330MW 神華煤鍋爐燃燒優化調整試驗研究

張丙剛 張大興

（神華國華惠州熱電分公司，廣東 惠州516082）

0 引言

國華惠州熱電廠一期工程新建的2臺330 MW 機組2號鍋爐系武漢鍋爐廠生產的亞臨界參數、自然循環、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架的∏型汽包爐，設計燃用神混煤。制粉系統采用正壓直吹式，配備5臺HP863型碗式中速磨煤機，設計煤粉細度R90＝18%。煤粉燃燒器采用20只帶偏置周界風的水平濃淡燃燒器，四角布置，大小雙切圓燃燒，切圓直徑分別為723 mm 和928 mm，共5層一次風噴口，一、二次風間隔布置，同時在燃燒器區上方布置3層分離式燃盡風（SOFA），以實現爐內空氣的深度分級、進一步降低NOx排放。鍋爐排渣系統采用鏈條式干式除渣機。

為控制單燒神華煤時鍋爐的結焦，2號鍋爐摻燒了25%的高灰熔點準格爾煤。但在實際運行過程中，仍存在爐內受熱面結焦較重的問題；在夏季運行期間，由于爐內結焦和環境溫度升高，鍋爐的實際排煙溫度一直在155 ℃以上，比設計值125.6 ℃高約30 ℃，嚴重影響了鍋爐設備的安全性和經濟性。本文針對這些問題進行了優化燃燒調整試驗，并提出了合理的鍋爐運行方式。

1 測試方法及內容

鍋爐優化燃燒調整試驗根據《電站鍋爐性能試驗規程》（ASMEPTC4.1）按反平衡法計算鍋爐熱效率，熱值取低位發熱量。試驗過程中主要測試方法如下［1］：

（1）煙氣溫度測量：空氣預熱器進、出口煙道煙溫按代表點法用特制的K 型熱電偶測量，10～15min測一次，其代表點根據輔助試驗測量面的溫度場確定，每一代表點孔上縱深方向按網格法裝有3個鎧裝熱電偶，以提高測量精度。送風溫度用玻璃管溫度計測量。

（2）煙氣成分測量：空氣預熱器進、出口煙氣中氧量和NOx濃度采用德國產的Testo350型煙氣分析儀按照網格法測量，每10～15min測量一次。

（3）原煤取樣：試驗開始前在給煤機處取樣，裝入磨口瓶內密封，每一試驗工況取樣兩次，混合后進行分析。

（4）煤粉取樣：煤粉取樣在一次風管上按照等速取樣采取，裝入塑料袋內，進行混合篩分。

（5）飛灰取樣：采用等速取樣法采集。

（6）爐膛煙溫測量：采用紅外高溫儀通過鍋爐燃燒器區上部看火孔和屏區看火孔測量，作為結焦監測手段之一。同時，人工觀察燃燒器區、屏區、爐底干渣機處結渣。

（7）運行參數記錄：采用2號機組配套的數據采集系統記錄與試驗有關的運行參數，每10min記錄一次。

2 試驗結果分析

2.1 運行氧量的影響

在維持其他運行參數不變的條件下，以空預器出口氧量為變化參數，通過改變送風機入口門來控制該參數。試驗結果如表1所示。

表1 氧量對鍋爐運行的影響

從表中可以看出，鍋爐在80%及以上負荷時，隨著氧量的增加，未燃碳熱損失基本不變或略有下降，但干煙氣熱損失卻隨之增加，鍋爐效率在80%左右負荷時呈遞減趨勢，在滿負荷時基本不變。這說明，神華煤的燃燒特性優良，氧量控制在較低水平即可，氧量過度升高只會造成排煙損失增加而對降低飛灰含碳量無益。

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另一方面，由于神華煤燃燒速度快，氧量升高對燃燒器區爐溫和屏區煙溫的影響均較小，從而說明氧量變化對鍋爐結焦的影響也較小。但需要注意的是，氧量升高可以增強燃燒器區的氧化性氣氛，對于高鐵型的神華煤防止結焦來說也是有利的［2］。在其他運行參數不變的情況下，氧量對NOx的影響呈正相關性，即隨著氧量增加，NOx呈上升趨勢。

綜合考慮低氮、高效和防結焦的需要，在鍋爐負荷為80%ECR 以上時的運行氧量控制在3.3%左右。

2.2 鍋爐負荷的影響

從表1還可以看出，對于神華煤鍋爐來說，由于其優良的燃燒特性，在80%ECR 以上負荷時，鍋爐效率均能保證較高水平，在保證值93.5%以上。在負荷下降時，由于運行氧量會適當提高，燃燒器區過量空氣系數增加，NOx排放濃度呈升高趨勢，由220 mg/Nm3升高至250 mg/Nm3左右。鍋爐負荷在80%～100%ECR 范圍內波動時，爐溫水平基本保持不變，若需要通過降負荷來減輕爐內結焦，則將負荷降低至80%ECR以下。

