330MW 神華煤鍋爐燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)研究

張丙剛 張大興

（神華國(guó)華惠州熱電分公司，廣東 惠州516082）

0 引言

國(guó)華惠州熱電廠(chǎng)一期工程新建的2臺(tái)330 MW 機(jī)組2號(hào)鍋爐系武漢鍋爐廠(chǎng)生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架的∏型汽包爐，設(shè)計(jì)燃用神混煤。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式，配備5臺(tái)HP863型碗式中速磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)煤粉細(xì)度R90＝18%。煤粉燃燒器采用20只帶偏置周界風(fēng)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(fēng)噴口，一、二次風(fēng)間隔布置，同時(shí)在燃燒器區(qū)上方布置3層分離式燃盡風(fēng)（SOFA），以實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)空氣的深度分級(jí)、進(jìn)一步降低NOx排放。鍋爐排渣系統(tǒng)采用鏈條式干式除渣機(jī)。

為控制單燒神華煤時(shí)鍋爐的結(jié)焦，2號(hào)鍋爐摻燒了25%的高灰熔點(diǎn)準(zhǔn)格爾煤。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，仍存在爐內(nèi)受熱面結(jié)焦較重的問(wèn)題；在夏季運(yùn)行期間，由于爐內(nèi)結(jié)焦和環(huán)境溫度升高，鍋爐的實(shí)際排煙溫度一直在155 ℃以上，比設(shè)計(jì)值125.6 ℃高約30 ℃，嚴(yán)重影響了鍋爐設(shè)備的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化燃燒調(diào)整試驗(yàn)，并提出了合理的鍋爐運(yùn)行方式。

1 測(cè)試方法及內(nèi)容

鍋爐優(yōu)化燃燒調(diào)整試驗(yàn)根據(jù)《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》（ASMEPTC4.1）按反平衡法計(jì)算鍋爐熱效率，熱值取低位發(fā)熱量。試驗(yàn)過(guò)程中主要測(cè)試方法如下［1］：

（1）煙氣溫度測(cè)量：空氣預(yù)熱器進(jìn)、出口煙道煙溫按代表點(diǎn)法用特制的K 型熱電偶測(cè)量，10～15min測(cè)一次，其代表點(diǎn)根據(jù)輔助試驗(yàn)測(cè)量面的溫度場(chǎng)確定，每一代表點(diǎn)孔上縱深方向按網(wǎng)格法裝有3個(gè)鎧裝熱電偶，以提高測(cè)量精度。送風(fēng)溫度用玻璃管溫度計(jì)測(cè)量。

（2）煙氣成分測(cè)量：空氣預(yù)熱器進(jìn)、出口煙氣中氧量和NOx濃度采用德國(guó)產(chǎn)的Testo350型煙氣分析儀按照網(wǎng)格法測(cè)量，每10～15min測(cè)量一次。

（3）原煤取樣：試驗(yàn)開(kāi)始前在給煤機(jī)處取樣，裝入磨口瓶?jī)?nèi)密封，每一試驗(yàn)工況取樣兩次，混合后進(jìn)行分析。

（4）煤粉取樣：煤粉取樣在一次風(fēng)管上按照等速取樣采取，裝入塑料袋內(nèi)，進(jìn)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(cè)量：采用紅外高溫儀通過(guò)鍋爐燃燒器區(qū)上部看火孔和屏區(qū)看火孔測(cè)量，作為結(jié)焦監(jiān)測(cè)手段之一。同時(shí)，人工觀察燃燒器區(qū)、屏區(qū)、爐底干渣機(jī)處結(jié)渣。

（7）運(yùn)行參數(shù)記錄：采用2號(hào)機(jī)組配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄與試驗(yàn)有關(guān)的運(yùn)行參數(shù)，每10min記錄一次。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 運(yùn)行氧量的影響

在維持其他運(yùn)行參數(shù)不變的條件下，以空預(yù)器出口氧量為變化參數(shù)，通過(guò)改變送風(fēng)機(jī)入口門(mén)來(lái)控制該參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 氧量對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

從表中可以看出，鍋爐在80%及以上負(fù)荷時(shí)，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(fù)荷時(shí)呈遞減趨勢(shì)，在滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)基本不變。這說(shuō)明，神華煤的燃燒特性?xún)?yōu)良，氧量控制在較低水平即可，氧量過(guò)度升高只會(huì)造成排煙損失增加而對(duì)降低飛灰含碳量無(wú)益。

