W火焰鍋爐劣質(zhì)煤摻燒優(yōu)化調(diào)整分析

魏志浩，李一可，趙 旭，劉建航

（國家能源菏澤發(fā)電有限公司，山東 菏澤 274032）

0 引言

煤炭的質(zhì)量直接關(guān)系到機組安全運行的可靠性、經(jīng)濟性，以及用戶對供電需求的滿足性［1］。發(fā)電機組長時間使用水分高、灰分大、發(fā)熱量低的劣質(zhì)煤，會給發(fā)電機組的運行帶來一定的安全隱患。因此，本文以300 MW燃煤鍋爐為例，研究劣質(zhì)煤摻燒情況，采取優(yōu)化調(diào)整措施并進行試驗分析，以保障發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性，提高發(fā)電廠的經(jīng)濟效益［2］。

1 鍋爐基本概況

某電廠3 號鍋爐為亞臨界、中間一次再熱、固態(tài)排渣、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)、W 火焰燃煤鍋爐，采用輕型敷管式爐墻、全懸吊鋼結(jié)構(gòu)型式。

鍋爐過熱器由頂棚、包覆、低溫、前屏、末級過熱器組成，包括一級、屏式和末級三級結(jié)構(gòu)，以及由爐膛、廊道頂棚、后煙井圍墻形成的蒸汽冷卻面［3］。鍋爐由3 臺額定功率為1400 kW 的雙進雙出磨煤機和12只油槍提供熱能。

2015 年9 月，對3 號鍋爐進行了低氮改造。一方面，將3 號鍋爐的靜態(tài)分離器更換為動態(tài)分離器，同時配備相應(yīng)的密封、冷卻風(fēng)機，進行乏氣風(fēng)下移改造和拱下三次風(fēng)改造。另一方面，對燃燒器進行改造，增設(shè)燃盡風(fēng)，確保氮氧化物濃度值不超過100 mg/Nm3。通過降低氮氧化物濃度值，有效提高了3號鍋爐的工作效率。

2 鍋爐劣質(zhì)煤摻燒存在的問題

劣質(zhì)煤具有熱值低、揮發(fā)分低等特點，根據(jù)劣質(zhì)煤的實際燃燒情況對鍋爐劣質(zhì)煤摻燒存在的問題進行分析。

1）劣質(zhì)煤摻燒會導(dǎo)致煤粉著火時間和距離延長，火焰中心不穩(wěn)定，火焰中心溫度低，爐膛周圍墻部溫度偏差大，容易造成局部或者整個爐膛火焰喪失。

2）電廠使用劣質(zhì)煤摻燒時，由于劣質(zhì)煤發(fā)熱量低，帶負荷能力較弱，可能無法滿足調(diào)度下達的帶負荷要求［4］。

3）在同等負荷下，劣質(zhì)煤燃燒時需要更多的煤粉才能維持當(dāng)前負荷，容易引起一次風(fēng)管堵塞，造成斷煤、堵煤等現(xiàn)象。

4）爐渣中有明顯的碳顆粒，燃燒不充分。由于劣質(zhì)煤灰分含量高、飛灰值偏大，火焰燃燒不穩(wěn)定、不劇烈，易造成受熱面及承壓部件損壞，灰的溫度升高會造成汽溫升高，減溫水流量增大，嚴重時會發(fā)生超溫現(xiàn)象。

3 鍋爐劣質(zhì)煤摻燒優(yōu)化調(diào)整措施

3.1 調(diào)整風(fēng)煤配比

合適的風(fēng)煤配比是優(yōu)化煤粉燃燒的關(guān)鍵，有利于保持合理的氧量值和最佳空氣系數(shù)。加強燃燒時，先增加風(fēng)量再增加煤量，減弱燃燒時反之。3 號鍋爐的氧量值維持在2.7%～3.7%，氧量計配置在空氣預(yù)熱器入口前，爐膛燃燒的氧量與爐膛、煙道漏風(fēng)關(guān)系密切。通過研究分析，受二次風(fēng)量的限制和磨煤機出力的影響，3 號鍋爐的A、B 兩側(cè)氧量偏差較大。因此，調(diào)整A、B兩側(cè)的風(fēng)量時，氧量高的一側(cè)應(yīng)降低風(fēng)量，氧量低的一側(cè)應(yīng)增大風(fēng)量。隨著氧量的增加，飛灰含碳量也呈明顯下降趨勢。

