前后墻對(duì)沖旋流燃燒鍋爐爐膛結(jié)渣試驗(yàn)研究和改造實(shí)踐

黨林貴，陳國(guó)喜，王春玉，李 敏，崔二光，許明峰

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州450016；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州450052）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需求和電力工業(yè)的快速發(fā)展，近年來我國(guó)各地建造、投運(yùn)了眾多大容量、高參數(shù)燃煤火電機(jī)組，其中以1 000 MW、600 MW 超臨界機(jī)組為主力機(jī)組.在這些機(jī)組中，部分鍋爐采用前后墻對(duì)沖旋流燃燒技術(shù)，而爐膛結(jié)渣是這種機(jī)組運(yùn)行最常見的安全問題之一.

研究表明，旋流燃燒器出口氣流的形態(tài)和回流區(qū)的大小對(duì)前后墻對(duì)沖旋流燃燒鍋爐爐膛結(jié)渣具有十分重要的影響.目前，研究流場(chǎng)常用的方法是采用實(shí)物模型和現(xiàn)場(chǎng)冷態(tài)試驗(yàn)［1］，但這些方法存在工況數(shù)量少、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響到爐膛結(jié)渣問題的分析和研究，所以結(jié)合數(shù)值模擬方法綜合分析才能夠很好地解決這一問題［2］.

某發(fā)電廠2×600 MW 超臨界機(jī)組鍋爐是國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓直流爐，自投產(chǎn)以來曾出現(xiàn)掉渣現(xiàn)象，引起鍋爐燃燒波動(dòng)，引發(fā)機(jī)組滅火，掉落的大渣砸壞冷灰斗，導(dǎo)致機(jī)組非正常停機(jī)，嚴(yán)重影響了鍋爐的安全運(yùn)行.

通過對(duì)該鍋爐結(jié)渣部位的查看和脫落焦渣形貌的觀察，采用示蹤飄帶對(duì)燃燒器冷態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行觀測(cè)和分析，結(jié)合計(jì)算機(jī)預(yù)示技術(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)值模擬，找出了爐膛結(jié)渣的原因，并提出了相應(yīng)的治理措施.

1 鍋爐及燃燒設(shè)備

該鍋爐型號(hào)為DG 1900／25.4-Ⅱ4，是超臨界參數(shù)變壓直流爐，采用前后墻對(duì)沖旋流燃燒方式.

如圖1所示，在爐膛前后墻螺旋水冷壁上分3層分別布置2×12只低NOx旋流燃燒器，在最上層燃燒器之上布置有一層2×6個(gè)燃盡風(fēng)風(fēng)口，其中前后墻上各安裝有4個(gè)主燃盡風(fēng)風(fēng)口，在主燃盡風(fēng)風(fēng)口的兩側(cè)各安裝有2個(gè)側(cè)燃盡風(fēng)風(fēng)口.燃燒器的氣流分為3股：中心為直流一次風(fēng)攜帶煤粉；最外側(cè)為旋流外二次風(fēng)，為燃燒提供主要的氧氣；一次風(fēng)和外二次風(fēng)之間為旋流內(nèi)二次風(fēng)，其主要作用是為煤粉初期著火提供少量的氧氣.具體結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)［3］中的DBC-OPCC-Ⅰ型燃燒器.

圖1 燃燒器布置示意圖Fig.1 Arrangement of the burners

2 結(jié)渣原因分析

在分析鍋爐爐膛結(jié)渣的原因之前，首先對(duì)鍋爐結(jié)渣狀況進(jìn)行了檢查，根據(jù)檢查獲得的鍋爐結(jié)渣部位及焦渣的形貌等資料，進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，并對(duì)實(shí)際燃煤的結(jié)渣性進(jìn)行了測(cè)試分析.

2.1 鍋爐結(jié)渣狀況檢查

通過對(duì)鍋爐運(yùn)行以及停爐檢修期間結(jié)渣情況的檢查，發(fā)現(xiàn)鍋爐結(jié)渣集中于前后墻燃燒器周邊區(qū)域，沿著燃燒器周邊的水冷壁管逐漸向外擴(kuò)展，而鍋爐其他區(qū)域基本沒有明顯的結(jié)渣跡象.

