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HG2008T/H锅炉炉膛出口烟气偏差产生原因及消除措施

发布时间：2011/4/12 阅读次数：2588 字体大小: 【小】【中】【大】

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3　低炉膛出口烟气能量偏差的措施

3.1　改进燃烧器摆动机构确保四角摆动同步

所有降低炉膛出口烟气能量偏差的措施的研究都是基于炉内空气动力场稳定有序，燃烧器四角摆动不同步会使炉内气流紊乱，降低各种改进措施的功效。因此，改进燃烧器摆动机构确保四角摆动同步是其他一切降低炉膛出口烟气能量偏差措施得以实施的基础。

关于燃烧器摆动机构改造措施的有关内容将在另文中叙述。

3.2　改善燃烧器区域空气动力场

减小燃烧器假想切圆直径，使射流上下游的压差减小，可以改善补气条件、减轻射流的偏转，降低炉膛出口烟气残余旋转程度。

一次风射流速度低、刚性差，更易在上游气流的冲击下偏转。减小一次风射流假想切圆直径，或部分一次风气流在不破坏主气流旋转的前提下，以一定的逆向偏转角射入炉内，可以使背火侧的补气条件大为改善，同时也减小了气流切圆直径。由于受到主气流的阻滞，使这部分一次风射流速度迅速衰减，从而延长煤粉颗粒在着火区的停留时间，强化了着火条件。减小一次风射流假想切圆直径，或部分一次风气流以一定的逆向偏转角射入炉内有助于减轻炉内旋转程度，降低炉膛出口烟气能量偏差。

将一部分二次风以与主气流旋转方向相反的方向送入炉内（部分二次风反切），可以减弱炉内旋转程度，降低炉膛出口能量偏差。

通常用反切与正切射流的旋转动量矩之比R来作为炉内空气动力工况的判别依据。

R=Σ(ρQWR)反切/Σ(ρQWR)正切

其中：ρ为燃烧器射流密度；Q为燃烧器射流体积流量；W为燃烧器射流速度；R为射流的假想切圆半径。

虽然反切风的假想切圆半径远大于正切风的假想切圆半径，实际上正切风的切圆也要比其假想切圆大很多，炉内气流又具有惯性，所以R=1并不意谓着“零旋转”，R＞1也不一定表示气流旋转方向已经改变。不过事实上存在一个界限当反切动量大于此界限时炉内气流旋转方向确实要改变。

改变正反切旋转动量矩之比的手段有调整反切风占总二次风的比例和改变反切风与主气流之间的夹角（也就是反切风的假想切圆半径）两种。

对于已运行的300MW和600MW锅炉，受燃烧器结构空间限制，喷嘴反切后其流动截面将减小，反切风比例越大，总二次风流动面积减小越多，二次风速比设计值增加得越多，反切风占总二次风的比例不可能太大。改变正反切旋转动量矩之比的主要手段是改变反切风与主气流之间的夹角。反切风与主气流之间的夹角太小，反切动量矩不够，炉膛出口烟气残余旋转仍然很强。反切风与主气流之间的夹角过大时反切风会被主气流“弹出”，使其沿水冷壁直接向上流动，反切风的消旋效果被大大减弱。

反切二次风喷嘴在燃烧器上的布置位置也极大的影响着其消旋效果。对某600MW锅炉进行的冷态空气动力场模型试验和数值模拟表明：将燃尽风喷嘴、上端部风喷嘴以及最上两层一次风之间的二次风喷嘴反切时，反切的消旋效果并不理想，分析其原因可以发现，下几层正切的一二次风并不受其上面的反切二次风影响，其实际切圆相当大，烟气的旋转也很强烈，集中投入的反切风虽然对减弱烟气旋转有一定的效果，但毕竟二者动量矩相差太大所以消旋效果不可能太好；将上述喷嘴仍然反切，同时增加上三层一次风喷嘴之间，在一次风之上的二次风喷嘴（每两层一次风喷嘴之间有数个二次风喷嘴）为反切时，保证正反切动量比以前述工况一样，其消旋效果大大好于前者，其原因是分散反切可以在一次风气流刚从喷嘴流出时就对其流动方向进行纠正，避免其出现切圆过大现象，从而可以更好地消除烟气旋转，降低炉膛出口烟气能量偏差。

