濃側反切角對鍋爐熱態切圓直徑的影響原理研究

王承亮，李其浩

（華電國際技術服務中心，濟南 250014）

濃側反切角對鍋爐熱態切圓直徑的影響原理研究

王承亮，李其浩

（華電國際技術服務中心，濟南 250014）

為解決因水平濃淡燃燒器濃側反切角設計不合理導致的熱態切圓直徑大、鍋爐結焦和燃燒穩定性降低等問題，采用數學理論計算和現場試驗相結合的方式進行研究，基本掌握水平濃淡燃燒器濃側反切角對鍋爐熱態切圓直徑的影響原理和規律，即采用一次風濃側反切技術后，熱態切圓直徑將比理論計算直徑要小，且濃側反切角角度越大、熱態切圓直徑將比理論計算直徑減小更多。本項研究不僅為優化改進鍋爐低氮燃燒系統和燃燒優化調整積累了經驗，而且成功對鍋爐進行了優化改造。

低氮；切圓直徑；反切角；燃燒

0 引言

隨著近兩年以來鍋爐低氮燃燒改造的逐步實施，個別單位因鍋爐水平濃淡燃燒器濃側反切角設計不合理，出現了熱態切圓直徑大、鍋爐結焦和燃燒穩定性降低等問題。鍋爐水平濃淡燃燒器濃側反切技術是降低NOx質量濃度的技術流派之一，但水平濃淡燃燒器濃側反切角度對熱態切圓直徑的影響原理［1］至今還沒有較為詳盡的研究，導致個別鍋爐低氮燃燒改造后出現鍋爐結焦和燃燒穩定性差等問題。本文重點從原理方面分析水平濃淡燃燒器濃側反切角度對熱態切圓直徑的影響規律。

1 鍋爐水平濃淡低氮燃燒器工作原理

水平濃淡低氮燃燒器（結構如圖1所示）中的煤粉經過輸粉管道的百葉窗濃縮器或其他導流裝置，分為濃、淡2股氣流，通過布置在燃燒器噴口的鈍體進入爐膛。根據爐膛內主旋轉氣流的旋轉方向，使濃側、淡側煤粉分別處于爐膛燃燒火球的向火側、背火側，且與濃側、淡側以一定的反切角度噴入爐膛，從而實現燃料分級，使濃側煤粉缺氧燃燒，達到降低NOx質量濃度的效果。另外，淡側煤粉相當于“二次風”，間接起到了“風包粉”的效果，起到防止高溫腐蝕和鍋爐結焦的作用。水平濃淡低氮燃燒器假想切圓直徑和濃淡氣流的冷態動力場模擬情況如圖2所示。

2 燃燒器切圓直徑原理分析

通過冷態動力場試驗發現，四角布置的切圓直流燃燒器，鍋爐冷態動力場切圓直徑一般為爐膛設計假想切圓直徑的5～8倍，原因如下：四角切圓燃燒器每層4只燃燒器從爐膛相同高度4個角以一定角度噴入爐膛，在爐膛內形成逆向旋轉的氣流場，每股射流兩側均同時卷吸高溫煙氣，兩側形成局部負壓區，爐膛中的煙氣則不斷地向負壓區補充。因為爐膛主旋轉動力是逆時針方向，使煤粉氣流向火側補氣條件優于背火側，煤粉氣流火炬將向補氣條件差的背火側傾斜，導致鍋爐四角切圓燃燒器實際運行切圓直徑較假想切圓直徑大。其中爐膛設計假想切圓直徑和鄰角氣流的橫向動量是影響一次風煤粉射流偏斜和使熱態切圓直徑變大的最主要因素。

圖1 水平濃淡低氮燃燒器結構示意圖

圖2 水平濃淡燃燒器爐膛假想切圓示意

2.1 假想切圓直徑

針對鍋爐而言，根據國內外的試驗和運行實踐，假想切圓直徑設計越大，熱態切圓直徑就越大。另外，合適的切圓直徑可使上游鄰角火炬的高溫煙氣容易達到下游鄰角煤粉射流的根部，有利于煤粉氣流的燃燒和穩定性。

