對沖燃燒鍋爐熱負荷分配對爐內燃燒影響的試驗研究

李 德

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司華東電力試驗研究院，合肥 230088)

近兩年隨著國內煤炭價格的持續增長，燃煤發電機組燃料成本越來越高，為控制發電成本，各發電企業實際燃用煤種經常偏離設計煤種，為解決由此帶來的安全經濟運行問題，積極開展配煤摻燒[1-2]。印尼褐煤價格優勢明顯，但存在高水分、低灰熔點、低熱值的缺點，長期燃用印尼褐煤對機組的安全性和設備的使用壽命存在不同程度的影響。以沿海地區某電廠超臨界對沖燃燒鍋爐摻燒印尼褐煤時，因熱負荷分配不均導致的爐膛嚴重結焦為案例，分析爐膛結焦的原因和解決方法，可為同類型鍋爐的安全運行提供參考。

1 設備及問題

鍋爐前墻燃燒器由下往上依次是A、C、D；后墻燃燒器由下往上E、B、F，正常運行時A、E磨煤機燃用塔山煤，B、C、D、F燃用印尼褐煤，結焦期間E磨燃用印尼褐煤，燃用煤質狀況見表1。機組負荷在350 MW以下時采用A、C、E磨煤機運行方式；機組負荷在350～450 MW時采用A、C、E、B磨煤機運行方式；450～550 MW時采用A、E、C、B、F磨煤機運行方式；550 MW左右開始投用全部燃燒器。隨著負荷降低，前后墻水冷壁的壁溫偏差加大；左右側墻CO濃度急劇升高；爐側墻產生嚴重的結焦，焦塊掉落導致爐膛負壓波動，嚴重影響鍋爐的安全運行。

表1 燃用煤質分析

2 調整過程及分析

為解決熱負荷偏差造成的結焦問題，通過對熱負荷分配進行調整，緩解了結焦，同時水冷壁壁溫偏差以及偏燒帶來的還原性氣氛的偏差現象有所改善。調整主要方式如下：磨煤機投運方式；燃燒器旋流強度；燃盡風風門開度；磨煤機出力分配；磨煤機熱態風速調平；配風方式的改變。

2.1 爐膛溫度

450 MW負荷，爐膛下部A磨所對應的燃燒區域局部溫度最高達到1 500℃以上，參照結渣特性判別計算列表[4]可知，摻燒的印尼褐煤屬于極易結焦煤種，同時由于爐內熱負荷不均導致燃用印尼褐煤的燃燒器區域溫度在1 300℃以上，明顯高于煤種的軟化溫度，從而導致燃燒器附近水冷壁區域結焦。B、C磨對應的燃燒區域局部溫度明顯高于灰軟化溫度，當爐膛溫度高時煤灰呈融化或半融化狀態，熔融灰會直接粘結在受熱面上，產生結渣[5]。

2.2 水冷壁區域CO濃度

機組負荷在400 MW以下時，鍋爐左側墻貼壁還原性氣氛測量結果顯示CO濃度在3%左右，右側墻貼壁還原性氣氛測量結果顯示CO濃度在0.6%左右，鍋爐水冷壁左側墻還原性氣氛較強。隨著機組負荷的上升，投運的磨煤機增多，爐膛燃燒偏差現象有所緩解，左右側墻貼壁還原性氣氛分別為0.8%和0.3%，CO濃度分布偏差明顯改善。理論研究知道，還原性氣體能奪取灰中高價氧化物的氧，使其變成低價氧化物而降低熔點。鍋爐因缺氧引起不完全燃燒時，結渣的可能性就大[6]。同時，熱負荷不均造成局部高溫會進一步加劇結焦現象。

2.3 爐膛出口氧量分布

在各個典型負荷工況下測量了爐膛出口的O2和CO的濃度，結果如表2所示。

表2 爐膛出口氧量分布測量結果

由表2可知，隨著負荷降低，爐膛出口氧量增加但是CO濃度也隨之升高，與傳統理論不符。

2.4 結焦情況

負荷曲線與爐膛負壓曲線如圖1所示。在負荷較低時或者負荷由高降低后出現爐膛負壓波動，最大可達700 Pa左右，此時爐膛壁溫的溫度也會急劇變化，可以判斷出爐膛出現局部掉焦。由分析可以看出，負荷較低時以及鍋爐負荷降低時爐膛熱負荷都會發生明顯偏差，從而導致了爐膛的結焦。

圖1 爐膛負壓波動

2.5 壁溫分布與燃燒區域溫度

在350 MW工況左右，爐膛水冷壁壁溫趨勢呈現前墻高于后墻，燃燒器噴口區域火焰溫度也存在明顯差異。水冷壁壁溫見圖2。燃燒區域火焰溫度見圖3。

圖2 水冷壁壁溫

圖3 燃燒區域火焰溫度

通過圖2、圖3可以看出，前墻熱負荷明顯高于后墻，此時投運的磨煤機組合為A、C、E，其中A磨為塔山煤，C、E磨為褐煤。

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3 熱負荷分配的影響分析

3.1 爐膛各區域熱負荷計算

電廠上煤規律為A、E磨煤機燃用塔山煤，B、C、D、F燃用印尼褐煤。印尼褐煤高水特性造成實際B、C、D、F磨煤機出力僅42 t/h，A、E磨煤機實際出力54 t/h。投運A、E、B、C四臺磨煤機運行時，A磨輸入熱量占比高達28.4%，前墻輸入熱值占比52.3%，后墻輸入熱占比47.7%。A、E、B三臺磨煤機運行時，前后墻輸入熱量分別占比49.1%和50.9%，并且A磨輸入熱量占比即高達49.1%；采用A、C、E三臺麼煤機運行時，各臺磨熱負荷分配不均現象更加明顯，A磨輸入熱占比49.1%；前墻輸入熱占比高達74.5%，后墻輸入熱占比僅25.5%。

