采用縫隙式燃燒器的W火焰鍋爐燃燒調(diào)整試驗研究

王 克，周文臺，何 翔，施鴻飛

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240)

采用縫隙式燃燒器的W火焰鍋爐燃燒調(diào)整試驗研究

王 克，周文臺，何 翔，施鴻飛

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240)

針對某電廠采用縫隙式燃燒器的W火焰鍋爐高負荷下存在的飛灰含碳量高、屏式過熱器超溫嚴重、側(cè)墻結(jié)渣嚴重、排煙溫度過高及爐膛前后墻出現(xiàn)偏燒等問題，對鍋爐的配風方式和爐膛出口氧體積分數(shù)等進行燃燒調(diào)整，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化運行方式.結(jié)果表明：優(yōu)化后的運行方式為中間二次風開度控制在85%，兩側(cè)二次風開度控制為90%，三次風開度減小到40%，內(nèi)二次風保持原工況不變，外二次風開度增大至50%，爐膛出口氧體積分數(shù)控制在3%～3.5%，乏氣縮孔開度關(guān)小至30%；優(yōu)化后過熱器超溫問題得到解決，飛灰含碳質(zhì)量分數(shù)降低了7.5%左右，排煙溫度降低了8 K左右，鍋爐效率達到設(shè)計值，燃燒經(jīng)濟性顯著提高，有效緩解了側(cè)墻結(jié)渣和前后墻偏燒的程度.

W火焰鍋爐；縫隙式燃燒器；燃燒調(diào)整；結(jié)渣

W火焰鍋爐是近些年逐漸引入我國并用于燃用低揮發(fā)分煤種的爐型，其燃燒方式不同于四角切圓鍋爐[1].W火焰鍋爐的煤粉燃燒器布置在前后拱上，垂直向下噴射，一方面延長了燃燒時間，另一方面利用高溫煙氣的回流來促進煤粉著火，從而提高燃燒的穩(wěn)定性和煤粉燃盡率.但同時存在燃燒偏斜、飛灰含碳量高、爐膛結(jié)渣嚴重和污染物排放量高等問題[2-6].

國內(nèi)對采用縫隙式燃燒器的W火焰鍋爐研究較少.朱予東等[7]對聊城發(fā)電廠3號鍋爐進行降低NOx排放的調(diào)試，當去掉322 m2衛(wèi)燃帶后，NOx質(zhì)量濃度降低了218 mg/m3左右.陳玉忠等[8]結(jié)合中電投貴州金元集團股份有限公司納雍發(fā)電總廠二廠2號鍋爐改造后燃燒系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點及運行特性，調(diào)整配風方式為二次風開度中間小兩邊大，三次風開度在100%，磨煤機負荷分配方式為中間大兩邊小，乏氣手動門全關(guān)，鍋爐穩(wěn)定性得到提高，結(jié)渣問題得到解決，飛灰含碳質(zhì)量分數(shù)(以下簡稱飛灰含碳量)降到5%左右，鍋爐效率提高.周文臺等[9]對配雙進雙出磨煤機的W火焰鍋爐進行燃燒調(diào)整試驗，發(fā)現(xiàn)鍋爐爐膛的負壓波動大、水冷壁上部壁溫超溫以及飛灰含碳量較高都是由煤粉著火不穩(wěn)和延遲引起的，通過對磨煤機料位、一次風溫度和煤粉細度進行調(diào)節(jié)，運行中的問題得到解決.

筆者針對某電廠W火焰鍋爐改造后所采用的縫隙式燃燒器進行燃燒優(yōu)化調(diào)整，以期解決該鍋爐高負荷下存在的下爐膛偏燒嚴重、爐膛側(cè)墻結(jié)渣嚴重、排煙溫度過高和飛灰含碳量高等問題.

1 鍋爐概況

該電廠2號鍋爐(型號為HG-1900/25.4-WM10)為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行、帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的直流鍋爐，采用單爐膛、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型露天布置.鍋爐燃用貴州當?shù)責o煙煤，采用W火焰燃燒方式，在前后拱上共布置有24組煤粉燃燒器，采用6臺BBD4360雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統(tǒng)，每臺磨煤機引出4根煤粉管道，分別與旋風分離器相連，共24個旋風分離器.每個旋風分離器對應(yīng)一組煤粉燃燒器，分離得到的濃相煤粉和淡相乏氣分別被注入爐膛.

