煤粉鍋爐摻燒火炬氣技術的探討及應用

石敏

摘 要：燃煤鍋爐進行摻燒火炬氣改造，要求新增燃氣燃燒器后鍋爐能夠兼顧煤粉獨立運行、煤氣混合運行及燃氣獨立運行功能，滿足燃煤及燃氣摻燒工況的任意轉換并保證鍋爐安全穩定運行。

關鍵詞： 鍋爐;燃煤;燃氣;摻燒

引言

為了減低電廠煤耗，電廠將原有通過火炬燃燒排放的火炬氣通入煤粉鍋爐燃燒，利用了火炬氣的燃燒熱值產生蒸汽，既降低了鍋爐煤耗量，又利用鍋爐尾部的煙氣處理裝置對火炬氣燃燒產物中的氮氧化物和二氧化硫進行處理，達到了環保排放的要求。

1 工程概況

某熱電廠鍋爐為220 t/h高壓煤粉爐，鍋爐為單鍋筒、自然循環、Π形布置的固態排渣煤粉爐，鍋爐前部為爐膛，四周采用膜式水冷壁，爐膛出口處布置屏式過熱器，水平煙道裝設兩級對流過熱器，爐頂、水平煙道轉向室及尾部包墻均采用膜式管包敷。尾部豎井煙道中交錯布置兩級省煤器和兩級空氣預熱器。鍋爐采用平衡通風、切圓燃燒，燃燒器為角式直流式燃燒器，正四角切向布置，假想切圓為φ800mm，采用鋼球磨中間儲倉，乏氣送粉系統。

鍋爐主要參數如表 1所示。

燃煤資料如表 2所示。

火炬氣資料如表 3所示。

2 燃燒器改造技術方案

改造要求：1.增加火炬氣燃燒器，要求火炬氣單獨運行、燃氣與煤粉摻燒運行鍋爐參數達標;2.保留原來煤粉燃燒器功能不變，純煤工況鍋爐參數達標。

根據原有鍋爐、燃燒器結構，燃燒器沿用四角切圓布置，綜合考慮新增火炬氣燃燒器布置原煤粉燃燒器上部和下部。整個燃燒器共9層噴口，其中C層及E層為煤粉燃燒器，A層和G層為火炬氣燃燒器，B、D、F層為二次風，H層為低位燃盡風，J層為高位燃盡風。此種布置方式，燃燒器結構緊湊，現有設備改動小，操作運行方便。為了避免燃氣熱負荷集中，燃氣燃燒器分上下兩層，共8只/單臺爐。每只燃氣燃燒器均可獨立控制運行，單只燃燒器負荷調解比1：5，鍋爐負荷可以通過調整單只燃氣燃燒器負荷，以及投運燃氣燃燒器數量組合調整，實現寬負荷調整。

燃氣和燃煤同時混燒運行時，燃氣著火快，如果配風不合理，易形成燃氣搶氧，造成煤粉著火推遲。燃氣摻燒可能帶來兩個風險：1.煤粉噴口區域還原性氣氛增加，帶來燃燒器區域結焦的風險;2.火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，減溫水量增加。為此燃氣燃燒器采取遠離煤粉燃燒器布置，且采用多只分散式布置，運行中有條件的采用多槍分散熱負荷的運行方式;為防止結焦的風險，適當減小燃燒器切圓。

改造后的燃燒器布置如下圖：

3 流場模擬驗證

為了評估摻燒火炬氣后對鍋爐運行的影響，采用流場模擬（CFD）鍋爐運行工況。根據改造要求，假定了4種運行工況進行模擬，工況定義及模擬數據摘錄如下：

Case1：鍋爐全負荷工況;

Case2：氣、煤混燒，上層燃煤，下層燃氣，氣、煤比各占50%;

Case3：氣、煤混燒，上層燃氣，下層燃煤，氣、煤比各占50%;

Case4：純氣燃燒（70%鍋爐BMCR）。

通過數值模擬可以看出，火炬氣燃燒器投運后爐膛出口煙氣溫度較鍋爐全煤工況接近;爐膛出口氧量與改造前接近;由于燃氣特性，爐膛出口CO明顯下降;混燒工況下NOx的排放基本持平，上層燃氣摻燒時NOx排放數值高于下層摻燒，運行中需要調整配風。

