濃側(cè)反切角對鍋爐熱態(tài)切圓直徑的影響原理研究

王承亮，李其浩

（華電國際技術(shù)服務(wù)中心，濟南 250014）

濃側(cè)反切角對鍋爐熱態(tài)切圓直徑的影響原理研究

王承亮，李其浩

（華電國際技術(shù)服務(wù)中心，濟南 250014）

為解決因水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切角設(shè)計不合理導(dǎo)致的熱態(tài)切圓直徑大、鍋爐結(jié)焦和燃燒穩(wěn)定性降低等問題，采用數(shù)學(xué)理論計算和現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式進行研究，基本掌握水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切角對鍋爐熱態(tài)切圓直徑的影響原理和規(guī)律，即采用一次風(fēng)濃側(cè)反切技術(shù)后，熱態(tài)切圓直徑將比理論計算直徑要小，且濃側(cè)反切角角度越大、熱態(tài)切圓直徑將比理論計算直徑減小更多。本項研究不僅為優(yōu)化改進鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)和燃燒優(yōu)化調(diào)整積累了經(jīng)驗，而且成功對鍋爐進行了優(yōu)化改造。

低氮；切圓直徑；反切角；燃燒

0 引言

隨著近兩年以來鍋爐低氮燃燒改造的逐步實施，個別單位因鍋爐水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切角設(shè)計不合理，出現(xiàn)了熱態(tài)切圓直徑大、鍋爐結(jié)焦和燃燒穩(wěn)定性降低等問題。鍋爐水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切技術(shù)是降低NOx質(zhì)量濃度的技術(shù)流派之一，但水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切角度對熱態(tài)切圓直徑的影響原理［1］至今還沒有較為詳盡的研究，導(dǎo)致個別鍋爐低氮燃燒改造后出現(xiàn)鍋爐結(jié)焦和燃燒穩(wěn)定性差等問題。本文重點從原理方面分析水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切角度對熱態(tài)切圓直徑的影響規(guī)律。

1 鍋爐水平濃淡低氮燃燒器工作原理

水平濃淡低氮燃燒器（結(jié)構(gòu)如圖1所示）中的煤粉經(jīng)過輸粉管道的百葉窗濃縮器或其他導(dǎo)流裝置，分為濃、淡2股氣流，通過布置在燃燒器噴口的鈍體進入爐膛。根據(jù)爐膛內(nèi)主旋轉(zhuǎn)氣流的旋轉(zhuǎn)方向，使?jié)鈧?cè)、淡側(cè)煤粉分別處于爐膛燃燒火球的向火側(cè)、背火側(cè)，且與濃側(cè)、淡側(cè)以一定的反切角度噴入爐膛，從而實現(xiàn)燃料分級，使?jié)鈧?cè)煤粉缺氧燃燒，達到降低NOx質(zhì)量濃度的效果。另外，淡側(cè)煤粉相當(dāng)于“二次風(fēng)”，間接起到了“風(fēng)包粉”的效果，起到防止高溫腐蝕和鍋爐結(jié)焦的作用。水平濃淡低氮燃燒器假想切圓直徑和濃淡氣流的冷態(tài)動力場模擬情況如圖2所示。

2 燃燒器切圓直徑原理分析

通過冷態(tài)動力場試驗發(fā)現(xiàn)，四角布置的切圓直流燃燒器，鍋爐冷態(tài)動力場切圓直徑一般為爐膛設(shè)計假想切圓直徑的5～8倍，原因如下：四角切圓燃燒器每層4只燃燒器從爐膛相同高度4個角以一定角度噴入爐膛，在爐膛內(nèi)形成逆向旋轉(zhuǎn)的氣流場，每股射流兩側(cè)均同時卷吸高溫?zé)煔?，兩?cè)形成局部負壓區(qū)，爐膛中的煙氣則不斷地向負壓區(qū)補充。因為爐膛主旋轉(zhuǎn)動力是逆時針方向，使煤粉氣流向火側(cè)補氣條件優(yōu)于背火側(cè)，煤粉氣流火炬將向補氣條件差的背火側(cè)傾斜，導(dǎo)致鍋爐四角切圓燃燒器實際運行切圓直徑較假想切圓直徑大。其中爐膛設(shè)計假想切圓直徑和鄰角氣流的橫向動量是影響一次風(fēng)煤粉射流偏斜和使熱態(tài)切圓直徑變大的最主要因素。