圖2 為鍋爐掉渣時(shí)在撈渣機(jī)上拍到的焦渣照片.鍋爐運(yùn)行時(shí)落入撈渣機(jī)的渣塊一般為紅色或者青色，相對(duì)較為疏松，大多能觀察到明顯的燃燒器周邊水冷壁管的弧形表面痕跡.

圖2 落入撈渣機(jī)上焦渣的形貌Fig.2 Morphology of the slag falling into submerged chain conveyor

2.2 燃燒器出口氣流冷態(tài)試驗(yàn)

根據(jù)上述鍋爐結(jié)渣現(xiàn)象的檢查和判斷，確認(rèn)鍋爐結(jié)渣集中于燃燒器周邊區(qū)域，因此初步判斷鍋爐結(jié)渣與燃燒器出口氣流形態(tài)有關(guān)，為此對(duì)燃燒器進(jìn)行冷態(tài)?；囼?yàn).根據(jù)布置于燃燒器噴口的示蹤飄帶形狀可直觀判斷燃燒器出口氣流的結(jié)構(gòu)形態(tài)，進(jìn)而分析其對(duì)鍋爐結(jié)渣和燃燒的影響［4］.

燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)如下：一次風(fēng)速和二次風(fēng)速分別為24m／s和40m／s，一次風(fēng)溫和二次風(fēng)溫分別為75 ℃和340 ℃，一次風(fēng)率和二次風(fēng)率分別為19.52%和80.48%.按照一、二次風(fēng)動(dòng)量比相等的相似原則，冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)一次風(fēng)速和二次風(fēng)速分別控制為18m／s和21m／s.此時(shí)，各層燃燒器的二次風(fēng)壓約為0.5kPa，與鍋爐熱態(tài)運(yùn)行時(shí)相同.

圖3顯示了冷態(tài)試驗(yàn)過程中燃燒器噴口示蹤飄帶的形狀.根據(jù)示蹤飄帶的形狀，發(fā)現(xiàn)外二次風(fēng)從燃燒器噴口噴出后，并未向前流動(dòng)，反而貼著水冷壁向燃燒器的周圍發(fā)散.

為此，擬通過改變外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度來觀測(cè)其對(duì)飄帶形狀的影響.然而任意改變外二次風(fēng)旋流葉片位置，燃燒器出口氣流貼壁形態(tài)卻始終保持不變.

文獻(xiàn)［5］中HT-NR3型旋流燃燒器的冷態(tài)試驗(yàn)也表明，當(dāng)外二次風(fēng)葉片角度較小時(shí)，也會(huì)發(fā)生與上述觀察到的狀況類似的氣流飛邊現(xiàn)象.

冷態(tài)試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)外二次風(fēng)的流動(dòng)方向與燃燒器中心一次風(fēng)氣流方向形成約90°的夾角，使得在一次風(fēng)與外二次風(fēng)之間的氣流均為回流氣流，即爐膛中部氣流均未向前流動(dòng)，而是向著水冷壁流動(dòng).上述氣流形態(tài)有利于煤粉氣流著火，增強(qiáng)了燃燒穩(wěn)定性，但是由于高溫?zé)煔鈹y帶的煤粉顆粒在燃燒器周圍燃燒，從而形成局部高溫區(qū)，并含有大量未燃盡的煤粉，引發(fā)上述區(qū)域結(jié)渣.

2.3 燃燒器出口氣流數(shù)值模擬

由冷態(tài)試驗(yàn)了解到外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)氣流形態(tài)的影響，但受制于現(xiàn)場(chǎng)條件，未能進(jìn)行其他變化工況的試驗(yàn)觀測(cè)，為此利用Fluent軟件對(duì)燃燒器的冷態(tài)工況進(jìn)行模擬.對(duì)可能影響燃燒器出口氣流形態(tài)的外二次風(fēng)葉片角度和擴(kuò)錐角度等進(jìn)行了模擬.