2.3 煤粉細度的影響

通過調整磨煤機分離器擋板開度，將煤粉細度R90值由25%調低至20%，試驗結果如表2所示。可以看出，隨著煤粉細度下降，爐內火焰中心下移明顯，不但屏區溫度出現了42 ℃的下降，而且煤粉燃盡程度大幅提高，飛灰含碳量由2.12%下降至1.32%，使未燃碳熱損失下降0.12%。從上述表述可以看出，細煤粉有利于提高鍋爐經濟性、降低屏區受熱面結焦風險。由于燃燒速度加快，放熱強度增加，燃燒器區溫度有所上升，使該區結焦傾向增加；但較細的煤粉顆粒慣性小，可以減少大顆粒偏轉刷墻的風險，也可以減輕水冷壁結焦［3］。另外，煤粉細度變化對NOx排放濃度的影響較小。因此，運行過程中建議選取較低的煤粉細度，至少維持在設計值18%附近。

表2 煤粉細度對鍋爐運行的影響

2.4 磨煤機運行方式的影響

本項試驗進行了停運不同位置磨的影響試驗，結果如表3所示。可以看出，磨停運方式變化對鍋爐效率的影響較小，對NOx排放濃度的影響也不大（因測點位于SCR 脫硝裝置后）。從對鍋爐結焦的影響來看，停運不同磨對主燃燒器區的溫度水平影響不大，但停上層磨時的屏區煙溫下降較為明顯，說明對屏區結焦控制較為有利。一般來講，停中層磨有利于分散熱負荷、改善爐內氣流運動狀況，減少煤粉氣流偏轉刷墻結焦。

表3 磨煤機運行方式對鍋爐運行的影響

從試驗結果來看，為減輕結焦，運行過程中建議優先選擇停上層磨，這樣可以降低NOx排放，減輕屏區結焦和提高燃燒效率；為防止結焦，宜實行中間層和上層磨煤機定期倒磨制度，利用倒磨時的擾動進行掉焦，利用中間磨運行來分散熱負荷、改善爐內氣流運動狀況。

2.5 一次風量（溫）的影響

在其他運行參數不變的情況下，通過調整磨出口溫度，磨的通風量和入口風溫隨之發生改變，進而改變通過空預器的一次風量和排煙溫度，試驗結果如表4所示。在一次風溫從65 ℃提高至70 ℃后，磨煤機摻入的冷風量減少，從110t/h下降至85t/h，則通過空預器的有組織的風量增加，排煙溫度從142.1 ℃下降至137.2 ℃，鍋 爐 的 干 煙 氣 熱 損 失 下 降0.23%。由于一次風量增加，燃燒初期補入的氧量增加，煤粉燃燒過程提前，燃盡率提高，未燃碳熱損失也呈下降趨勢，鍋爐的效率升高0.29%。

表4 一次風量(溫)對鍋爐運行的影響

一次風量升高后，由于燃燒提前，反而造成燃燒器區煙溫升高、屏區煙溫下降，這樣會增加燃燒器區結焦風險降低屏區結焦風險，但一次風速提高也會減少煤粉氣流偏轉刷墻結焦的可能性，對減輕結焦有利。同時，一次風量提高會使NOx生成濃度小幅提高。

總體來看，由于神華煤優良的燃燒特性，一次風量（溫）提高鍋爐的經濟性是提高的，尤其對排煙溫度控制有利。因此，在保證制粉系統安全的情況下，應適當提高磨出口風溫至70 ℃以上，以減少制粉系統摻入冷風量。

2.6 周界風開度的影響

從表5可以看出，隨著周界風門開度變大，煤粉氣流著火、燃盡出現了提前的現象，爐內燃燒充分，煤粉燃盡度提高，說明在著火初期就補入較多的風量可以促進煤粉燃盡。鍋爐的干煙氣熱損失基本不變，鍋爐效率提高。為保證鍋爐經濟性，周界風開度宜保持在70%左右，較高的周界風速還可以增強一次風剛性，防止一次風氣流偏轉刷墻引起結焦。周界風開度對NOx排放濃度的影響也較小。

2.7 燃盡風開度的影響

由于2號爐在設計時較多地采用了爐內低氮燃燒技術，如采用低氮燃燒器和緊湊、分離燃盡風技術，較好地達到了控制氮氧化物排放的目的，NOx排放控制不成問題，但這需要一個前提，即在神混煤低氧燃燒的背景下，應是在不影響鍋爐燃燒效率和安全性（結焦）的基礎上，盡可能降低NOx排放［4］。對于配置了空氣深度分級系統的鍋爐，應結合水冷壁貼壁氣氛情況，盡可能對燃盡風開度進行精細調整，以避免出現高溫腐蝕現象。

