降低燃燒成本　提高鍋爐效率

任雪鵬,韓立芳,陳富珍（酒鋼集團(tuán)宏晟電熱公司，甘肅嘉峪關(guān)，735100）

降低燃燒成本提高鍋爐效率

任雪鵬,韓立芳,陳富珍
（酒鋼集團(tuán)宏晟電熱公司，甘肅嘉峪關(guān)，735100）

【摘要】宏晟電熱公司HG-220/9.8-MQ13型鍋爐存在一次風(fēng)噴口磨損和飛灰可燃物含量偏高等問(wèn)題，分析了原因，提出了煤粉燃燒器的改造措施。實(shí)施后解決了一次風(fēng)噴口磨損問(wèn)題，降低了飛灰可燃物含量，提高了鍋爐效率，鍋爐在額定負(fù)荷下?lián)綗?0%的高揮發(fā)分煤種，鍋爐不結(jié)渣，全年可以節(jié)約資金193.24萬(wàn)元。

【關(guān)鍵詞】鍋爐；燃燒器;磨損;飛灰可燃物含量;煤種摻燒

To Reduce Combustion Cost and Improve Boiler Efficiency

Ren Xuepeng, Han Lifang, Chen Fuzhen
(Hongsheng Electrothermal Co., Ltd. of Jiuquan Steel, Jiayuguan, Gansu 735100, China)

【Abstract】The HG-220/9.8-MQ13 boiler of Hongsheng Company had the problem of wear of the primary air nozzle and high content of flammables in fly-ash. Causes of the problem were analyzed and modification measures for the pulverized coal burner were put forward. After implementation of the modification measures the nozzle wear problem was solved, flammables content in fly-ash was lowered and boiler efficiency was improved. As a result, the boiler had no slag bonding with 30% of high volatile coal blending combustion under rated load, saving CNY 1.9324 million annually.

【Keywords】boiler; burner; wear; flammables content in fly-ash; blending combustion of coal

1　前言

酒鋼集團(tuán)宏晟電熱公司4號(hào)鍋爐是哈爾濱鍋爐廠設(shè)計(jì)制造的HG-220/9.8-MQ13型鍋爐，單鍋筒、自然循環(huán)、集中下降管、固態(tài)排渣煤粉爐。鍋爐于1992年12月建設(shè)投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)燃料為新疆哈密煤，為煙煤其揮發(fā)分為Vdaf=28.80%左右。燃燒器的設(shè)計(jì)以及布置形式均按照哈密煤種設(shè)計(jì)安裝，對(duì)非設(shè)計(jì)煤種的適應(yīng)能力不強(qiáng)，尤其是在摻燒劣質(zhì)煤或是強(qiáng)結(jié)焦性煤種時(shí)，對(duì)鍋爐運(yùn)行工況和運(yùn)行參數(shù)影響較大。

隨著設(shè)計(jì)煤種哈密煤及其他優(yōu)質(zhì)煤種的采購(gòu)限制，單一設(shè)計(jì)煤種的采購(gòu)已無(wú)法滿足要求，必需組織進(jìn)行其它非設(shè)計(jì)煤種的摻燒調(diào)整。非設(shè)計(jì)煤種價(jià)格便宜、容易購(gòu)買。摻燒后可為電廠帶來(lái)了一定經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，4號(hào)鍋爐燃燒器，自投產(chǎn)以來(lái)一直未進(jìn)行過(guò)更換，存在變形和破損現(xiàn)象，對(duì)燃燒氣流的影響較大，燃燒效率相對(duì)較低。

為了減輕煤粉燃燒器的磨損，降低飛灰可燃物含量，同時(shí)摻燒部分非設(shè)計(jì)煤種可降低生產(chǎn)成本。2011年6月，某鋼廠自備電廠決定采用雙通道煤粉燃燒器，對(duì)4號(hào)爐燃燒器進(jìn)行改造。

