提高旋流燃烧器燃烧经济性方法的探讨

2011-07-20周义刚薛泽海边疆天津电力科学研究院天津300384

资源节约与环保 2011年4期

周义刚薛泽海边疆（天津电力科学研究院，天津，300384）

前言

国电宁夏石嘴山发电有限责任公司330MW机组锅炉近年来出现了燃烧可燃物偏高、炉膛结焦，高温腐蚀等影响锅炉安全、经济运行的问题。为此通过优化燃烧解决炉内燃烧工况不佳影响安全、经济运行的问题，在该机组进行了扩大型小修后，对锅炉进行了优化燃烧试验。

1 设备概况

机组为330MW燃煤机组，锅炉为武汉锅炉股份有限公司制造的WGZ-1004/18.44-2型、亚临界压力、中间一次再热、自然循环、固态排渣炉，采用中速磨煤机直吹式制粉系统，系统配有4台MPS225中速磨煤机和两台一次离心式风机。锅炉燃烧室为膜式水冷壁，煤粉燃烧器为带有煤粉浓缩装置的轴向旋流燃烧器，采用前墙水平布置4层，每层6只，共24只。燃烧器旋流方向分为12只顺时针旋转和12只反时针旋转。

锅炉风、烟系统由送风系统和对流烟道组成，配有两台轴流式送风机、两台轴流式引风机、两台三分仓容克式空气预热器。

1.1 主要设计参数

燃烧器及其布置示意图

1.2 燃烧器设计参数

2 锅炉燃烧过程中存在的问题

2.1 实际运行中炉渣的可燃物含量较高，在炉渣中含有大量未燃尽黑色块状物，占10%，旋流燃烧器的稳燃齿上也附着黑焦；

2.2 通过实际观测发现，炉膛燃烧器区域炉膛前部和后部的火焰温度偏差较大；

2.3 B、C层燃烧器出口挂焦、折焰角下部水冷壁、屏式过热器有结焦现象；

2.4 水冷壁高温腐蚀严重，高温腐蚀区域水冷壁管子氧化皮厚度为0.8～1mm，有横向裂纹，进行了大面积换管。

3 影响锅炉燃烧的主要因素

3.1 一次风速

一次风速是锅炉控制燃烧的重要参数之一。根据煤质特性的差异控制不同的风速值，通过运行调整可以实现。但由于直吹式制粉系统磨煤机引出的一次风管的长度、弯头数量和型式的不同各条管道的阻力系数是不同的，在冷态纯气流条件下通过节流缩孔进行调平，调平前后的阻力系数计算式如下：

式中：Kg—纯空气状态下的阻力系数

λ0—沿程阻力系数

L—管道总长度米

D—管道直径米

ζ—局部阻力系数

ΔKg—节流缩孔的阻力系数

在锅炉实际运行中，一次风管流过的是空气与煤粉的混合物，通过对理论公式的推导和实际测量验证均表明纯空气与带粉状态下的阻力差别较大，换言之冷态下调平的各一次风管阻力在热态下是不平衡的。带粉状态下的阻力系数如下：

式中：Kμ—带粉状态下的阻力系数

μ—煤粉浓度 kg(粉)/kg（风）

C1、C2、C3—修正系数

为保持热态下各一次风管的阻力平衡，需要对缩孔进行热态调平或在冷态纯空气状态下对缩孔进行不平衡调整[4]。

3.2 煤粉浓度

煤粉浓度是锅炉燃烧控制的又一个重要参数。各燃烧器间的风粉分配不均，将直接影响燃烧器出口煤粉气流的着火及稳燃，各燃烧器的热负荷不同会造成火焰偏斜、炉膛热负荷和汽温偏差等问题。对于直吹式制粉系统煤粉浓度没有调整手段，只能间接的用节流缩孔调整一次风速来改善每根风管的煤粉浓度。

3.3 燃烧器型式

燃烧器的型式对锅炉的着火、燃烧、水冷壁的结焦和高温腐蚀有一定的的影响。双通道带有煤粉浓缩装置的轴向旋流燃烧器是低NOx燃烧器，其基本原理是“贫氧燃烧”，降低NOx浓度的关键是在燃烧区域内形成还原性气氛，以便将燃料中的氮元素变成稳定的N。为达到此目的，燃烧器采用了两级燃烧方式：即一次风采用旋流送入；二次风分为两级：少量轴向旋转的内二次风供燃烧初始阶段挥发份燃烧所用，大部分轴向旋转二次风从外二次风道送入，风量大、风速高，极大的提高了外二次风与煤粉气流的动压比，气流后期湍流混和强烈，使燃烧后期所需氧气及时输送到煤粉颗粒表面，促进未燃尽碳燃烧所用。但是保持燃烧器区域低过剩空气系数的设计特点却易造成煤粉在燃烧器区域的不完全燃烧，而含硫量较高的煤在不完全燃烧时，将产生腐蚀性很强的还原气体(HS、CO等)，若随煤粉气流到达水冷壁表面，壁面温度大于350℃就会发生高温腐蚀。

4 燃烧优化参数及结果分析

4.1 冷、热态一次风速调平

一次风速偏差大将直接影响各燃烧器着火情况，致使其燃烧工况出现偏差，从而导致炉内燃烧紊乱，造成炉膛出口烟温偏高，锅炉各段烟温及排烟温度上升。在冷、热态下均调平了各台磨煤机出口一次风管风速，通过调整一次风支管上的缩孔开度将四台磨各支管一次风速偏差值控制在5%以内。通过调整前后的数据（见表1）可以看出，冷态纯空气状态下调平后，热态带粉各一次风支管又出现了新的不平衡状态，影响燃烧的经济性，需要在锅炉额定负荷下和经常运行的负荷区间进行带粉状态下的一次风速调平。

