600MW前后墻對沖燃燒鍋爐降低排煙溫度的試驗研究

高 遠(yuǎn)，秦 鵬，岳峻峰

（江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211102）

某電廠1號鍋爐自投產(chǎn)后排煙溫度較高，平均溫度在150℃，對脫硫系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成了威脅，亦對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性帶來不利的影響。因此，有必要分析造成該鍋爐排煙溫度偏高的原因，并通過優(yōu)化調(diào)整使鍋爐機(jī)組的運行工況更趨合理，以達(dá)到降低排煙溫度，提高鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運行水平的目的。

1 設(shè)備概況

1.1 研究對象

1號鍋爐為超臨界參數(shù)直流爐，鍋爐裝設(shè)脫硝系統(tǒng)，采用固態(tài)排渣，型號為HG-1965/25.4-YM5，設(shè)計燃用東勝神府煤。采用前后墻對沖燃燒方式，前后墻分別布置3層LNASB型低NOx軸向旋流燃燒器，每層5只，最上層煤粉燃燒器上方布置1層燃盡風(fēng)口，前后墻各布置5只，兩側(cè)墻各布置3只。采用HP1003中速磨煤機(jī)直吹式正壓冷一次風(fēng)制粉系統(tǒng)。燃燒器形式如圖1所示。

圖1 LNASB型軸向旋流燃燒器

1.2 煤質(zhì)特性

試驗期間機(jī)組額定負(fù)荷運行，試驗煤種為混煤。鍋爐設(shè)計煤種以及試驗煤種數(shù)據(jù)如表1所示。試驗所用煤質(zhì)低位發(fā)熱量在19.48～21.14 MJ/kg，平均低于設(shè)計值14%，原煤水分較設(shè)計值高6%。文獻(xiàn)[1]指出排煙溫度大致與收到基水分War呈正比，與發(fā)熱量Qnet，ar呈反比。因此，煤質(zhì)偏離設(shè)計值較大是鍋爐排煙溫度較高的一個主要原因。

表1 煤的特性分析

2 影響因素分析

一般情況下，排煙溫度升高10～15℃，排煙損失增加1%[2]。該爐設(shè)計排煙溫度為128℃，實際排煙溫度較設(shè)計值高20℃左右，嚴(yán)重制約了鍋爐熱效率的提升。鍋爐排煙溫度較高是由于以下原因：（1）漏風(fēng)(包括爐膛漏風(fēng)、制粉系統(tǒng)漏風(fēng)、煙道漏風(fēng)、空預(yù)器漏風(fēng))[3]；（2） 燃燒調(diào)整控制問題；（3）煤質(zhì)偏離設(shè)計值較大；（4）空預(yù)器換熱能力差。

由于環(huán)境溫度波動對排煙溫度有一定的影響，因此，按照ASME PTC4.1標(biāo)準(zhǔn)對排煙溫度進(jìn)行了修正。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 燃燒總風(fēng)量特性分析

過量空氣系數(shù)α能夠反應(yīng)進(jìn)入爐內(nèi)的燃燒總風(fēng)量。α過小，則空氣供應(yīng)量少，在空預(yù)器換熱能力一定的情況下將導(dǎo)致排煙溫度的上升；α過大，則空氣供應(yīng)量大，導(dǎo)致爐內(nèi)溫度下降，增加煙氣量，亦導(dǎo)致排煙溫度上升[4]。因此，需要通過燃燒優(yōu)化調(diào)整尋找一個最佳過量空氣系數(shù)。總風(fēng)量的調(diào)整是在各臺磨煤機(jī)進(jìn)口一次風(fēng)量基本不變的前提下進(jìn)行的，即通過送風(fēng)機(jī)的調(diào)整來改變總風(fēng)量大小，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 過量空氣系數(shù)的影響

隨著α由1.15增加到1.23，排煙溫度先降低后升高。在α為1.19時，排煙溫度達(dá)到最低值，說明此時α的增加導(dǎo)致空預(yù)器對煙氣熱量的利用率增加。而總風(fēng)量對飛灰含碳量的影響則是符合預(yù)期的，隨著α的增加，飛灰含碳量總體上較低且逐漸降低，當(dāng)α大于1.19時，其變化已不明顯。

