融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器冷態(tài)?；瘻y試

董信光，張立孟，劉豪杰，車　剛

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南　250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南　250003）

融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器冷態(tài)?；瘻y試

董信光1，張立孟1，劉豪杰1，車剛2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，濟南250003）

某電廠2號貧煤鍋爐為了適應低排放和摻燒煙煤的要求，在技術(shù)改造中采用了新型的融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器，對新型燃燒器進行全面冷態(tài)特性測試和爐內(nèi)等溫?；囼?。結(jié)果表明：該燃燒器的二次風（包括SOFA）擋板線性度能較好滿足燃燒調(diào)整的需要，濃、淡側(cè)的噴口風速偏差較大，煙氣回流區(qū)域的大小與回流控制門的開度基本呈負相關(guān)的線性關(guān)系，爐內(nèi)空氣動力狀況良好，通過測試較好地掌握了新型燃燒器的冷態(tài)特性，為鍋爐熱態(tài)燃燒調(diào)整和安全經(jīng)濟運行提供技術(shù)指導。

煙氣回流可控；低氮燃燒器；冷態(tài)特性測試；等溫?；瘻y試

0　引言

國家越來越嚴格的火電廠大氣污染物排放標準對于煤質(zhì)不穩(wěn)的鍋爐來說是個挑戰(zhàn)，這些鍋爐為了達標排放也必須采用低氮燃燒方式。而采用普通的低氮燃燒方式給貧煤鍋爐帶來一系列負面作用，尤其明顯的是飛灰含碳量大幅度升高、低負荷穩(wěn)燃特性差，采用煙氣回流可控燃燒器，既能滿足低氮燃燒又能解決上述的負面問題。但是這種低氮燃燒器的燃燒效果與爐內(nèi)空氣動力狀況直接相關(guān)，由于在煤粉燃燒的熱態(tài)情況下，爐內(nèi)是最高可達到1 500℃多灰的高溫環(huán)境，而且煤粉燃燒是多變量、多因素復雜耦合的物理化學過程，無法在熱態(tài)情況下對爐內(nèi)燃燒動力狀況進行測試，而基于相似理論的爐內(nèi)冷態(tài)動力狀況的測試可以準確了解爐內(nèi)的空氣動力狀況，為燃燒器的熱態(tài)運行提供指導和建議。

1　設(shè)備簡介

1.1鍋爐及低氮燃燒器簡介

鍋爐為上海鍋爐廠制造，超高壓、中間一次再熱、單汽包自然循環(huán)、固態(tài)排渣、中間儲倉式煤粉爐，型號為SG-435/13.7-M760。鍋爐為Π型露天布置，爐膛截面為8 840 mm×9 600 mm，燃燒器采用直流、四角切向燃燒布置。設(shè)計燃用貧煤。

為了降低氮氧化物的排放和適應煤炭市場而摻燒煙煤的要求，進行了低氮燃燒器的改造，改造設(shè)計煤種和校核煤種見表1。

表1　改造設(shè)計燃煤特性

改造中將燃燒器改造為翼型導流濃淡直流式煤粉燃燒器，采用四角切向布置，爐膛中心的假想大切圓D800 mm，小切圓D200 mm，燃燒器中心線與側(cè)墻水冷壁的夾角為41.75°和46.15°。每角燃燒器分為上、下二組。上組為兩層燃盡風噴口，下組噴口的布置型式為3-2-1-2-1-2-1-2（油）。總共3層一次風噴口，其中A層為煙氣回流可控燃燒器，AA層布置油點火燃燒器。燃燒器改造后，上組的燃盡風噴口及下組的所有燃燒器噴口（除三次風噴口、下一次噴口和最下層二次風噴口外）均可上下擺動，上組燃盡風噴口可上下擺動15°，下組的所有燃燒器噴口（不包括微油點火燃燒器噴口）均可上下擺動20°，燃燒器具體結(jié)構(gòu)布置見圖1，燃燒區(qū)域在垂直方向上分為三個區(qū)域，主燃區(qū)，還原區(qū)和燃盡區(qū)。改造后燃燒器的設(shè)計參數(shù)見表2。

圖1　燃燒器改造結(jié)構(gòu)

表2　改造燃燒器設(shè)計參數(shù)

