濃淡燃燒技術在直流燃燒鍋爐中的應用

摘 要：××電廠采用水平濃淡燃燒器對鍋爐原美國CE技術直流煤粉燃燒器進行了技術改造，從運行來看，鍋爐燃燒穩定性顯著提高，鍋爐結焦明顯好轉，煙氣中NOX含量減少。

關鍵詞：燃煤嚴重偏離設計值；燃燒穩定性；減少NOX排放；減少助燃

前言

上世紀末至本世紀初，××電廠330MW鍋爐由于實際燃用煤灰分高、發熱量低、揮發分低，嚴重偏離了原設計煤種，使得鍋爐的燃燒穩定性差，特別是低負荷和燃用煤熱值波動時，鍋爐熄火頻繁。鍋爐在高負荷（250MW以上）時需投天然氣穩燃。同時，鍋爐燃燒器周圍及中溫過熱器結焦現象突出，燃燒器周圍水冷壁高溫腐蝕明顯。

1 鍋爐特性

××電廠#32機組鍋爐最大連續蒸發量為1004t/h，主汽壓力18.4Mpa、主汽溫度543℃。鍋爐是斯坦因工業公司制造的亞臨界參數、強制循環、中間一次再熱、四角切向燃燒、固態排渣、п型布置煤粉爐。

鍋爐爐膛斷面尺寸為12.742×12.627m，采用直流擺動式燃燒器，四角切圓布置方式（雙切圓Ф1610mm/Ф1770mm）。采用四組共20只四角布置直流燃燒器，熱風送粉，燃燒系統采用天然氣二級點火及低負荷穩燃，四組燃燒器分別由五層煤粉燃燒器（FEA、FEB、FEC、FED、FEE）和三層天然氣燃燒器（FDA、FDC、FDD）組成。四角燃燒器周圍均布置有衛燃帶。過熱器采用兩級噴水減溫調節汽溫，再熱器采用改變燃燒器噴口傾角調節汽溫。

鍋爐采用兩側大風箱方式配二次風，煤粉燃燒器配有周界風，每只煤粉燃燒器和天然氣燃燒器的上下二次風量均不可調，運行中靠控制總風量及煙氣氧量修正總風量。每路一次風從一次風箱引出，通過三通分成兩路，與同層對角兩只燃燒器連接，雙出口給粉機同時向同層對角的兩只燃燒器給粉，實現同層對角的兩只燃燒器同時投或停。

2 鍋爐燃煤情況及燃燒分析

2.1 ××電廠330MW鍋爐設計煤種和實際燃用煤種發生了較大差異。實際煤質低位發熱量只有設計煤質的65%，設計煤質灰分為32.4%，實際煤質灰分為55.2%。

2.2 燃燒分析

從鍋爐運行和試驗情況看，鍋爐燃用煤質變差是導致鍋爐燃燒穩定性差的直接原因。由于煤質變差，鍋爐要達到滿負荷，投入燃料量增加，風量增加，導致鍋爐爐內溫度水平低，直接導致煤粉氣流的著火熱源溫度低，煤粉氣流著火困難。要燃用實際煤，并保持鍋爐高負荷，必將導致入爐煤粉氣流濃度增加，直流燃燒器已不能適應運行需要。根據我國現有電站鍋爐燃燒技術，采用濃淡燃燒器可以改善運行狀況。

3 濃淡技術

3.1 濃淡燃燒技術簡介

煤粉濃淡燃燒技術是指通過一定的措施把一次風分成煤粉濃度高的濃氣流和煤粉濃度低的淡氣流噴入爐內進行燃燒。理論和實踐均證明：采用濃淡燃燒技術可提高煤粉著火的穩定性和有效地降低NOx排放量。

煤粉的燃燒過程包括煤粉的預熱、揮發份析出、著火（燃燒的初始階段）和煤焦的燃盡（燃燒的結束階段）。研究表明：煤粉燃燒的初始階段是強化燃燒的關鍵。粒度為0～200μm的煤粉的燃燒試驗顯示：煤粉從常溫升至1500℃，在0.2S的時間內，煤粉燃盡率達到80%左右，而余下的約20%的部分則需要四倍左右的時間才能燒完。因此，穩燃技術的關鍵在于燃燒器出口附近的氣流和煤粉流的組織。

百葉窗濃淡燃燒技術是東方鍋爐集團（股份）有限公司于上世紀九十年代從哈爾濱工業大學引進的。百葉窗葉片式濃縮器實現濃淡分離的原理圖見圖1。

百葉窗水平濃淡燃燒器實現濃淡分離的基本原理是利用煤粉和空氣的慣性不同來實現煤粉和空氣的分離。百葉窗水平濃淡燃燒器對氣固兩相的分離從本質上講，仍然是一種慣性分離裝置，它與WR燃燒器、旋風分離器等分離裝置的原理是一致的，都是利用了氣、固兩相在改變流動方向時，因慣性的不同而流動方向也不同的特性。