3.3　改善燃烧工况、强化煤粉着火、消除水冷壁结焦

如前所述，煤粉燃烧推迟所造成的在过再热器区域放热是产生炉膛出口烟气能量偏差的原因之一。保证煤粉及时着火可以相对延长火焰炉内停留时间，改善煤粉的燃尽条件。

采用水平浓淡式燃烧器可以强化着火，防止结焦。

4　平圩电厂的炉膛出口烟气能量偏差问题和解决措施

4.1　存在的问题

平圩电厂600MW锅炉由哈尔滨锅炉厂制造，为首台引进美国CE公司技术的亚临界控制循环锅炉。自投运以来锅炉一直存在较严重的炉膛出口烟气能量偏差问题，过热器出口左右侧汽温偏差达50～60℃，右末再出口在顶棚大包内某些管壁温度高达600℃以上。电厂曾将燃烧器上部的两个燃尽风室和上端部风室改成反切22°，在实际运行中，反切风的消旋效果并不理想，为防止过热器超温和减温水量的增大实际运行中燃尽风喷嘴投入的较少。

平圩电厂曾委托上海成套所对#2炉做过热态烟气偏差测试，结果表明：炉内燃烧切圆很大，旋转强烈，烟气流几乎是贴着水冷壁流动；旋转气流在炉膛上部偏右。

西安热工院对#1炉进行过冷态空气动力场试验。测量结果显示：切圆基本在炉膛中心；一次风和非反切的二次风切圆过大实际运行中有结焦现象，主要结焦区在B-F层煤粉喷嘴下游附近并扩展至墙中央；反切风在一定程度上起到减弱主气流旋转的作用，但反切风刚性不足很快被主气流扭曲。二次风挡板调节特性不好。

4.2　问题原因分析

炉内燃烧切圆过大、旋转强烈是造成这一系列问题的根本原因。

平圩电厂600MW锅炉燃烧系统完全按照美国CE公司标准设计，燃烧器中心线分别与炉膛对角线成4.3°和4.6°夹角，相应的假想切圆直径各为φ1764mm和φ1886mm，相当于炉膛当量直径的10%和10.8%，相当于燃烧器工作点所构成的矩形当量直径的10.8%和11.6%。国内经验通常把燃烧器假想切圆直径选为炉膛当量直径的6%～8%。造成这一差别的原因在于：

大部分美国煤的灰熔点较高、灰分较低，即使切圆较大一般也不会出现结焦问题。而中国煤杂质较多，其中不乏低灰熔点的成分，只要火焰贴墙就具有形成结焦的可能。中国工程师通常把假想切圆直径选得较小以避免出现结焦，而美国人并不了解这一点，仍按他们的经验选。

根据中国的经验，对平圩电厂的燃煤一次风速可以选得稍微高一些。但在作制粉设备选型时担心未来煤质下降把磨煤机型号选得较大，相应地在正常负荷时磨煤机的出力百分比不是太高，为防止高出力百分比时一次风速不致过高，在正常负荷只能把一次风速定在25m/s左右。因此无法做到靠提高一次风速来保证气流刚性，抵抗火焰冲墙。

引进技术初期认为CE式的大切角炉膛燃烧器射流上下游的补气条件基本相同，即使选择较大的切圆直径火焰也不易贴墙，大切圆直径同时还对稳定燃烧有一定的好处。经过多台锅炉多年的运行经验看这一观点是不正确的。

由于火焰贴墙造成水冷壁结焦，开大燃烧器顶部的燃尽风会使主燃烧器区域氧量相对减少、结焦加重，使热器管壁超温严重和减温水量增大。燃尽风占辅助风的15%，上端部风只占辅助风的7%，关小或关闭燃尽风会时反切风量大大下降，消旋能力变得微不足道。

