高效煤粉鍋爐替代鏈條爐改造的燃燒效果

程 鵬

（1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013）

我國工業(yè)鍋爐80%以上為燃煤鍋爐，年消耗標準煤超6億t，其中容量在20 t/h以下的鍋爐約占80%，大部分為傳統(tǒng)鏈條爐排鍋爐[1]。傳統(tǒng)燃煤鏈條鍋爐受技術、燃料及管理等多方面因素制約，普遍存在運行效率低、污染物排放高、節(jié)能減排監(jiān)測及評價體系不健全等問題，同時達到《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級》標準Ⅱ級和《鍋爐大氣污染物排放標準》的鍋爐不足5%。隨著國家對燃煤工業(yè)鍋爐能效和環(huán)保標準的不斷提高，該技術已難以滿足要求。針對鏈條鍋爐實施技術改造是目前多數(shù)企業(yè)面臨的問題[2-5]。

作為一種先進的燃燒方式，煤粉室燃技術自上世紀已在發(fā)達國家普遍應用于工業(yè)鍋爐。近年來，國內煤粉工業(yè)鍋爐技術日趨成熟[6]。將高效的煤粉室燃技術應用于鏈條鍋爐改造是目前最為經(jīng)濟合理的選擇之一。國內對此已進行過許多探索性工作，并取得一些成果[7-8]。

但上述改造存在的主要問題是：沒有將鍋爐裝備技術改造與爐膛結構和燃燒方式改造有機結合起來；沒有將燃燒效率提高、鍋爐結構改進與先進燃燒技術應用結合起來。本文對傳統(tǒng)燃煤鏈條鍋爐的室燃改造進行研究，提出鍋爐結構改造設計要求及燃燒系統(tǒng)匹配關系，形成較為完善的鏈條鍋爐室燃改造技術。

天津華苑供熱所現(xiàn)有4臺鏈條層燃鍋爐面臨改造，經(jīng)對比論證確定與煤科院節(jié)能技術有限公司合作完成該項技術改造。本文通過將高效燃燒的煤粉室燃技術應用于該鏈條鍋爐改造，結合先進的煙氣凈化技術和智能運行測控手段，形成傳統(tǒng)燃煤鍋爐節(jié)能改造升級關鍵技術。針對改造的煤粉鍋爐系統(tǒng)，通過采用低氮燃燒器，深度空氣分級優(yōu)化等技術手段[9-13]，實現(xiàn)較低的NOx初始排放，以減少爐內脫硝氨水用量，并保證最終NOx達到超低排放標準。該方案形成了層燃鏈條鍋爐高效室燃改造成套技術，并建成示范工程，提高了鍋爐系統(tǒng)效率、實現(xiàn)了燃煤污染物經(jīng)濟的環(huán)保排放，提升了工業(yè)鍋爐自動化管理水平，解決了我國燃煤工業(yè)鍋爐能效提升和污染物控制等重大需求問題，促進了工業(yè)鍋爐行業(yè)的技術進步。

1 系統(tǒng)改造方案

鏈條爐改造為室燃煤粉鍋爐，由于受場地等條件限制，爐膛結構形式需進行相關優(yōu)化；相應配套的低氮燃燒器也需進行結構優(yōu)化，同時配合深度空氣分級和煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術，實現(xiàn)鏈條爐的改造工作，達到鍋爐系統(tǒng)熱效率>92%，NOx初始排放<300 mg/m3的目標。

1.1 燃燒系統(tǒng)集成優(yōu)化研究

1.1.1 燃燒器優(yōu)化

改造鍋爐采用煤科院自主開發(fā)的風冷燃燒器前墻布置方式，單臺鍋爐前墻并排布置兩臺29 MW燃燒器。燃燒器采用風冷低氮燃燒器，包括燃燒器機頭、燃燒室及點火、助燃、火焰監(jiān)測、視頻監(jiān)視等附屬設施，如圖1所示。該燃燒器通過燃燒組織的優(yōu)化，使用部分空氣冷卻燃燒器壁面，具有優(yōu)異的煤粉著火、燃盡和低氮排放的性能。

圖1 29 MW風冷燃燒器外觀圖

風冷燃燒器依靠內二次風強旋射流、燃料中心回流逆噴和擴散錐預燃室的結構特點，實現(xiàn)煤粉在預燃室內的穩(wěn)定著火。燃燒器火焰長度和火焰形狀可通過內二次風和外二次風的配比和旋流強度調節(jié)，以適應不同型式的結構。通過燃燒器結構的優(yōu)化設計，使燃燒器在達到煤粉穩(wěn)定著火的同時保持較低燃燒溫度，保證燃燒器壁面的安全運行。工業(yè)鍋爐現(xiàn)場實測燃燒器內壁面最高溫度不超過600℃，燃燒器出口平均溫度低于1 100℃，低于煤粉中灰分的軟化溫度，不會出現(xiàn)結焦現(xiàn)象。經(jīng)過工業(yè)用戶的試燒，可實現(xiàn)30%～110%的鍋爐負荷下，飛灰殘?zhí)康陀?%的燃燒效果，結合深度空氣分級等低氮燃燒技術，NOx初始排放低于300 mg/m3（干基標態(tài)，6%O2）。