3.2 不同層燃燒器風(fēng)量分配特性的影響分析

調(diào)整二次風(fēng)風(fēng)門開度，可以將燃燒所需風(fēng)量分階段送入爐內(nèi)，改變火焰中心，達(dá)到對排煙溫度調(diào)整的目的。從爐底至爐頂?shù)亩物L(fēng)箱共4層，分別取風(fēng)門開度為80/75/60/85（定義為束腰配風(fēng)）、80/80/80/80（定義為均等配風(fēng)）以及75/75/75/100（定義為T型配風(fēng)）進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)量分配特性試驗數(shù)據(jù)

從表2中看出，采用束腰配風(fēng)方式運行，由于下層風(fēng)量較大，火焰中心向下偏移，燃盡風(fēng)量較大可以補(bǔ)充中間層完全燃燒所需風(fēng)量，同時對火焰有一定的壓制效果，因此鍋爐排煙溫度最低。T型配風(fēng)燃燒區(qū)域風(fēng)量分布均勻，火焰中心稍高，但由于燃盡風(fēng)對火焰的壓制效果，其排煙溫度次低。采用均等配風(fēng)方式運行排煙溫度最高，較排煙溫度最低的束腰配風(fēng)高2.5℃。而飛灰含碳量則是T型最低，束腰次之，均等最高，其主要原因是上層風(fēng)（OFA）的份額增加所致，由于OFA沿四壁布置，增加OFA即意味著增強(qiáng)了OFA的擾動能力，使得焦炭粒子在爐內(nèi)的停留時間相對延長，對降低排煙溫度和灰渣含碳量均比較有利。

3.3 燃燒器調(diào)整分析

LNASB型低NOx軸向旋流燃燒器二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)射入爐膛，先與一次風(fēng)射流作用形成回流區(qū)，抽吸高溫?zé)煔猓悍垲w粒較早的進(jìn)入回流區(qū)時，煤粉可以在回流區(qū)內(nèi)著火燃燒，放出的熱量可以提高回流區(qū)的煙溫[5]，在回流區(qū)尾部進(jìn)入回流區(qū)的煤粉，若在進(jìn)入爐內(nèi)后還未著火，則隨煤粉帶入回流區(qū)的是大量低溫氣流，致使回流區(qū)溫度下降[6,7]。因此，煤粉較早進(jìn)入回流區(qū)可以強(qiáng)化煤粉的著火燃燒[8]?；亓鲄^(qū)的強(qiáng)度可通過二次風(fēng)量和二次風(fēng)旋流強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。此后，帶有強(qiáng)烈旋流的三次風(fēng)隨之噴入，與含煤粉氣流的二次風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)烈的混合，以穩(wěn)定燃燒，供給煤粉顆粒進(jìn)一步燃燒所需氧量。

通過試驗合理配置燃燒器二、三次風(fēng)配比、旋流強(qiáng)度以及同層燃燒器總風(fēng)量的分配，可以使各燃燒器熱負(fù)荷均勻，優(yōu)化各燃燒器燃燒，降低排煙溫度。

3.3.1 二次風(fēng)比率調(diào)整分析

二次風(fēng)比率由二次風(fēng)拉桿控制，調(diào)整二次風(fēng)拉桿可以改變?nèi)紵鞯亩?、三次風(fēng)分配比例及二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度。由于燃煤為較易結(jié)渣的煙煤，二次風(fēng)比率過大將導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)渣，故安排將二次風(fēng)率置于中等比率和最低比率進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 二次風(fēng)分配比率調(diào)整試驗數(shù)據(jù)

二次風(fēng)分配比率降低，中心回流區(qū)減小，二次風(fēng)進(jìn)入燃燒氣流的時間延遲。對于易燃燒煤種，要求在燃燒器出口迅速補(bǔ)充二次風(fēng)[9]，否則會影響到煤粉初期燃燒，煤粉燃燒行程增加，火焰中心上移，排煙溫度升高。二次風(fēng)分配比率最低的排煙溫度較中等比率的排煙溫度升高了3.2℃。在二次風(fēng)比率改變的試驗中，飛灰含碳量變化較小，均保持在較好的燃盡效果。

3.3.2 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度調(diào)整分析

隨著三次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，回流區(qū)的長度和直徑均增大，回流區(qū)直徑比增大，射流擴(kuò)展角也增大，當(dāng)擴(kuò)展角過大，容易產(chǎn)生飛邊現(xiàn)象或開式中心回流，造成燃燒不穩(wěn)[10]，容易燒壞燃燒器和產(chǎn)生結(jié)渣。分別將三次風(fēng)旋流強(qiáng)度調(diào)整至中等強(qiáng)度及最弱位置進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 三次風(fēng)旋流強(qiáng)度調(diào)整試驗數(shù)據(jù)