2　設(shè)備概述

2.1鍋爐主要參數(shù)

過(guò)熱蒸汽流量220 t/h；過(guò)熱蒸汽溫度540℃；過(guò)熱蒸汽壓力9.8 MPa；給水溫度215℃；熱風(fēng)溫度337℃；排煙溫度156℃；鍋爐效率89.68%；計(jì)算燃料量21960 kg/h。

2.2燃燒器的設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐爐膛截面尺寸為8050×8050mm，一次風(fēng)煤粉燃燒器采用直噴式燃燒器，正四角切圓燃燒方式，假想切圓直徑為Φ674 mm，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。每組燃燒器沿高度方向共有7個(gè)噴口，自上而下依次為二、一、二次風(fēng)（內(nèi)含高爐煤氣火嘴）二、一、二次風(fēng)（內(nèi)含焦?fàn)t煤氣火嘴）、二次風(fēng)（內(nèi)含高爐煤氣火嘴）布置方式。其中焦?fàn)t煤氣火嘴4支，供點(diǎn)火及穩(wěn)燃使用。

2.3設(shè)計(jì)燃料煤粉

鍋爐設(shè)計(jì)煤種為哈密煙煤摻燒高爐煤氣，其燃料特性見表1~3。

表1　設(shè)計(jì)煤質(zhì)特性

表2　鍋爐燃料為80%煤+20%高爐煤氣時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)

表3　鍋爐燃料為100%煤時(shí)的設(shè)計(jì)參數(shù)

3　HG- 220/9.8- MQ13型鍋爐煤種適應(yīng)差與爐膛區(qū)域結(jié)渣原因分析

3.1煤種適應(yīng)性分析

結(jié)合圖1和圖2所示，HG-220/9.8-MQ13鍋爐原煤粉燃燒器的一次風(fēng)噴口為普通直流噴口煤粉燃燒器，無(wú)任何穩(wěn)定燃燒的措施，其主要著火方式是燃燒器最基本的著火機(jī)理：

1）一次風(fēng)煤粉氣流卷吸高溫?zé)煔?，高溫?zé)煔鈱?duì)煤粉氣流進(jìn)行加熱，煤粉氣流升溫到著火溫度。此項(xiàng)占傳熱能量的60%～70%。

2）上游鄰角火焰的撞擊。

3）爐內(nèi)高溫火焰的輻射加熱（圖2）。

而對(duì)于普通的直流煤粉燃燒器由于沒(méi)有采用穩(wěn)定燃燒的措施（如鈍體、船體、V型波紋鈍體等），與一些穩(wěn)燃功能較強(qiáng)的煤粉燃燒器相比（如雙通道燃燒器、鈍體燃燒器、濃淡燃燒器等），其著火時(shí)間和著火距離長(zhǎng)，著火穩(wěn)定性差。這樣也間接影響焦炭粒子后期燃盡，降低鍋爐的燃煤效率，影響電廠運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

圖1　HG- 220/100- MQ13型鍋爐煤粉燃燒器改造前示意圖

圖2　普通直流噴口煤粉燃燒器穩(wěn)燃原理示意圖

3.2非設(shè)計(jì)煤種煤質(zhì)特性

某鋼廠自備電廠鍋爐摻燒的非設(shè)計(jì)煤種主要為新疆廣匯煤種，其煤質(zhì)特性如表4。

表4　非設(shè)計(jì)煤種煤質(zhì)特性

從上述煤質(zhì)特性可以看出，某鋼廠自備電廠摻燒設(shè)計(jì)制煤種與原設(shè)計(jì)煤種相比，其發(fā)熱量也略低于設(shè)計(jì)煤種，揮發(fā)分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)煤種，其火焰中心將逼近燃燒器出口處，可能燒損燃燒器造成停爐事故；也可能因火焰中心位置偏斜，使正常的水循環(huán)惡化，引起管子均布過(guò)熱、脹粗或爆管。