3.2 百葉窗濃淡燃燒技術特點

百葉窗水平濃淡燃燒器除了具有上述濃淡燃燒器的特點外，由于自身結構及布置上的特點，還具有如下優點。

（1）燃燒器的布置。水平濃淡燃燒器在布置上使濃側氣流靠近向火側，使進入爐膛的濃側煤粉氣流直接與上游來的高溫煙氣混合。上游來的高溫煙氣直接沖刷濃側一次風氣流，使一次風氣流迅速得到加熱。煤粉氣流能通過這種強烈的混合得到大量的著火燃燒所需要的熱量，能及時地著火燃燒，提高含粉氣流的著火穩定性。

（2）防止結渣和高溫腐蝕。熔渣大多都屬于非牛頓流體，熔渣剛開始出現固體物時的溫度稱為熔渣的臨界粘度溫度Tcv，它與灰渣的軟化溫度Tst可用下式簡單描述：

Tst=Tcv-110

研究表明，Tcv與灰渣的化學成分有關：

Tcv=2990-1470（A）+360（A2）+14.7（B）+0.15（B2）

其中：

A=SiO2/Al2O3 B=Fe2O3+CaO+MgO

熔渣所在區域的氣氛狀態通過化學成分改變Tcv。由于淡側煤粉氣流中氧含量較高，氧化性氣氛強，此時二價鐵離子將被氧化為三價鐵離子Fe+3，就可以提高Tcv，從而達到提高灰渣軟化溫度Tst的目的。

較之WR和PM型等豎直濃淡型燃燒器，水平濃淡燃燒器中的淡側一次風位于背火側可減小顆粒沖刷水冷壁的可能。一方面，目前的水平濃淡燃燒器基本上都采用的是慣性分離的原理，這使得淡側一次風的煤粉含量少、顆粒細，這可避免大量顆粒沖刷水冷壁。另一方面，煤粉濃度低的淡一次風在客觀上起到了“風屏”的作用，可有效地阻礙和延緩濃側一次風中大的煤粉顆粒向水冷壁方向移動，進一步減小顆粒沖刷水冷壁的可能。WR和PM型等豎直濃淡型燃燒器的濃側氣流與水冷壁間沒有起阻礙和延緩作用的空氣（或煤粉濃度極低）氣流，高濃度的煤粉氣流極易沖墻貼壁。比起不采用濃淡燃燒的普通燃燒器，豎直濃淡型燃燒器將使顆粒沖墻貼壁的可能性增加，而水平濃淡燃燒器將使顆粒沖墻貼壁的可能性降低。

（3）NOx排放

Pershing等對煤粉燃燒過程中的NOx的形成進行研究的結果表明，對煤粉燃燒過程中的NOx的形成進行研究闡述，煤燃燒時形成的NOx中，燃料型NOx占90%，熱力型NOx占10%。燃料燃燒時，燃料N幾乎全部迅速分解而形成產物HCN、N、CN、NHi等中間產物。這些中間產物與O、O2、OH反應生成NO，與NO發生反應生成N2。因此，在燃燒過程中減少燃料N向燃料型NO轉化的重要措施就是盡量減少含氧化合物的存在，從而強化NO的還原反應，使燃料N轉化為N2。

NOx生成機理：

再燃區：

XN+NO→N2+XN CH+NO→XN（NH3+NO+HCN）

燃盡區：

XN+NO→N2+NO XN+NO→N2+HCN XN+NH3→NO+N2

從水平濃淡燃燒器的燃燒過程來看，濃側煤粉氣流先著火，然后是淡側氣流的混入，然后才是與二次風的混合，因此從燃燒過程看，它屬于分級燃燒，有利于降低鍋爐機組的NOx排放量；一次風煤粉氣流經過濃縮器分離后，濃側煤粉氣流內濃度高，含粉量大，空氣量變化不大，濃側一次風氣流中的空氣量僅僅能維持煤粉內揮發份的著火和燃燒，燃料相對較多，即過量空氣系數小，屬于缺氧燃燒，燃燒溫度低，故燃料型NOx和熱力型NOx都低，因而能大大降低NOx的排放量；而在淡側由于空氣量相對較大，屬于富氧燃燒，燃燒溫度也低，熱力型NOx生成也少。這樣水平濃淡燃燒器就能從總體上控制熱力型NOx，降低鍋爐機組的NOx等污染物的排放量，根據研究，采用分級燃燒，最高可降低NOx 30%～40%。經工業性試驗表明，對于不同的煤種，采用水平濃淡煤粉燃燒技術可以將NOx的排放量控制在以下范圍：無煙煤<650mg/mn3，貧煤<550mg/mn3，煙煤<450mg/mn3，達到國家排放標準。

