基于排渣量大的鍋爐燃燒系統優化改造研究

翟志芳

（山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 041000）

鍋爐采用四角切圓的燃燒方式，其優點是著火穩定性、煤種適應性好，爐內熱負荷充滿度高、均勻性好，可實現分級燃燒，擾動大、有利于燃盡，從而減少NOx的排放。然而，切圓燃燒唯一的不足是極易發生火焰偏斜貼壁、四角不均、殘余旋轉等現象，從而導致鍋爐受熱面結焦、壁溫超限、汽溫偏差大等后果，因此，調整合適的一、二次風配比，保證良好的切圓半徑，可使四角切圓燃燒鍋爐的安全穩定運行。山西某熱電有限公司1#機組鍋爐自投產以來，鍋爐各項運行指標較差，通過分析該機組爐內動力場改造方案及效果，為同樣存在切圓偏大且刷墻現象的同類型燃煤機組提供借鑒。

1 設備概況

1.1 鍋爐相關參數

山西某熱電有限公司1#機組鍋爐為300MW 亞臨界自然循環汽包鍋爐，型號為DG1060/17.4-Ⅱ4 型。單爐膛Π 型布置，燃用煙煤，四角切圓燃燒，一次中間再熱，平衡通風、固態排渣，全鋼架懸吊結構，鍋爐頂部帶金屬防雨罩。鍋爐采用冷一次風機正壓直吹式制粉系統，每臺爐配有3 臺MGS 4060 型低速鋼球磨煤機，正常運行時無備用。配有2 臺雙級動葉可調軸流式引風機、2臺動葉可調式軸流送風機、2 臺離心式一次風機。

1.2 燃燒器概況

鍋爐燃燒器布置在爐膛水冷壁四角，每角的燃燒器分上下兩組布置，上組燃燒器有3 層噴口，下組燃燒器有14 層噴口，共有17 層噴口，其中一次風噴口6 層，二次風噴口9 層（其中3 層二次風噴口內設有油槍），用于降低NOx 生成量的頂二次風噴口2 層，一次風噴口四周有周界風。所有上組燃燒器噴口均可上下擺動15°，每角下組燃燒器配2 臺氣動執行器推動噴口均可上下擺動30°。燃燒器采用濃相大反吹多重分級高效低NOx 燃燒器，一次風進入爐膛后向火面的煤粉濃度高，背火面的煤粉濃度低，這有利于低負荷穩燃、防止結焦、防止高溫腐蝕及降低NOx 生成量。

2 改造內容

山西某熱電有限公司1#機組鍋爐自投產以來存在嚴重的問題，具體表現為以下方面：（1）通過冷態試驗，發現爐內動力場存在一定的問題，切圓偏大且存在刷墻現象；（2）兩側煙溫偏差大，運行排渣量大；（3）平均煤粉細度R90為20.85%，煤粉偏粗；（4）燃燒不穩定，鍋爐效率降低。

針對上述問題，綜合考慮煙溫偏差、排渣幾個方面，對1#爐進行爐內空氣動力場優化改造。

2.1 燃燒器改造內容

保持原有鍋爐的燃燒器位置不變，對鍋爐一次風噴口進行重新設計和安裝。鍋爐的燃燒器布置在爐膛水冷壁四角，水冷壁四角燃燒器的中心線分別與爐膛中心的兩個假想圓相切，兩個假想切圓的直徑分別為φ681mm和φ722mm，如圖1 所示。

圖1 假想圓布置圖

燃燒器的設計在控制NOx 排放的同時，應擴大煤種適應性，采取著火穩燃措施與防止煤粉管道內回火燃燒措施。燃燒器設計和安裝要保證爐膛空氣動力場良好，爐內出口煙氣溫度場均勻、受熱面不產生高溫腐蝕。避免實際切圓組織紊亂，火焰直接沖刷水冷壁，防止燃燒器噴口結焦燒損，防止燃燒器組件磨損，保證鍋爐安全經濟運行，切實防止渣量過大。其燃燒器改造結構如圖2 所示。

圖2 燃燒器結構圖

2.2 燃燒器改造熱態模擬

設計合理的一次風速配合二次風、燃盡風得到較為合理的三場特性，能夠保證水冷壁壁面附近的弱氧化性氣氛，有利于防止鍋爐結渣，燃燒器布置型式在火焰中心區形成了一個范圍較大的還原區，在此區域煤粉顆粒濃度較高，還原性氣氛較強可以有效避免爐內結渣的出現。為了驗證此次設計的合理性和運行效果，燃燒器各噴口風溫風速等參數參照鍋爐BMCR 負荷下的運行數據進行模擬計算，圖3 ～6 給出了爐膛內熱態煙氣速度場計算結果。