隨著國(guó)內(nèi)煤炭資源的日益緊俏，鍋爐摻燒資源變化較為頻繁。相對(duì)設(shè)計(jì)煤種較低的低揮發(fā)分煤種，也時(shí)常摻燒。底揮發(fā)分煤種摻燒后會(huì)影響煤種燃盡程度，增加飛灰可燃物含量，增加不完全燃燒熱損失，甚至?xí)?dǎo)致鍋爐滅火。

3.3影響結(jié)渣的有關(guān)因素

影響鍋爐結(jié)構(gòu)的主要因素見圖3。

圖3　影響鍋爐結(jié)渣的因素

根據(jù)圖3可以看出：影響鍋爐結(jié)渣的因素有三個(gè)方面：煤質(zhì)特性，爐膛結(jié)構(gòu)特性，燃燒器的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式。

3.4煤質(zhì)結(jié)渣特性

對(duì)于用煤灰軟化溫度方法ST作判別，根據(jù)煤的分析結(jié)果總結(jié)出用ST判別結(jié)渣性界限如下：

設(shè)計(jì)煤種的ST=1370℃，某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型鍋爐燃煤的結(jié)渣特性為結(jié)渣中等的煤種。

3.5爐膛截面熱負(fù)荷

HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的爐膛容積熱負(fù)荷為：qV=0.1516 MW/m3；根據(jù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)查證燃用易結(jié)渣煤種的鍋爐允許爐膛容積熱負(fù)荷qV為0.093～0.151 MW/m3。顯然，如果HG-220/9.8-MQ13型鍋爐燃用低灰熔點(diǎn)的煤種時(shí)，爐膛容積熱負(fù)荷略微偏大。但從推薦值來(lái)看，爐膛容積熱負(fù)荷不是結(jié)渣的主要因素。

3.6假想切圓直徑

為了防止攜帶煤粉的高溫?zé)煔馄薄①N壁沖刷水冷壁引起結(jié)渣。切圓過(guò)大會(huì)使燃燒器出口兩側(cè)夾角差增大，出口射流的“吸附效應(yīng)”加劇，火焰偏斜的可能性較大。對(duì)于結(jié)渣性較強(qiáng)的煤種宜選用推薦值下限。

按表5推薦方法對(duì)某鋼廠自備電廠4號(hào)鍋爐HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的假想切圓直徑進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際上HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的假想切圓直徑為Φ674 mm。其djx/ddl＝0.076。HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的假想切圓直徑不是結(jié)渣的原因。

表5　切向燃燒假想切圓直徑推薦值

3.7一次風(fēng)風(fēng)速分析

一次風(fēng)速的大小取決于煤質(zhì)的揮發(fā)分含量和揮發(fā)分的發(fā)熱值，當(dāng)煤質(zhì)一定時(shí)，一次風(fēng)速是影響煤粉氣流著火和著火穩(wěn)定性的主要因素，一次風(fēng)速越大，煤粉加熱到著火所需的熱量越多，即著火熱越多，著火速度越慢，會(huì)引起燃燒不穩(wěn)定。

燃燒過(guò)程包括著火時(shí)間和燃盡時(shí)間，燃燒時(shí)間約為2～3 s，通常在煤粉燃燒器的一次風(fēng)速是根據(jù)燃煤揮發(fā)分的高低，一般推薦25～35 m/s，設(shè)計(jì)上一次風(fēng)的著火距離一般0.3～0.5 m，設(shè)計(jì)著火時(shí)間為0.01～0.02 s左右。

某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型4號(hào)鍋爐一次風(fēng)風(fēng)速經(jīng)實(shí)際測(cè)量為28～30 m/s，這樣，一次風(fēng)煤粉氣流與周圍的高溫?zé)煔鈧鳠醾髻|(zhì)效果差，在規(guī)定的著火距離內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤粉氣流著火，使得煤粉氣流著火推遲，火焰長(zhǎng)，水冷壁在著火的距離內(nèi)吸熱量大，降低高溫?zé)煔鉁囟?，影響煤粉粒子的燃盡。因此，調(diào)整、降低一次風(fēng)風(fēng)速可減少管道磨損并有利于著火和穩(wěn)燃。