按要求采用自動(dòng)照相功能的裂縫檢測(cè)儀對(duì)裂縫進(jìn)行檢測(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)記錄后裂縫部位、深度以及走向等各類參數(shù)，采取合適的比例繪制裂縫示意圖，以此為灌漿壓力的確定提供參考。

2.3.1 外二次風(fēng)葉片角度模擬

旋流強(qiáng)度與葉片角度成正比，葉片角度越小，燃燒器出口氣流的旋流強(qiáng)度越小.對(duì)不同外二次風(fēng)葉片角度下的燃燒器出口流場(chǎng)進(jìn)行模擬，其中葉片角度分別為60°、45°、30°、15°和10°，原始擴(kuò)錐角度為45°.由于模擬結(jié)果類似，因此只以擴(kuò)錐角度45°下二次風(fēng)葉片角度為45°的結(jié)果作為示例，其模擬結(jié)果見圖4，其中m為火焰沿燃燒器軸向長(zhǎng)度，E為以燃燒器中心為原點(diǎn)的火焰上下尺寸.

圖4 擴(kuò)錐角度為45°的燃燒器出口流場(chǎng)Fig.4 Flow distribution at burner outlet for expanding cone angle of 45°

從圖4可以看出，燃燒器出口氣流呈發(fā)散現(xiàn)象，且基本不隨外二次風(fēng)葉片角度的變化而改變，這與前述現(xiàn)場(chǎng)冷態(tài)試驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果一致.

2.3.2 擴(kuò)錐角度模擬

為進(jìn)一步分析造成燃燒器出口氣流發(fā)散的原因，對(duì)不同外二次風(fēng)擴(kuò)錐角度下的燃燒器出口流場(chǎng)進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖5～圖7.對(duì)比圖4～圖7可知，擴(kuò)錐角度的減小使燃燒器出口氣流發(fā)散現(xiàn)象消失，氣流封閉現(xiàn)象隨著擴(kuò)錐角度的減小越發(fā)明顯.這會(huì)使燃燒器出口處二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合減弱，但對(duì)于易燃的煙煤而言，由于煙煤的著火性能和燃燒特性優(yōu)良，因而總體上對(duì)燃燒的影響較小，更為重要的是因?yàn)楸苊饬诵鞯亩物L(fēng)卷吸煤粉至燃燒器周邊區(qū)域，從而可減輕爐膛結(jié)渣.

圖5 擴(kuò)錐角度為40°的燃燒器出口流場(chǎng)Fig.5 Flow distribution at burner outlet for expanding cone angle of 40°

圖6 擴(kuò)錐角度為35°的燃燒器出口流場(chǎng)Fig.6 Flow distribution at burner outlet for expanding cone angle of 35°

圖7 擴(kuò)錐角度為30°的燃燒器出口流場(chǎng)Fig.7 Flow distribution at burner outlet for expanding cone angle of 30°

2.4 燃煤熔融特性分析

由于鍋爐結(jié)渣不僅與燃燒器出口氣流形態(tài)有關(guān)，而且與燃煤的熔融特性密切相關(guān).因此，為了解燃煤特性對(duì)鍋爐結(jié)渣的影響，對(duì)鍋爐結(jié)渣期間實(shí)際燃煤進(jìn)行了熔融特性分析，結(jié)果見表1.

表1 實(shí)際燃煤的熔融特性分析Tab.1 Fusion properties of the coal °C

從表1可以看出，實(shí)際燃煤的熔融溫度高于設(shè)計(jì)煤，與校核煤差別不大，因此實(shí)際燃煤不會(huì)引起鍋爐結(jié)渣現(xiàn)象.

2.5 結(jié)渣原因分析

根據(jù)上述鍋爐結(jié)渣情況的檢查，發(fā)現(xiàn)鍋爐結(jié)渣集中于燃燒器周邊區(qū)域，進(jìn)一步的冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)試表明，燃燒器出口氣流形態(tài)在常規(guī)外二次風(fēng)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)不受旋流葉片調(diào)節(jié)的影響，氣流呈貼壁發(fā)散狀態(tài)，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，確定引起燃燒器出口氣流貼壁發(fā)散的主要原因是燃燒器擴(kuò)錐角度偏大，同時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果還顯示，減小燃燒器出口擴(kuò)錐角度能有效減輕鍋爐結(jié)渣.

