杨飞

摘 要：锅炉燃烧过程，是一个极其复杂的物理化学反应过程。在火力发电厂的运行中，由于电网负荷、燃料成分含量等各种实际因素的影响，锅炉实际运行状态应不断地进行调整。在确保锅炉蒸汽的品质、产量和安全运行的同时，实现锅炉的经济、环保运行，就必须要对锅炉的各项运行参数进行实时的优化调整和控制。该文通过对某超超临界机组四角切圆∏型直流炉二次风配比的优化调整试验，总结出二次风配比对锅炉安全性和经济性的影响，对锅炉运行调整具有指导意义，调整经验值得同类型锅炉借鉴。

关键词：超超临界锅炉 二次风 燃烧优化 汽温偏差 结渣 高温腐蚀

中图分类号：TK22 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）02（b）-0043-04

某电厂一期工程为（2×660）MW燃煤发电机组。锅炉为上海锅炉厂生产的超超临界参数变压运行直流炉，四角切向燃烧方式、一次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、露天布置、全钢构架的∏型直流炉。锅炉型号为SG-2037/26.15-M626型。锅炉采用摆动式四角切圆燃烧技术，设计煤种为神华石圪台煤、校核煤种为神华乌兰木伦矿。采用中速磨煤机一次风正压直吹式制粉系统，煤粉燃烧器为四角布置、切向燃烧、摆动式燃烧器。燃烧器共设置六层煤粉喷嘴，锅炉配置6台HP1003型中速磨煤机，每台磨的出口由4根煤粉管接至炉膛四角的同一层煤粉喷嘴，锅炉MCR和ECR负荷时均投5层，另一层备用，设计煤粉细度R90=18%。

1 燃烧器设计特点

燃烧方式采用低NOx同轴燃烧系统（LNCFS），低NOx煤粉燃烧系统设计的主要任务是减少挥发份氮转化成NOx，其主要方法是建立早期着火和使用控制氧量的燃料/空气分段燃烧技术。

LNCFS的主要组件为：（1）紧凑燃尽风（CCOFA）；（2）可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）；（3）预置水平偏角的辅助风喷嘴（CFS）；（4）强化着火（EI）煤粉喷嘴。

主风箱设有6层强化着火煤粉喷嘴，在煤粉喷嘴四周布置有燃料风（周界风）。在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置有1层辅助风喷嘴，其中包括上下2只偏置的CFS喷嘴，1只直吹风喷嘴。在主风箱上部设有2层CCOFA（Closed-coupled OFA，紧凑燃尽风）喷嘴，在主风箱下部设有1层UFA（Underfire Air，火下风）喷嘴。

在主风箱上部布置有SOFA（Separated OFA，分离燃尽风）燃烧器，包括5层可水平摆动的分离燃尽风（SOFA）喷嘴。

连同煤粉喷嘴的周界风，每角主燃烧器和SOFA燃烧器各有二次风挡板25组，均由气动执行器单独操作。为满足锅炉汽温调节的需要，主燃烧器喷嘴采用摆动结构，由内外连杆组成一个摆动系统，由一台电动执行器集中带动作上下摆动。

SOFA燃烧器同样由一台电动执行器集中带动作上下摆动。上述气动或电动执行器均采用进口的直行程或角行程结构，其特点是结构紧凑，控制简单，能适应频繁调节。

LNCFS在降低NOx排放的同时，着重考虑提高锅炉低负荷稳燃能力和燃烧效率。LNCFS在防止炉内结渣、高温腐蚀和降低炉膛出口烟温偏差等方面，同样具有独特的效果。

（1）良好的低负荷稳燃能力和燃烧效率。

LNCFS的设计理念之一是建立煤粉早期着火，提高锅炉不投油低负荷稳燃能力。与常规煤粉喷嘴设计比较，强化着火（EI）煤粉喷嘴能使火焰稳定在喷嘴出口一定距离内，使挥发份在富燃料的气氛下快速着火，保持火焰稳定，从而有效降低NOx的生成，延长焦碳的燃烧时间。