在三磨運行時，前墻燃燒器區域火焰溫度達到1 500℃，后墻燃燒器區域火焰溫度1 280℃，溫度偏差達到200℃以上，SCR入口CO濃度為1.3%；在四磨運行時，前墻燃燒器區域火焰溫度達到1 440℃，后墻燃燒器區域火焰溫度僅1 350℃，偏差僅90℃，SCR入口CO濃度為0.3%。隨著投運燃燒器的增多，熱負荷偏差和CO濃度均有所緩解。

前后墻投入燃燒器數量偏差和磨煤機磨制不同煤種時的出力偏差，造成爐膛內部各區域輸入熱負荷存在明顯偏差，并且投入磨煤機越少，熱負荷分配不均情況越嚴重。

3.2 配風的影響

正常運行工況下，運行人員根據燃燒器投用情況和磨煤機出力均等配風，無法有效調節輸入熱量不均導致的熱負荷不均。由分析認為，可以通過燃燒區域的熱負荷調節風量大小，實現“按需配風”。

另一方面，熱態調平一次風速和煤粉濃度，保證一次風速偏差小于5%，煤粉濃度偏差小于10%，以降低同一臺磨煤機出口5只燃燒器之間熱負荷偏差。通過對偏差粉管進行熱態一次風調平后前后墻燃燒器對應區域火焰溫度均低于1 400℃，前后墻熱負荷均勻性得到提高。

按需配風前鍋爐左側墻貼壁還原性氣氛測量結果顯示CO濃度在2.7%左右，右側墻貼壁還原性氣氛測量結果顯示CO濃度在0.7%左右，鍋爐水冷壁左側墻還原性氣氛較強。隨著配風方式的改變，爐膛燃燒偏差現象有所緩解，左右側墻貼壁還原性氣氛分別為0.9%和0.3%，CO分布偏差明顯改善。

3.3 磨投入臺數的影響

以350 MW工況為例，投運三臺磨煤機和四臺磨煤機對比，燃燒器區域火焰溫度偏差由220℃降低到90℃；前后墻熱負荷偏差由49.0%降低至4.6%；兩側墻CO濃度偏差由2.4%降低至0.5%，分析認為隨著磨煤機投用數量的增加，熱負荷偏差、燃燒區域火焰溫度、CO濃度偏差均不同程度緩解，爐內的燃燒均勻性更佳，對鍋爐的安全經濟運行更為有利。

3.4 燃盡風的影響

鍋爐負荷在負荷較低時，保持二次風量不變的前提下，開大燃燒器上層的燃盡風風門，保持下層二次風門開度，使爐內燃燒推遲，配風方式呈倒寶塔狀，弱化了底層燃燒[7]，降低了底層燃燒器區域的火焰溫度。前后墻輸入熱偏差無法避免時，相應的燃盡風量也需要和輸入熱一致，輸入熱高側的燃盡風門開度應相應開大，二次風的配比實質上是要根據摻燒煤質的特性，充分協調好外二次風、內二次風和燃盡風三者在不同負荷段的配合關系[8]，進一步避免了結焦現象的發生。

4 結語

機組負荷450 MW、采用A、B、C、E磨煤機運行方式，鍋爐爐膛溫度場測試結果表明，爐膛局部溫度偏差達200℃。熱負荷偏差使爐內形成局部高溫區甚至極高溫區，加劇了鍋爐結焦[3]。

摻燒的印尼褐煤屬于極易結焦煤種，同時由于爐內熱負荷不均導致燃用印尼褐煤的燃燒器區域溫度在1 300℃以上，明顯高于煤種的軟化溫度，從而導致燃燒器附近水冷壁區域結焦。

爐內熱負荷分配對爐內燃燒影響至關重要，不解決好熱負荷分配不均的現象，不但會影響鍋爐經濟性，同時也會危及鍋爐的安全運行。通過調整后對比鍋爐同負荷下爐膛溫度發現，平均溫度比調整前低100℃，A磨對應區域的局部極高溫區有所減輕。如果偏差無法完全避免，應從以下方面考慮，盡量減小熱負荷不均對鍋爐燃燒的影響。

(1)燃燒煤種之間熱值偏差較大時，充分考慮各臺磨煤機輸入熱量分配比例及爐內燃燒熱負荷分布，合理優化磨煤機組合方式避免熱負荷過于集中形成局部高溫區。

(2)根據熱負荷分配特點“按需配風”，避免因主燃燒區域的還原性氣氛降低了燃用煤種的灰熔點，加強熱負荷較低的燃燒器的燃燒，避免加劇爐膛結焦。

(3)燃燒器噴口風速偏差造成燃燒器區域流場存在不均現象從而導致熱負荷分配不均加劇，更易結焦；調整一次風速偏差在5%以內，減少熱負荷分配不均。

(4)通過優化磨煤機運行組合方式降低爐膛溫度，避免燃燒熱負荷過于集中，開展磨煤機低出力運行研究。結焦嚴重時，適當通過多投入一臺磨煤機分散燃燒熱負荷，可有效緩解水冷壁和燃燒器結焦。

(5)開大兩側二次風擋板開度增加了二次風剛性，可有效避免了氣流刷墻，減輕側墻區域還原性氣氛濃度，有助于抑制結焦。