圖1 水平濃淡低氮燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水平濃淡燃燒器爐膛假想切圓示意

2.1 假想切圓直徑

針對鍋爐而言，根據(jù)國內(nèi)外的試驗和運行實踐，假想切圓直徑設(shè)計越大，熱態(tài)切圓直徑就越大。另外，合適的切圓直徑可使上游鄰角火炬的高溫?zé)煔馊菀走_到下游鄰角煤粉射流的根部，有利于煤粉氣流的燃燒和穩(wěn)定性。

2.2 鄰角氣流的橫向動量

四角布置的切圓直流燃燒器，鄰角氣流的橫向動量越大，鍋爐實際熱態(tài)切圓直徑也越大。而鄰角橫向動量的大小與爐內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)強度成正比，即與爐膛四角射流的旋轉(zhuǎn)動量成正比，其中主燃燒器區(qū)域二次風(fēng)射流的動量為主導(dǎo)旋轉(zhuǎn)動量。主燃燒器區(qū)域二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)動量和旋轉(zhuǎn)半徑越大，中心旋轉(zhuǎn)強度越大，橫向動量也越大，導(dǎo)致一次風(fēng)射流的偏轉(zhuǎn)角度也越大，鍋爐熱態(tài)動力場切圓直徑也越大。一次風(fēng)射流抵抗偏轉(zhuǎn)的能力大小與本身的動量有關(guān)，一次風(fēng)射流動量及剛性越大，射流的偏轉(zhuǎn)角度也就越小。運行實踐和試驗證明，增加一次風(fēng)動量或減少二次風(fēng)動量或降低二次風(fēng)與一次風(fēng)的動量比，將會降低一次風(fēng)射流的偏轉(zhuǎn)角度，鍋爐熱態(tài)動力場切圓直徑也就減小。

3 改進案例分析

某鍋爐燃用貧煤，爐膛寬11 970mm，深11 760 mm，水平濃淡燃燒器一次風(fēng)淡側(cè)和二次風(fēng)形成逆向假想切圓直徑為1580mm，一次風(fēng)濃側(cè)成反切12°進入爐膛，如圖3所示。

圖3 爐膛假想切圓直徑

3.1 鍋爐爐膛熱態(tài)動力場旋轉(zhuǎn)動量及方向估算

因為假想切圓直徑和鄰角氣流的橫向動量是影響一次風(fēng)煤粉射流偏轉(zhuǎn)的最主要因素［2］，下面將從旋轉(zhuǎn)動量、切圓直徑方面分析對熱態(tài)切圓直徑的影響原理。因一次風(fēng)淡側(cè)動量pd和二次風(fēng)動量pef方向相同，而一次風(fēng)濃側(cè)動量pn與二次風(fēng)動量pef反切12°，根據(jù)矢量計算原理，總旋轉(zhuǎn)動量pz將低于pn+pd+ pef，且總旋轉(zhuǎn)動量pz方向?qū)⑸云蛞淮物L(fēng)濃側(cè)。按動量初步估算，總旋轉(zhuǎn)動量方向為40°，熱態(tài)切圓直徑將減小，即采用一次風(fēng)濃側(cè)反切技術(shù)后，總旋轉(zhuǎn)動量（橫向動量）降低、熱態(tài)切圓直徑減小，兩方面因素綜合影響，表現(xiàn)為鍋爐熱態(tài)切圓直徑將有所減小，且一次風(fēng)濃側(cè)動量增大，反切角度增大，二次風(fēng)動量減小，總旋轉(zhuǎn)動量（橫向推力）將更小，熱態(tài)切圓直徑也更小。一次風(fēng)濃側(cè)動量pn、一次風(fēng)淡側(cè)動量pd、二次風(fēng)動量pef、總旋轉(zhuǎn)動量pz計算公式如下。