從表4中看出，隨著三次風(fēng)旋流強(qiáng)度的減弱，排煙溫度降低。其主要原因是三次風(fēng)占燃燒空氣份額較大，加強(qiáng)三次風(fēng)旋流，加劇了爐內(nèi)燃燒，提高了爐膛溫度，相應(yīng)地也影響到鍋爐尾部煙道煙氣溫度的上升，進(jìn)而排煙溫度升高。此外，從火焰形態(tài)看，在三次風(fēng)旋流強(qiáng)度中等時氣流在旋口內(nèi)迅速擴(kuò)展，火焰根部擴(kuò)展角大，火焰當(dāng)中的高溫煤灰粒子易接觸爐墻并沉積，有結(jié)渣現(xiàn)象。因此，減弱三次風(fēng)的旋流強(qiáng)度不僅對降低排煙溫度有利，而且對燃燒器結(jié)渣的預(yù)防也有好處。由于燃煤為較易著火的煙煤，2個工況中的飛灰含碳量均較低。

3.3.3 同層燃燒器風(fēng)量分配方式變化的影響

進(jìn)入燃燒器的總風(fēng)量由三次風(fēng)擋板控制，該爐同層布置5個燃燒器（從左至右編號1—5號），共用一個大風(fēng)箱。為有效指導(dǎo)試驗，先利用CFX數(shù)值模擬軟件對同層燃燒器間的流場進(jìn)行了模擬。同層燃燒器間速度分布如表5所示。

表5 同層燃燒器風(fēng)速及靜壓模擬數(shù)據(jù)

從流體模擬計算情況看，1號、5號燃燒器風(fēng)速最高，3號燃燒器風(fēng)速最低。為了優(yōu)化同層燃燒器間各只燃燒器的燃燒效果，分別將1號、3號、5號燃燒器三次風(fēng)擋板關(guān)25%（定義為雙峰）與將5只燃燒器三次風(fēng)擋板調(diào)整至全開（定義為均等）進(jìn)行對比試驗，試驗結(jié)果如表6所示。

從試驗結(jié)果看，同層燃燒器三次風(fēng)采用雙峰型較采用均等型排煙溫度下降0.8℃，效果不明顯。其主要原因是1號、3號、5號燃燒器三次風(fēng)擋板關(guān)小后，同層燃燒器總風(fēng)量更趨均勻，各燃燒器熱負(fù)荷均勻，可以消除局部高溫現(xiàn)象，改善燃燒效果，進(jìn)而降低排煙溫度。但不管同層燃燒器風(fēng)量分配如何改變，由于相鄰異向旋轉(zhuǎn)的火炬有相互作用，熱質(zhì)交換強(qiáng)烈，燃燒不致明顯變差，因此，同層燃燒器風(fēng)量分配方式的變化對排煙溫度的影響有限。如前所述由于燃煤為較易著火的煙煤，同層燃燒器風(fēng)量的改變未對飛灰含碳量造成明顯影響，2個工況中的飛灰含碳量均較低。

表6 同層三次風(fēng)量調(diào)整試驗數(shù)據(jù)

3.4 制粉系統(tǒng)的影響

3.4.1 一次風(fēng)量的影響

一次風(fēng)量主要滿足煤粉的前期燃燒，與煤質(zhì)揮發(fā)分關(guān)系密切，對制粉系統(tǒng)的運行和煤粉顆粒的著火影響很大[11]。該爐額定出力運行期間，磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量在108 t/h左右，而其設(shè)計通風(fēng)量為98 t/h，實際運行風(fēng)量超出設(shè)計值約10%，這是導(dǎo)致鍋爐排煙溫度較高的原因之一。磨煤機(jī)一次風(fēng)量調(diào)整試驗數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 一次風(fēng)量調(diào)整前后試驗數(shù)據(jù)

在磨煤機(jī)出口溫度一定的情況下，一次風(fēng)量降低，其中摻雜的冷一次風(fēng)量也減少，制粉系統(tǒng)漏風(fēng)率變小，流經(jīng)空氣預(yù)熱器的風(fēng)量增加，從而導(dǎo)致排煙溫度下降[12]。同時，一次風(fēng)量增加后，煤粉細(xì)度變粗，火焰中心上移，對降低排煙溫度不利。試驗期間，磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量由108 t/h調(diào)整到100 t/h后，排煙溫度下降2.7℃。