2.2 鄰角氣流的橫向動量

四角布置的切圓直流燃燒器，鄰角氣流的橫向動量越大，鍋爐實際熱態切圓直徑也越大。而鄰角橫向動量的大小與爐內氣流的旋轉強度成正比，即與爐膛四角射流的旋轉動量成正比，其中主燃燒器區域二次風射流的動量為主導旋轉動量。主燃燒器區域二次風旋轉動量和旋轉半徑越大，中心旋轉強度越大，橫向動量也越大，導致一次風射流的偏轉角度也越大，鍋爐熱態動力場切圓直徑也越大。一次風射流抵抗偏轉的能力大小與本身的動量有關，一次風射流動量及剛性越大，射流的偏轉角度也就越小。運行實踐和試驗證明，增加一次風動量或減少二次風動量或降低二次風與一次風的動量比，將會降低一次風射流的偏轉角度，鍋爐熱態動力場切圓直徑也就減小。

3 改進案例分析

某鍋爐燃用貧煤，爐膛寬11 970mm，深11 760 mm，水平濃淡燃燒器一次風淡側和二次風形成逆向假想切圓直徑為1580mm，一次風濃側成反切12°進入爐膛，如圖3所示。

圖3 爐膛假想切圓直徑

3.1 鍋爐爐膛熱態動力場旋轉動量及方向估算

因為假想切圓直徑和鄰角氣流的橫向動量是影響一次風煤粉射流偏轉的最主要因素［2］，下面將從旋轉動量、切圓直徑方面分析對熱態切圓直徑的影響原理。因一次風淡側動量pd和二次風動量pef方向相同，而一次風濃側動量pn與二次風動量pef反切12°，根據矢量計算原理，總旋轉動量pz將低于pn+pd+ pef，且總旋轉動量pz方向將稍偏向一次風濃側。按動量初步估算，總旋轉動量方向為40°，熱態切圓直徑將減小，即采用一次風濃側反切技術后，總旋轉動量（橫向動量）降低、熱態切圓直徑減小，兩方面因素綜合影響，表現為鍋爐熱態切圓直徑將有所減小，且一次風濃側動量增大，反切角度增大，二次風動量減小，總旋轉動量（橫向推力）將更小，熱態切圓直徑也更小。一次風濃側動量pn、一次風淡側動量pd、二次風動量pef、總旋轉動量pz計算公式如下。

式中：ρn為一次風濃煤粉密度；An為一次風濃側面積；vn為一次風濃側風速；ρd為一次風淡煤粉密度；Ad為一次風淡側面積；vd為一次風淡側風速；ρef為二次風密度；Aef為二次風噴口面積；vef為二次風風速；α為一次風濃側動量和一次風淡側、二次風動量之和的夾角。

3.2 一次風濃側反切角度改進試驗

該300MW機組鍋爐燃用貧煤，鍋爐低氮燃燒改造后出現嚴重結焦，采用水平濃淡燃燒器，冷態動力場切圓直徑為9.5m，貼壁風速最高為2.0m/s。

為解決鍋爐結焦問題，利用機組檢修機會，將水平濃淡燃燒器一次風濃側反切角由12°降低為5°。鍋爐燃燒器濃側反切角度改造后，組織鍋爐冷態動力場試驗，冷態動力場切圓直徑為10.5m，貼壁風速最高為6.0m/s，切圓直徑增加了約1.0m，最高貼壁風速提高了4.0m/s，鍋爐結焦問題沒有明顯改善。

3.3 熱態切圓直徑變化理論分析

根據總旋轉動量計算式（4），當一次風濃側反切角度α由12°降為5°后，總旋轉動量pz增加，即鄰角橫向動量增加，導致熱態切圓直徑增大，按一次、二次風動量初步估算，總旋轉動量方向為38°（改造前為40°），也導致熱態切圓直徑有所增大。即兩方面的因素均導致熱態切圓直徑增加，表明理論分析與鍋爐實際改造案例基本相符。

3.4 一次風濃側反切角對燃燒調整的影響

經以上分析，因為一次風濃側反切角對鍋爐熱態切圓直徑有直接影響，并且隨著一次風濃側動量和二次風動量大小的變化而動態變化，故針對一次風濃側有反切角度設計的低氮燃燒器進行調整時，要充分優化調整一次風濃側動量和二次風動量，才能確保合適的鍋爐熱態切圓直徑。

