塔式煤粉鍋爐效率偏低的燃燒調(diào)整研究

陳科峰，李 源，杜學(xué)森

(潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，鄭州 450042)

0 引言

在我國，煤炭是主要的一次能源，其約占能源消費(fèi)總量的59%，而煤電發(fā)電量占總發(fā)電量的近70%[1-2]。燃煤機(jī)組的運(yùn)行方式?jīng)Q定了發(fā)電過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量污染物，對(duì)此國家制定了嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，因此如何在達(dá)到嚴(yán)格環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上不斷保持較高參數(shù)機(jī)組的鍋爐燃燒效率，成為目前煤電領(lǐng)域急需解決的重要問題[3]。

目前，在環(huán)保管控壓力及煤炭經(jīng)營市場(chǎng)收緊的情況下，出于煤電整體經(jīng)濟(jì)收益的考慮，電站鍋爐燃用煤種來源復(fù)雜多變且煤質(zhì)持續(xù)下降，實(shí)際入爐煤質(zhì)偏離鍋爐設(shè)計(jì)煤種較多，致使部分鍋爐出現(xiàn)爐膛整體溫度偏低、低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性較差、水冷壁結(jié)焦、高溫腐蝕、鍋爐飛灰和爐渣含碳量高等問題[4-10]，嚴(yán)重影響了鍋爐經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行[11-12]。而本文主要從鍋爐燃燒調(diào)整策略角度對(duì)鍋爐效率偏低問題進(jìn)行對(duì)策研究。

1 鍋爐概況

某燃煤電廠4#鍋爐為上海鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SG-3100/26.15-M546型超超臨界直流爐，單爐膛塔式布置、四角切向燃燒、擺動(dòng)噴嘴調(diào)溫、平衡通風(fēng)、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置、機(jī)械排渣。采用雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)，配置6臺(tái)磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)引出 4 根煤粉管道到爐膛四角，爐外安裝煤粉分配裝置，每根管道分成兩根管道分別與兩個(gè)相鄰的一次風(fēng)噴嘴相連，共計(jì) 48 只直流式燃燒器分 12 層布置于爐膛下部四角(每兩個(gè)煤粉噴嘴為一層)，煤粉燃燒器布置圖如圖1所示。機(jī)組額定負(fù)荷1 000 MW，燃用設(shè)計(jì)煤種，在BRL工況下鍋爐保證熱效率為92.00%(按低位發(fā)熱值)。鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種和校核煤種均為貧煤，表1為設(shè)計(jì)及校核煤種的工業(yè)分析和元素分析，煤種的主要特點(diǎn)為發(fā)熱量較高、揮發(fā)份含量較低、著火及燃盡性較差。

表1 設(shè)計(jì)、校核煤種工業(yè)分析和元素分析

2 鍋爐效率偏低現(xiàn)象

通過鍋爐性能試驗(yàn)對(duì)4#鍋爐效率進(jìn)行了摸底測(cè)試，結(jié)果如表2所示。在機(jī)組1 000 MW負(fù)荷工況下，修正后鍋爐效率為90.951%，比鍋爐效率設(shè)計(jì)值92.00%偏低1.049%，其中該工況下鍋爐修正后排煙溫度為139.06 ℃，比BRL工況鍋爐排煙溫度設(shè)計(jì)值121 ℃高18.06 ℃；飛灰含碳量為6.79%，爐渣含碳量為10.16%，鍋爐固體未完全燃燒熱損失達(dá)到3.255%，比BRL工況鍋爐固體未完全燃燒熱損失設(shè)計(jì)值2.30%偏高0.955%。鍋爐所燒煤種來源為汽車煤，入爐前進(jìn)行摻配煤(摸底及燃燒調(diào)整試驗(yàn)所用煤質(zhì)參數(shù)如表3所示)，煤種條件相對(duì)不穩(wěn)定、發(fā)熱量低、灰分高、入爐煤總量大，灰渣含碳量指標(biāo)對(duì)鍋爐效率是否達(dá)設(shè)計(jì)值起決定作用。