3.2 控制一次風(fēng)速

燃燒劣質(zhì)煤時要控制好一次風(fēng)速，過高或過低的風(fēng)速都會對爐膛的燃燒產(chǎn)生不利影響。

一次風(fēng)速過低時，火焰強度降低，氣流變差，嚴重時造成火焰劇烈擺動和滅火現(xiàn)象；燃燒器周圍溫度變低，導(dǎo)致煤粉的著火強度降低；一次風(fēng)的攜粉能力變差，風(fēng)粉分布不均勻，造成一次風(fēng)管堵塞等惡劣現(xiàn)象［5］。

一次風(fēng)速過高時，燃燒完的煤粉吹射到爐膛內(nèi)的水冷壁上引起爐膛結(jié)焦［6］；延遲著火時間，如果制粉系統(tǒng)磨煤能力差且粉管內(nèi)攜帶較粗的粉，過高的一次風(fēng)速會使煤粉快速穿過主燃燒區(qū)，導(dǎo)致燃燒不完全，形成機械不完全燃燒熱損失，燃燒狀態(tài)不穩(wěn)定［7］。

3.3 控制一次風(fēng)量

一次風(fēng)量的大小也對燃燒的穩(wěn)定性有影響。一次風(fēng)量的調(diào)整原則是：在保證流化和燃燒良好的前提下，風(fēng)量越小越好。

一次風(fēng)的作用是保證燃料處于良好的流化狀態(tài)，同時也為爐膛燃燒提供必要的空氣。一次風(fēng)量過大，會使爐膛底部難以形成穩(wěn)定燃燒的密相區(qū)。風(fēng)量增大會增加循環(huán)倍率，使受熱面磨損加重，飛灰和風(fēng)機單耗也會相應(yīng)增加。劣質(zhì)煤需要的著火溫度較高，一次風(fēng)量過大會使燃燒器附近的溫度降低，增加著火時間。一次風(fēng)量過低，燃料不能正常流化，可能導(dǎo)致一次風(fēng)管堵塞。

3.4 合理使用二次風(fēng)

二次風(fēng)是經(jīng)過空氣預(yù)熱器加熱的熱風(fēng)，通過風(fēng)管進入燃燒器，為爐膛提供熱空氣。二次風(fēng)中攜帶了燃燒所需的大部分氧量，對火焰后部進行氧量補充，并能使空氣與燃料充分混合，調(diào)整爐膛內(nèi)的溫度分布，使煙氣分布更加均勻［8］。

3號鍋爐二次風(fēng)的風(fēng)道上布置了6套電動調(diào)節(jié)擋板，該擋板負責(zé)調(diào)節(jié)每個拱上二次風(fēng)風(fēng)箱和對應(yīng)的分級風(fēng)風(fēng)箱的風(fēng)量。通過前期對鍋爐的低氮改造，在標高27 m 處設(shè)置了一層燃盡風(fēng)（over fire air，OFA）噴口，以降低氮氧化物的濃度，保證機組的安全運行。

在總送風(fēng)量不變的前提下，將一部分二次風(fēng)引入OFA 裝置，主燃燒區(qū)的氧量降低，接近理論空氣量。氧量的降低使該燃燒區(qū)域處于欠氧狀態(tài)，氮氧化物的濃度將下降。OFA噴口設(shè)置在燃燒區(qū)后部，二次風(fēng)進入爐膛，使爐膛內(nèi)的未完全燃燒的煤粉和還原性氣體充分燃燒［9］。按照改造設(shè)計煤種鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（boiler maximum continuous rating，BMCR）負荷，二次風(fēng)溫宜控制在360 ℃左右，二次風(fēng)速為30 m/s，二次風(fēng)率為73.65%。

劣質(zhì)煤灰分偏大，揮發(fā)分偏小，煤粉著火熱能增加，著火比較困難，原則上應(yīng)采用下少上多的配風(fēng)原則。合理分配各層的二次風(fēng)也有利于劣質(zhì)煤的燃燒。正常情況下，燃盡風(fēng)調(diào)門開度一般保持在30%左右，拱上二次風(fēng)風(fēng)門開度保持在90%左右，分級風(fēng)風(fēng)門開度保持在30%左右，底部注入風(fēng)風(fēng)門開度一般不宜超過30%。同時，維持好爐膛火焰的位置，不宜過高或者過低，否則會對受熱面造成損害。通過二次風(fēng)風(fēng)門來控制二次風(fēng)的風(fēng)量和速度，使之處于動態(tài)平衡中，如果帶負荷壓力比較大，也可以通過調(diào)節(jié)動態(tài)分離器的頻率來提高制粉系統(tǒng)出力，正常情況下頻率應(yīng)保持在25 Hz以上。