（4）水平濃淡燃燒技術的著火燃盡性能

由于濃側煤粉氣流固體顆粒濃度高，一次風量相對較少，煤粉氣流所需著火熱少，著火溫度低、火焰傳播速度大、濃側煤粉氣流的一次風量僅能維持濃側煤粉氣流中揮發份的燃燒，煤粉氣流著火及時；而一、二次風的混合特性與傳統的燃燒器沒有本質上的區別，因而水平濃淡燃燒器的燃燒效率不會低于傳統的燃燒器的燃燒效率。

在布置上，使濃側煤粉氣流處于上游已著火燃燒的高溫煙氣的直接沖刷下，也能保證煤粉氣流能得到足夠的熱源，加熱煤粉氣流，使煤粉氣流能及時地著火燃燒。

圖2 顯示了在冷態?；囼炁_上利用PDA（Particle Dynamic Analyzer）分別就豎直濃淡和水平濃淡燃燒方式爐膛內的顆粒濃度場的測量結果。從該圖2中可以看到，采用水平濃淡燃燒器時，水冷壁面附近的顆粒濃度遠小于采用豎直濃淡燃燒器時的情況。

4 技術改造方案

采用百葉窗水平濃淡燃燒器對××電廠#32鍋爐A、B、C層直流燃燒器進行改造。具體方案（確保原一次風管、燃燒器位置不改變）：重新設計燃燒器噴口、設計加裝濃淡分離器。具體布置圖見圖3。

根據本次燃燒器改造的目的對百葉窗燃燒器的結構參數進行選取，使百葉窗燃燒器出口濃淡側風量比達到1.1：1，以滿足改造目的。

為保證燃燒器改造后和原有一次風煤粉管道相連接，改造后的燃燒器總長度與原有燃燒器長度一致，以減小現場改動工作量。

5 試驗結果

5.1 首先進行了一次風調平試驗、二次風噴口流量偏差試驗，對一次風速度進行了標定；根據二次風噴口氣流速度偏差，對二次風噴口速度進行了修正。

5.2 爐內空氣動力場試驗。爐內空氣動力場試驗的表盤參數分別為：一次風風量80000m3/h、二次風風量390000m3/h、乏氣風量58000m3/h，采用爐底擋板調節控制燃燒系統風量，保證系統設備一次風機、二次風機、引風機的安全運行。

從空氣動力場的測量結果看，爐內切圓直徑約7600mm，切圓略微偏小，對煤粉的燃盡影響不大，而對于防止鍋爐結焦有利。

6 運行情況

6.1 增強了低負荷穩燃能力和帶負荷能力

#32鍋爐A、B、C層煤粉燃燒器改造結束投運以來，燃燒低位發熱量在11000～17000KJ/Kg范圍內煤種，未出現一次熄火。同時，如果燃燒低位發熱量在16000KJ/Kg左右煤種，可以不投天然氣穩燃。燃燒低位發熱量在16500Kj/Kg的煤質，投A、B、C層煤粉帶170MW負荷穩燃。每天較改造前節約穩燃天然氣約60000m3。

6.2 NOx排放有一定降低

改造前平均462.43mg/ndm3，改造后平均415.23mg/ndm3，減少47.2mg/ndm3。

6.3 結焦現象有所改善、水冷壁高溫腐蝕現象消除

改造前，鍋爐燃燒器周圍結焦嚴重，中溫過熱器（屏過）管束之間長期存在掛焦現象。改造后煤粉燃燒器周圍及衛燃帶、水冷壁上沒有了結焦現象，中溫過熱器管束之間掛焦也消除了。同時，燃燒器改造后由于火焰中心的穩定，高溫區較之直流燃燒器遠離爐膛水冷壁，火焰沖刷水冷壁較少，以及水冷壁周圍的富氧環境，水冷壁高溫腐蝕得到了有效控制。

7 結束語

上世紀末至本世紀初，國內電廠用煤普遍緊張，原煤摻假現象突出，煤質參數寬幅波動。由于直流燃燒器受設計煤質影響較大，煤質差時，鍋爐帶高負荷能力和低負荷穩燃性能較差，熄火頻發、NOX排放超標。隨著國家環保排放要求越來越嚴，直流燃技術在燃煤電廠受到極大沖擊。很多燃煤電廠為了解決高效、穩燃、低污染以及防止結渣和高溫腐蝕問題，紛紛采用濃淡燃燒器對直流燃燒器進行技術改造。比如青島電廠、富拉爾基電廠、四川江油電廠等，從而，濃淡燃燒技術在我國燃煤電廠得到了廣泛推廣和發展。

參考文獻

[1]王恩祿，張海燕，羅永浩，等.低NOx燃燒技術及其在我國燃煤電站鍋爐中的應用[Z].

[2]盛昌棟.高濃度煤粉燃燒時爐內結渣的機理分析[J].電站系統工程.

[3]秦裕琨，李爭起，吳少華.風包粉系列濃淡煤粉燃燒技術研究[J].中國工程科學.

[4]吳建甫，王洪濤.百葉窗煤粉濃縮器性能參數和燃燒優化實驗研究[J].電力設備.