃燒器區(qū)域爐膛前部和后部的火焰溫度偏差較大；

2.3 B、C層燃燒器出口掛焦、折焰角下部水冷壁、屏式過熱器有結(jié)焦現(xiàn)象；

2.4 水冷壁高溫腐蝕嚴(yán)重，高溫腐蝕區(qū)域水冷壁管子氧化皮厚度為0.8～1mm，有橫向裂紋，進(jìn)行了大面積換管。

3 影響鍋爐燃燒的主要因素

3.1 一次風(fēng)速

一次風(fēng)速是鍋爐控制燃燒的重要參數(shù)之一。根據(jù)煤質(zhì)特性的差異控制不同的風(fēng)速值，通過運(yùn)行調(diào)整可以實(shí)現(xiàn)。但由于直吹式制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)引出的一次風(fēng)管的長度、彎頭數(shù)量和型式的不同各條管道的阻力系數(shù)是不同的，在冷態(tài)純氣流條件下通過節(jié)流縮孔進(jìn)行調(diào)平，調(diào)平前后的阻力系數(shù)計算式如下：

式中：Kg—純空氣狀態(tài)下的阻力系數(shù)

λ0—沿程阻力系數(shù)

L—管道總長度米

D—管道直徑米

ζ—局部阻力系數(shù)

ΔKg—節(jié)流縮孔的阻力系數(shù)

在鍋爐實(shí)際運(yùn)行中，一次風(fēng)管流過的是空氣與煤粉的混合物，通過對理論公式的推導(dǎo)和實(shí)際測量驗證均表明純空氣與帶粉狀態(tài)下的阻力差別較大，換言之冷態(tài)下調(diào)平的各一次風(fēng)管阻力在熱態(tài)下是不平衡的。帶粉狀態(tài)下的阻力系數(shù)如下：

式中：Kμ—帶粉狀態(tài)下的阻力系數(shù)

μ—煤粉濃度 kg(粉)/kg（風(fēng)）

C1、C2、C3—修正系數(shù)

為保持熱態(tài)下各一次風(fēng)管的阻力平衡，需要對縮孔進(jìn)行熱態(tài)調(diào)平或在冷態(tài)純空氣狀態(tài)下對縮孔進(jìn)行不平衡調(diào)整[4]。

3.2 煤粉濃度

煤粉濃度是鍋爐燃燒控制的又一個重要參數(shù)。各燃燒器間的風(fēng)粉分配不均，將直接影響燃燒器出口煤粉氣流的著火及穩(wěn)燃，各燃燒器的熱負(fù)荷不同會造成火焰偏斜、爐膛熱負(fù)荷和汽溫偏差等問題。對于直吹式制粉系統(tǒng)煤粉濃度沒有調(diào)整手段，只能間接的用節(jié)流縮孔調(diào)整一次風(fēng)速來改善每根風(fēng)管的煤粉濃度。

3.3 燃燒器型式

燃燒器的型式對鍋爐的著火、燃燒、水冷壁的結(jié)焦和高溫腐蝕有一定的的影響。雙通道帶有煤粉濃縮裝置的軸向旋流燃燒器是低NOx燃燒器，其基本原理是“貧氧燃燒”，降低NOx濃度的關(guān)鍵是在燃燒區(qū)域內(nèi)形成還原性氣氛，以便將燃料中的氮元素變成穩(wěn)定的N。為達(dá)到此目的，燃燒器采用了兩級燃燒方式：即一次風(fēng)采用旋流送入；二次風(fēng)分為兩級：少量軸向旋轉(zhuǎn)的內(nèi)二次風(fēng)供燃燒初始階段揮發(fā)份燃燒所用，大部分軸向旋轉(zhuǎn)二次風(fēng)從外二次風(fēng)道送入，風(fēng)量大、風(fēng)速高，極大的提高了外二次風(fēng)與煤粉氣流的動壓比，氣流后期湍流混和強(qiáng)烈，使燃燒后期所需氧氣及時輸送到煤粉顆粒表面，促進(jìn)未燃盡碳燃燒所用。但是保持燃燒器區(qū)域低過剩空氣系數(shù)的設(shè)計特點(diǎn)卻易造成煤粉在燃燒器區(qū)域的不完全燃燒，而含硫量較高的煤在不完全燃燒時，將產(chǎn)生腐蝕性很強(qiáng)的還原氣體(HS、CO等)，若隨煤粉氣流到達(dá)水冷壁表面，壁面溫度大于350℃就會發(fā)生高溫腐蝕。