煤粉的早期着火提高了燃烧效率。LNCFS通过在炉膛的不同高度布置CCOFA和SOFA，将炉膛分成3个相对独立的部分：初始燃烧区、NOx还原区和燃料燃尽区。在每个区域的过量空气系数由3个因素控制：总的OFA风量，CCOFA和SOFA风量的分配以及总的过量空气系数。这种改进的空气分级方法通过优化每个区域的过量空气系数，在有效降低NOx排放的同时能最大限度地提高燃烧效率。

（2）良好的防结焦和高温腐蚀能力。

在每相邻2层煤粉喷嘴之间布置有1层辅助风喷嘴，其中包括2只CFS（偏置风）喷嘴，1只直吹风喷嘴。

采用同心切圆（CFS）燃烧方式，部分二次风气流在水平方向分级，在始燃烧阶段推迟了空气和煤粉的混合，NOx形成量少。由于一次风煤粉气流被偏转的二次风气流（CFS）裹在炉膛中央，形成富燃料区，在燃烧区域及上部四周水冷壁附近则形成富空气区，这样的空气动力场组成减少了灰渣在水冷壁上的沉积，并使灰渣疏松，减少了墙式吹灰器的使用频率，提高了下部炉膛的吸热量。水冷壁附近氧量的提高也降低了燃用高硫煤时水冷壁的高温腐蚀倾向。

（3）UFA（Underfire Air，火下风）喷嘴设计。

在每个主燃烧器最下部采用UFA喷嘴设计，通入部分空气，以降低大渣含碳量。

（4）采用可水平摆动调节的SOFA喷嘴设计控制炉膛出口烟温偏差。

炉膛出口烟温偏差是炉膛内的流场造成的，烟温偏差是一个空气动力现象。炉膛出口烟温偏差与旋流指数之间存在着联系。该旋流指数代表着燃烧产物烟气离开炉膛出口截面时的切向动量与轴向动量之比。

旋流值可以通过一系列手段减小，诸如减小气流入射角，布置紧凑燃尽风（CCOFA）喷嘴和分离燃尽风（SOFA）喷嘴，SOFA反切一定角度，以及增加从燃烧器区域至炉膛出口的距离等，使进入燃烧器上部区域气流的旋转强度得到减弱乃至被消除。

2 SOFA风对锅炉参数的影响

机组的试验负荷为660 MW，磨煤机运行组合为A、C、D、E、F磨煤机，试验期间煤质稳定，在试验过程中保持运行氧量在3.2%左右，蒸汽参数及磨煤机运行工况稳定。调整5层SOFA风门开度分别在80%和50%，主燃烧区风门开度自动并保持其整体配风方式基本不变，试验的主要运行参数和试验结果见表1所示。

从试验结果可以看出，SOFA风量减少后，炉膛出口CO排放浓度增加，锅炉效率有所下降，NOx排放浓度上升。

SOFA风水平摆角可调，以改变SOFA的旋转方向。当前设置的SOFA风切圆与下部主气流反切，为逆时针方向，除了降低NOx的作用外，SOFA风还起着消除炉膛出口气流残余旋转，减小炉膛两侧烟温偏差的作用。另外，试验过程中，SOFA风量减小后，低再出口汽温偏差和高再出口汽温偏差均有所增加。

SOFA风量减小后下部燃烧区域风量相对增加，主燃烧器区域温度水平升高。SOFA风量减小使得炉膛内逆时针方向旋转减弱，炉膛出口左侧烟温进一步升高，烟温偏差增大（见表2）。

3 CFS风对锅炉参数的影响

锅炉燃烧系统在每两层煤粉喷嘴之间设有两只偏置风喷嘴CFS，CFS喷嘴与一次风喷口偏置4°，切圆大于主切圆，其作用是一方面为一次风中煤粉继续燃烧补充所需空气，并起扰动、混合作用；另一方面，通过预置水平偏角，有利于炉膛形成风包火的燃烧状况，这样有利于防止炉膛壁面粘污、结焦，以及壁面的高温腐蚀。

维持机组负荷在660 MW左右，运行氧量控制在3.2%，运行磨组为A、C、D、E、F磨煤机，保持蒸汽参数稳定，偏置风门开度分别置于45%和60%进行试验，试验结果见表3所示。

