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北极星电力网技术频道 作者:佚名 2008/6/4 18:06:33
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| 刘国强 河南省安阳电厂 |
0 前言 我国在过去十几年的煤粉锅炉燃烧技术中，为提高煤粉气流着火和稳燃性以及为了达到节油和节煤的目的，已开发出多种新型煤粉燃烧器。安阳电厂从1983年起先后采用的煤粉燃烧器就有：直筒型贫煤预燃室燃烧器、多功能预燃室燃烧器、多功能船体燃烧器、上淡下浓的浓稀相燃烧器、多级浓缩燃烧器。在实际使用中一些新型煤粉燃烧器能够达到正常运行水平，在改善锅炉着火、稳定燃烧、节约点火和稳燃用油、增大锅炉对负荷变化的适应能力、改善调峰性能、清洁燃烧等方面，取得了不同程度的效果，为安阳电厂的节能与安全运行创造了有利条件，产生了很大的经济和社会效益。但也有一些煤粉燃烧器在推广使用过程中没有表现出它应有的效果而做了拆除处理。 1 燃煤特性分析 安阳电厂燃煤煤种主要为鹤壁统配煤并配烧一定量的安阳、河北磁县、山西长治地方小窑煤，由于缺必要的混煤措施和设备，锅炉在实际燃烧中，往往是有什么煤烧什么煤，入炉煤煤质变化较大。表1数据为安阳电厂1998年上半年燃煤煤种的常规特性指标的变化范围、平均值以及混合煤(安阳∶鹤壁∶磁县＝65∶45∶40)的校核值。 表1 安阳电厂燃煤的常规特性指标 |
| WY/ | Wf/ | Vr/ | AY/ | Af/ | QYDW/ kJ.kg－1 | |
| 核校混煤 | 3.62 | 0.79 | 15.85 | 25.62 | 26.37 | 24110 |
| 燃煤变化值 | 6.40～ 12.40 | 0.36～ 1.21 | 12.14～ 18.09 | 12.30～ 29.00 | 14.24～ 31.33 | 23179～ 26441 |
| 燃煤平均值 | 9.16 | 0.81 | 15.39 | 17.58 | 19.16 | 24476 |
1.1 着火稳定性 (1)用可燃基挥发分Vr进行常规方法判别(等级划分标准见表2)。 表2 可燃基挥发分Vr的等级界限 |
| Vr/ | ≤9 | 9～19 | 19～27 | 27～40 | ＞40 |
| 类别 | 极难稳定区 | 难稳定区 | 中等稳定区 | 易稳定区 | 褐煤区 |
| 安阳电厂燃煤的Vr变化范围一般都维持在12.14％～18.09，按可燃基挥发分Vr的等级划分标准，其着火稳定性应在难稳定区。 (2)用着火指数、着火温度Td进行特种分析判别(等级划分标准见表3)。 表3 着火温度Td的等级界限 |
| Td/℃ | ＞638 | 613～638 | 593～613 | 560～593 | ≤560 |
| 类别 | 极难稳定区 | 难稳定区 | 中等稳定区 | 易稳定区 | 褐煤区 |
| 安阳电厂混合贫煤的Vr为15.85，做一维火焰炉试验，其着火温度Td为779℃。按着火温度Td的等级划分标准，其着火稳定性应在极难稳定区［1］。 1.2 煤的燃尽性 用煤粉的比表面积S(等级划分标准见表4)分析判别如表4。 表4 比表面积S的等级界限 |
| s | ≤1.35 | 1.35～1.77 | 1.77～2.19 | 2.19～3.09 | ＞3.09 |
| 类别 | 极难尽区 | 难燃尽区 | 中等燃尽区 | 易燃尽区 | 褐煤区 |
煤粉挥发份含量对燃烧时的燃尽程度有很大影响。公式(1)是根据Vr来计算的比表面积S的表达式。 S＝1.06e0.0267Vr (1) 按表1中的Vr平均值15.39代入公式(1)得：S＝1.60。 表5 飞灰可燃物Cfh统计数据 |
| 6号炉 | 7号炉 | 8号炉 | |
| 飞灰变化值 | 3.7～5.8 | 8.2～14.8 | 7.9～15.5 |