煤粉燃燒器的噴口布置如圖1所示，其系統(tǒng)布置如圖2所示.濃相煤粉氣流、內(nèi)二次風、淡相煤粉氣流及外二次風平行布置在爐拱上，由于各股氣流速度不同，低速氣流在高速氣流帶動下向下流動，即濃相煤粉氣流和淡相煤粉氣流在二次風帶動下向下流動，在向下流動的同時，二次風不斷混入煤粉氣流，形成邊燃燒邊補充氧氣的分級燃燒方式.

圖1 煤粉燃燒器噴口布置圖

圖2 煤粉燃燒器系統(tǒng)布置圖

每組煤粉燃燒器由4個濃相噴口、4個淡相噴口、6個內(nèi)二次風噴口、2個油二次風噴口、2個邊界風噴口和6個外二次風噴口組成.濃相噴口、內(nèi)二次風噴口、淡相噴口和外二次風噴口在爐拱方向緊鄰布置，夾在每2個濃相噴口之間的2個油二次風噴口，一個用來布置油槍，另一個用來布置煤火檢.

鍋爐燃用較為典型的無煙煤，煤質(zhì)分析見表1.

2 運行中存在的問題及分析

2.1 運行中存在的問題

在2號鍋爐進行前期改造后，基本解決了火焰下沖嚴重、沖刷冷灰斗的問題，但高負荷下該鍋爐仍然存在如下問題：(1) 鍋爐燃燒經(jīng)濟性較差，飛灰含碳量達到11%以上時鍋爐效率只有88%左右，與設(shè)計值相差4%；(2) 屏式過熱器超溫嚴重，據(jù)統(tǒng)計燃燒調(diào)整前，第23屏一處測點平均每小時超溫高達13次，一級減溫水量維持在60 t/h左右；(3) 側(cè)墻嚴重結(jié)渣，經(jīng)常堵塞觀火孔，渣樣質(zhì)地堅硬，不易清除，前后墻出現(xiàn)偏燒現(xiàn)象.

表1 煤質(zhì)分析

2.2 原因分析

通過前期的觀察及摸底試驗，經(jīng)分析認為出現(xiàn)上述問題有2個原因：(1) 濃相煤粉濃度控制不合理，導(dǎo)致煤粉過早著火產(chǎn)生強烈的熱膨脹，從而降低一次風和二次風的剛度，三次風補氧作用削弱，熱負荷相對集中，局部缺氧嚴重，形成局部還原性氣氛，攜帶焦炭粒的高溫煙氣掃邊造成前后墻出現(xiàn)偏燒和結(jié)渣現(xiàn)象[10]；(2) 配風方式不合理導(dǎo)致下爐膛利用率低，煤粉有效燃燒時間較短.采用縫隙式燃燒器的W火焰鍋爐同樣具有爐膛較寬但高度較低的特點.下爐膛空間較大，可為煤粉提供更多的燃燒空間，降低容積熱負荷，但是下爐膛的受熱面相對較少.如果配風方式控制不當很容易使火焰中心升高，火焰行程縮短，甚至出現(xiàn)短路，導(dǎo)致下爐膛利用率不足，可燃物后燃現(xiàn)象嚴重.

3 燃燒調(diào)整試驗

根據(jù)本機組存在的問題以及前期的摸底試驗，從改變鍋爐爐膛出口氧體積分數(shù)、二次風與三次風配比、乏氣縮孔開度、內(nèi)外二次風開度和三次風角度等方面進行優(yōu)化調(diào)整.主要工況參數(shù)及調(diào)整效果見表2.

表2 主要工況參數(shù)

3.1 二次風、三次風開度的調(diào)整

如圖3中行程2所示，保證適當?shù)亩物L風量不僅可以將煤粉攜帶至爐膛下部，充分利用下爐膛的空間進行燃燒反應(yīng)，而且可以補充煤粉著火后前期燃燒的大部分氧量.另外，適量的三次風的注入可以托住下沖火焰，使其向上折返，防止沖刷冷灰斗，并提供煤粉后期燃燒的氧量.如圖3中行程1所示，如果三次風風量過大，二次風風量就會相對減小，從而減弱火焰的下沖能力，使火焰中心上移，燃燒后期所需要的氧量不能及時供給.