1.1.2 燃燒配風優(yōu)化

根據(jù)風冷燃燒器內部示意圖（見圖2），燃燒系統(tǒng)中所需風量分為四部分進入鍋爐系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)助燃風除一次風、內二次風、外二次風以外，在爐膛側墻布置了三次風。三次風入口在前墻布置4個，在側墻布置2個，共計6個φ250 mm噴管，每路配風采用手動蝶閥控制，單側配風分支母管設流量計及電動閥門控制。

圖2 風冷燃燒器內部結構示意圖

（1）一次風占燃燒所需空氣量的5%，主要起輸送煤粉的作用，由燃燒器機頭經(jīng)回流帽處進入燃燒器。

（2）內二次風占燃燒所需空氣量的40%，內二次風通過鍋爐空預器后，再經(jīng)過強旋流葉片進入燃燒器內，與一次風在燃燒器內混合，提供燃燒初期所需空氣，混合后燃燒的煙氣經(jīng)燃燒器出口以約15～20 m/s的速度噴入爐膛內。

（3）外二次風占燃燒所需空氣量的30%，外二次風在燃燒器壁面處高速流過，以旋流的方式進入爐膛內，起到調節(jié)燃燒器出口火焰形狀的作用，保證燃燒器出口火焰不發(fā)生飛邊的同時有較低的軸向速度，起到保護爐膛四周壁面的作用。

（4）爐膛中部配有三次風，保證主燃燒區(qū)處于還原性氣氛，有利于進行深度空氣分級的低氮燃燒，達到降低鍋爐NOx初始排放的目的。

內二次風和三次風采用預熱空氣，溫度為120℃，外二次風采用空氣與再循環(huán)煙氣混合的方式供應。內二次風機、外二次風機、三次風機分別為A、B側共用，通過各支路前閥門調節(jié)兩側風量平衡。

內二次風機選型參數(shù)：流量39 000 m3/h（2×19 500 m3/h），全壓4 600 Pa。

外二次風機選型參數(shù)：流量24 000 m3/h（2×12 000 m3/h），全壓4 700 Pa。

三次風機選型參數(shù)：流量34 000 m3/h（2×17 000 m3/h），全壓7 000 Pa。

循環(huán)煙氣設計最大量為20%（15 000 m3/h）。

1.2 鍋爐結構優(yōu)化研究

1.2.1 鍋爐本體

鍋爐采用風冷燃燒器前墻布置方式，單臺鍋爐前墻并排布置兩臺29 MW旋流風冷燃燒器。熱水鍋爐本體為角管式設計，爐膛長、寬、高尺寸分別為8 420 mm×5 820 mm×11 550 mm。鍋爐設計容積熱負荷為102 kW/m3（考慮冷灰斗94 kW/m3），鍋爐爐膛橫斷面面積為49 m2，斷面熱負荷為1.184 MW/m2，燃燒器區(qū)域壁面熱負荷（按照旋流燃燒器電站鍋爐計算方式）為0.389 MW/m2。

爐內溫度場均勻，煙氣充滿度好，設計時選用較低的爐膛容積熱負荷，爐內不易結焦。鍋爐采用鍋筒及大直徑下降管的角管結構，穩(wěn)定性好；鍋筒及大直徑下降管使鍋爐具備較大的水容積，爐水不易汽化，鍋爐安全性較高。鍋爐受熱面全部采用水管結構，易于吹灰，同時由于加裝空預器，可有效避免省煤器積灰板結，確保鍋爐的連續(xù)穩(wěn)定運行。

1.2.2 煤粉儲供系統(tǒng)

該鍋爐系統(tǒng)配置爐前煤粉儲供系統(tǒng)4套，包括改造原煤倉、小粉罐、供料器以及檢修平臺。其中煤粉倉是按照現(xiàn)有原煤倉頂部開口尺寸（11 550 mm×4 600 mm），針對煤粉特性將錐斗進行適應性改造，單個小粉罐規(guī)格為Φ1 500 mm×4 290 mm×3 mm，脈沖除塵器過濾面積78.7 m2，24 m層原煤倉頂部鋪設“井”字形加強筋頂蓋，煤粉倉通過輸粉管道送粉或罐車打粉。供料器采用雙鎖氣閥供料，由供料鎖氣閥、勻料鎖氣閥以及文丘里組件組成。其中，供料鎖氣閥采取變頻控制轉速，以控制供料量，勻料鎖氣閥為工頻轉速。煤粉從中間倉出口進入供料鎖氣閥，由轉速控制其供料量，之后經(jīng)由勻料鎖氣閥，將其進一步打散、均勻化，之后隨一次風進入燃燒器。