1.2煙氣回流可控燃燒器簡介

對于采用切圓直流燃燒方式的煤粉鍋爐來說，煤粉著火所需熱量的80%來自回流高溫煙氣的對流換熱，其余20%來自輻射換熱，在一定程度上控制了高溫煙氣回流量就等于控制了煤粉的著火、穩(wěn)燃狀態(tài)，煙氣回流可控技術(shù)是基于以上原理采用控制和改變高溫煙氣回流量來調(diào)節(jié)煤粉的著火點，對于高揮發(fā)份、易著火的煤種通過減少熱煙氣回流量，使著火點推遲，防止燃燒器燒損或燃燒器結(jié)焦；對于低揮發(fā)份、難著火的煤種通過增加熱煙氣回流量，將著火點提前，使燃燒穩(wěn)定，以上調(diào)節(jié)均通過自動控制實現(xiàn)。該燃燒器的基本結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2　煙氣可控回流燃燒器結(jié)構(gòu)

2　冷態(tài)?；瘲l件

為使爐內(nèi)等溫冷態(tài)?；囼灨鼮闇蚀_地描述鍋爐在熱態(tài)情況下的復雜物理化學過程，根據(jù)相似原理，進行爐內(nèi)冷態(tài)等溫模化試驗時應遵守［1-3］：1）模型與實物幾何相似；2）冷態(tài)爐內(nèi)氣流運動狀態(tài)進入自?；瘏^(qū)，要求冷態(tài)氣流的雷諾數(shù)與熱態(tài)雷諾數(shù)相等或超過臨界雷諾數(shù)，由于在冷態(tài)試驗條件下臨界雷諾數(shù)較小，試驗風量很容易就超過臨界風量，比較容易滿足該條件；3）邊界條件相似，由于進入爐內(nèi)氣流包括一次風、二次風、三次風和SOFA多股氣流（爐低漏風忽略不計），在進行冷態(tài)試驗時，為了滿足邊界條件相似，必須保證冷、熱態(tài)下各股氣流的動量比相等。

由于進行冷態(tài)試驗時，在原鍋爐上進行測試，幾何相似完全滿足，則

式中：A1M，A2M，A3M，AsofaM為冷模燃燒器一次風，二次風，三次風，SOFA噴口面積；A1O，A2O，A3O，AsofaO為鍋爐燃燒器一次風，二次風，三次風，SOFA噴口面積。

然后保證煤粉燃燒器出口氣流的雷諾數(shù)達到自模區(qū)，即

式中：V為爐內(nèi)氣流速度，m/s；d為當量直徑，m；v為空氣運動黏度，m2/s。

當Re大于105時，歐拉數(shù)接近于常數(shù)，則實物和模型的歐拉數(shù)相等，即

式中：ΔP2M為冷模燃燒器二次風阻力，Pa；ΔP2O為熱態(tài)燃燒器二次風阻力，Pa；ρ2M為冷態(tài)空氣密度，kg/m3；ρ2O為熱態(tài)空氣密度，kg/m3；

鍋爐燃燒器各股氣流較為復雜共包括四股氣流分別是一次風、二次風、三次風和SOFA，因此在進行冷態(tài)時，要實現(xiàn)邊界條件相似，要滿足如下關(guān)系式

式中：m1M，m2M，m3M，msofaM為冷模一次風，二次風，三次風和SOFA風質(zhì)量流量，kg/s；w1M，w2M，w3M，wsofaM為冷模一次風，二次風，三次風和SOFA風風速，m/s；m1O，m2O，m3O，msofaO為熱態(tài)一次風，二次風，三次風和SOFA質(zhì)量流量，kg/s；w1O，w2O，w3O，wsofaO為熱態(tài)一次風，二次風，三次風和SOFA風速，m/s。

根據(jù)式（5），可以計算出冷態(tài)?；瘻y試時的一次風速、二次風速，三次風速和 SOFA風速分別為17.5 m/s，28.6 m/s，37.0 m/s和27.6 m/s。

3　測試與分析

3.1一次風速和三次風速的平衡

對于四角切圓燃燒的鍋爐來說，同一層的磨煤機出口至燃燒器，排粉機出口至燃燒器的阻力是各不相同的，主要是因為管道長度、彎頭個數(shù)的不同造成，各風管的阻力不同會造成熱態(tài)運行時發(fā)生燃燒切圓偏斜導致爐內(nèi)燃燒狀況惡化，影響鍋爐的經(jīng)濟、安全運行。而爐內(nèi)空氣動力狀況的冷態(tài)?；囼灥哪康氖悄M熱態(tài)運行狀況，因此必須要求各層一次風管和三次風管的阻力一致，各層一次風和三次風噴口風速一致的條件進行。經(jīng)過三個工況的測試發(fā)現(xiàn)，距離磨煤機較遠的2號角和3號角的風速較低，1號角和4號角風速較高，根據(jù)風速偏差，對各風管上的縮孔進行調(diào)整，最后將各層一次風和三次風的風速相對誤差控制在5%以內(nèi)，為鍋爐冷態(tài)?；瘻y試做好準備。