表5 周界風開度對鍋爐運行的影響

從2號爐的運行操作來看，運行人員習慣將緊湊、燃盡風門都開得較大，即緊湊燃盡風門開度為20%～30%，同時還將三層分離燃盡風門開度也設定為20%～30%，這樣可使2號爐的NOx濃度一般控制在250mg/Nm3以下。試驗結果表明，這樣設置燃盡風門開度，雖有利于降低NOx濃度，也沒有對爐內結焦產生多大影響，但容易引起風箱壓力偏低、爐溫水平下降和煤粉燃盡程度下降。因此，適當關小燃盡風門開度，對于提高風箱壓力和煤粉燃盡程度比較有利。

2.8 二次風配風方式的影響

從表6可以看出，與運行人員習慣采用的均等配風相比，正塔配風更有利于促進煤粉燃盡，鍋爐效率也處于較高水平。同時，配風形狀的改變對爐內氣流運動也有較大影響，在對NOx排放影響不大的情況下，正塔配風有利于減小燃燒器區上部的切圓并防止在溫度較高的該區域的結焦；倒塔配風降低了二次風的使用效率，但增強了分級配風效果，一般有利于NOx排放的降低；縮腰配風將燃燒器“分為”兩段布置，改善了上、下兩組燃燒器的配風條件，有利于防止氣流偏轉刷墻。

表6 配風方式對鍋爐運行的影響

各種配風方式對屏區和燃燒器區溫度的影響均較小，為了防止結焦，從煤粉氣流流動等方面考慮，縮腰配風最佳，其次是正塔、均等配風。若考慮經濟性，應優先考慮正塔配風方式。

2.9 燃燒器擺角的影響

從表7可以看出，燃燒器擺角變化對煤粉燃盡的影響較小，對排煙溫度的影響也不大，約在2 ℃左右，鍋爐效率略有下降。隨著燃燒器擺角從15°下擺至－15°，火焰中心位置大幅下降，燃燒器區溫度變化不大，屏區煙溫從1 045 ℃下降至973 ℃，擺角對屏區煙溫的影響較大，屏區結焦傾向減輕。從對NOx的影響來看，燃燒器下擺導致煤粉氣流在爐內高溫區停留時間延長，NOx排放增加。

表7 燃燒器擺角對鍋爐運行的影響

3 結論

隨著鍋爐技術的進步和對節能、環保、安全要求的提高，目前的大型電站鍋爐燃燒優化試驗已不再局限于提高鍋爐運行經濟性。神華煤鍋爐雖然具有較高的燃燒效率、較高的環保性能，但具有先天性的結焦較重、排煙溫度較高的問題。因此，目前的神華煤鍋爐燃燒調整的思路應是在重點研究防治鍋爐結焦、降低排煙溫度的基礎上，重點實現鍋爐低氮、高效、安全燃燒的綜合平衡。本文通過調整試驗，主要得到以下結論：

（1）從鍋爐的經濟性角度來看，目前影響鍋爐效率的主要因素是排煙溫度偏高，鍋爐修正后的排煙溫度普遍比設計值偏高10～15 ℃，約影響鍋爐效率1.0個百分點，這主要由制粉系統摻入過多冷風引起，并與空預器面積不足有關；

（2）鍋爐各主要運行參數變化對燃燒器區溫度水平的影響較小，只需盡量避免擺角過度下傾即可，在溫度水平較高的前提下，運行調整控制該區域結焦應主要從控制燃燒器區過量空氣系數、避免一次風氣流偏轉刷墻兩個方面著手；

（3）火焰中心位置對屏區煙溫及其結焦的影響較大，采用細煤粉、合適的周界風開度和氧量水平、中等偏低的一次風量、水平或略下傾的燃燒器擺角、開大COFA 風以及避免上大下小的倒塔配風方式等可起到控制屏區結焦的作用；

（4）鍋爐的NOx水平可以比較容易地通過燃盡風門開度的調整得到控制，建議將NOx排放濃度設定在250～300mg/Nm3附近運行，這樣即使是在氧量較低的情況下（3.3%左右），仍可以避免鍋爐結大的焦塊，即可同時滿足安全和環保要求；

（5）在兼顧鍋爐安全、經濟和環保方面的要求的前提下，建議煤粉細度R90＝20%左右、鍋爐負荷在80%ECR 以上時氧量在3.3%附近（70%負荷時為3.5%）、擺角水平位并適當上仰（可降低燃燒器區溫度）、一次風溫70 ℃、燃盡風采用COFA＝50%和SOFA＝15%的開度、周界風開度50%～60%（連續330 MW 負荷時建議75%）。

［1］李永華，楊臥龍，常建剛.300 MW 鍋爐優化燃燒調整試驗研究［J］.電站系統工程，2010，26（6）：7－9.

［2］馬天星，王恩祿，張偉，等.燃煤電站鍋爐運行參數對其熱效率影響的試驗研究［J］.鍋爐技術，2006，37（6）：21－25.

［3］馬曉偉，杜云華，黃波，等.300 MW“W”鍋爐制粉系統及燃燒優化調整試驗［J］.東方電氣評論，2006，20（4）：35－40.

［4］周昊.大型電站鍋爐氮氧化物控制和燃燒優化中若干關鍵性問題的研究［D］.杭州：浙江大學，2004.