對沿爐膛側(cè)墻壁面4層不同高度上的觀火孔進行觀察，發(fā)現(xiàn)最下層三次風噴口附近的火焰充滿度較差，顏色暗紅，觀火孔附近無結(jié)渣現(xiàn)象,上面3層觀火孔附近結(jié)渣嚴重且渣樣質(zhì)地堅硬，不易清除.利用煙氣分析儀對各層觀火孔附近氧體積分數(shù)進行測量，發(fā)現(xiàn)上面3層水冷壁附近的氧體積分數(shù)顯示為0，屬于還原性氣氛，最下層靠近三次風處的氧體積分數(shù)大于0.這表明火焰中心靠近下爐膛上部，火焰下沖較差，三次風補氧困難，二次風氧量又不足以滿足煤粉劇烈燃燒所需要的氧量，不完全燃燒的焦炭粒在高于灰熔點的煙氣溫度下沖刷水冷壁面形成了結(jié)焦.為此，根據(jù)以上燃燒情況，將前后墻二次風開度由原來的70%增大至85%，將三次風開度由55%減小至40%.經(jīng)過觀察，下爐膛上部兩側(cè)側(cè)墻仍有結(jié)渣大的現(xiàn)象.為此，將靠近側(cè)墻的煤粉燃燒器二次風開度增大至90%，從而保證側(cè)墻區(qū)域氧量充分，以維持氧化性氣氛，使側(cè)墻結(jié)渣程度得以緩解.經(jīng)調(diào)整后如表2所示，燃燒趨于穩(wěn)定，飛灰含碳量從11.20%降到9.86%，側(cè)墻雖仍有結(jié)渣，但渣量大大減少，且渣樣松軟，容易清除.

圖3 W火焰行程示意圖

3.2 氧體積分數(shù)的調(diào)整

經(jīng)過二次風、三次風開度的調(diào)整，燃燒狀況得到明顯改善，但飛灰含碳量仍然高達9.86%.對省煤器出口氧體積分數(shù)進行標定，發(fā)現(xiàn)氧體積分數(shù)只有2%左右，明顯偏低.為此，在燃燒相對穩(wěn)定的前提下，逐漸增加二次風風量，使爐膛出口氧體積分數(shù)達到3%～3.5%.由工況3可知，飛灰含碳量下降至6.93%，燃燒經(jīng)濟性顯著提升，另外結(jié)渣也有所改善.這是因為通過調(diào)節(jié)二次風風量來提高氧體積分數(shù)，進一步提高了二次風射流攜帶一次風煤粉氣流下沖的剛度，相當于一方面延長了煤粉氣流的燃燒行程，另一方面增加了燃燒所需要的氧量.

3.3 乏氣縮孔開度的調(diào)整

進入煤粉燃燒器的一次風粉均通過旋風分離器進行風粉分離，分離出來的濃相煤粉氣流通過圖4中的濃相噴口射入爐膛，淡相煤粉氣流(即乏氣)通過圖4中的淡相噴口射入爐膛.乏氣管道上有可調(diào)節(jié)縮孔，乏氣縮孔可調(diào)節(jié)濃相、淡相煤粉氣流的風量，改變煤粉氣流的濃度及出口速度，調(diào)節(jié)煤粉氣流著火距離，合理組織燃燒.開大縮孔可以提高濃相煤粉濃度.

原工況下乏氣縮孔開度為80%，現(xiàn)將前后墻所有乏氣縮孔逐步關(guān)小到30%.調(diào)整后鍋爐的飛灰含碳量和排煙溫度變化如圖5所示.由圖5可知，隨著乏氣縮孔關(guān)小，飛灰含碳量和排煙溫度逐漸降低.通過上面幾層觀火孔觀察發(fā)現(xiàn)側(cè)墻結(jié)渣改善效果明顯，且下爐膛火焰充滿度好，燃燒穩(wěn)定.這是由于煤粉濃度對著火有很大的影響，高的煤粉濃度不僅使單位體積內(nèi)燃燒釋放的熱強度增大，而且單位體積內(nèi)輻射粒子數(shù)量也增加，導(dǎo)致煤粉氣流黑度增大，從而迅速吸收爐膛輻射熱量，使著火提前.此外，煤粉濃度高必然會使逸出的揮發(fā)分增加，這也促進了可燃物的著火.但對于W火焰鍋爐，如果煤粉濃度過高，著火提前，局部熱負荷增大，氣體迅速熱膨脹，下沖剛度隨之削弱，此時煤粉氣流還沒有得到有效擴散及與二次風充分混合，大爐膛空間不能得到充分利用，燃燒需要的氧量不能及時供給，在這種情況下燃燒速率可以說是擴散控制的.高溫下焦炭粒隨著氣流的擾動接觸爐膛壁面形成了結(jié)渣.當乏氣縮孔開度關(guān)小后，相當于減少了乏氣量，降低了濃相煤粉濃度，提高了濃相一次風粉動量，增加了著火熱，延遲了著火點，使火焰中心下移，從而可以充分利用爐膛空間，分散爐膛熱負荷，有助于后期可燃物與二次風混合，提高燃盡率.

