對沖鍋爐旋流燃燒器煤粉著火特性試驗研究

郭秋實，陳安合，王路路，張 達，任福虎，王 歡

(1.內蒙古大唐國際托克托發電有限責任公司，呼和浩特 010200；2.中國大唐集團科學技術研究總院有限公司 華北電力試驗研究院，北京 100040)

統計數據顯示，2019年我國能源消費總量為48.6億t標準煤，其中煤炭消費量高達57.7%[1]。目前，鍋爐燃燒仍然是煤炭的主要利用方式。因此，深入探究煤粉在不同工況下的著火及燃燒特性，尤其是著火延遲和燃燒穩定性，對于煤的高效燃燒和鍋爐穩定運行都具有重要意義[2]。然而，煤粉的著火是一個包含氣-固兩相流動、傳熱傳質及燃燒反應的復雜過程[3]。

著火距離是煤粉燃燒過程中一個重要的物理量。控制合適的煤粉氣流著火距離對于對沖鍋爐的運行非常重要，一般期望煤粉氣流在距離噴口0.3～1.5 m處能夠穩定著火。著火距離太近，可能會燒壞噴嘴或者導致噴嘴處出現結渣；在距離噴口較遠處著火則會推遲燃燒過程，使煤粉來不及燃盡就離開爐膛，增大機械不完全燃燒熱損失[4]。此外，著火推遲還可能引起火焰中心上移，易造成爐膛出口區域煙氣超溫，以及位于該區域的高溫過熱器和再熱器管超溫，影響主蒸汽及再熱蒸汽的溫度調整，長此以往會造成爆管等突發事故[5]。因此，開展煤粉著火距離的相關研究對于煤粉的穩定和有效燃燒具有重要意義。影響煤粉著火的因素很多，筆者在現場試驗的基礎上，研究了不同參數對煤粉氣流著火特性的影響，并對著火機理進行探討，對于對沖鍋爐燃燒器的優化設計和運行管理具有重要參考價值。

1 研究對象和研究方法

1.1 研究對象

某電廠為600 MW亞臨界機組，自然循環、前后墻對沖燃燒。爐膛斷面尺寸為20.7 m×16.744 m。爐膛燃燒方式為正壓直吹前后墻對沖燃燒，共配有30只低NOx軸向旋流式煤粉燃燒器(LNASB)，分3層分別布置在鍋爐前后墻水冷壁上，每層各有5只燃燒器，其布置見圖1。前墻從下到上依次是C、D、E層，后墻從下到上依次為A、B、F層。燃燒器一次風噴口中心線層間距離為4 400 mm，同層燃燒器間的水平距離為3 680 mm，上一次風噴口中心線距離屏底 19 947 mm，下一次風噴口中心線距離冷灰斗拐點3 250 mm，最外側燃燒器與側墻距離為2 990 mm。

圖1 燃燒器布置示意圖

經過低氮改造后，下層(A、C層)為等離子燃燒器，中、上層為中心給粉LNASB，燃燒器著火距離測量示意圖見圖2。

圖2 燃燒器著火距離測量示意圖

采用內濃外淡的濃縮燃燒方式，二次風分為內外兩層，內二次風為軸向不可調旋流風，外二次風為徑向可調旋流風。制粉系統配置6臺HP1103型磨煤機，鍋爐燃用設計煤種滿負荷時，5臺運行1臺備用，燃料消耗質量流量為291.2 t/h。

1.2 研究方法

為研究單只燃燒器煤粉射流的著火情況，選取D層和E層燃燒器為研究對象，進行了不同工況下的煤粉射流溫度分布試驗。K形熱電偶從觀火孔處伸入爐膛內，測量在不同深度位置處的溫度，以燃燒器最前沿即內二次風噴口前沿處為著火距離起始點。為避免熱電偶伸入爐膛后劇烈擺動，將其固定在DN30的不銹鋼管上，試驗時將鋼管一起插入爐膛內以減少波動性和誤差，多次測量取平均值。所測結果為負值表示在噴口內著火，所測結果為正值則表示離開噴口后著火。

1.3 煤質和主要參數

試驗時鍋爐燃用煤種為宏燃煤，宏燃煤屬于煙煤，其煤質分析見表1。試驗主要考查了不同負荷工況下煤粉含量、一次風速和負荷等參數對氣流著火特性的影響。

表1 試驗煤質分析

2 試驗結果分析與討論

2.1 入爐煤質特性

熱重(TG)分析法是使用最多、最廣泛的熱分析技術之一。以宏燃煤為樣品，采用德國NETZSCH公司生產的TG 209F1 Libra型同步熱分析儀對煤樣進行燃燒特性TG分析，結果見圖3。由圖3可以看出，在溫度升高過程中，宏燃煤的熱解可分為3個階段：溫度低于300 ℃時，TG曲線略有下降但較為平緩，表明該階段為著火前的預熱失水狀態；在300～600 ℃階段，以熱裂解反應為主，發生了明顯的失重現象；600 ℃以后，可燃質基本燃燒完全，處于燃盡階段。由圖3可求得著火溫度為372.25 ℃，燃盡溫度為507.25 ℃，表明宏燃煤屬于易著火、易燃盡的煤種。