3.4 .2 磨煤機(jī)出口溫度的影響

從燃燒的角度看，一次風(fēng)溫越高越好，但實際運行中為了保證制粉系統(tǒng)安全運行，需對一次風(fēng)溫有所限制。該鍋爐燃煤為高揮發(fā)分易燃混煤，出于磨煤機(jī)安全運行的考慮，電廠過于保守的把磨煤機(jī)出口運行溫度控制在65℃，低于普通煙煤鍋爐一次風(fēng)溫的控制值，有必要通過提高磨煤機(jī)出口溫度來降低排煙溫度。試驗期間將磨煤機(jī)出口溫度從65℃提高到75℃，具體結(jié)果如表8所示。

圖8 磨煤機(jī)出口溫度調(diào)整前后試驗數(shù)據(jù)

磨煤機(jī)出口溫度越低，則在磨煤機(jī)入口前摻入的冷一次風(fēng)比例越大，即流過空預(yù)器進(jìn)行換熱的風(fēng)量降低，引起排煙溫度升高。同時，磨煤機(jī)出口溫度低，使進(jìn)入爐膛的風(fēng)粉混合物溫度降低，燃燒延遲，也會造成排煙溫度升高。該鍋爐燃煤全水分較高，平均值在20%，在煤粉干燥過程中會吸收大量汽化潛熱。因此，提高磨煤機(jī)進(jìn)、出口溫度可大幅降低排煙溫度。調(diào)整后，排煙溫度下降4.1℃，效果顯著。

3.5 空預(yù)器換熱能力分析

通過優(yōu)化調(diào)整，鍋爐最低排煙溫度較最高排煙溫度降低11.8℃，排煙溫度偏高的現(xiàn)象得到了緩解，但仍高于設(shè)計值?？疹A(yù)器性能分析如表9所示，試驗工況的空預(yù)器進(jìn)口煙溫遠(yuǎn)低于設(shè)計值，二者相差13.8℃，空預(yù)器出口一、二次風(fēng)溫較設(shè)計值明顯偏低，而排煙溫度在經(jīng)過基準(zhǔn)溫度修正后仍高于設(shè)計值15.8℃，試驗工況傳熱溫壓較設(shè)計值偏低將近20℃。需特別指出的是，試驗工況是在試驗煤種水分較設(shè)計煤種水分高6%的前提下進(jìn)行的，為了保證磨煤機(jī)的出口溫度，此時的制粉系統(tǒng)摻冷風(fēng)量已低于設(shè)計冷風(fēng)量。期間，電廠專業(yè)人員也對爐膛和煙道進(jìn)行了細(xì)致地查漏，未發(fā)現(xiàn)明顯的漏風(fēng)點。因此，可以推斷排煙溫度偏高的問題與空預(yù)器的換熱性能未達(dá)設(shè)計值有關(guān)。其可能主要是以下原因所致：（1）空預(yù)器換熱面積不足；（2）鍋爐設(shè)計裝設(shè)脫硝裝置，為減輕空預(yù)器腐蝕而在冷端加涂陶瓷，使空預(yù)器熱交換能力下降；（3）設(shè)計中簡單地把空預(yù)器進(jìn)口一、二風(fēng)溫等同，實際中空預(yù)器進(jìn)口一次風(fēng)溫較二次風(fēng)溫有較大提高。

4 結(jié)束語

通過分析、調(diào)整對鍋爐排煙溫度有所影響的各種因素，得出如下結(jié)論：（1）過量空氣系數(shù)由1.15增加到1.23，排煙溫度先降低后上升。（2）在不同層燃燒器風(fēng)量分配方式中，束腰配風(fēng)方式運行時，鍋爐的排煙溫度最低；同層燃燒器風(fēng)量分配方式變化對排煙溫度的影響較小。（3）提高燃燒器二次風(fēng)分配比率和降低三次風(fēng)旋流強(qiáng)度均可降低鍋爐排煙溫度。（4）制粉系統(tǒng)運行方式對排煙溫度影響較大。降低磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量和提高磨煤機(jī)進(jìn)、出口溫度均對降低排煙溫度有益，其中提高磨煤機(jī)進(jìn)、出口溫度的影響尤為明顯。（5）空預(yù)器換熱能力不足是導(dǎo)致鍋爐排煙溫度偏高的主要因素之一。

表9 空預(yù)器換熱性能分析 ℃

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