由于挡板调节特性不好，从全开到60%开度之间二次风速变化不大，进一步减小开度二次风速较明显地变低，也就是在60%开度以下风门的调节特性比较陡。按照CE公司规范辅助风挡板开度是根据炉膛与大风箱的压差来调节的，满负荷时炉膛与大风箱的压差ΔP=100mm水柱，这一数值已被作为运行要求由CCS系统控制。实际运行中炉膛与大风箱的压差达不到所要求的值，必须将风门适当关小。风门开度在60%以下时机构和执行器误差所造成的各风室之间流量差比较大，这将会造成燃烧区域局部缺氧使灰熔点降低，结焦程度变得更强。

平圩电厂600MW锅炉燃烧器喷嘴布置简图见图2。燃烧器由6层一次风室、5层中间空气风室（其中3层为油风室）、上端部风室、下端部风室和2层燃尽风室组成。一次风室中装有带周界风的煤粉喷嘴，由于周界风所需的面积较大为不使煤粉喷嘴过重，煤粉喷嘴上下边的周界风被设计成单独的喷嘴。出于防止单个喷嘴太重影响摆动灵活性的原因中间空气风室中装有3个空气喷嘴；对于油风室，中间的喷嘴中装设稳燃叶轮。上、下端部风室和燃尽风室都由两个喷嘴组成。

对于多喷嘴的风室为防止各喷嘴在摆动中相碰，必须在喷嘴之间留出足够空隙，这样做的结果是不受喷嘴方向控制的风—无组织风占总风量的比例增大许多。图3中阴影线所示部分就是无组织风所占的喷嘴面积。

将两层燃尽风室和上端部风室喷嘴反切后，由于无组织风所占的面积比例较大，实际真正改变流动方向风的量要小于这三个风室所占辅助风的比例，反切消除烟气旋转的作用小于其理论计算和试验台试验的结果。

燃烧器安装角度偏差、四角一次风速偏差等也是造成炉膛出口烟气能量偏差的原因。

图2

4.3、解决问题的措施

燃烧器改造应以不改动水冷壁喷口管屏和煤粉管道标高，尽可能减少对原设备的改造为原则。参数选取应考虑高、低负荷兼顾，基本不变更二次风在各风室的分配。炉膛出口烟气能量偏差要被减弱,由于过再热器右侧的管材已升档烟温右高左低的趋势不能被颠倒。

图3

A、改进燃烧器摆动机构

有关燃烧器摆动机构改造的内容见附件1。

B、部分一次风喷嘴改为对冲

由于B-F层一次风相对应的水冷壁上有结焦，说明一次风的刚性差、切圆偏大。考虑到从A-B层燃烧器喷口流出的气流基本上是向下流动的，在这一区域炉内温度比较低，结焦难以形成，可以仍保持一次风气流的方向不变。

C-F层一次风由切圆改为对冲，既可以防止结焦又可以减弱炉内烟气旋转程度。

C、部分二次风喷嘴反切

一次风的速度低、占总空气量的比例也不大，单靠反切部分一次风并不能有效的减弱炉内烟气旋转强度，必须反切一部分二次风。

两层燃尽风室的喷嘴反切，上端部风室喷嘴反切。上端部风室的反切角度为-22°。如前所述，由于无组织风所占的面积比例较大，反切程度仍然不足。

EF层辅助风是油风室，油枪装设在中间喷嘴中，为保证油枪配风对称和防止油火焰冲墙这个喷嘴不能反切。上、下喷嘴可以反切，但出于对油枪配风的考虑角度不宜太大。这两个喷嘴的反切角度为-15°。反切这两个喷嘴的目的是，防止中间的喷嘴将一次风携带偏转。这个风室的无组织风所占的面积比例较大，上下喷嘴的反切角度不大，必须反切其他风室的喷嘴才能有效减轻烟气旋转程度。