式中：ρn為一次風(fēng)濃煤粉密度；An為一次風(fēng)濃側(cè)面積；vn為一次風(fēng)濃側(cè)風(fēng)速；ρd為一次風(fēng)淡煤粉密度；Ad為一次風(fēng)淡側(cè)面積；vd為一次風(fēng)淡側(cè)風(fēng)速；ρef為二次風(fēng)密度；Aef為二次風(fēng)噴口面積；vef為二次風(fēng)風(fēng)速；α為一次風(fēng)濃側(cè)動量和一次風(fēng)淡側(cè)、二次風(fēng)動量之和的夾角。

3.2 一次風(fēng)濃側(cè)反切角度改進試驗

該300MW機組鍋爐燃用貧煤，鍋爐低氮燃燒改造后出現(xiàn)嚴重結(jié)焦，采用水平濃淡燃燒器，冷態(tài)動力場切圓直徑為9.5m，貼壁風(fēng)速最高為2.0m/s。

為解決鍋爐結(jié)焦問題，利用機組檢修機會，將水平濃淡燃燒器一次風(fēng)濃側(cè)反切角由12°降低為5°。鍋爐燃燒器濃側(cè)反切角度改造后，組織鍋爐冷態(tài)動力場試驗，冷態(tài)動力場切圓直徑為10.5m，貼壁風(fēng)速最高為6.0m/s，切圓直徑增加了約1.0m，最高貼壁風(fēng)速提高了4.0m/s，鍋爐結(jié)焦問題沒有明顯改善。

3.3 熱態(tài)切圓直徑變化理論分析

根據(jù)總旋轉(zhuǎn)動量計算式（4），當(dāng)一次風(fēng)濃側(cè)反切角度α由12°降為5°后，總旋轉(zhuǎn)動量pz增加，即鄰角橫向動量增加，導(dǎo)致熱態(tài)切圓直徑增大，按一次、二次風(fēng)動量初步估算，總旋轉(zhuǎn)動量方向為38°（改造前為40°），也導(dǎo)致熱態(tài)切圓直徑有所增大。即兩方面的因素均導(dǎo)致熱態(tài)切圓直徑增加，表明理論分析與鍋爐實際改造案例基本相符。

3.4 一次風(fēng)濃側(cè)反切角對燃燒調(diào)整的影響

經(jīng)以上分析，因為一次風(fēng)濃側(cè)反切角對鍋爐熱態(tài)切圓直徑有直接影響，并且隨著一次風(fēng)濃側(cè)動量和二次風(fēng)動量大小的變化而動態(tài)變化，故針對一次風(fēng)濃側(cè)有反切角度設(shè)計的低氮燃燒器進行調(diào)整時，要充分優(yōu)化調(diào)整一次風(fēng)濃側(cè)動量和二次風(fēng)動量，才能確保合適的鍋爐熱態(tài)切圓直徑。

根據(jù)本課題對水平濃淡燃燒器一次風(fēng)濃側(cè)反切角對鍋爐燃燒影響原理研究［3］，要想解決鍋爐結(jié)焦問題，必須實施進一步優(yōu)化改進：保持一次風(fēng)濃側(cè)反切角度5°不變，將一次風(fēng)淡側(cè)和二次風(fēng)的切圓直徑減小到1000mm，或在保持一次風(fēng)淡側(cè)和二次風(fēng)的切圓直徑不變情況下，將一次風(fēng)濃側(cè)反切角度改為8°。

