提高旋流燃燒器燃燒經濟性方法的探討

周義剛 薛澤海 邊疆（天津電力科學研究院，天津，300384）

前言

國電寧夏石嘴山發電有限責任公司330MW機組鍋爐近年來出現了燃燒可燃物偏高、爐膛結焦，高溫腐蝕等影響鍋爐安全、經濟運行的問題。為此通過優化燃燒解決爐內燃燒工況不佳影響安全、經濟運行的問題，在該機組進行了擴大型小修后，對鍋爐進行了優化燃燒試驗。

1 設備概況

機組為330MW燃煤機組，鍋爐為武漢鍋爐股份有限公司制造的WGZ-1004/18.44-2型、亞臨界壓力、中間一次再熱、自然循環、固態排渣爐，采用中速磨煤機直吹式制粉系統，系統配有4臺MPS225中速磨煤機和兩臺一次離心式風機。鍋爐燃燒室為膜式水冷壁，煤粉燃燒器為帶有煤粉濃縮裝置的軸向旋流燃燒器，采用前墻水平布置4層，每層6只，共24只。燃燒器旋流方向分為12只順時針旋轉和12只反時針旋轉。

鍋爐風、煙系統由送風系統和對流煙道組成，配有兩臺軸流式送風機、兩臺軸流式引風機、兩臺三分倉容克式空氣預熱器。

1.1 主要設計參數

燃燒器及其布置示意圖

1.2 燃燒器設計參數

2 鍋爐燃燒過程中存在的問題

2.1 實際運行中爐渣的可燃物含量較高，在爐渣中含有大量未燃盡黑色塊狀物，占10%，旋流燃燒器的穩燃齒上也附著黑焦；

2.2 通過實際觀測發現，爐膛燃燒器區域爐膛前部和后部的火焰溫度偏差較大；

2.3 B、C層燃燒器出口掛焦、折焰角下部水冷壁、屏式過熱器有結焦現象；

2.4 水冷壁高溫腐蝕嚴重，高溫腐蝕區域水冷壁管子氧化皮厚度為0.8～1mm，有橫向裂紋，進行了大面積換管。

3 影響鍋爐燃燒的主要因素

3.1 一次風速

一次風速是鍋爐控制燃燒的重要參數之一。根據煤質特性的差異控制不同的風速值，通過運行調整可以實現。但由于直吹式制粉系統磨煤機引出的一次風管的長度、彎頭數量和型式的不同各條管道的阻力系數是不同的，在冷態純氣流條件下通過節流縮孔進行調平，調平前后的阻力系數計算式如下：

式中：Kg—純空氣狀態下的阻力系數

λ0—沿程阻力系數

L—管道總長度米

D—管道直徑米

ζ—局部阻力系數

ΔKg—節流縮孔的阻力系數

在鍋爐實際運行中，一次風管流過的是空氣與煤粉的混合物，通過對理論公式的推導和實際測量驗證均表明純空氣與帶粉狀態下的阻力差別較大，換言之冷態下調平的各一次風管阻力在熱態下是不平衡的。帶粉狀態下的阻力系數如下：

式中：Kμ—帶粉狀態下的阻力系數

μ—煤粉濃度 kg(粉)/kg（風）

C1、C2、C3—修正系數

為保持熱態下各一次風管的阻力平衡，需要對縮孔進行熱態調平或在冷態純空氣狀態下對縮孔進行不平衡調整[4]。

3.2 煤粉濃度

煤粉濃度是鍋爐燃燒控制的又一個重要參數。各燃燒器間的風粉分配不均，將直接影響燃燒器出口煤粉氣流的著火及穩燃，各燃燒器的熱負荷不同會造成火焰偏斜、爐膛熱負荷和汽溫偏差等問題。對于直吹式制粉系統煤粉濃度沒有調整手段，只能間接的用節流縮孔調整一次風速來改善每根風管的煤粉濃度。

