基于排渣量大的鍋爐燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改造研究

翟志芳

（山西臨汾熱電有限公司，山西 臨汾 041000）

鍋爐采用四角切圓的燃燒方式，其優(yōu)點(diǎn)是著火穩(wěn)定性、煤種適應(yīng)性好，爐內(nèi)熱負(fù)荷充滿度高、均勻性好，可實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒，擾動(dòng)大、有利于燃盡，從而減少NOx的排放。然而，切圓燃燒唯一的不足是極易發(fā)生火焰偏斜貼壁、四角不均、殘余旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致鍋爐受熱面結(jié)焦、壁溫超限、汽溫偏差大等后果，因此，調(diào)整合適的一、二次風(fēng)配比，保證良好的切圓半徑，可使四角切圓燃燒鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。山西某熱電有限公司1#機(jī)組鍋爐自投產(chǎn)以來，鍋爐各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)較差，通過分析該機(jī)組爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)改造方案及效果，為同樣存在切圓偏大且刷墻現(xiàn)象的同類型燃煤機(jī)組提供借鑒。

1 設(shè)備概況

1.1 鍋爐相關(guān)參數(shù)

山西某熱電有限公司1#機(jī)組鍋爐為300MW 亞臨界自然循環(huán)汽包鍋爐，型號(hào)為DG1060/17.4-Ⅱ4 型。單爐膛Π 型布置，燃用煙煤，四角切圓燃燒，一次中間再熱，平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，鍋爐頂部帶金屬防雨罩。鍋爐采用冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)爐配有3 臺(tái)MGS 4060 型低速鋼球磨煤機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)無備用。配有2 臺(tái)雙級(jí)動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)、2臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)式軸流送風(fēng)機(jī)、2 臺(tái)離心式一次風(fēng)機(jī)。

1.2 燃燒器概況

鍋爐燃燒器布置在爐膛水冷壁四角，每角的燃燒器分上下兩組布置，上組燃燒器有3 層噴口，下組燃燒器有14 層噴口，共有17 層噴口，其中一次風(fēng)噴口6 層，二次風(fēng)噴口9 層（其中3 層二次風(fēng)噴口內(nèi)設(shè)有油槍），用于降低NOx 生成量的頂二次風(fēng)噴口2 層，一次風(fēng)噴口四周有周界風(fēng)。所有上組燃燒器噴口均可上下擺動(dòng)15°，每角下組燃燒器配2 臺(tái)氣動(dòng)執(zhí)行器推動(dòng)噴口均可上下擺動(dòng)30°。燃燒器采用濃相大反吹多重分級(jí)高效低NOx 燃燒器，一次風(fēng)進(jìn)入爐膛后向火面的煤粉濃度高，背火面的煤粉濃度低，這有利于低負(fù)荷穩(wěn)燃、防止結(jié)焦、防止高溫腐蝕及降低NOx 生成量。

2 改造內(nèi)容

山西某熱電有限公司1#機(jī)組鍋爐自投產(chǎn)以來存在嚴(yán)重的問題，具體表現(xiàn)為以下方面：（1）通過冷態(tài)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)存在一定的問題，切圓偏大且存在刷墻現(xiàn)象；（2）兩側(cè)煙溫偏差大，運(yùn)行排渣量大；（3）平均煤粉細(xì)度R90為20.85%，煤粉偏粗；（4）燃燒不穩(wěn)定，鍋爐效率降低。

針對(duì)上述問題，綜合考慮煙溫偏差、排渣幾個(gè)方面，對(duì)1#爐進(jìn)行爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)優(yōu)化改造。

2.1 燃燒器改造內(nèi)容

保持原有鍋爐的燃燒器位置不變，對(duì)鍋爐一次風(fēng)噴口進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和安裝。鍋爐的燃燒器布置在爐膛水冷壁四角，水冷壁四角燃燒器的中心線分別與爐膛中心的兩個(gè)假想圓相切，兩個(gè)假想切圓的直徑分別為φ681mm和φ722mm，如圖1 所示。

圖1 假想圓布置圖

燃燒器的設(shè)計(jì)在控制NOx 排放的同時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大煤種適應(yīng)性，采取著火穩(wěn)燃措施與防止煤粉管道內(nèi)回火燃燒措施。燃燒器設(shè)計(jì)和安裝要保證爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)良好，爐內(nèi)出口煙氣溫度場(chǎng)均勻、受熱面不產(chǎn)生高溫腐蝕。避免實(shí)際切圓組織紊亂，火焰直接沖刷水冷壁，防止燃燒器噴口結(jié)焦燒損，防止燃燒器組件磨損，保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，切實(shí)防止渣量過大。其燃燒器改造結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)圖

2.2 燃燒器改造熱態(tài)模擬

設(shè)計(jì)合理的一次風(fēng)速配合二次風(fēng)、燃盡風(fēng)得到較為合理的三場(chǎng)特性，能夠保證水冷壁壁面附近的弱氧化性氣氛，有利于防止鍋爐結(jié)渣，燃燒器布置型式在火焰中心區(qū)形成了一個(gè)范圍較大的還原區(qū)，在此區(qū)域煤粉顆粒濃度較高，還原性氣氛較強(qiáng)可以有效避免爐內(nèi)結(jié)渣的出現(xiàn)。為了驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的合理性和運(yùn)行效果，燃燒器各噴口風(fēng)溫風(fēng)速等參數(shù)參照鍋爐BMCR 負(fù)荷下的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，圖3 ～6 給出了爐膛內(nèi)熱態(tài)煙氣速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