4.2 煤粉浓度测量

对于直吹式制粉系统，由于同一台磨煤机各支管的煤粉流量在离开分离器后即无调节手段，所以，热态调平支管阻力后也只能达到风量调平。风量均衡对煤粉量的均匀有一定的改善作用。通过表2看出，风速调平后A、B磨煤机各管风粉浓度最大偏差比调整前减小了6%～10%，偏差较小的C、D磨煤机各管风粉浓度最大偏差比调整前也减小了1%～1.5%，因此风速调平对煤粉浓度的偏差有一定的改善作用，尤其对偏差较大的磨煤机各粉管，改善效果尤为明显。

表1 各台磨一次风管风速调平结果

表2 各台磨煤机一次风粉浓度调整前后结果

4.3 煤粉细度调整

单位质量的煤粉表面积越大，加热升温、挥发分的析出着火及燃烧反应速度越快，因而着火越迅速；煤粉细度越小，燃尽所需要的时间越短，飞灰可燃物含量越小，燃烧越彻底。运行中煤粉细度值偏大将直接导致煤粉进入炉内后着火延迟，从而出现炉内燃烧不稳、火焰中心上移、炉膛出口烟温高的现象，因此降低各台磨煤机特别是炉膛内上两层燃烧器对应磨煤机的煤粉细度值，有利于降低炉膛出口烟温，从而使锅炉排烟温度和炉渣可燃物降低。通过调整磨煤机分离器档板开度，使煤粉细度值控制在要求范围内。

根据表3的数据可知，调整前煤粉细度偏大，煤粉着火、燃烧靠后，中、下部水冷壁吸热量相对较少，燃烧主要集中在炉膛上部以及出口处，因此对磨煤机分离器档板开度进行了调整，A磨由75°调整到63°，B、C磨均由73°调整到66°，D磨由68°调整到66°，为消除锅炉的结焦、高温腐蚀，优化炉内燃烧状况，将下两层燃烧器对应的磨煤机煤粉细度平均值控制在21%以内，将上两层燃烧器对应的磨煤机煤粉细度平均值控制在19%以内。从表5的炉温测量结果可以看出调整前后炉膛温度变化情况达到预期的效果。

表3 各台磨煤机煤粉细度调整前、后结果

4.4 合理选择一次风速，确定磨煤机运行的最佳风煤比

一次风中的煤粉浓度（煤粉与空气的质量之比）对着火稳定性有很大影响。较高的煤粉浓度不仅使单位体积燃烧释热强度增大，而且单位容积内辐射粒子数量增加，运行中风粉气流的黑度增大，可迅速吸收炉膛辐射热量，使着火提前。一次风速偏高或偏低都会严重影响锅炉的安全、经济运行。一次风速偏高会导致煤粉着火及燃尽延迟，致使炉膛出口烟温升高，锅炉排烟温度上升，飞灰可燃物含量上升；运行中一次风速偏低可能会导致磨煤机堵煤或一次风管堵粉等问题，因此需要确定磨煤机的最佳风煤比。

在进行风煤比调整前，首先对各台磨煤机入口一次风量的测量装置的系数进行了修正，保证各台磨煤机入口一次风量的DCS显示值与实际值相符。然后在不同给煤量下，调整磨煤机入口风量，保证磨煤机出口各支管一次风速在30m/s左右，从而绘出各台磨煤机的风煤比曲线图。调整中发现磨煤机风门开度与入口风量的线性关系非常差，所以通过风压变换来控制风煤比，数据见表4，曲线见图1～图4。

表4 磨煤机风煤比数值

调整前一次风压相对较高，煤粉在炉膛内停留时间变短，使得中下部的燃烧份额减小，水冷壁吸热也减小，炉膛偏上部的热负荷就相应加大了。另外，锅炉燃烧器全部布置在前墙，较高的一次风压使得一次风刚性加强，炉内动力场为气流从前墙喷入，在靠近后墙部上升，锅炉后墙热负荷大于前墙，炉内热负荷分布不均匀。按试验得出的风煤比结果调整一次风压，有利于平衡炉膛内部热负荷分布，均匀燃烧，从而降低炉膛火焰温度，减小排烟温度偏差。

5 旋流燃烧器旋流强度的优化调整

旋流燃烧器内、外二次风叶片开度的大小直接影响煤粉进入炉膛后的及时着火和稳定燃烧。在最佳的一次风速条件下，合理地调整内、外二次风旋流叶片开度，从而保证足够的二次风旋流强度。内二次风量较小，可确保煤粉初期的燃烧反应；大部分空气从外二次风道送入，风量大、风速高，二次风对一次风气流的扰动、包裹能力能促进碳粒的充分燃烬，因此外二次风叶片角度对控制着火点的远近起决定性的作用。从表6的试验结果看出，改变不同的外二次风旋流强度对飞灰可燃物含量的影响较大，开大叶片角度，降低了外二次风旋流强度，增强了气流刚性和扰动能力，延长了燃烧行程，后期补氧效果好，有助于煤粉颗粒的燃尽，提高燃烧效率。