3.5 低氮燃燒系統(tǒng)再次優(yōu)化改進實施情況及效果

3.5.1 該鍋爐低氮燃燒系統(tǒng)再次優(yōu)化方案

該鍋爐共6層24只濃淡燃燒器，從下往上依次分別為A1（A1層共A1-1，A1-2，A1-3，A1-44只燃燒器，以下同），A2，B1，B2，C1，C2層燃燒器；該鍋爐燃燒器區(qū)域共7層28只輔助風(fēng)風(fēng)噴口，從下往上依次分別為AA（AA層二次風(fēng)共AA1，AA2，AA3，AA44只二次風(fēng)噴口，以下同），AB1，AB2，BC1，BC2，CC，OFA層輔助風(fēng)噴口；該鍋爐燃燒器區(qū)域共3層12只油輔助風(fēng)噴口，從下往上依次分別為A（A層油輔助風(fēng)共A1，A2，A3，A44只油輔助風(fēng)噴口，以下同），BC層油輔助風(fēng)噴口，綜合考慮鍋爐低負荷穩(wěn)燃特性，并最大限度地降低工作量，決定實施以下改進方案：一次風(fēng)濃側(cè)反切角度保持5°不變；除A1層燃燒器淡側(cè)切圓直徑保持1580mm不變外（為提高底層穩(wěn)燃性能），其余一次風(fēng)淡側(cè)切圓直徑改造為1 000mm；除AA層輔助風(fēng)切圓直徑保持1580mm不變外（以提高底層穩(wěn)燃性能），其余輔助風(fēng)切圓直徑改造為1000mm；油層輔助風(fēng)切圓直徑保持1580mm不變；燃盡風(fēng)（OFA）切圓直徑改造為1000mm。該鍋爐燃燒器及配風(fēng)改造方案見表1。

表1 鍋爐燃燒器及配風(fēng)改造方案 mm

3.5.2 優(yōu)化改進后冷態(tài)動力場情況

為優(yōu)化鍋爐燃燒器系統(tǒng)，進一步在保證鍋爐燃燒穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上降低鍋爐結(jié)焦程度，根據(jù)上述鍋爐燃燒器系統(tǒng)優(yōu)化改進方案進行了施工。鍋爐燃燒器系統(tǒng)改進后，為掌握冷態(tài)動力場情況，組織鍋爐冷態(tài)動力場試驗，冷態(tài)動力場強風(fēng)環(huán)切圓直徑為8.2m，貼壁風(fēng)速最高0～1.5m/s，強風(fēng)環(huán)切圓直徑較改進前減小了約2.3 m，較初次改造前減小了約1.3m。

3.5.3 優(yōu)化改進后運行情況

鍋爐燃燒器系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化改進后運行3個月，根據(jù)運行情況綜合分析，鍋爐燃燒穩(wěn)定性良好，原本結(jié)焦嚴重的燃燒器區(qū)域只有零星渣塊，鍋爐結(jié)焦問題得到圓滿解決。

4 結(jié)束語

本文重點從鍋爐水平濃淡低氮燃燒器工作原理、鍋爐四角切圓燃燒器實際運行切圓直徑較假想切圓直徑大的原理分析、鍋爐水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切角對熱態(tài)切圓直徑影響的原理分析、鍋爐水平濃淡燃燒器濃側(cè)反切角對熱態(tài)切圓直徑影響的案例分析4個方面分別進行了研究探索，總結(jié)了影響水平濃淡燃燒器濃反切角對鍋爐熱態(tài)切圓直徑的原理和規(guī)律，并且針對研究對象運行中存在的問題制定了改進方案，實施整改后，成功解決了鍋爐燃燒穩(wěn)定性差和受熱面結(jié)焦問題。

［1］趙晴川.同心切圓燃燒系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)的試驗研究與探討［J］.熱力發(fā)電，2007，36（3）：41-44，47

［2］劉勇，魏鳳，唐必光.四角切圓鍋爐冷態(tài)空氣動力場流動特性的試驗研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2002，35（6）：52-55.

［3］許慧斌，周向陽，曾漢才.湖北漢川電廠1、2號貧煤鍋爐燃燒器反切改造方案的研究［J］.熱力發(fā)電，1995，24（6）：17-21.

（本文責(zé)編：劉炳鋒）

TK 222

B

1674-1951（2016）11-0018-03

王承亮（1971—），男，山東淄博人，高級工程師，工程碩士，從事火電廠鍋爐燃燒和節(jié)能減排技術(shù)研究方面的工作（E-mail：lwwcl＠sohu.com）。

2016-08-26；

2016-10-22

李其浩（1962—），男，山東棗莊人，高級工程師，工程碩士，從事火電廠生產(chǎn)技術(shù)研究方面的工作。