4 燃燒優(yōu)化參數(shù)及結(jié)果分析

4.1 冷、熱態(tài)一次風(fēng)速調(diào)平

一次風(fēng)速偏差大將直接影響各燃燒器著火情況，致使其燃燒工況出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒紊亂，造成爐膛出口煙溫偏高，鍋爐各段煙溫及排煙溫度上升。在冷、熱態(tài)下均調(diào)平了各臺磨煤機(jī)出口一次風(fēng)管風(fēng)速，通過調(diào)整一次風(fēng)支管上的縮孔開度將四臺磨各支管一次風(fēng)速偏差值控制在5%以內(nèi)。通過調(diào)整前后的數(shù)據(jù)（見表1）可以看出，冷態(tài)純空氣狀態(tài)下調(diào)平后，熱態(tài)帶粉各一次風(fēng)支管又出現(xiàn)了新的不平衡狀態(tài)，影響燃燒的經(jīng)濟(jì)性，需要在鍋爐額定負(fù)荷下和經(jīng)常運(yùn)行的負(fù)荷區(qū)間進(jìn)行帶粉狀態(tài)下的一次風(fēng)速調(diào)平。

4.2 煤粉濃度測量

對于直吹式制粉系統(tǒng)，由于同一臺磨煤機(jī)各支管的煤粉流量在離開分離器后即無調(diào)節(jié)手段，所以，熱態(tài)調(diào)平支管阻力后也只能達(dá)到風(fēng)量調(diào)平。風(fēng)量均衡對煤粉量的均勻有一定的改善作用。通過表2看出，風(fēng)速調(diào)平后A、B磨煤機(jī)各管風(fēng)粉濃度最大偏差比調(diào)整前減小了6%～10%，偏差較小的C、D磨煤機(jī)各管風(fēng)粉濃度最大偏差比調(diào)整前也減小了1%～1.5%，因此風(fēng)速調(diào)平對煤粉濃度的偏差有一定的改善作用，尤其對偏差較大的磨煤機(jī)各粉管，改善效果尤為明顯。

表1 各臺磨一次風(fēng)管風(fēng)速調(diào)平結(jié)果

表2 各臺磨煤機(jī)一次風(fēng)粉濃度調(diào)整前后結(jié)果

4.3 煤粉細(xì)度調(diào)整

單位質(zhì)量的煤粉表面積越大，加熱升溫、揮發(fā)分的析出著火及燃燒反應(yīng)速度越快，因而著火越迅速；煤粉細(xì)度越小，燃盡所需要的時間越短，飛灰可燃物含量越小，燃燒越徹底。運(yùn)行中煤粉細(xì)度值偏大將直接導(dǎo)致煤粉進(jìn)入爐內(nèi)后著火延遲，從而出現(xiàn)爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)、火焰中心上移、爐膛出口煙溫高的現(xiàn)象，因此降低各臺磨煤機(jī)特別是爐膛內(nèi)上兩層燃燒器對應(yīng)磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度值，有利于降低爐膛出口煙溫，從而使鍋爐排煙溫度和爐渣可燃物降低。通過調(diào)整磨煤機(jī)分離器檔板開度，使煤粉細(xì)度值控制在要求范圍內(nèi)。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)可知，調(diào)整前煤粉細(xì)度偏大，煤粉著火、燃燒靠后，中、下部水冷壁吸熱量相對較少，燃燒主要集中在爐膛上部以及出口處，因此對磨煤機(jī)分離器檔板開度進(jìn)行了調(diào)整，A磨由75°調(diào)整到63°，B、C磨均由73°調(diào)整到66°，D磨由68°調(diào)整到66°，為消除鍋爐的結(jié)焦、高溫腐蝕，優(yōu)化爐內(nèi)燃燒狀況，將下兩層燃燒器對應(yīng)的磨煤機(jī)煤粉細(xì)度平均值控制在21%以內(nèi)，將上兩層燃燒器對應(yīng)的磨煤機(jī)煤粉細(xì)度平均值控制在19%以內(nèi)。從表5的爐溫測量結(jié)果可以看出調(diào)整前后爐膛溫度變化情況達(dá)到預(yù)期的效果。

表3 各臺磨煤機(jī)煤粉細(xì)度調(diào)整前、后結(jié)果

4.4 合理選擇一次風(fēng)速，確定磨煤機(jī)運(yùn)行的最佳風(fēng)煤比

一次風(fēng)中的煤粉濃度 （煤粉與空氣的質(zhì)量之比）對著火穩(wěn)定性有很大影響。較高的煤粉濃度不僅使單位體積燃燒釋熱強(qiáng)度增大，而且單位容積內(nèi)輻射粒子數(shù)量增加，運(yùn)行中風(fēng)粉氣流的黑度增大，可迅速吸收爐膛輻射熱量，使著火提前。一次風(fēng)速偏高或偏低都會嚴(yán)重影響鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。一次風(fēng)速偏高會導(dǎo)致煤粉著火及燃盡延遲，致使?fàn)t膛出口煙溫升高，鍋爐排煙溫度上升，飛灰可燃物含量上升；運(yùn)行中一次風(fēng)速偏低可能會導(dǎo)致磨煤機(jī)堵煤或一次風(fēng)管堵粉等問題，因此需要確定磨煤機(jī)的最佳風(fēng)煤比。