圖3 一次風(fēng)水平截面速度分布圖

圖4 爐膛縱截面速度分布圖

圖5 一次風(fēng)水平截面溫度分布圖

圖6 爐膛縱截面溫度分布圖

下列各圖給出了爐膛內(nèi)熱態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，展現(xiàn)了不同水平截面、縱截面的溫度分布。圖中的顏色表示了溫度的高低，溫度的單位為K。

可以看出，在整個(gè)爐膛水平斷面和垂直斷面上溫度分布均較為合理，火焰均勻，爐膛充滿度好，未出現(xiàn)尖峰溫度區(qū)域。

3 改造效果

3.1 改造后冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)

按照冷態(tài)試驗(yàn)相似?；碚?，在各層二次風(fēng)均勻配風(fēng)條件下，一次風(fēng)速20m/s 左右，二次風(fēng)速23m/s 左右，煤粉燃燒器出口氣流進(jìn)入自?；瘏^(qū)（Re ≥105）。根據(jù)試驗(yàn)要求，調(diào)整冷態(tài)一、二次風(fēng)速至模化風(fēng)速。調(diào)整后，爐內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試一次風(fēng)速21m/s 左右，二次風(fēng)速24m/s 左右，各層二次風(fēng)噴口風(fēng)速均勻，煤粉燃燒器出口氣流進(jìn)入自?；瘏^(qū)。

在爐內(nèi)A 層一次風(fēng)噴口上沿高度，用風(fēng)速儀進(jìn)行爐內(nèi)冷態(tài)風(fēng)速測(cè)量，確定燃燒器出口氣流在爐內(nèi)形成的強(qiáng)風(fēng)環(huán)大小，并在四周水冷壁實(shí)測(cè)貼壁風(fēng)速。爐膛截面積（寬×深）13335mm×12829mm，燃燒器實(shí)際切圓示意圖及貼壁風(fēng)見圖7。

圖7 A 層燃燒器實(shí)際切圓示意圖

由圖7 可以看出，A 層燃燒器爐內(nèi)冷態(tài)實(shí)際切圓長徑6835mm，短徑6579mm，貼壁風(fēng)在2m/s 左右，爐膛主燃燒區(qū)域?qū)嶋H切圓直徑在7m 左右，切圓在正常范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)與改造的要求。

同時(shí)，在各一次風(fēng)噴口處進(jìn)行飄帶示蹤試驗(yàn)。在?；癄顟B(tài)下，通過煙花示蹤的方法，觀察爐內(nèi)切圓情況，如圖8 所示。通過煙花示蹤結(jié)果可以看出，鍋爐實(shí)際切圓正常，實(shí)際切圓與水冷壁四周較遠(yuǎn)，爐內(nèi)充滿度較好且無刷墻現(xiàn)象。

圖8 A 層煙花示蹤圖

3.2 改造后熱態(tài)燃燒調(diào)整試驗(yàn)

（1）分離器擋板調(diào)整結(jié)果。調(diào)整1#磨煤機(jī)分離器擋板開度，并在分離器出口各粉管進(jìn)行煤粉取樣，得到磨煤機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1 所示。由表1 得到，隨著分離器擋板開度的減小，煤粉細(xì)度降低；分離器擋板在60%時(shí)煤粉細(xì)度均值為8.97%，分離器擋板在40%時(shí)煤粉細(xì)度均值為6.91%，分離器擋板調(diào)節(jié)性能較好，煤粉細(xì)度控制在較低水平，滿足機(jī)組深調(diào)時(shí)煤粉細(xì)度的要求，且磨煤機(jī)出力也能滿足深調(diào)負(fù)荷需求。

表1 分離器擋板調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)

（2）鍋爐熱態(tài)性能測(cè)試結(jié)果。改造后根據(jù)當(dāng)前鍋爐燃燒情況，進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定在80%ECR 及40% ECR 工況下，調(diào)整穩(wěn)定后，對(duì)鍋爐進(jìn)行熱態(tài)性能測(cè)試，記錄相關(guān)運(yùn)行參數(shù)于表2。由表2 可以看出，改造前后1#鍋爐性能參數(shù)，改造后1#鍋爐飛灰含碳量平均下降0.88%，大渣含碳量平均下降3%，鍋爐效率提高約1.5%，改造后1#鍋爐單位渣量約下降1.5 倍，鍋爐渣量大的問題得到明顯的改善。

表2 1#鍋爐動(dòng)力場(chǎng)優(yōu)化改造前后熱態(tài)性能數(shù)據(jù)對(duì)比

綜合飛灰、爐渣及爐效情況分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式折算至煤耗，改造后發(fā)電煤耗至少可下降2.0g/kWh，按照機(jī)組年運(yùn)行6000h，平均負(fù)荷為210MW，煤價(jià)按800元/噸計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用約201.6 萬元。

4 結(jié)語

本文給出了山西某熱電有限公司1#鍋爐燃燒器改造方案和試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過此次改造，磨煤機(jī)分離器擋板調(diào)節(jié)性能較好，煤粉細(xì)度控制在較低水平，可完全滿足機(jī)組深調(diào)時(shí)煤粉細(xì)度的要求；實(shí)際切圓與水冷壁四周較遠(yuǎn)，無刷墻現(xiàn)象，并且鍋爐飛灰與大渣含碳量均有一定的下降，鍋爐效率得到一定的提高，渣量大的問題也得到明顯的改善，達(dá)到預(yù)期的改造效果。通過分析該燃燒器改造方案及效果，為同樣存在爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)且渣量大等問題的同類型燃煤機(jī)組提出一種新的燃燒器改造方案，有很大的工程實(shí)踐意義。