3.8燃燒器分析

某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型4號(hào)鍋爐煤粉燃燒器為均衡布置的普通直流噴口煤粉燃燒器。噴口固定無(wú)法調(diào)整，噴口角度是根據(jù)設(shè)計(jì)煤種煤質(zhì)設(shè)定的，因此不能根據(jù)煤種變化調(diào)整燃燒。因此，噴燃器對(duì)煤種適應(yīng)性差，無(wú)任何穩(wěn)定燃燒的措施，其主要著火方式是燃燒器最基本的著火機(jī)。因此，在煤種發(fā)生變化時(shí)容易造成噴燃器、水冷壁甚至是過(guò)熱器結(jié)焦。

同時(shí)，由于直流可調(diào)式燃燒器改造相對(duì)于固定式燃燒器所需空間較大，現(xiàn)場(chǎng)不具備改造條件且改造費(fèi)用較高。為了提高鍋爐的燃燒燃性能，某鋼廠自備電廠4號(hào)鍋爐進(jìn)行過(guò)燃燒器改造，用“撞擊塊式水平濃淡”燃燒器代替原燃燒器。該燃燒器改造后，對(duì)穩(wěn)燃起到一定作。運(yùn)行實(shí)踐表明：當(dāng)HG-220/9.8-MQ13鍋爐燃用揮發(fā)分較高的煤種，如Vad≥30%，或負(fù)荷較高時(shí)，鍋爐燃燒穩(wěn)定。但是，當(dāng)鍋爐燃用揮發(fā)分較低的煤種，如Vad≤30%，或灰分較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)著火特性較差，燃燒不穩(wěn)定、飛灰可燃物含量偏高等問(wèn)題。影響了鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。解決這一問(wèn)題的方法是：進(jìn)行煤粉燃燒器改造，選用對(duì)煤種適應(yīng)性較好的寬煤種、防結(jié)渣燃燒器代替原燃燒器，使之能夠?qū)崿F(xiàn)寬煤種、防結(jié)渣燃燒，適應(yīng)煤種的變化。

4　雙通道煤粉燃燒器穩(wěn)燃原理

雙通道煤粉燃燒器是一種熱回流穩(wěn)燃燃燒器，其結(jié)構(gòu)是在同一燃燒器噴口的上、下側(cè)各開一個(gè)一次風(fēng)噴口，在上、下一次風(fēng)噴口之間形成一個(gè)回流空間，通過(guò)上下一次風(fēng)射流的動(dòng)量，在燃燒筒內(nèi)的受限空間中產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)回流區(qū)。通過(guò)設(shè)計(jì)合理的H/L比值（燃燒器高長(zhǎng)比），可使回流區(qū)呈開放形，反之會(huì)封閉。由于回流區(qū)是開放形，且兩股一次風(fēng)射流的動(dòng)量大，因此，高溫?zé)煔獾幕亓髁看?。使?fàn)t內(nèi)的高溫?zé)煔獗痪砦饺紵矁?nèi)來(lái)加熱上下一次風(fēng)風(fēng)粉混合物，這對(duì)一次風(fēng)煤粉氣流的著火十分有利，由于上下一次風(fēng)煤粉氣流被提前加熱、部分著火，因此，雙通道煤粉燃燒器具有非常高的強(qiáng)化燃燒特性。

圖4　雙通道煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

5　改造措施

5.1煤粉燃燒器改造措施

通過(guò)上述所列的煤種適應(yīng)差和過(guò)熱器區(qū)域結(jié)渣的分析得出：現(xiàn)煤粉燃燒器為直噴式煤粉燃燒器，在穩(wěn)燃的基礎(chǔ)上其應(yīng)對(duì)煤種變化的措施少，是目前鍋爐煤種適應(yīng)性差的主要原因。