根據本課題對水平濃淡燃燒器一次風濃側反切角對鍋爐燃燒影響原理研究［3］，要想解決鍋爐結焦問題，必須實施進一步優化改進：保持一次風濃側反切角度5°不變，將一次風淡側和二次風的切圓直徑減小到1000mm，或在保持一次風淡側和二次風的切圓直徑不變情況下，將一次風濃側反切角度改為8°。

3.5 低氮燃燒系統再次優化改進實施情況及效果

3.5.1 該鍋爐低氮燃燒系統再次優化方案

該鍋爐共6層24只濃淡燃燒器，從下往上依次分別為A1（A1層共A1-1，A1-2，A1-3，A1-44只燃燒器，以下同），A2，B1，B2，C1，C2層燃燒器；該鍋爐燃燒器區域共7層28只輔助風風噴口，從下往上依次分別為AA（AA層二次風共AA1，AA2，AA3，AA44只二次風噴口，以下同），AB1，AB2，BC1，BC2，CC，OFA層輔助風噴口；該鍋爐燃燒器區域共3層12只油輔助風噴口，從下往上依次分別為A（A層油輔助風共A1，A2，A3，A44只油輔助風噴口，以下同），BC層油輔助風噴口，綜合考慮鍋爐低負荷穩燃特性，并最大限度地降低工作量，決定實施以下改進方案：一次風濃側反切角度保持5°不變；除A1層燃燒器淡側切圓直徑保持1580mm不變外（為提高底層穩燃性能），其余一次風淡側切圓直徑改造為1 000mm；除AA層輔助風切圓直徑保持1580mm不變外（以提高底層穩燃性能），其余輔助風切圓直徑改造為1000mm；油層輔助風切圓直徑保持1580mm不變；燃盡風（OFA）切圓直徑改造為1000mm。該鍋爐燃燒器及配風改造方案見表1。

表1 鍋爐燃燒器及配風改造方案 mm

3.5.2 優化改進后冷態動力場情況

為優化鍋爐燃燒器系統，進一步在保證鍋爐燃燒穩定性的基礎上降低鍋爐結焦程度，根據上述鍋爐燃燒器系統優化改進方案進行了施工。鍋爐燃燒器系統改進后，為掌握冷態動力場情況，組織鍋爐冷態動力場試驗，冷態動力場強風環切圓直徑為8.2m，貼壁風速最高0～1.5m/s，強風環切圓直徑較改進前減小了約2.3 m，較初次改造前減小了約1.3m。

3.5.3 優化改進后運行情況

鍋爐燃燒器系統經優化改進后運行3個月，根據運行情況綜合分析，鍋爐燃燒穩定性良好，原本結焦嚴重的燃燒器區域只有零星渣塊，鍋爐結焦問題得到圓滿解決。

4 結束語

本文重點從鍋爐水平濃淡低氮燃燒器工作原理、鍋爐四角切圓燃燒器實際運行切圓直徑較假想切圓直徑大的原理分析、鍋爐水平濃淡燃燒器濃側反切角對熱態切圓直徑影響的原理分析、鍋爐水平濃淡燃燒器濃側反切角對熱態切圓直徑影響的案例分析4個方面分別進行了研究探索，總結了影響水平濃淡燃燒器濃反切角對鍋爐熱態切圓直徑的原理和規律，并且針對研究對象運行中存在的問題制定了改進方案，實施整改后，成功解決了鍋爐燃燒穩定性差和受熱面結焦問題。

［1］趙晴川.同心切圓燃燒系統偏轉二次風的試驗研究與探討［J］.熱力發電，2007，36（3）：41-44，47

［2］劉勇，魏鳳，唐必光.四角切圓鍋爐冷態空氣動力場流動特性的試驗研究［J］.武漢大學學報（工學版），2002，35（6）：52-55.

［3］許慧斌，周向陽，曾漢才.湖北漢川電廠1、2號貧煤鍋爐燃燒器反切改造方案的研究［J］.熱力發電，1995，24（6）：17-21.

（本文責編：劉炳鋒）

TK 222

B

1674-1951（2016）11-0018-03

王承亮（1971—），男，山東淄博人，高級工程師，工程碩士，從事火電廠鍋爐燃燒和節能減排技術研究方面的工作（E-mail：lwwcl＠sohu.com）。

2016-08-26；

2016-10-22

李其浩（1962—），男，山東棗莊人，高級工程師，工程碩士，從事火電廠生產技術研究方面的工作。