DE层辅助风是空气风室，三个喷嘴都可以反切，反切角度为-22°。

按上述方式改造燃烧器可以实现分散反切，可以在一次风气流刚从喷嘴流出时就对其流动方向进行纠正，避免其出现切圆过大现象，从而有效减小炉膛出口烟气能量偏差。实验室的冷态模型试验和数值模拟以及已投运锅炉的改造经验表明，这一方案可以减弱烟气旋转又不致造成旋向完全改变。处于保守的考虑，两层燃尽风室喷嘴可以设计成水平摆动，以调整烟气旋转程度。

D、改进二次风挡板

出于实际运行中炉膛与大风箱的压差达不到所要求的值，而被迫将风门适当关小这一现象的考虑，可以适当减小二次风挡板处空气流动面积以增加阻力，以保证满负荷挡板处于全开状态。二次风挡板由气动调节机构驱动，由于气动机构的调解繁琐，因此挡板只能每层甚至几层用一个信号调节，这种情况不利于调整空气在各风室的分配。

二次风挡板驱动机构由气动改成电动可以克服上述缺点。电动执行机构已在300MW以下锅炉上使用多年，其准确性和可靠性均无问题。在其固定装置设计时充分采取措施防止热量从风道传至电装就可以避免早期使用过程中存在的绝缘烧损问题。

E、一次风燃烧器改为水平浓淡式

采用水平浓淡式燃烧器可以强化着火。布置于一次风管内的折流板将煤粉管道弯头惯性分离的煤粉气流分为浓淡两股，浓相位于向火侧侧，淡相位于背火侧。浓淡燃烧器一次风中80%的煤粉位于浓侧，20%的煤粉位于淡侧。浓淡燃烧的稳燃原理如下:

* 提高煤粉浓度能使浓侧的一次风量相对降低煤粉着火热减少。

* 煤粉浓度的增加将加速着火前煤粉的化学反应速度，故促进了煤粉的着火。

* 风粉混合物进入炉膛后被炉内热烟气加热，析出挥发份，挥发份首先着火然后焦炭着火燃烧，挥发分是煤着火的主要点火源。采用浓淡燃烧技术后，对下二次风浓侧的煤粉浓度可达正常燃烧方式的1.6倍，也就是说挥发份提供的着火热是以前的1.6倍；因此浓淡燃烧技术是保证稳定燃燃的有效措施。

* 煤粉浓度的提高，增加了火焰黑度和辐射吸热量，促进了着火并提高了火焰传播速度。

* 由于浓相位于向火侧，淡相位于背火侧，浓煤粉可以更早地接触上游来的高温热烟气，从而使其着火条件得到更大改善。

浓淡燃烧器喷嘴中间装设钝体，当气流绕过钝体流动时，在其下游区域将形成一个旋涡回流区，这个回流区的尺寸以及其后的速度分布都与钝体的形状有密切的关系。回流区内之所以能够保证燃料着火和稳燃是因为钝体后有着强烈的湍流混合。在钝体后具有足够高的回流烟气温度、足够强的物质交换、足够低的流动速度，而这些都给燃料着火以及火焰稳定创造了有利条件。一次风中钝体的形状和尺寸都是采用美国燃烧工程公司技术，其合理性和有效性经过实验室试验和数百台锅炉的运行证明。

装设在浓淡燃烧器喷嘴两侧的齿形边可以增加煤粉气流的扰动，强化一次风与炉内高温烟气之间的热交换，强化煤粒子的加热过程，从而使其着火条件得到更大改善。

由于浓淡燃烧器中的绝大部分煤粉位于向火侧，所以煤粉粒子不易贴壁。浓淡燃烧器与减小一次风射流假想切圆直径，或部分一次风气流以一定的逆向偏转角射入炉内以及部分二次风反切共同使用可以有效的避免一次风气流贴壁所造成的结焦现象以及其对炉膛出口烟气能量偏差的影响。

燃烧器按上述方式改造后，着火稳定性，防止结焦和高温腐蚀的能力，NOX排放量都会得到改善，炉膛出口烟气能量偏差得到有效地控制。

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