3.5 提高一、二次風(fēng)溫并控制磨煤機出口溫度

提高一、二次風(fēng)溫有利于爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定，對提高經(jīng)濟性也很有幫助。負荷不變的情況下，風(fēng)溫適度的提高可以縮短燃料在爐膛內(nèi)的燃燒時間，有利于劣質(zhì)煤著火。提高一、二次風(fēng)溫的措施包括減少空氣預(yù)熱器漏風(fēng)，定期對空氣預(yù)熱器吹灰，提高空氣預(yù)熱器的利用率。

空氣預(yù)熱器在長時間正常運行過程中，會積灰或堵灰，造成空氣預(yù)熱器的傳熱效果變差。將空氣預(yù)熱器吹灰納入每天白班的定期工作中，使空氣預(yù)熱器處于良好的換熱狀態(tài)。磨煤機出口溫度應(yīng)控制在100 ℃，磨煤機出口溫度可以通過控制磨煤機的料位來調(diào)節(jié)，料位越高，出口溫度越低；料位越低，出口溫度越高。料位高時，磨煤機內(nèi)部通風(fēng)面積減少，一次風(fēng)壓降低，磨煤機的干燥出力減小，磨煤機的出口溫度降低，反之亦然。

3.6 合適的煤粉細度

煤粉細度的大小和均勻性對鍋爐燃燒的穩(wěn)定性也具有一定的影響［10］。燃燒劣質(zhì)煤時，應(yīng)將煤粉細度適當(dāng)提高，使其表面積增大，縮短著火時間，使得燃燒更加完全。煤粉過粗，接觸的表面積減小，在風(fēng)道中預(yù)熱效果變差，不能與空氣很好地混合，造成不完全燃燒，容易加劇熱損失。應(yīng)根據(jù)不同的煤種及鍋爐參數(shù)，確定合理的煤粉細度。控制煤粉細度的方法包括：控制好料位，裝載合適的鋼球數(shù)量，控制好一次風(fēng)量，設(shè)定合適的動態(tài)分離器頻率等。

4 優(yōu)化調(diào)整試驗

4.1 通過改變磨煤機出力控制出口溫度

磨煤機出口溫度對煤粉的著火和燃盡影響較大，因此調(diào)節(jié)磨煤機出力時應(yīng)考慮到磨煤機出口溫度的高低變化，避免出口溫度過低造成煤粉著火推遲。在240 MW工況下，進行磨煤機變出力試驗，試驗結(jié)果如表1所示。隨著磨煤機出力的增加，磨煤機出口溫度呈下降趨勢，磨煤機煤粉細度呈增大趨勢，磨煤機出力大于40 t/h后，磨煤機出口溫度下降速度比較明顯，因此控制磨煤機出口溫度不低于100 ℃。

表1 磨煤機變出力試驗結(jié)果

4.2 通過改變拱上二次風(fēng)開度控制風(fēng)量

二次風(fēng)中含有豐富的氧量供燃燒使用，可以調(diào)節(jié)爐膛溫度分布。在240 MW 負荷下，運行氧量為4%左右，拱上二次風(fēng)開度試驗結(jié)果如表2所示，由表2 可見，隨著拱上二次風(fēng)門開度的增加，主汽溫度、再熱汽溫度等參數(shù)無明顯變化，氮氧化合物濃度值呈逐漸升高趨勢，飛灰含碳量呈先降低、后升高的趨勢，鍋爐效率呈先升高、后降低的趨勢。當(dāng)拱上風(fēng)門開度大于65%時，鍋爐效率降低，這是因為二次風(fēng)量過大時，一次風(fēng)與二次風(fēng)間隙會增加著火能，不利于著火。

表2 拱上二次風(fēng)開度試驗結(jié)果

5 結(jié)語

在機組燃燒劣質(zhì)煤期間，以風(fēng)、煤和設(shè)備的設(shè)計為切入點，研究并實施多項穩(wěn)定優(yōu)化燃燒的調(diào)整措施。通過試驗分析驗證了優(yōu)化措施的有效性，保障了機組的安全穩(wěn)定運行。