3.3 燃燒器型式

燃燒器的型式對鍋爐的著火、燃燒、水冷壁的結焦和高溫腐蝕有一定的的影響。雙通道帶有煤粉濃縮裝置的軸向旋流燃燒器是低NOx燃燒器，其基本原理是“貧氧燃燒”，降低NOx濃度的關鍵是在燃燒區域內形成還原性氣氛，以便將燃料中的氮元素變成穩定的N。為達到此目的，燃燒器采用了兩級燃燒方式：即一次風采用旋流送入；二次風分為兩級：少量軸向旋轉的內二次風供燃燒初始階段揮發份燃燒所用，大部分軸向旋轉二次風從外二次風道送入，風量大、風速高，極大的提高了外二次風與煤粉氣流的動壓比，氣流后期湍流混和強烈，使燃燒后期所需氧氣及時輸送到煤粉顆粒表面，促進未燃盡碳燃燒所用。但是保持燃燒器區域低過剩空氣系數的設計特點卻易造成煤粉在燃燒器區域的不完全燃燒，而含硫量較高的煤在不完全燃燒時，將產生腐蝕性很強的還原氣體(HS、CO等)，若隨煤粉氣流到達水冷壁表面，壁面溫度大于350℃就會發生高溫腐蝕。

4 燃燒優化參數及結果分析

4.1 冷、熱態一次風速調平

一次風速偏差大將直接影響各燃燒器著火情況，致使其燃燒工況出現偏差，從而導致爐內燃燒紊亂，造成爐膛出口煙溫偏高，鍋爐各段煙溫及排煙溫度上升。在冷、熱態下均調平了各臺磨煤機出口一次風管風速，通過調整一次風支管上的縮孔開度將四臺磨各支管一次風速偏差值控制在5%以內。通過調整前后的數據（見表1）可以看出，冷態純空氣狀態下調平后，熱態帶粉各一次風支管又出現了新的不平衡狀態，影響燃燒的經濟性，需要在鍋爐額定負荷下和經常運行的負荷區間進行帶粉狀態下的一次風速調平。

4.2 煤粉濃度測量

對于直吹式制粉系統，由于同一臺磨煤機各支管的煤粉流量在離開分離器后即無調節手段，所以，熱態調平支管阻力后也只能達到風量調平。風量均衡對煤粉量的均勻有一定的改善作用。通過表2看出，風速調平后A、B磨煤機各管風粉濃度最大偏差比調整前減小了6%～10%，偏差較小的C、D磨煤機各管風粉濃度最大偏差比調整前也減小了1%～1.5%，因此風速調平對煤粉濃度的偏差有一定的改善作用，尤其對偏差較大的磨煤機各粉管，改善效果尤為明顯。

表1 各臺磨一次風管風速調平結果

表2 各臺磨煤機一次風粉濃度調整前后結果

4.3 煤粉細度調整

單位質量的煤粉表面積越大，加熱升溫、揮發分的析出著火及燃燒反應速度越快，因而著火越迅速；煤粉細度越小，燃盡所需要的時間越短，飛灰可燃物含量越小，燃燒越徹底。運行中煤粉細度值偏大將直接導致煤粉進入爐內后著火延遲，從而出現爐內燃燒不穩、火焰中心上移、爐膛出口煙溫高的現象，因此降低各臺磨煤機特別是爐膛內上兩層燃燒器對應磨煤機的煤粉細度值，有利于降低爐膛出口煙溫，從而使鍋爐排煙溫度和爐渣可燃物降低。通過調整磨煤機分離器檔板開度，使煤粉細度值控制在要求范圍內。

根據表3的數據可知，調整前煤粉細度偏大，煤粉著火、燃燒靠后，中、下部水冷壁吸熱量相對較少，燃燒主要集中在爐膛上部以及出口處，因此對磨煤機分離器檔板開度進行了調整，A磨由75°調整到63°，B、C磨均由73°調整到66°，D磨由68°調整到66°，為消除鍋爐的結焦、高溫腐蝕，優化爐內燃燒狀況，將下兩層燃燒器對應的磨煤機煤粉細度平均值控制在21%以內，將上兩層燃燒器對應的磨煤機煤粉細度平均值控制在19%以內。從表5的爐溫測量結果可以看出調整前后爐膛溫度變化情況達到預期的效果。