圖4 旋風分離器示意圖

圖5 飛灰含碳量和排煙溫度隨乏氣縮孔開度的變化

Fig.5 Fly ash carbon content and exhaust temperature along with the opening of exhaust vent

由圖5可知，進一步將乏氣縮孔開度關(guān)小至20%時，飛灰含碳量和排煙溫度升高明顯，且通過觀察發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，火檢信號較弱，爐膛負壓波動較大.這是因為過分降低濃相煤粉濃度會使煤粉著火困難，影響后期的充分燃燒.乏氣縮孔開度在20%～30%內(nèi)，飛灰含碳量變化劇烈，應(yīng)進行進一步的優(yōu)化，但考慮到運行安全問題，并未實施，可在后續(xù)制粉系統(tǒng)優(yōu)化后確保鍋爐燃燒穩(wěn)定性增強的基礎(chǔ)上進行.

通過對比分析，最終將乏氣縮孔開度調(diào)至30%，如表2中的工況4所示，調(diào)節(jié)后飛灰含碳量降低了2%左右，排煙溫度降低了4 K左右，鍋爐效率達到91.33%.

3.4 外二次風開度的調(diào)整

經(jīng)過前期的燃燒調(diào)整，鍋爐整體性能得到顯著提升，側(cè)墻結(jié)渣速度雖然有所減慢，但還是出現(xiàn)大渣堆積現(xiàn)象.因此，需要進行內(nèi)外二次風開度的優(yōu)化.原工況下內(nèi)二次風開度為100%，外二次風開度為30%.改造時拆除了在每組煤粉燃燒器兩側(cè)最靠邊濃相噴口外側(cè)的邊界風噴口，導(dǎo)致外側(cè)一次風卷入煤粉燃燒器組之間的低壓回流區(qū)，影響了外側(cè)一次風的下射深度.經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)側(cè)墻煤粉氣流掃邊現(xiàn)象嚴重，對火焰行程及火焰長度產(chǎn)生不利影響，這也是導(dǎo)致側(cè)墻結(jié)渣的因素之一.保持內(nèi)二次風開度不變，將外二次風開度逐漸增大至50%(工況5)，經(jīng)過幾天運行發(fā)現(xiàn)，側(cè)墻結(jié)渣得到顯著改善，沒有出現(xiàn)大渣堆積現(xiàn)象和掉大渣現(xiàn)象，另外，飛灰含碳量也降到4.31%，排煙溫度較前期調(diào)整降低了1.8 K，屏式過熱器無超溫現(xiàn)象.繼續(xù)增大外二次風開度，飛灰含碳量明顯升高，爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，火檢信號減弱.顯然過分增加外二次風風量使內(nèi)二次風攜帶煤粉的能力和補氧能力嚴重下降，影響了煤粉的穩(wěn)定著火和充分燃燒，因此將外二次風開度控制在50%為宜.

3.5 三次風角度的調(diào)整

如果三次風下傾過大，會導(dǎo)致下沖的火焰不能及時被三次風攔截向上折返，進而沖刷冷灰斗，致使冷灰斗嚴重結(jié)渣，底渣含碳量升高，爐內(nèi)壓力波動增大，嚴重影響爐內(nèi)穩(wěn)定燃燒.當三次風角度上傾過大時，三次風會過早地與主氣流接觸，對主氣流的空氣動力場產(chǎn)生強烈的干擾，破壞W火焰的正常形狀，使火焰中心上移，從而造成過熱器、再熱器超溫,爐膛上部結(jié)渣嚴重，煤粉燃盡性能下降以及排煙溫度過高等問題.因此，獲得合適的三次風角度至關(guān)重要.表3給出了不同三次風角度下的飛灰含碳量和排煙溫度.

原工況下三次風角度為0°(即水平方向).由表3可知，將三次風角度向下調(diào)整時(即為負值)，爐內(nèi)燃燒狀態(tài)越來越差，飛灰含碳量顯著升高，排煙溫度變化不明顯，冷灰斗沒有明顯結(jié)渣現(xiàn)象，這說明攜帶煤粉的二次風未下沖到三次風射入的位置，火焰即反轉(zhuǎn)向上，二次風與三次風的混合大大削弱，并未起到及時補氧的目的.將三次風角度向上調(diào)整時(即為正值)，燃燒得到了改善，這是由于通過前面對二次風與三次風開度、爐膛出口氧體積分數(shù)和乏氣縮孔開度等參數(shù)的調(diào)整弱化了著火，三次風向上進一步補充了氧量，當三次風角度為5°時，飛灰含碳量下降至3.68%，爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，負壓波動不大.繼續(xù)增大三次風角度后，燃燒狀態(tài)并未得到顯著優(yōu)化，反而出現(xiàn)上爐膛結(jié)渣現(xiàn)象，飛灰含碳量也相對升高，所以三次風角度保持5°為最優(yōu).