家在五樓，沒(méi)有燈火，想必父親已經(jīng)睡了。蔣海峰爬上樓，掏出鑰匙開(kāi)門(mén)，聽(tīng)見(jiàn)屋里發(fā)出令人恐怖的喊聲：“哪個(gè)？”

另一方面，由于神華煤燃燒速度快，氧量升高對(duì)燃燒器區(qū)爐溫和屏區(qū)煙溫的影響均較小，從而說(shuō)明氧量變化對(duì)鍋爐結(jié)焦的影響也較小。但需要注意的是，氧量升高可以增強(qiáng)燃燒器區(qū)的氧化性氣氛，對(duì)于高鐵型的神華煤防止結(jié)焦來(lái)說(shuō)也是有利的［2］。在其他運(yùn)行參數(shù)不變的情況下，氧量對(duì)NOx的影響呈正相關(guān)性，即隨著氧量增加，NOx呈上升趨勢(shì)。

綜合考慮低氮、高效和防結(jié)焦的需要，在鍋爐負(fù)荷為80%ECR 以上時(shí)的運(yùn)行氧量控制在3.3%左右。

2.2 鍋爐負(fù)荷的影響

從表1還可以看出，對(duì)于神華煤鍋爐來(lái)說(shuō)，由于其優(yōu)良的燃燒特性，在80%ECR 以上負(fù)荷時(shí)，鍋爐效率均能保證較高水平，在保證值93.5%以上。在負(fù)荷下降時(shí)，由于運(yùn)行氧量會(huì)適當(dāng)提高，燃燒器區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)增加，NOx排放濃度呈升高趨勢(shì)，由220 mg/Nm3升高至250 mg/Nm3左右。鍋爐負(fù)荷在80%～100%ECR 范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，爐溫水平基本保持不變，若需要通過(guò)降負(fù)荷來(lái)減輕爐內(nèi)結(jié)焦，則將負(fù)荷降低至80%ECR以下。

2.3 煤粉細(xì)度的影響

通過(guò)調(diào)整磨煤機(jī)分離器擋板開(kāi)度，將煤粉細(xì)度R90值由25%調(diào)低至20%，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯S著煤粉細(xì)度下降，爐內(nèi)火焰中心下移明顯，不但屏區(qū)溫度出現(xiàn)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(xì)煤粉有利于提高鍋爐經(jīng)濟(jì)性、降低屏區(qū)受熱面結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。由于燃燒速度加快，放熱強(qiáng)度增加，燃燒器區(qū)溫度有所上升，使該區(qū)結(jié)焦傾向增加；但較細(xì)的煤粉顆粒慣性小，可以減少大顆粒偏轉(zhuǎn)刷墻的風(fēng)險(xiǎn)，也可以減輕水冷壁結(jié)焦［3］。另外，煤粉細(xì)度變化對(duì)NOx排放濃度的影響較小。因此，運(yùn)行過(guò)程中建議選取較低的煤粉細(xì)度，至少維持在設(shè)計(jì)值18%附近。

表2 煤粉細(xì)度對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

2.4 磨煤機(jī)運(yùn)行方式的影響

本項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行了停運(yùn)不同位置磨的影響試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。可以看出，磨停運(yùn)方式變化對(duì)鍋爐效率的影響較小，對(duì)NOx排放濃度的影響也不大（因測(cè)點(diǎn)位于SCR 脫硝裝置后）。從對(duì)鍋爐結(jié)焦的影響來(lái)看，停運(yùn)不同磨對(duì)主燃燒器區(qū)的溫度水平影響不大，但停上層磨時(shí)的屏區(qū)煙溫下降較為明顯，說(shuō)明對(duì)屏區(qū)結(jié)焦控制較為有利。一般來(lái)講，停中層磨有利于分散熱負(fù)荷、改善爐內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)狀況，減少煤粉氣流偏轉(zhuǎn)刷墻結(jié)焦。

表3 磨煤機(jī)運(yùn)行方式對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，為減輕結(jié)焦，運(yùn)行過(guò)程中建議優(yōu)先選擇停上層磨，這樣可以降低NOx排放，減輕屏區(qū)結(jié)焦和提高燃燒效率；為防止結(jié)焦，宜實(shí)行中間層和上層磨煤機(jī)定期倒磨制度，利用倒磨時(shí)的擾動(dòng)進(jìn)行掉焦，利用中間磨運(yùn)行來(lái)分散熱負(fù)荷、改善爐內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)狀況。