4 增設燃燒器后操作運行思路

4.1純燃煤工況

純燃煤工況與原燃煤運行方式一致，火炬氣層不投運，保持上、下層火炬氣二次風噴口通有一定冷卻風保護噴口。

4.2燃煤、火炬氣混燒工況

在鍋爐投入火炬氣前，需要燃煤運行穩定后逐步摻燒火炬氣。燃煤穩定運行負荷超過60%鍋爐額定出力（約130t/h蒸汽出力）時可以逐漸投入火炬氣。根據鍋爐出力、金屬壁溫、汽包水位、減溫水量等控制火炬氣摻燒量，煤粉量相對應調整。

根據鍋爐負荷調整需要，加負荷時先增加二次風，再增加火炬氣量，控制爐膛出口氧量在3—5%。降低負荷時則先減少火炬氣量，待氧量升高后再調整二次風。

4.2.1火炬氣投入具備條件：

（1）啟動燃燒器前先確認所有設備均正常工作（可以做啟動試驗）。

（2）鍋爐摻燒煤氣系統投入使用條件：鍋爐爐膛正常燃燒，二次風投入運行，二次風壓力高于1.2Kpa，爐膛出口溫度在大于600℃。

4.2.2煤氣系統投入操作：

（1）投運前吹掃：先打開氮氣吹掃手動閥門（主管路閥門、疏水閥均保持關閉狀態，其他所有閥門打開），放散吹掃管路10分鐘左右，然后關閉所有吹掃放散閥門。

（2）燃燒器投入：先逐步開大燃氣燃燒器二次風手動門，投入二次風。其次打開火炬氣管路所有手動閥門，確定主管火炬氣壓力及溫度是否正常，正常情況下打開主管氣動快關閥，調整火炬氣調節閥，將火炬氣投入鍋爐爐膛，可通過觀火孔查看火炬氣燃燒情況。投入時燃燒器對稱投入，防止產生熱偏差。

（3）調節負荷操作：根據鍋爐負荷調整需要，加負荷時先現增加二次風，再增加火炬氣量，控制爐膛出口氧量在3—5%。降低負荷時先減少火炬氣量，待氧量升高后再調整二次風。

操作注意事項：急劇增加或減小空氣量，都會導致燃燒異常，甚至熄火，所以對火炬氣和空氣的調節量不能過大，必須分幾次反復操作;

4.2.3燃燒器停止運行：

（1）降低火炬氣系統出力，將火炬氣調節閥逐步降低到10%;

（2）關閉火炬氣母管氣動閥及母管手動閥;

（3）打開吹掃閥吹掃管路10分鐘;

（4）關閉吹掃閥;

（5）關閉火炬氣調節閥;

（6）關閉燃燒器前手動閘閥。

4.2.4 滅火保護功能實現：

當燃燒器正常投入使用后，鍋爐保護初步定值如下：

MFT動作時，快關閥動作快速切斷火炬氣;

火炬氣壓力低時要快速切斷焦爐煤氣;

爐膛出口溫度低要快速切斷火炬氣;

二次風壓低時要快速切斷火炬氣;

二次風口處爐膛壓力高時要快速切斷火炬氣。

4.2.5 火炬氣快關閥要考慮以下閉鎖：

二次風壓力高于一定值后方可打開;

爐膛溫度高于一定值時方可打開;

火炬氣壓力高于一定值時方可打開。

為避免熱負荷過于集中，燃煤火炬氣摻燒時，避免相鄰兩層燃煤和火炬氣大功率同時運行，例如：下層燃煤投運時，優先采用上層火炬氣;上層燃煤投運時，優先采用下層火炬氣。

4.3純火炬氣工況

當燃煤出力小于30%鍋爐額定出力（約66t/h蒸汽量），且火炬氣出力大于50%鍋爐額定出力（約110t/h蒸汽量），建議停用煤粉，鍋爐進入純火炬氣工況。

5 結語

通過對燃氣摻燒的技術可行性論證，燃煤鍋爐摻燒火炬氣在技術上可行。目前本工程項目已經成功投運，摻燒效果及環保指標都正常，各種工況組合有待進一步實際運行驗證。

參考文獻：

[1]JBT 4194-1999 鍋爐直流式煤粉燃燒器制造技術條件.

[2]JBT 10440-2004 大型煤粉鍋爐爐膛及燃燒器性能設計規范.

[3]鍋爐原理及計算（第二版）科學版1992.

[4]TSG11-2020《鍋爐安全技術監察規程》.