在進(jìn)行風(fēng)煤比調(diào)整前，首先對各臺磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量的測量裝置的系數(shù)進(jìn)行了修正，保證各臺磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量的DCS顯示值與實(shí)際值相符。然后在不同給煤量下，調(diào)整磨煤機(jī)入口風(fēng)量，保證磨煤機(jī)出口各支管一次風(fēng)速在30m/s左右，從而繪出各臺磨煤機(jī)的風(fēng)煤比曲線圖。調(diào)整中發(fā)現(xiàn)磨煤機(jī)風(fēng)門開度與入口風(fēng)量的線性關(guān)系非常差，所以通過風(fēng)壓變換來控制風(fēng)煤比，數(shù)據(jù)見表4，曲線見圖1～圖4。

表4 磨煤機(jī)風(fēng)煤比數(shù)值

調(diào)整前一次風(fēng)壓相對較高，煤粉在爐膛內(nèi)停留時間變短，使得中下部的燃燒份額減小，水冷壁吸熱也減小，爐膛偏上部的熱負(fù)荷就相應(yīng)加大了。另外，鍋爐燃燒器全部布置在前墻，較高的一次風(fēng)壓使得一次風(fēng)剛性加強(qiáng)，爐內(nèi)動力場為氣流從前墻噴入，在靠近后墻部上升，鍋爐后墻熱負(fù)荷大于前墻，爐內(nèi)熱負(fù)荷分布不均勻。按試驗得出的風(fēng)煤比結(jié)果調(diào)整一次風(fēng)壓，有利于平衡爐膛內(nèi)部熱負(fù)荷分布，均勻燃燒，從而降低爐膛火焰溫度，減小排煙溫度偏差。

5 旋流燃燒器旋流強(qiáng)度的優(yōu)化調(diào)整

旋流燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)葉片開度的大小直接影響煤粉進(jìn)入爐膛后的及時著火和穩(wěn)定燃燒。在最佳的一次風(fēng)速條件下，合理地調(diào)整內(nèi)、外二次風(fēng)旋流葉片開度，從而保證足夠的二次風(fēng)旋流強(qiáng)度。內(nèi)二次風(fēng)量較小，可確保煤粉初期的燃燒反應(yīng)；大部分空氣從外二次風(fēng)道送入，風(fēng)量大、風(fēng)速高，二次風(fēng)對一次風(fēng)氣流的擾動、包裹能力能促進(jìn)碳粒的充分燃燼，因此外二次風(fēng)葉片角度對控制著火點(diǎn)的遠(yuǎn)近起決定性的作用。從表6的試驗結(jié)果看出，改變不同的外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對飛灰可燃物含量的影響較大，開大葉片角度，降低了外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，增強(qiáng)了氣流剛性和擾動能力，延長了燃燒行程，后期補(bǔ)氧效果好，有助于煤粉顆粒的燃盡，提高燃燒效率。

表5 調(diào)整前、后爐膛火焰溫度變化

表6 改變二次風(fēng)旋流強(qiáng)度飛灰及爐渣可燃物的變化

5 結(jié)論

1、對于直吹式制粉系統(tǒng)而言，一次風(fēng)速冷態(tài)調(diào)平對熱態(tài)的燃燒經(jīng)濟(jì)性沒有實(shí)質(zhì)性的幫助。

2、通過對直吹式制粉系統(tǒng)實(shí)測參數(shù)的優(yōu)化，是提高旋流燃燒器燃燒經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)，同時輔以燃燒器參數(shù)的調(diào)整對鍋爐整體燃燒效率的提高起到了較好的效果。

3、熱態(tài)調(diào)平各支管一次風(fēng)速，能有效的減小各支管煤粉濃度的偏差，均勻性得到改善，為煤粉及時著火和建立良好的動力場提供了條件。

4、通過對磨煤機(jī)分離器檔板開度的調(diào)整，煤粉細(xì)度達(dá)到設(shè)計值，細(xì)度隨燃燒器標(biāo)高的增加而相應(yīng)的調(diào)小，優(yōu)化了爐內(nèi)燃燒，提高了燃燒經(jīng)濟(jì)性，減緩了爐膛結(jié)焦和高溫腐蝕的產(chǎn)生。

5、在不同的給煤量下，通過調(diào)整磨煤機(jī)入口風(fēng)量，保持各一次風(fēng)管的風(fēng)速達(dá)到設(shè)計值，均衡了爐膛高度和深度方向的燃燒熱負(fù)荷，降低了爐膛溫度和減溫水用量。

6、通過改變外二次風(fēng)葉片旋流角度，對增強(qiáng)氣流剛性，提高氣流穿透力和燃燒效率有一定的作用。

【1】燃煤鍋爐燃燒調(diào)整試驗方法 水利電力出版社

【2】燃煤鍋爐燃燒試驗技術(shù)與方法 中國電力出版社

【3】電站鍋爐一次風(fēng)管道動態(tài)調(diào)平方法的研究中國電力 99.6