2.5 一次風(fēng)量（溫）的影響

在其他運(yùn)行參數(shù)不變的情況下，通過(guò)調(diào)整磨出口溫度，磨的通風(fēng)量和入口風(fēng)溫隨之發(fā)生改變，進(jìn)而改變通過(guò)空預(yù)器的一次風(fēng)量和排煙溫度，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。在一次風(fēng)溫從65 ℃提高至70 ℃后，磨煤機(jī)摻入的冷風(fēng)量減少，從110t/h下降至85t/h，則通過(guò)空預(yù)器的有組織的風(fēng)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(fēng)量增加，燃燒初期補(bǔ)入的氧量增加，煤粉燃燒過(guò)程提前，燃盡率提高，未燃碳熱損失也呈下降趨勢(shì)，鍋爐的效率升高0.29%。

表4 一次風(fēng)量(溫)對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

一次風(fēng)量升高后，由于燃燒提前，反而造成燃燒器區(qū)煙溫升高、屏區(qū)煙溫下降，這樣會(huì)增加燃燒器區(qū)結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)降低屏區(qū)結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)，但一次風(fēng)速提高也會(huì)減少煤粉氣流偏轉(zhuǎn)刷墻結(jié)焦的可能性，對(duì)減輕結(jié)焦有利。同時(shí)，一次風(fēng)量提高會(huì)使NOx生成濃度小幅提高。

總體來(lái)看，由于神華煤優(yōu)良的燃燒特性，一次風(fēng)量（溫）提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性是提高的，尤其對(duì)排煙溫度控制有利。因此，在保證制粉系統(tǒng)安全的情況下，應(yīng)適當(dāng)提高磨出口風(fēng)溫至70 ℃以上，以減少制粉系統(tǒng)摻入冷風(fēng)量。

2.6 周界風(fēng)開(kāi)度的影響

從表5可以看出，隨著周界風(fēng)門(mén)開(kāi)度變大，煤粉氣流著火、燃盡出現(xiàn)了提前的現(xiàn)象，爐內(nèi)燃燒充分，煤粉燃盡度提高，說(shuō)明在著火初期就補(bǔ)入較多的風(fēng)量可以促進(jìn)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(jīng)濟(jì)性，周界風(fēng)開(kāi)度宜保持在70%左右，較高的周界風(fēng)速還可以增強(qiáng)一次風(fēng)剛性，防止一次風(fēng)氣流偏轉(zhuǎn)刷墻引起結(jié)焦。周界風(fēng)開(kāi)度對(duì)NOx排放濃度的影響也較小。

2.7 燃盡風(fēng)開(kāi)度的影響

由于2號(hào)爐在設(shè)計(jì)時(shí)較多地采用了爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)，如采用低氮燃燒器和緊湊、分離燃盡風(fēng)技術(shù)，較好地達(dá)到了控制氮氧化物排放的目的，NOx排放控制不成問(wèn)題，但這需要一個(gè)前提，即在神混煤低氧燃燒的背景下，應(yīng)是在不影響鍋爐燃燒效率和安全性（結(jié)焦）的基礎(chǔ)上，盡可能降低NOx排放［4］。對(duì)于配置了空氣深度分級(jí)系統(tǒng)的鍋爐，應(yīng)結(jié)合水冷壁貼壁氣氛情況，盡可能對(duì)燃盡風(fēng)開(kāi)度進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，以避免出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。

表5 周界風(fēng)開(kāi)度對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

從2號(hào)爐的運(yùn)行操作來(lái)看，運(yùn)行人員習(xí)慣將緊湊、燃盡風(fēng)門(mén)都開(kāi)得較大，即緊湊燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度為20%～30%，同時(shí)還將三層分離燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度也設(shè)定為20%～30%，這樣可使2號(hào)爐的NOx濃度一般控制在250mg/Nm3以下。試驗(yàn)結(jié)果表明，這樣設(shè)置燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度，雖有利于降低NOx濃度，也沒(méi)有對(duì)爐內(nèi)結(jié)焦產(chǎn)生多大影響，但容易引起風(fēng)箱壓力偏低、爐溫水平下降和煤粉燃盡程度下降。因此，適當(dāng)關(guān)小燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度，對(duì)于提高風(fēng)箱壓力和煤粉燃盡程度比較有利。