表3 各臺磨煤機煤粉細度調整前、后結果

4.4 合理選擇一次風速，確定磨煤機運行的最佳風煤比

一次風中的煤粉濃度 （煤粉與空氣的質量之比）對著火穩定性有很大影響。較高的煤粉濃度不僅使單位體積燃燒釋熱強度增大，而且單位容積內輻射粒子數量增加，運行中風粉氣流的黑度增大，可迅速吸收爐膛輻射熱量，使著火提前。一次風速偏高或偏低都會嚴重影響鍋爐的安全、經濟運行。一次風速偏高會導致煤粉著火及燃盡延遲，致使爐膛出口煙溫升高，鍋爐排煙溫度上升，飛灰可燃物含量上升；運行中一次風速偏低可能會導致磨煤機堵煤或一次風管堵粉等問題，因此需要確定磨煤機的最佳風煤比。

在進行風煤比調整前，首先對各臺磨煤機入口一次風量的測量裝置的系數進行了修正，保證各臺磨煤機入口一次風量的DCS顯示值與實際值相符。然后在不同給煤量下，調整磨煤機入口風量，保證磨煤機出口各支管一次風速在30m/s左右，從而繪出各臺磨煤機的風煤比曲線圖。調整中發現磨煤機風門開度與入口風量的線性關系非常差，所以通過風壓變換來控制風煤比，數據見表4，曲線見圖1～圖4。

表4 磨煤機風煤比數值

調整前一次風壓相對較高，煤粉在爐膛內停留時間變短，使得中下部的燃燒份額減小，水冷壁吸熱也減小，爐膛偏上部的熱負荷就相應加大了。另外，鍋爐燃燒器全部布置在前墻，較高的一次風壓使得一次風剛性加強，爐內動力場為氣流從前墻噴入，在靠近后墻部上升，鍋爐后墻熱負荷大于前墻，爐內熱負荷分布不均勻。按試驗得出的風煤比結果調整一次風壓，有利于平衡爐膛內部熱負荷分布，均勻燃燒，從而降低爐膛火焰溫度，減小排煙溫度偏差。

5 旋流燃燒器旋流強度的優化調整

旋流燃燒器內、外二次風葉片開度的大小直接影響煤粉進入爐膛后的及時著火和穩定燃燒。在最佳的一次風速條件下，合理地調整內、外二次風旋流葉片開度，從而保證足夠的二次風旋流強度。內二次風量較小，可確保煤粉初期的燃燒反應；大部分空氣從外二次風道送入，風量大、風速高，二次風對一次風氣流的擾動、包裹能力能促進碳粒的充分燃燼，因此外二次風葉片角度對控制著火點的遠近起決定性的作用。從表6的試驗結果看出，改變不同的外二次風旋流強度對飛灰可燃物含量的影響較大，開大葉片角度，降低了外二次風旋流強度，增強了氣流剛性和擾動能力，延長了燃燒行程，后期補氧效果好，有助于煤粉顆粒的燃盡，提高燃燒效率。

表5 調整前、后爐膛火焰溫度變化

表6 改變二次風旋流強度飛灰及爐渣可燃物的變化

5 結論

1、對于直吹式制粉系統而言，一次風速冷態調平對熱態的燃燒經濟性沒有實質性的幫助。

2、通過對直吹式制粉系統實測參數的優化，是提高旋流燃燒器燃燒經濟性的基礎，同時輔以燃燒器參數的調整對鍋爐整體燃燒效率的提高起到了較好的效果。

3、熱態調平各支管一次風速，能有效的減小各支管煤粉濃度的偏差，均勻性得到改善，為煤粉及時著火和建立良好的動力場提供了條件。

4、通過對磨煤機分離器檔板開度的調整，煤粉細度達到設計值，細度隨燃燒器標高的增加而相應的調小，優化了爐內燃燒，提高了燃燒經濟性，減緩了爐膛結焦和高溫腐蝕的產生。

5、在不同的給煤量下，通過調整磨煤機入口風量，保持各一次風管的風速達到設計值，均衡了爐膛高度和深度方向的燃燒熱負荷，降低了爐膛溫度和減溫水用量。

6、通過改變外二次風葉片旋流角度，對增強氣流剛性，提高氣流穿透力和燃燒效率有一定的作用。

【1】燃煤鍋爐燃燒調整試驗方法 水利電力出版社

【2】燃煤鍋爐燃燒試驗技術與方法 中國電力出版社

【3】電站鍋爐一次風管道動態調平方法的研究中國電力 99.6