3 鍋爐結(jié)渣治理

3.1 燃燒器出口擴(kuò)錐角度改造

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，確定改造方案為不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)，只在燃燒器外二次風(fēng)出口外側(cè)新增加一圈30°擴(kuò)錐［6］，如圖8中新增加的粗線所示.

圖8 燃燒器結(jié)構(gòu)改造示意圖Fig.8 Structural retrofit of the burners

利用機(jī)組檢修機(jī)會(huì)，對(duì)前后墻3層燃燒器出口的擴(kuò)錐角度進(jìn)行了改造.由于新增加的擴(kuò)錐在外二次風(fēng)噴口外側(cè)，其對(duì)原外二次風(fēng)氣流有明顯的遮擋作用，從而能有效改善原外二次風(fēng)的貼壁發(fā)散現(xiàn)象.

3.2 燃燒器改造后出口氣流形態(tài)觀測(cè)

燃燒器改造完成后，再次進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)，觀測(cè)結(jié)果見圖9.從圖9可以看出，改變?nèi)紵魍舛物L(fēng)擴(kuò)錐角度后，燃燒器出口外二次風(fēng)的氣流形態(tài)發(fā)生了明顯變化，從燃燒器噴口出來的外二次風(fēng)為呈一定張角的喇叭形旋轉(zhuǎn)氣流，氣流向前，貼壁發(fā)散現(xiàn)象消除；同時(shí)由于新增加的擴(kuò)錐的遮擋作用，改造后的外二次風(fēng)氣流張角在外二次風(fēng)旋流葉片調(diào)節(jié)過程中基本不變.上述試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果表明，燃燒器外二次風(fēng)擴(kuò)錐角度改造后徹底消除了原外二次風(fēng)氣流的貼壁發(fā)散現(xiàn)象，這與數(shù)值模擬結(jié)果類似.

圖9 燃燒器改造后外二次風(fēng)氣流形態(tài)Fig.9 Flow pattern of external secondary air after retrofit

由于改造后的氣流呈一定的張角，回流區(qū)面積減少，使得燃燒器噴口位置的著火強(qiáng)度有所降低，對(duì)鍋爐燃燒穩(wěn)定性有一定的影響，但一般而言對(duì)易燃煙煤的影響較小.另一方面，由于燃燒器改造后徹底消除了燃燒器周圍的貼壁發(fā)散氣流，因而避免了煙氣卷吸攜帶的煤粉顆粒在燃燒器周圍水冷壁面附近燃燒，有效減輕了鍋爐結(jié)渣.

4 燃燒器改造后運(yùn)行效果

燃燒器改造完成后的初始運(yùn)行情況表明，鍋爐燃燒穩(wěn)定性較好，沒有觀察到燃燒器著火不穩(wěn)定現(xiàn)象，鍋爐掉渣頻率明顯減少，掉渣時(shí)對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響也顯著降低.但出現(xiàn)了爐渣可燃物含量上升的問題，從燃燒器改造前的5%以內(nèi)上升到10%左右，鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性有所降低.飛灰可燃物含量變化不大，仍保持在1%～2%內(nèi).

經(jīng)分析研究后認(rèn)為，新增加的擴(kuò)錐改變了燃燒器出口氣流形態(tài)，消除了氣流貼壁燃燒現(xiàn)象，有利于緩解結(jié)渣；但由于回流區(qū)的減小，降低了燃燒器噴口區(qū)域的燃燒強(qiáng)度，下層燃燒器著火強(qiáng)度的降低導(dǎo)致爐渣可燃物含量有所升高.為此，通過適當(dāng)加大下層燃燒器的外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度、同時(shí)提高下層燃燒器對(duì)應(yīng)磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度，爐渣可燃物含量降低，恢復(fù)到燃燒器改造前的水平.

5 結(jié) 論

（1）冷態(tài)飄帶示蹤試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果表明，鍋爐嚴(yán)重結(jié)渣的原因在于燃燒器外二次風(fēng)擴(kuò)錐角度偏大，造成氣流飛邊現(xiàn)象.

（2）減小燃燒器擴(kuò)錐角度改造實(shí)施后，有效解決了前后墻對(duì)沖旋流燃燒鍋爐爐膛結(jié)渣問題，提高了鍋爐運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性.

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