表2 鍋爐效率偏低的對(duì)比分析表

表3 摸底及燃燒調(diào)整試驗(yàn)所用煤質(zhì)參數(shù)

3 結(jié)果與分析

火電機(jī)組鍋爐效率的高低主要由飛灰含碳量、爐渣含碳量、排煙溫度、運(yùn)行氧量、冷風(fēng)溫度等因素決定，而除冷風(fēng)溫度外，以上其他因素均可通過合適的燃燒調(diào)整手段來優(yōu)化改善，其調(diào)整原理如下：①爐內(nèi)燃燒狀態(tài)良好應(yīng)具備合適的空氣量、適當(dāng)高的爐內(nèi)溫度、空氣與燃料的良好擾動(dòng)與混合、燃料在爐內(nèi)具有足夠的停留時(shí)間等條件；②提高熱風(fēng)及一次風(fēng)溫有利于提高爐內(nèi)溫度水平，有利于加速煤粉的著火，對(duì)燃燒有利；③爐內(nèi)二次風(fēng)速高于一次風(fēng)速，能明顯加強(qiáng)爐內(nèi)氣流的擾動(dòng)，同時(shí)能及時(shí)補(bǔ)充主燃區(qū)燃料充分燃燒所需的氧量，應(yīng)合理控制二次風(fēng)混入一次風(fēng)的時(shí)間；④應(yīng)選擇合適的煤粉細(xì)度，煤粉細(xì)度越細(xì)，同樣煤粉濃度下的煤粉總表面積就越大，對(duì)及時(shí)著火和燃料燃盡率均十分有利；⑤煤粉的燃燒其基礎(chǔ)是焦炭的燃燒，大部分的細(xì)煤粉在燃燒中心區(qū)已燃盡，少量的粗煤粉則在燃盡區(qū)繼續(xù)燃燒，因此燃盡區(qū)應(yīng)維持足夠高的溫度。

鑒于電廠機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，針對(duì)該機(jī)組鍋爐效率偏低問題，提出了基于燃燒調(diào)整的改善措施，主要從兩方面入手：一是提升爐膛熱負(fù)荷的均勻性，從而為入爐燃料的充分燃燒提供有利條件；二是適當(dāng)調(diào)整爐膛火焰中心高度，從而改善煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間及煤粉燃燒狀態(tài)，有利于降低飛灰、爐渣含碳量，具體流程如圖2所示。

3.1 熱負(fù)荷調(diào)平對(duì)鍋爐效率的影響

圖3、圖4為鍋爐熱負(fù)荷測(cè)試參數(shù)對(duì)比，其中由于測(cè)量位置原因，A4看火孔溫度無法測(cè)量，其余看火孔所測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，B3溫度偏低，A/C/D/E/F層溫度較為平均。由圖4可以看出，通過對(duì)B/C層燃燒器二次風(fēng)輔助風(fēng)門擋板的調(diào)整，B層溫度最大偏差由214 ℃降為82 ℃，這是因?yàn)橥ㄟ^調(diào)整B/C層燃燒器周圍二次風(fēng)擋板，使得B3周邊助燃風(fēng)量分配更為合理，降低了B層峰值溫度值，提升了最低溫度值。但經(jīng)取樣檢測(cè)，調(diào)整后的飛灰、爐渣含碳量分別為6.5%，11%，表明通過調(diào)整熱負(fù)荷均勻性，鍋爐效率略有提升，如圖5所示。

3.2 過量空氣系數(shù)對(duì)鍋爐效率的影響

通過對(duì)4#機(jī)組鍋爐在不同過量空氣系數(shù)運(yùn)行工況下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)鍋爐在過量空氣系數(shù)較小時(shí)，飛灰含碳量較高。表4、圖6為不同過量空氣系數(shù)下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯觯谝欢ǚ秶鷥?nèi)，通過適當(dāng)提升過量空氣系數(shù)后，飛灰含碳量明顯下降，鍋爐效率明顯提升。這是因?yàn)檫^量空氣系數(shù)的適當(dāng)提升，可以為爐內(nèi)燃料的充分燃燒提供足量的氧氣，從而促進(jìn)燃料的燃盡。