| 飞灰平均值 | 4.6 | 10.8 | 11.3 |
1.3 煤的结渣性 (1)用灰软化温度t2进行常规分析判别(等级划分标准见表6)。 表6 灰软化温度t2的等级界限 |
| t2/℃ | ≤1260 | 1260～1390 | ＞1390 |
| 类别 | 严重结渣 | 中等结渣 | 轻微结渣 |
安阳电厂混合煤的灰熔点温度见表7。由表7可知，安阳电厂燃煤的结渣性在轻微结渣范围。 表7 混合煤的灰熔点温度t/℃ |
| 变形温度/t1 | 软化温度/t2 | 熔化温度/t3 |
| 1360 | 1440 | 1480 |
(2)用灰成分综合指数R进行特种分析判别(等级划分标准见表8)，表9为安阳电厂混合煤的灰成分分析值。 表8 灰成分综合指数R的等级界限 |
| R | ≤1.5 | 1.5～1.75 | 1.75～2.25 | 2.25～2.5 | ＞2.5 |
| 类别 | 轻微结渣 | 中偏轻结渣 | 中等结渣 | 中偏重结渣 | 严重结渣 |
公式(2)、(3)、(4)为计算灰成分综合指数R的表达式。 R＝1.24×B/A＋0.28×SiO2/Al2O3－0.0023t2－0.019G＋5.4 (2)
(3)
(4) 表9 安阳电厂混合煤的灰成分分析表 |
| SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | SO3 | K2O | Na2O |
| 45.97 | 31.96 | 8.52 | 4.86 | 0.31 | 3.06 | 0.63 | 0.43 |
将表9中数据代入公式(2)、(3)、(4)得：G＝77.05，B/A＝0.19，R＝1.26。 按灰成分综合指数R的等级划分标准［2］，安阳电厂燃煤煤质的结渣性在轻微结渣范围。 1.4 安阳电厂燃煤特性 从前面分析可知：安阳电厂燃煤特性表现为着火困难，基本处在难稳定区，不易燃尽，结渣轻微，发热量较高。实际运行也印证了煤种分析的正确，据统计：安阳电厂1996年全年共发生灭火49次，炉膛严重结渣现象没有出现一次。 2 燃烧器的改造 2.1 安阳电厂6～10号锅炉介绍 表10 电厂6～10号锅炉简要特性 |
| 炉 号 | 锅炉型号 | 投产年月 | 燃烧器型式、布置 | 制粉系统型式 | 备 注 |
| 6 | HG220/100-1 | 1972.07 | 分级配风直流燃烧器，分4层、4角布置切向燃烧 | 4台风扇磨直吹式制粉系统 | 1997年将4个角的下2层燃烧器合并成一个多级浓缩直流燃烧器 |
| 7、8 | DG410/100-2 | 1976.12(7号) 1978.01(8号) | 均等配风直流燃烧器，分3层、4角布置切向燃烧 | 2台球磨机中间储仓式制粉系统 | 1、4号角曾各安装1台多功预燃炉。现4个角的最下层改为多功能船体燃烧器(7号炉，1995.09)和浓淡燃烧器(8号炉，1996.08) |
| 9、10 | DG1025/182-Ⅱ4 | 1998.04(9号) 未投产(10号) | 均等配风直流燃烧器，分5层、4角布置切向燃烧 | 4台球磨机中间储仓式制粉系统 | 下数1、3层安装有多功能船体燃烧器 |
2.2 安阳电厂燃烧器改造介绍 2.2.1 第一阶段改造(1983年～1994年) 从1983年开始安阳电厂分别在3、4、5、7、8号炉上安装了直筒预燃室燃烧器，后又被多功能预燃室燃烧器替换。各炉在投入使用预燃室燃烧器的过程中，都存在结渣、烧坏变形、风管堵塞、节约点火用油和稳燃用油效果不显著等现象。因此，在不能正常使用情况下做了拆除处理，到1994年将多功能预燃室燃烧器全部拆除完毕。 2.2.2 第二阶段改造(从1995年起至今) 从1995年起，安阳电厂先后安装了多功能船体燃烧器(7号炉)、上淡下浓的浓稀相燃烧器(8号炉)、多级浓缩燃烧器(6号炉)。