2.8 二次風(fēng)配風(fēng)方式的影響

從表6可以看出，與運(yùn)行人員習(xí)慣采用的均等配風(fēng)相比，正塔配風(fēng)更有利于促進(jìn)煤粉燃盡，鍋爐效率也處于較高水平。同時(shí)，配風(fēng)形狀的改變對(duì)爐內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)也有較大影響，在對(duì)NOx排放影響不大的情況下，正塔配風(fēng)有利于減小燃燒器區(qū)上部的切圓并防止在溫度較高的該區(qū)域的結(jié)焦；倒塔配風(fēng)降低了二次風(fēng)的使用效率，但增強(qiáng)了分級(jí)配風(fēng)效果，一般有利于NOx排放的降低；縮腰配風(fēng)將燃燒器“分為”兩段布置，改善了上、下兩組燃燒器的配風(fēng)條件，有利于防止氣流偏轉(zhuǎn)刷墻。

表6 配風(fēng)方式對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

各種配風(fēng)方式對(duì)屏區(qū)和燃燒器區(qū)溫度的影響均較小，為了防止結(jié)焦，從煤粉氣流流動(dòng)等方面考慮，縮腰配風(fēng)最佳，其次是正塔、均等配風(fēng)。若考慮經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)優(yōu)先考慮正塔配風(fēng)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(duì)煤粉燃盡的影響較小，對(duì)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(qū)溫度變化不大，屏區(qū)煙溫從1 045 ℃下降至973 ℃，擺角對(duì)屏區(qū)煙溫的影響較大，屏區(qū)結(jié)焦傾向減輕。從對(duì)NOx的影響來(lái)看，燃燒器下擺導(dǎo)致煤粉氣流在爐內(nèi)高溫區(qū)停留時(shí)間延長(zhǎng)，NOx排放增加。

表7 燃燒器擺角對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

3 結(jié)論

隨著鍋爐技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)節(jié)能、環(huán)保、安全要求的提高，目前的大型電站鍋爐燃燒優(yōu)化試驗(yàn)已不再局限于提高鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。神華煤鍋爐雖然具有較高的燃燒效率、較高的環(huán)保性能，但具有先天性的結(jié)焦較重、排煙溫度較高的問(wèn)題。因此，目前的神華煤鍋爐燃燒調(diào)整的思路應(yīng)是在重點(diǎn)研究防治鍋爐結(jié)焦、降低排煙溫度的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)鍋爐低氮、高效、安全燃燒的綜合平衡。本文通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

（1）從鍋爐的經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)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(shè)計(jì)值偏高10～15 ℃，約影響鍋爐效率1.0個(gè)百分點(diǎn)，這主要由制粉系統(tǒng)摻入過(guò)多冷風(fēng)引起，并與空預(yù)器面積不足有關(guān)；

（2）鍋爐各主要運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)燃燒器區(qū)溫度水平的影響較小，只需盡量避免擺角過(guò)度下傾即可，在溫度水平較高的前提下，運(yùn)行調(diào)整控制該區(qū)域結(jié)焦應(yīng)主要從控制燃燒器區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)、避免一次風(fēng)氣流偏轉(zhuǎn)刷墻兩個(gè)方面著手；

（3）火焰中心位置對(duì)屏區(qū)煙溫及其結(jié)焦的影響較大，采用細(xì)煤粉、合適的周界風(fēng)開(kāi)度和氧量水平、中等偏低的一次風(fēng)量、水平或略下傾的燃燒器擺角、開(kāi)大COFA 風(fēng)以及避免上大下小的倒塔配風(fēng)方式等可起到控制屏區(qū)結(jié)焦的作用；

（4）鍋爐的NOx水平可以比較容易地通過(guò)燃盡風(fēng)門(mén)開(kāi)度的調(diào)整得到控制，建議將NOx排放濃度設(shè)定在250～300mg/Nm3附近運(yùn)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(jié)大的焦塊，即可同時(shí)滿(mǎn)足安全和環(huán)保要求；

（5）在兼顧鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面的要求的前提下，建議煤粉細(xì)度R90＝20%左右、鍋爐負(fù)荷在80%ECR 以上時(shí)氧量在3.3%附近（70%負(fù)荷時(shí)為3.5%）、擺角水平位并適當(dāng)上仰（可降低燃燒器區(qū)溫度）、一次風(fēng)溫70 ℃、燃盡風(fēng)采用COFA＝50%和SOFA＝15%的開(kāi)度、周界風(fēng)開(kāi)度50%～60%（連續(xù)330 MW 負(fù)荷時(shí)建議75%）。

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

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

［3］馬曉偉，杜云華，黃波，等.300 MW“W”鍋爐制粉系統(tǒng)及燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)［J］.東方電氣評(píng)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(yōu)化中若干關(guān)鍵性問(wèn)題的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2004.