具體改造措施如下（見圖5）：

1）下一次風(fēng)燃燒器改為雙通道煤粉燃燒器；

2）上層一次風(fēng)改為水平濃淡煤粉燃燒器；

3）調(diào)整下組煤粉燃燒器的間距（可能會(huì)對(duì)兩組燃燒器間的水冷壁進(jìn)行改動(dòng)）；

4）改造下組燃燒器的上二次風(fēng)噴口。

圖5　HG- 220/9.8- MQ13型鍋爐改造后煤粉燃燒器示意圖

圖6　濃淡和熱回流雙向穩(wěn)燃煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

5.2濃淡和熱回流雙向穩(wěn)燃煤粉燃燒器穩(wěn)燃特性

同時(shí)，由于煤粉燃燒器上部，爐膛煙氣溫度最高，所以在上一次風(fēng)噴口布置設(shè)計(jì)濃淡和熱回流雙向穩(wěn)燃煤粉燃燒器，其結(jié)構(gòu)見圖6。

當(dāng)濃度約為0.4～0.5 kg/kgair為一次風(fēng)煤粉氣流通過(guò)方圓節(jié)進(jìn)入濃淡煤粉分離器時(shí)，在濃淡煤粉分離器的作用下，一次風(fēng)煤粉氣流分成濃淡兩股煤粉氣流，其中一股為高濃度煤粉氣流，濃煤粉氣流的煤粉濃度可以達(dá)到0.6～0.8 kg/kgair，這股氣流位于向火側(cè)，形成內(nèi)切圓；煤粉濃度提高后，其著火溫度降低，同時(shí)，煤粉所需的著火熱減少；火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蔡岣吡恕Ｒ淮物L(fēng)的著火、燃燒穩(wěn)定性增強(qiáng)。另一股的煤粉濃度很低，淡煤粉氣流的煤粉濃度可以達(dá)到0.3～0.1 kg/kgair，以空氣為主，位于背火側(cè)，形成外切圓。

5.3雙通道煤粉燃燒器的一次風(fēng)煤粉氣流的著火距離可調(diào)特性

為了避免熱煙氣回流使燃燒器兩側(cè)壁面過(guò)熱和結(jié)渣，在燃燒器出口兩側(cè)壁面易結(jié)渣部位設(shè)置了狹長(zhǎng)形的防結(jié)渣風(fēng)口，稱為腰部二次風(fēng)。腰部二次風(fēng)風(fēng)量可調(diào)節(jié)，來(lái)自于各角的二次風(fēng)總風(fēng)箱。圖6為雙通道煤粉燃燒器在220 t/h燃用貧煤鍋爐的試驗(yàn)結(jié)果。

（1）腰部風(fēng)全關(guān)，雙通道煤粉燃燒器內(nèi)部的溫度大幅度增加，一次風(fēng)煤粉氣流在燃燒筒內(nèi)受到高溫回流煙氣加熱，在燃燒筒出處形成穩(wěn)定火焰，曲線1。

（2）腰部風(fēng)開50 %，雙通道煤粉燃燒器內(nèi)部的溫度有所增加，一次風(fēng)煤粉氣流在燃燒器噴口處開始受到加熱，著火點(diǎn)在燃燒筒外400 mm處形成，曲線2。

（3）腰部風(fēng)全開，此時(shí)，雙通道燃燒器內(nèi)部的溫度就是一次風(fēng)混合物的溫度（210℃），溫度梯度很小，著火點(diǎn)在燃燒筒外930 mm處形成，曲線3。

圖7　腰部二次風(fēng)的著火點(diǎn)位置調(diào)節(jié)作用

試驗(yàn)結(jié)果表明：雙通道煤粉燃燒器上、下一次風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)確定后，其著火點(diǎn)的位置與腰部風(fēng)量的大小有直接重要的關(guān)系。通過(guò)調(diào)節(jié)腰部風(fēng)量可使一次風(fēng)著火點(diǎn)在0～930 mm的范圍內(nèi)變化。