各炉在燃烧器改进后，低负荷脱油稳燃效果明显(7、8号炉脱油稳燃负荷由75MW降低到70MW)，得到了运行人员的一致好评，而在节约启动助燃油方面效果不大(在小油枪堵塞或不能使用的情况下，改造前后的启动用油量没有太大变化)。 分析其成功的原因，主要是安阳电厂引进这些燃烧器的首要目的发生了根本改变，这一阶段安装新型燃烧器的首要目的是为了低负荷稳燃以及脱油燃烧，其次是节约启动用油。这正发挥了该煤种发热量高、结渣轻微的特性。但是，安装预燃室燃烧器最初的最主要目的是节约启动过程中的助燃油，其次才是作为主燃烧器低负荷稳燃。很明显，预燃室利用的是该煤种着火特性差的特性。新型燃烧器改造的两个阶段中出现的不同结果，根本原因大概就在这一点上。 2.3 安阳电厂新型燃烧器介绍 在煤粉燃烧过程中，煤粉气流在炉膛内的停留时间仅为1～2s。要在这么短的时间内使煤粉完全燃烧，关键就是组织好煤粉气流的着火过程。为改善煤粉气流的着火条件，目前国内燃烧技术中，趋向于两种燃烧方法，一是在所提供的着火热不变的条件下，设法降低煤粉气流的着火热，使煤粉气流的着火提前，具体方法就是采用“煤粉浓缩燃烧技术；二是提供煤粉足够的着火热源，使煤粉气流快速加热、着火、燃烧，具体方法就是“热回流法”。 2.3.1 多功能船体燃烧器 多功能船体燃烧器是清华大学于80年代中期研制开发的新型燃烧器。其结构与常规直流煤粉燃烧器相比，是在原有直流燃烧器基础上将一次风口内的格板更换成一个船型火焰稳燃器，并在其中心加装点火小油枪。其工作过程是：一方面，煤粉气流通过船型火焰稳燃器后，在船体的尾迹区产生热回流，卷吸高温烟气，形成一个湍动强烈的稳燃区，此稳区有利于煤粉气流的着火和火焰的稳定；另一方面，煤粉气流绕过船型火焰稳燃器后射入炉膛，在离一次风口不远处形成一个束腰射流，束腰的外缘是高浓度的煤粉和煤粉射流卷吸的以及邻角射来的高温烟气流。这样在束腰部的两侧外缘形成了高温、高煤粉浓度以及有适当氧气浓度的“三高区”。这是多功能船体燃烧器稳燃的理论基础。 对于普通直流燃烧器，主要是依靠射流的外边缘卷吸高温烟气，而船体燃烧器则是依靠射流的内、外缘卷吸高温烟气。因此船体燃烧器在稳燃方面具有比普通直流燃烧器更显著的效果，但是与采用“煤粉浓缩燃烧法”的燃烧相比，还有不足之处。因为锅炉在低负荷运行时，煤粉量的减少一般是靠降低给粉机转速达到的。一次风量不变，只减少煤粉量，造成煤粉气流需要更大的着火热量(空气的比热容大于煤粉的比热容)。因而，当负荷降低时着火稳定性将变差。实际运行中，在相同低负荷下7号炉燃烧稳定性没有8号炉好就能说明问题。 2.3.2 多级浓缩燃烧器 安阳电厂6号炉安装的多级浓缩燃烧器是将下二排原直流燃烧器的一次风口合并成一个大的长方形的稳燃腔，稳燃腔的入口中心处是一个V形钝体，V形钝体的中心装有点火小油枪(后因设计不当而拆除)，钝体的上下两侧是较小的扁平浓相喷口，浓相喷口的两侧是较大的用隔板隔开的稀相喷口，稀相喷口的外侧布置有周界风。其工作过程：两股一次风煤粉气流从上向下斜向(水平夹角＜20°)流入燃烧器时，由于惯性作用，在中间较小通道内积聚较多的煤粉，而形成浓相煤粉流。剩余的稀相煤粉流折向进入较大的稀相通道。当两股稀相煤粉气流从稀相喷口流出后，由于射流卷吸作用，便在稳燃腔中心形成一个中央回流区。当两股浓相煤粉气流从浓相喷口流出后，又由于惯性作用，使煤、气进行了第二次分离，大部分煤粉射入中央回流区，形成“三高稳燃区”，少部分煤粉随气流向稀相煤粉流靠拢。在“三高稳燃区”的外缘的稀相煤粉流一方面卷吸高温烟气加热稀相煤粉流，一方面借助于中央回流区的湍流扩散作用，使稀相煤粉流逐渐混入，参加燃烧，提供氧量。这样，由于内外两个回流区和“三高区”的存在，对于安阳电厂燃用的煤种，在煤粉的提前着火和稳燃方面多级浓缩燃烧器表现出了非常好的效果。 在6号炉燃烧器改造后，炉膛4个角的燃烧器除有1个角因安装质量差的原因外，其它3个角的燃烧器外壳都出现了烧红现象。