3.2二次風擋板特性試驗

在鍋爐正常運行中，燃燒器噴口的二次風速和風量是通過調(diào)節(jié)各二次風擋板來實現(xiàn)，理論上講，噴口二次風速與二次風擋板的開度呈一致性的線性關(guān)系，但由于二次風擋板的安裝和加工工藝的偏差會造成各二次風擋板的特性不一致，因此新燃燒器在投運之前對二次風擋板特性的測試對以后進行熱態(tài)燃燒器的調(diào)整優(yōu)化十分必要。

試驗過程中，爐膛負壓維持在-30～-50 Pa，二次風風壓維持在700 Pa，進行二次風擋板特性試驗。1號、3號角二次風風門開度按0%、25%、50%、75%、100%五個開度變化，對應2號、4號角二次風風門開度按100%、75%、50%、25%、0%五個開度變化。利用電子風速儀測量二次風噴口風速，根據(jù)對應關(guān)系繪制出二次風擋板特性曲線。經(jīng)過對所有二次風擋板特性測試發(fā)現(xiàn)，二次風擋板開度與噴口風速基本呈線性關(guān)系，圖3為比較典型的擋板特性曲線。

測試結(jié)果表明：所有二次風擋板（包括SOFA和主燃燒器二次風）開度與噴口風速基本呈線性關(guān)系，能夠滿足熱態(tài)燃燒調(diào)整的需要，可以進行熱態(tài)的四角配風，但各個擋板的特性存在差異。

圖3　SOFA1層各擋板特性曲線

3.3煤粉燃燒器噴口風速的測量與分析

A層煤粉燃燒器由于采用煙氣回流可控技術(shù)，在現(xiàn)場進行噴口風速測量時重點關(guān)注其回流區(qū)域的大小，為了測量出其發(fā)生回流點的距離，在測試中采用了飄帶的方法，在噴口上固定一條2.5 m長的飄帶，觀察并測量回流發(fā)生點距離噴口的距離，然后改變回流調(diào)節(jié)門的開度，觀察調(diào)節(jié)門的開度與回流點的變化關(guān)系，測量結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出，回流發(fā)生點與二次風單板開度基本呈線性關(guān)系，在回流調(diào)節(jié)門全關(guān)時，回流點距離噴口最近只有0.1 m左右，在回流調(diào)節(jié)門全開時，回流點距離噴口大約1.5 m左右。

表3　B/C層噴口風速測量匯總表

對B層和C層燃燒器的濃淡側(cè)風速進行測量，測量結(jié)果見表3。

從表3可以看出，B層和C層燃燒器的濃側(cè)和淡側(cè)風速偏差較大，最大偏差為B層4號角，其濃側(cè)風速為17.4 m/s，淡側(cè)風速僅為12.2 m/s，濃淡側(cè)風速比達到1.43，濃淡側(cè)風速偏差最小的為C層3號角，濃淡側(cè)風速比達到1.27。

3.4爐內(nèi)空氣動力場測試

為比較準確掌握爐內(nèi)實際切圓直徑的大小，判斷氣流的是否貼壁、爐內(nèi)充滿度是否合適，切圓是否偏心等，進行了爐內(nèi)空氣動力場的測試，測試方法為在B層一次風位置用鐵絲拉一個“十”字形架，從中心每300 mm系一個200 mm的飄帶，保證一次風和二次風速達到計算出的冷態(tài)模化風速，用風速儀測量各點風速并通過飄帶的漂浮方向觀察氣流旋轉(zhuǎn)方向；貼壁風速的采用風速儀在水冷壁表面每300 mm測量一個貼壁風速。

在B層一次風燃燒切圓的風速實測數(shù)據(jù)中，鍋爐中心至前墻的最大風速為7.7 m/s，鍋爐中心至后墻的最大風速為6.5 m/s，鍋爐中心至左側(cè)墻的最大風速為5.5 m/s，鍋爐中心至右側(cè)墻的最大風速為6.2 m/s，B層一次風爐內(nèi)切圓直徑約為6.3 m左右，為假想切圓直徑的8倍左右，充滿度較好，切圓中心基本居中，氣流旋轉(zhuǎn)方向為逆時針旋轉(zhuǎn)。

在B層貼壁風速的實測數(shù)據(jù)中：前墻最大貼壁風速為2.5 m/s，后墻最大貼壁風速為3.4 m/s，左側(cè)墻最大貼壁風速為2.8 m/s，右側(cè)墻最大貼壁風速為2.1 m/s，圖5為后墻貼壁風速分布圖，其他三面爐墻的貼壁風速分布規(guī)律與后墻的規(guī)律一致，通過數(shù)據(jù)分析，后墻的貼壁風速在整體上高于其他三面墻，而且各面爐墻貼壁風速的一個顯著特點是靠近角的位置貼壁風速明顯高于其他點貼壁風速，四面墻的最大貼壁風速均出現(xiàn)在靠近角位置，分析認為這與濃淡一次風噴口的周界風采用卷邊設(shè)計有關(guān)，導致周界風吹向水冷壁。