从试验结果可以看出，偏置风门开大后，使得主燃烧区燃烧加强，分级燃烧程度减弱，因而锅炉效率略有升高，NOx排放浓度也有所升高。但同时还可以看出，偏置风门开大后，低再及高再出口汽温偏差略有增大。

图1为CFS风量对炉膛烟温的影响。从图1中可以看出，偏置风增加后，主燃烧区烟温升高，这是由于偏置风对煤粉气流形成卷吸，在近壁附近形成高速、高温的燃烧区域。偏置风加大对改善贴壁气氛有利，但烟温升高，亦可能增加结渣危险性，且偏置风加大，炉内气流残余旋转增强，对改善炉膛出口烟温偏差不利。

表4给出了偏置风对水平烟道内烟温的影响。偏置风顺时针切圆直径大于一次风切圆直径，偏置风增加会使炉内气流顺时针方向旋转强度增强。从测试数据可以看出，偏置风增加后，高过进口左右两侧烟温偏差加大，而高过出口烟温偏差变化不明显。综合考虑，偏置风门开度置于40%～50%即可。

4 燃料风对锅炉参数的影响

燃料风（周界风）可以扩大燃烧器对煤种的适应范围。在燃用较好的烟煤时，可以起到推迟着火、悬托煤粉、遏制煤粉颗粒离析，以及迅速补充燃烧所需氧气的作用。因此，对挥发分较高的易燃煤来说，其燃料风门开度可以开大些。但其也有阻碍高温烟气与出口气流掺混、降低煤粉浓度的一面，当燃用低挥发分或难着火煤时，会影响燃烧的稳定性。故当使用贫煤、无烟煤以及劣质烟煤时，应适当关小燃料风的挡板，以减少燃料风量和一次风的刚性，扩大切圆直径，使着火提前，适应煤种着火的要求。此外，燃料风的大小对锅炉汽温、锅炉NOx排放浓度也有一定影响。

为确定燃料风对炉内燃烧的影响，在660 MW电负荷下进行了变燃料风试验，维持负荷、蒸汽参数及磨煤机运行工况稳定，控制运行氧量在3.2%左右，运行磨组为A、C、D、E、F磨煤机。分别调整燃料风门开度至60%和30%，其他风门开度基本维持不变。变燃料风试验主要运行参数及结果见表5所示。

从试验结果看出，随着燃料风门开度的增大，NOx排放浓度下降。这是因为燃料风量增加后，一次风粉气流刚性增强，同时速度较高的燃料风还有障碍高温烟气与一次风粉气流的掺混，煤粉颗粒着火推迟；而燃料风对锅炉效率影响有限，同时燃料风减少后，主再热汽温均不同程度地降低。

图2为不同燃料风量下炉膛烟温的变化情况。从图中可以看出，燃料风量增加后，一次风粉气流刚性增强，火焰更加集中于炉膛中部，这有利于减轻水冷壁面结渣。同时速度较高的周界风还有障碍高温烟气与一次风粉气流的掺混，煤粉颗粒着火推迟，对降低NOx生成量有利。虽然屏区烟温略有升高，但问题不大。考虑到当前煤种优异的燃烧特性，燃料风门开度不低于50%。

5 炉膛壁面气氛测试

试验中通过抽取炉膛贴壁烟气，测试贴壁烟气中O2、CO及H2S的浓度，分析水冷壁的高温腐蚀倾向。测试工况机组负荷为660 MW左右，运行氧量在3.2%，运行磨组为A、C、D、E、F磨煤机，主燃烧区均等配风，SOFA风门开度在80%左右，燃料风门开度在60%左右，锅炉蒸汽参数稳定，根据现场测试条件，选取了4层截面进行了测试。测试结果显示，贴壁烟气中H2S含量均在50 ppm以下，CO浓度均在5 000 ppm以下，水冷壁区域未出现严重还原性气氛，当前锅炉水冷壁高温腐蚀倾向轻微。

6 结语

二次风的配比方式对安全性、经济性具有很大的影响，运行中通过合理配置燃料风、CFS风、COFA风，不但能够减少锅炉结焦、避免高温腐蚀，还能大大提高锅炉效率。另外，合理配置二次风，能抑制氮氧化物的生成量，大大减少脱硝系统的运行成本。

参考文献

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