圖3 一次風水平截面速度分布圖

圖4 爐膛縱截面速度分布圖

圖5 一次風水平截面溫度分布圖

圖6 爐膛縱截面溫度分布圖

下列各圖給出了爐膛內熱態溫度場計算結果，展現了不同水平截面、縱截面的溫度分布。圖中的顏色表示了溫度的高低，溫度的單位為K。

可以看出，在整個爐膛水平斷面和垂直斷面上溫度分布均較為合理，火焰均勻，爐膛充滿度好，未出現尖峰溫度區域。

3 改造效果

3.1 改造后冷態動力場試驗

按照冷態試驗相似模化理論，在各層二次風均勻配風條件下，一次風速20m/s 左右，二次風速23m/s 左右，煤粉燃燒器出口氣流進入自模化區（Re ≥105）。根據試驗要求，調整冷態一、二次風速至模化風速。調整后，爐內現場測試一次風速21m/s 左右，二次風速24m/s 左右，各層二次風噴口風速均勻，煤粉燃燒器出口氣流進入自模化區。

在爐內A 層一次風噴口上沿高度，用風速儀進行爐內冷態風速測量，確定燃燒器出口氣流在爐內形成的強風環大小，并在四周水冷壁實測貼壁風速。爐膛截面積（寬×深）13335mm×12829mm，燃燒器實際切圓示意圖及貼壁風見圖7。

圖7 A 層燃燒器實際切圓示意圖

由圖7 可以看出，A 層燃燒器爐內冷態實際切圓長徑6835mm，短徑6579mm，貼壁風在2m/s 左右，爐膛主燃燒區域實際切圓直徑在7m 左右，切圓在正常范圍內，達到設計與改造的要求。

同時，在各一次風噴口處進行飄帶示蹤試驗。在模化狀態下，通過煙花示蹤的方法，觀察爐內切圓情況，如圖8 所示。通過煙花示蹤結果可以看出，鍋爐實際切圓正常，實際切圓與水冷壁四周較遠，爐內充滿度較好且無刷墻現象。

圖8 A 層煙花示蹤圖

3.2 改造后熱態燃燒調整試驗

（1）分離器擋板調整結果。調整1#磨煤機分離器擋板開度，并在分離器出口各粉管進行煤粉取樣，得到磨煤機相關參數如表1 所示。由表1 得到，隨著分離器擋板開度的減小，煤粉細度降低；分離器擋板在60%時煤粉細度均值為8.97%，分離器擋板在40%時煤粉細度均值為6.91%，分離器擋板調節性能較好，煤粉細度控制在較低水平，滿足機組深調時煤粉細度的要求，且磨煤機出力也能滿足深調負荷需求。

表1 分離器擋板調整試驗參數

（2）鍋爐熱態性能測試結果。改造后根據當前鍋爐燃燒情況，進行適應性調整，鍋爐負荷穩定在80%ECR 及40% ECR 工況下，調整穩定后，對鍋爐進行熱態性能測試，記錄相關運行參數于表2。由表2 可以看出，改造前后1#鍋爐性能參數，改造后1#鍋爐飛灰含碳量平均下降0.88%，大渣含碳量平均下降3%，鍋爐效率提高約1.5%，改造后1#鍋爐單位渣量約下降1.5 倍，鍋爐渣量大的問題得到明顯的改善。

表2 1#鍋爐動力場優化改造前后熱態性能數據對比

綜合飛灰、爐渣及爐效情況分析，根據經驗公式折算至煤耗，改造后發電煤耗至少可下降2.0g/kWh，按照機組年運行6000h，平均負荷為210MW，煤價按800元/噸計算，年節約費用約201.6 萬元。

4 結語

本文給出了山西某熱電有限公司1#鍋爐燃燒器改造方案和試驗結果，經過此次改造，磨煤機分離器擋板調節性能較好，煤粉細度控制在較低水平，可完全滿足機組深調時煤粉細度的要求；實際切圓與水冷壁四周較遠，無刷墻現象，并且鍋爐飛灰與大渣含碳量均有一定的下降，鍋爐效率得到一定的提高，渣量大的問題也得到明顯的改善，達到預期的改造效果。通過分析該燃燒器改造方案及效果，為同樣存在爐內動力場且渣量大等問題的同類型燃煤機組提出一種新的燃燒器改造方案，有很大的工程實踐意義。