3.5A層空氣氣流狀況

在測試中發(fā)現(xiàn)A層強風環(huán)的直徑隨著回流控制門開度的變化而發(fā)生改變，具體變化規(guī)律為隨著回流控制的開度增大，回流區(qū)域減少，A層切圓直徑是逐漸減少的。這與定性分析基本一致。

圖5　后墻貼壁風速分布

3.6爐內(nèi)各層切圓直徑的變化

沿爐膛高度，爐內(nèi)各層切圓直徑變化是有規(guī)律的，見表4。

表4　燃燒器各層切圓直徑　m

從表4可以看出，除偏置二次風AB和BC兩層噴口由于偏置角度較大，致使燃燒切圓直徑要偏大外，其他各層燃燒器的切圓直徑變化趨勢接近雙曲線型，即最底層二次風AA層最大，在三次風噴口D層切圓直徑最小，再往上切圓直徑又變大。

4　結(jié)語

通過融合煙氣回流可控的低氮燃燒器的全面冷態(tài)動力特性測試，得出如下結(jié)論：二次風擋板（包括SOFA擋板）開度與噴口風速的關(guān)系基本呈線性關(guān)系，能夠滿足燃燒調(diào)整的需要，運行人員可以在熱態(tài)下進行四角的配風；濃淡分離燃燒器的濃側(cè)噴口風速與淡側(cè)噴口風速的偏差較大，多數(shù)噴口的濃側(cè)風速與淡側(cè)風速比在1.20以上；煙氣回流可控燃燒器的煙氣回流區(qū)域的大小與回流控制門的開度基本呈負相關(guān)的線性關(guān)系，回流控制門的開度越大，回流區(qū)域越小；爐內(nèi)切圓居中，直徑大小合適；各面墻的貼壁風速呈現(xiàn)兩頭高中間低的分布趨勢；爐內(nèi)各層燃燒器的切圓直徑的變化趨勢接近雙曲線型；融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器具有較好的燃燒動力工況，可適用于燃用貧煤或煤種多變的鍋爐。

［1］路均鋒，魏來，高玉秋.660 MW超超臨界四角切圓鍋爐冷態(tài)空氣動力場試驗研究［J］.東北電力技術(shù)，2010（1）：33-36.

［2］張桂華，鄭文廣，劉博，等.300 MW亞臨界四角切圓鍋爐冷態(tài)空氣動力場試驗研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2013，29（6）：40-42.

［3］岑可法.鍋爐燃燒試驗方法及測量技術(shù)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［4］鄧文儉，申旭，王傳帥，等.1 000 MW超超臨界鍋爐空氣動力場及爐膛溫度試驗研究［J］.山東電力技術(shù)，2011，38（3）：61-65.

［5］譚厚章，余戰(zhàn)英，徐通模，等.四角切圓布置燃燒器爐內(nèi)實際切圓大小的試驗研究［J］，熱能動力工程，2004，19（2）：157-160.

Cold Modeling Tests on Low NOxBurner Fused Controlled Vortex of Flue Gas

DONG Xinguang1，ZHANG Limeng1，LIU Haojie1，CHE Gang2
（1.Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003；
2.Shandong ZhongShiYiTong Co.，Ltd.，Jinan 250003）

A new-type low-NOxbuner fused flue gas vortex controlled is used in technical reformation on the NO.2 boiler in certain power plant for low-NOxexhausting and mixed-burning bituminous coal.A full-scale cold isothermal modeling test has been performed.The results show that：the degree of linearity of secondary air（including SOFA） dampers opening and secondary air velocity is high enough to organizing combustion in boiler；there is a big difference between rich and lean fuel flow velocity；the flue gas vortex area and the vortex controlled damper opening is negative linear relation；the aerodynamic condition is reasonable etc.Cold characteristics of the new-type burner have been obtained.Hopefully this will provide technical guide for combustion adjustment and for safe and economic operating.

controlled vortex of hot flue gas；low NOxcombustion；cold characteristics test；cold isothermal modeling test

TK227.1

A

1007-9904（2016）01-0015-05

2015-09-20

董信光（1974），男，高級工程師，主要從事電站鍋爐的燃燒調(diào)整、鍋爐節(jié)能技術(shù)的開發(fā)和應用等工作。