圖3 宏燃煤樣的TG-微商熱重(DTG)曲線

2.2 煤粉含量對著火特性的影響

煤粉含量(每千克空氣中所含煤粉的質量)是影響煤粉氣流著火特性最主要的因素之一[6]。對于煙煤，控制合適的煤粉含量直接影響其著火與穩燃特性。選取D層和E層LANSB為研究對象，每層燃燒器共有5只，從左側墻至右側墻分別為D1～D5和E1～E5。當只有D磨煤機投運時，煤粉含量對著火距離的影響見圖4。

圖4 煤粉含量對著火特性的影響

由圖4可以看出：隨著煤粉含量升高，D層5只燃燒器著火距離均縮短，但是煤粉含量的變化對5只燃燒器的影響程度不同。分析原因為隨著磨煤機的總煤量升高，煤粉并不是平均分布到5只燃燒器中的，因此5只燃燒器表現出的變化程度不同，但是總體變化趨勢是一致的。當煤粉含量增加時，從著火熱角度來說，輸送煤粉需要的一次風量減少，所需著火熱則相應降低；與此同時，煤粉顆粒數量增加，吸收的輻射熱也隨之增加，這對于著火和燃燒是十分有利的。

2.3 一次風速對著火特性的影響

一次風速對于煤粉氣流著火的影響具有兩面性，比較復雜。相關研究表明[7]，一次風速升高將引起煤粉氣流的停留時間變短，對于離開噴口相同距離處的煤粉而言，其揮發分析出和表面反應時間也大大減小，導致著火距離延長。此外，一次風速升高可以間接加快煤粉顆粒加熱升溫、揮發分釋放及O2的輸送過程，造成煤粉著火提前。兩者影響是完全相反的，應具體問題具體分析。考慮到煤粉爐的實際運行情況，一次風速對煤粉與煙氣混合的影響比較有限。因此，一般認為，一次風速增加時，煤粉著火推遲。

負荷在400 MW時，保證煤粉含量均為0.5 kg/kg，改變磨煤機入口一次風量和給煤量計算出一次風量對應的噴口一次風速，并對E層各燃燒器的著火距離進行了測量，結果見表2。

表2 不同一次風速下的著火距離

由表2可以看出：隨著一次風速的提高，著火距離變長。E2和E4燃燒器隨著一次風速由20.33 m/s增加到22.93 m/s時，著火距離延長較大，而隨著一次風速進一步提高到25.97 m/s時，著火距離的變化趨于緩慢。E3燃燒器表現出的規律較為不同，隨著一次風速的提高，著火距離先變長，隨著一次風速的進一步提高，著火距離又迅速變短。隨著一次風量的增加，雖然煤粉含量不變，但是煤粉量增加。因此，隨著一次風速的增加，著火距離的變化趨于緩慢。E3燃燒器處于爐膛正中間，周圍溫度較高，隨著一次風速的提高，著火距離反而變短，也有可能是一次風速升高間接加快煤粉顆粒升溫、揮發分釋放及O2的輸送過程，造成煤粉著火提前。

2.4 鍋爐負荷對著火特性的影響

試驗過程中，保持煤粉含量為0.545 kg/kg、一次風速為21.4 m/s，研究負荷變化對著火距離的影響，結果見圖5。

圖5 負荷對著火特性的影響

由圖5可以看出：隨著鍋爐負荷升高，著火距離呈明顯下降趨勢。針對E2燃燒器，450 MW負荷情況下，煤粉氣流在離開噴口7 mm處著火；當負荷增加至550 MW時，著火距離為-253 mm，表明煤粉氣流在噴口內已經著火。爐膛平均溫度隨著鍋爐負荷降低而降低，噴燃器區域的溫度也相應降低，不利于煤粉氣流著火。

3 結語

通過現場試驗的方法，測量了不同煤粉含量、一次風速及不同負荷工況下宏燃煤的著火距離。試驗結果表明：保持一次風速不變，煤粉含量增加時，著火距離縮短；煤粉含量相同，而一次風速降低時，著火距離縮短；隨著負荷的升高，保持煤粉含量和一次風速不變時，著火距離縮短。