表3 不同三次風角度下的飛灰含碳量和排煙溫度

Tab.3 Fly ash carbon content and exhaust temperature vs.incidence angle of tertiary air

三次風角度/(°)飛灰含碳量/%排煙溫度/℃103.92148.853.68148.704.31148.3-54.52148.3-105.21147.9

4 燃燒調(diào)整后的效果

4.1 鍋爐結(jié)渣程度得到緩解

通過對二次風與三次風開度、爐膛出口氧體積分數(shù)、乏氣縮孔開度以及外二次風開度進行優(yōu)化調(diào)整，改善了前后墻偏燒程度，降低了火焰中心和容積熱負荷，提高了爐膛火焰充滿度，使側(cè)墻結(jié)渣得到有效緩解.爐內(nèi)沒有出現(xiàn)大渣堆積現(xiàn)象和掉大渣現(xiàn)象.為了進一步改善結(jié)渣問題，在后續(xù)工作中可以對煤粉細度進行優(yōu)化，使煤粉細度與鍋爐燃燒實現(xiàn)有效的匹配.

4.2 屏式過熱器超溫得到控制

燃燒調(diào)整前，屏式過熱器出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，在低風量和低氧量情況下一級減溫水量已達到60 t/h.采取各項燃燒調(diào)整措施后，雖然增大了二次風風量，提高氧體積分數(shù)1%左右，但屏式過熱器并未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，且一級減溫水量減少到20 t/h左右.這說明適當降低火焰中心能夠提高煤粉在下爐膛的燃盡率，降低爐膛出口溫度.

4.3 鍋爐燃燒經(jīng)濟性顯著提高

通過對二次風與三次風開度、爐膛出口氧體積分數(shù)、乏氣縮孔開度、外二次風開度和三次風角度的調(diào)整，鍋爐的燃燒經(jīng)濟性顯著提高，飛灰含碳量降低了7.5%左右，鍋爐效率最高達到92.04%，高于設(shè)計值.

5 結(jié) 論

(1) 該W火焰鍋爐高負荷下存在飛灰含碳量高、屏式過熱器超溫嚴重、側(cè)墻結(jié)渣嚴重、排煙溫度過高以及爐膛前后墻出現(xiàn)偏燒等問題,原因主要有2方面：一方面是鍋爐配風方式不合理導(dǎo)致火焰下沖不足，下爐膛利用率低，煤粉有效燃燒時間較短；另一方面是濃相煤粉濃度控制不合理導(dǎo)致煤粉過早著火.

(2) 通過對爐膛出口氧體積分數(shù)、二次風與三次風的配比、乏氣縮孔開度、內(nèi)外二次風開度和三次風角度進行燃燒調(diào)整，過熱器超溫問題得到了解決，飛灰含碳量降低了7.5%左右，排煙溫度降低了8 K左右，鍋爐效率達到設(shè)計值，燃燒經(jīng)濟性顯著提高，有效緩解了側(cè)墻結(jié)渣和前后墻偏燒的程度.

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Combustion Adjustment of a W-flame Boiler with Slot Burners

WANGKe,ZHOUWentai,HEXiang,SHIHongfei

(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

To solve the problems of high carbon content in fly ash,serious overheating of platen superheaters,severe slagging on side walls,high exhaust temperatures,bias combustion on front and rear furnace walls occurring at high load condition of a W-flame boiler with slot burners,combustion optimization was performed for the boiler by adjusting the air distribution and outlet oxygen concentration,and subsequently an optimized operation mode was proposed.Results show that above problems can be effectively solved with fly ash carbon content reduced by 7.5%,exhaust temperature reduced by 8 K,boiler efficiency meeting the design requirement and with combustion economy improved remarkably,in the optimized operation mode,such as controlling the damper openings of middle secondary air,side secondary air,tertiary air and external secondary air to be at 85%,90%,40% and 50%,respectively,while the internal secondary air damper is kept unchanged,furnace outlet oxygen volumetric fraction kept within 3%-3.5%,and the exhaust vent reduced to 30%.

W-flame boiler; slot burner; combustion adjustment; slagging

2016-02-03

2016-03-25

王 克(1989-)，男，湖北襄陽人，助理工程師，碩士，主要從事電站鍋爐燃燒調(diào)整及準東煤防結(jié)渣沾污方面的研究.電話(Tel．)：18017596389；E-mail：wangke6@speri.com.cn．

1674-7607(2017)01-0001-06

TK227.1

A 學(xué)科分類號：470.30