5.4雙通道煤粉燃燒器內(nèi)煙氣回流溫度控制

在雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)的裝一只鎧裝熱電偶，用于測(cè)量雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)的溫度，當(dāng)雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)的溫度超過(guò)500℃時(shí)，可適當(dāng)開大腰部二次風(fēng)風(fēng)門的開度。冷卻雙通道煤粉燃燒器燃燒室。設(shè)一個(gè)超溫報(bào)警溫度，當(dāng)雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)較高時(shí)，自動(dòng)報(bào)警，運(yùn)行人員就可以根據(jù)報(bào)警提示，開大腰部風(fēng)風(fēng)門，對(duì)雙通道煤粉燃燒器燃燒室進(jìn)行冷卻。這樣可以避免燃燒器噴口燒壞，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)司爐及時(shí)調(diào)整配風(fēng)，提高鍋爐燃燒效率。

5.5雙通道煤粉燃燒器材料特性

雙通道煤粉燃燒器的耐熱鋼部分采用ZG45Cr26Ni4NRE，其耐熱溫度可達(dá)1250℃。

耐磨鋼部分采用ZG45Cr4MnMoNiVRE，其HRC≥40～45。

6　鍋爐改造后可以達(dá)到的效果

某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型鍋爐采用雙通道煤粉燃燒器改造后，應(yīng)滿足以下要求：

6.1燃用煤質(zhì)范圍：Vdaf=27.0%～43.0%, Aar=15.0%～43.0 %Qnet.ar=16100～24000 kJ/kg。

6.2鍋爐滿足機(jī)組在額定負(fù)荷60% ECR下穩(wěn)定燃燒運(yùn)行。

6.3降低NOx排放10～15%。

6.4鍋爐在高負(fù)荷下不會(huì)因?yàn)榻Y(jié)渣而影響鍋爐運(yùn)行。

6.5雙通道煤粉燃燒器噴口材料為耐熱鑄鋼，具有耐高溫性能，在1200～1250℃溫度條件下不會(huì)嚴(yán)重變形，能連續(xù)運(yùn)行一個(gè)大修期。

6.6雙通道煤粉燃燒器的褲衩方圓節(jié)材料為耐磨鑄鋼，其HRC≥45左右，可明顯減少磨損，延長(zhǎng)使用壽命?？蓮氐捉鉀Q煤粉燃燒器的磨損問(wèn)題。

7　經(jīng)濟(jì)效益

煤種適應(yīng)性強(qiáng)，改善動(dòng)力煤結(jié)構(gòu)，拓寬動(dòng)力煤采購(gòu)渠道，提高低質(zhì)能源的消耗量，節(jié)約能源采購(gòu)成本。HG-220/9.8-MQ13型鍋爐經(jīng)過(guò)WRKT－Ⅲ型雙通道煤粉燃燒器改造后，鍋爐在100%B-MCR工況下，飛灰可燃物含量降低到4.06%，固體未完全燃燒熱損失降低到2.080%，鍋爐效率為90.073%，煤粉粒子燃盡率為97.92%。

HG-220/9.8-MQ13型鍋爐經(jīng)過(guò)WRKT－Ⅲ型雙通道煤粉燃燒器改造后，鍋爐摻燒20%的霍林河褐煤可以滿負(fù)荷運(yùn)行，每年可節(jié)約資金193.24萬(wàn)元。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]何佩敖,趙仲琥,秦裕琨.煤粉燃燒器設(shè)計(jì)與運(yùn)行[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

作者簡(jiǎn)介：任雪鵬（1977-），男，大學(xué)本科學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事鍋爐檢修和日常維護(hù)及管理工作。

收稿日期：2015- 01- 20

【中圖分類號(hào)】TK229

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1006-6764（2015）04-0030-06