煤粉儲供單元中SFG5型供料器為改進型雙鎖氣閥供料器，屬煤科院節(jié)能技術公司的專利產(chǎn)品（見圖3），用于干煤粉穩(wěn)定連續(xù)輸送至煤粉燃燒器，通過文丘里部件的優(yōu)化，使供料精度≤±2%，確保燃燒穩(wěn)定；強化的密封結構，隔絕開進料與送料單元，解決了卸料沖擊問題；增加的耐磨涂層延長了設備使用壽命2～3倍，工作環(huán)境溫度通常為-40～50℃，輸送物料的溫度一般為-20～40℃，可滿足長期穩(wěn)定運行。

圖3 雙鎖氣閥供料系統(tǒng)示意圖

1.2.3 鍋爐設計參數(shù)

鍋爐設計及運行條件符合表1的技術要求。

表1 鍋爐運行參數(shù)技術指標

鍋爐給水品質：按照GB/T 1576-2008《工業(yè)鍋爐水質》標準第4.1條的要求執(zhí)行，采用軟化水作為補給水時滿足表2給水品質的要求。

表2 鍋爐水質數(shù)據(jù)要求

鍋爐房所用的燃料煤粉由鍋爐房外的制粉車間通過輸粉管道或者罐車專供。詳細煤粉要求見表3。

表3 煤粉指標要求

項目建成后室外及室內圖片如圖4所示。

圖4 工業(yè)示范項目照片

2 運行效果分析

天津華苑4×58 MW鍋爐項目自2019年10月29日點煤粉以來，4臺鍋爐陸續(xù)投入使用，4臺鍋爐均可達到滿負荷的運行工況。根據(jù)供暖的實際需要，鍋爐一般在40~58 MW的負荷區(qū)間內運行。鍋爐運行負壓穩(wěn)定，在燃料供應較穩(wěn)定時，鍋爐爐膛負壓波動（最高和最低之差）可控制在150 Pa左右，十分穩(wěn)定，燃燒器區(qū)域溫度較高，鍋爐整體熱效率超過92%。目前已完成整個采暖季的運行任務。鍋爐運行過程中初始NOx排放<300 mg/m3，運行穩(wěn)定工況，鍋爐飛灰殘?zhí)柯士?5%。

2.1 運行時間

自10月30日開始并網(wǎng)運行后，各鍋爐運行情況匯總如圖5所示。本采暖季，1#爐累計運行40 d，2#爐累計運行35 d，3#爐累計運行54 d，4#爐累計運行32 d。各鍋爐均可達到長時間連續(xù)運行的效果，1#爐1月30日至2月14日連續(xù)運行超過15 d，2#爐1月25日至2月6日連續(xù)運行超過12 d，3#爐2月17日至3月5日連續(xù)運行超過17 d，4#爐12月21日至12月26日連續(xù)運行超過5 d。整個運行期間，鍋爐大部分啟停爐為按計劃操作。

圖5 各臺鍋爐運行時間匯總圖

2.2 飛灰燒失量

當NOx初始排放<300 mg/m3條件下，飛灰燒失量隨鍋爐負荷的變化如圖6所示。結果表明，當鍋爐在高負荷運行（46～53 MW）時，飛灰殘?zhí)柯实陀?%，鍋爐燃燒效率很高。隨著鍋爐負荷的增加，飛灰殘?zhí)柯食尸F(xiàn)先增加后降低的趨勢，最低達到1.1%。當鍋爐負荷約為49 MW時，鍋爐飛灰燒失量最高，約為4.7%。

圖6 飛灰燒失量隨鍋爐負荷的變化圖

2.3 NOx初始排放量

表4和表5分別是鍋爐負荷為40 MW時不同配風比例NOx初始排放的情況。內二次風和外二次風配風比例的降低均可降低NOx初始排放，同時，三次風比例的增加也會使NOx初始排放量降低。數(shù)據(jù)表明，3#爐在內二次風、外二次風和三次風配風比例分別為34%、28%和38%時，NOx初始排放可降低至249 mg/m3；4#爐在內二次風、外二次風和三次風配風比例分別為33%、26%和41%時，NOx初始排放可降低至294 mg/m3，可達到初始NOx排放<300 mg/m3的要求。

表4 3#爐40 MW不同配風方式NOx初始排放情況

表5 4#爐40 MW不同配風方式NOx初始排放情況

3 結論

（1）天津華苑4臺58 MW鏈條爐改造為煤粉鍋爐，采用風冷燃燒器結合深度空氣分級技術，運行中負壓穩(wěn)定，負壓波動可控制在150 Pa左右，鍋爐整體熱效率大于92%，且均可達到長時間連續(xù)運行。

（2）鍋爐高負荷運行（46～53 MW）時，飛灰殘?zhí)柯实陀?%。隨著鍋爐負荷的增加，飛灰殘?zhí)柯食尸F(xiàn)先增加后降低的趨勢，最低達到1.1%，最高約為4.7%。

（3）配風比例不同，NOx初始排放不同。內二次風和外二次風配風比例的降低、三次風比例的增加均可降低NOx初始排放。4臺爐均可達到初始NOx排放<300 mg/m3的要求。