在煤粉细度经常处在R90＝20～30的情况下，飞灰可燃物Cfh能够平均保持4.6，说明这次燃烧器改造非常成功。 分析燃烧器被烧红的原因：一是将原来两个燃烧器喷口合并成一个后，造成燃烧器区域壁面热强度过大；二是燃烧器改造后燃烧得到了过分强化；三是燃烧器不具有回流量可调或煤粉浓缩可调功能。 至于稳燃腔四周由于较高的火焰温度，有可能产生的高温腐蚀现象，还有待于观察。 2.3.3 浓稀相燃烧器 安阳电厂8号炉安装的是上淡下浓的浓稀相燃烧器。它是由换向器、分叉管及浓、稀相喷口组成，浓相喷口又由浓相一次风口、周界二次风口、锥形体和小油枪组成，浓相喷口为圆形，圆锥体底部面向炉膛。浓稀相燃烧器与多级浓缩燃烧器同是依据“煤粉浓缩燃烧法”设计的，但其浓缩过程差别很大。浓稀相燃烧器浓缩过程是在进入燃烧器前浓缩为浓稀两股气流，而多级浓缩燃烧器的浓缩过程是在燃烧器内部进行的。 浓稀相燃烧器的工作过程；煤粉混合物气流通过一次风管的最后一个水平弯头时，由于惯性作用，气、粉发生左右分离，经过换向器后，稀相煤粉气流进入稀相喷口，浓相煤粉气流进入浓相喷口，含有高浓度煤粉的浓相气流(相对于稀相煤粉气流而言，一般浓稀浓缩比为4∶1)经过圆锥体时，其射流角增大，又由于惯性的作用，在射流的内边缘煤粉进一步浓缩、积聚，在与中心回流区的高温烟气混合后被迅速加热、着火而形成稳定的着火源。浓相煤粉着火后，为稀相煤粉提供了着火热源，稀相煤粉也迅速着火，最终形成了稳定的燃烧火炬［3］。浓相中心回流区的大小，可以通过周界二次风量来控制。锅炉低负荷燃烧时，为加大内回流量可关闭周界二次风；锅炉额定负荷燃烧时，为防止燃烧器烧坏或结渣可开大周界二次风减小内回流量。 浓稀相燃烧器在提高燃烧稳定性和低负荷稳燃方面，作用突出，但是这种将一次风进入燃烧器前就分离为浓稀不同的两股气流进行燃烧的方式，显然与合理组织煤粉燃烧过程的原则(煤粉与空气混合的越均匀越好)相矛盾。因此，在浓相煤粉气流着火后，稀相煤粉气流以及二次风应能分级混入，及时提供煤粉燃烧所需要的氧量，否则将使飞灰可燃物Cfh大大增加(特别是含碳量高的煤种)。7号炉的低负荷燃烧稳定性没有8号炉好，但是7号炉的飞灰可燃物Cfh却低于8号炉(见表6)，原因就在于此。6号炉的多级浓缩燃烧器的煤粉浓缩分离是在燃烧器内部，并很好地组织了燃烧后期的空气混入问题，使飞灰可燃物Cfh能够大幅度下降，原因也在于此。 2.4 安阳电厂燃烧器改造方向 为了保证锅炉运行的安全性和经济性，新型煤粉燃烧器必须满足：及时着火和燃烧稳定、较高的燃烧效率、不结焦和不烧坏、低NOx生成率等4个方面的要求。 (1)6号炉安装多级浓缩燃烧器后，煤粉着火及时、燃烧稳定，飞灰可燃物Cfh大幅度减低。但是，过分的强化燃烧以及引发的高NOx生成率和高温腐蚀现象，是阻碍多级浓缩燃烧器推广使用的最大障碍。今后6号炉燃烧器改造的方向应是完善多级浓缩燃烧器的燃烧，使之能够实现回流量可调或煤粉浓缩可调。 (2)7、8号炉在燃烧器改造后，锅炉低负荷稳燃效果显著，但是飞灰可燃烧物Cfh较高，影响了锅炉效率提高。因此，根据煤种难以燃尽的特点，应加强在新型燃烧器着火［4］，燃烧后期的空气及时混入措施，以减小飞灰可燃物Cfh。 (3)锅炉排烟中的NOx是污染环境的主要有害气体，世界各国对降低NOx都非常重视。我国制定的“火电厂大气污染物排放标准”也要逐步与国际接轨，NOx的排放将有更严格的限制。因此，对于新建成的9、10号炉，尽管在稳燃方面安装了多功能船体燃烧器，在降低NOx生成方面安装了顶部燃尽风(OFA)，它们的效果如何，还有待于观察。但是不管效果怎样，今后燃烧器的改造，应在强调稳燃性能的同时，采用高效率低NOx燃烧器，以达到国家要求的排放标准，才是今后燃烧器改造的方向。
参考文献 1 陈春元，李杜田.燃烧特性判别指数的研究.动力工程，1993(9) |
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