表4 不同過量空氣系數(shù)下鍋爐測(cè)試參數(shù)對(duì)比

3.3 二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)鍋爐效率的影響

表5為不同配風(fēng)方式下鍋爐運(yùn)行測(cè)試參數(shù)對(duì)比。如圖7所示，通過均等倒塔、束腰及均等(增大二次風(fēng)門開度)三種不同的二次風(fēng)配風(fēng)方式與調(diào)整前的均等配風(fēng)方式的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后嘗試的倒塔、束腰及均等(增大二次風(fēng)門開度)三種不同的二次配風(fēng)方式試驗(yàn)結(jié)果均優(yōu)于調(diào)整前的均等配風(fēng)方式。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)整后工況6的均等配風(fēng)方式略優(yōu)于調(diào)整后其他兩種配風(fēng)方式(工況4、5)，且調(diào)整后的均等配風(fēng)(增大二次風(fēng)門開度)飛灰含碳量(4.38%)分別比倒塔配風(fēng)飛灰含碳量(4.71%)和束腰配風(fēng)飛灰含碳量(4.82%)小0.33%和0.44%，均等(增大二次風(fēng)門開度)配風(fēng)爐渣含碳量(2.7%)比倒塔配風(fēng)爐渣含碳量(3.33%)小0.63%，相較束腰配風(fēng)爐渣含碳量(5.13%)小2.43%。這是因?yàn)椋捎玫顾滹L(fēng)方式時(shí)，爐膛下部供風(fēng)量減少，爐膛下部燃燒有所減弱。在采用束腰配風(fēng)方式時(shí)，總風(fēng)量保持不變，爐膛中部供風(fēng)量減少，使得爐膛中部的燃燒反應(yīng)有所減弱，燃料在主燃燒區(qū)域的燃盡程度有所下降，導(dǎo)致飛灰、爐渣含碳量有所增高，從而使得鍋爐效率略微降低。而在采用增大二次風(fēng)門開度的均等配風(fēng)時(shí)，總風(fēng)量保持不變，爐膛高度方向各層燃燒器區(qū)域供風(fēng)量適當(dāng)，燃料在爐膛高度方向燃燒程度相對(duì)較好。

表5 不同配風(fēng)方式下鍋爐測(cè)試參數(shù)對(duì)比

3.4 燃盡風(fēng)量對(duì)鍋爐效率的影響

表6、圖8為不同燃盡風(fēng)量下鍋爐運(yùn)行參數(shù)對(duì)比?？梢钥闯?，隨著燃盡風(fēng)量的增加，鍋爐固體未完全燃燒損失呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，燃盡風(fēng)量的變化，影響鍋爐效率約1.07個(gè)百分點(diǎn)左右。這是因?yàn)樵诳傦L(fēng)量一定的前提下，隨著燃盡風(fēng)量的增加，主燃燒區(qū)風(fēng)量減小，使得燃料在主燃區(qū)燃燒程度不夠充分所致。

表6 不同燃盡風(fēng)量下鍋爐參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

基于燃燒調(diào)整策略對(duì)塔式鍋爐效率偏低進(jìn)行了研究，分析了鍋爐熱負(fù)荷調(diào)平、運(yùn)行氧量調(diào)整、二次配風(fēng)組合方式調(diào)整、燃盡風(fēng)量調(diào)整等對(duì)鍋爐效率的影響，得到的主要結(jié)論如下：

1)通過鍋爐熱負(fù)荷調(diào)平試驗(yàn)，表明僅通過調(diào)整局部燃燒器熱負(fù)荷均勻性，在溫度調(diào)整幅度較小的情況下，鍋爐效率回略有提升，但改善不明顯；

2)合適的過量空氣系數(shù)、二次風(fēng)配風(fēng)方式及燃盡風(fēng)量，對(duì)鍋爐效率的提升較為明顯。