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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：2587 字体大小: 【小】【中】【大】

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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

作者：方晓东　朱伟明

单位：平圩发电有限责任公司

摘要：针对平电公司二台HG2008T/H锅炉炉膛出口烟气热偏差过大，通过对产生原因进行分析，找出解决问题的措施，为锅炉燃烧改造提供依据。

关键词：残余旋转　流量偏差　切圆直径　燃烧器　二次风反切

大型四角切向燃烧煤粉锅炉具有火焰充满度高，风粉混合强烈，有利于煤粉燃尽；火焰温度与热流密度较均匀，NOX生成较少；且通过对单只燃烧器的设计和整个炉内空气动力场的组织，使其煤种适应性好等优点。但在实际运行中也发现了不少问题，过热器和再热器局部超温爆管在机组运行中尤为突出。

超温爆管的发生与炉内过程和锅内过程两方面的因素有关。就锅内过程而言，引起汽温偏差的原因有吸热偏差，，结构偏差及进口汽温偏差等。就炉内过程而言，目前，通过对已运行的四角布置煤粉锅炉的调查发现，当炉内气流为逆时针方向旋转时，在水平烟道内的受热面其右侧平均温度总是大于左侧平均温度，爆管发生的部位多在水平烟道下部偏右侧。

这种现象是烟温偏差造成的，其实质就是烟气流量沿流通截面分布不均匀，即烟速偏差而致。烟速偏差的形成与烟气残余旋转直接有关。

本文将对水平烟道内能量偏差（烟速偏差和烟温偏差）的成因进行及影响因素分析并提出解决措施。

1　炉内烟气流动及能量偏差的成因

在燃烧器区域实际切圆直径远大于假想切圆直径，在燃烧器区域以外的上部炉膛，气流几乎完全贴壁，其切向速度减小，切圆直径变大。

在燃烧器区域的中下部，气流轴向上升速度呈"W"型分布，在炉膛中心区域其速度为正值，而在靠近炉壁的区域，有一负的速度区。CE公司的试验表明：从下半部分燃烧器喷口流出的气流基本上是向下流动的，在与冷灰斗相碰后气流折向上从炉膛的中部和四角向上流出。这部分气流填充了旋状气流的中心负压区并作为补气的一部分而被从燃烧器射出的一二次风卷吸。沿炉膛高度往上，中心区的速度减小，但速度仍为正值，而四周的负速度区逐渐变为正速度区。在上部燃烧器区域及上部炉膛空间，气流轴向上升速度呈"M"型分布。

在折焰角区域仍存在较强的旋转气流。在折焰角下缘，其旋涡中心与燃烧器区域基本一致，没有发生明显的偏斜。在折焰角区域，由于折焰角下斜面的作用迫使气流流向炉前，旋涡中心偏向炉前，但沿炉宽方向气流速度基本上是左右对称分布的。由于流通面积逐渐减小，气流轴向上升速度在折焰角区域内是逐渐增加的,切向速度在折焰角区域内逐渐减小。这样，气流旋转强度在折焰角区域内逐渐减弱。

气流在屏区左右两侧的流动状况明显不同。在屏区左侧，气流经过折焰角后，偏向炉前上方流动，冲刷至前墙，然后转向，经屏区上部流入水平烟道，而在屏区右侧，气流速度方向均指向炉后，气流经屏区直接进入水平烟道。这是由于炉膛出口气流存在残余旋转，在左侧其切向速度方向指向炉前，故其合成速度指向炉前上方。并且，由于前墙的阻挡，转向流入水平烟道；而右侧气流切向速度方向均指向炉后，其合成速度指向炉后上方，气流经屏区直接流入水平烟道。这正是引起水平烟道内速度偏差的主要原因。在左侧折焰角上方存在一个小回流区，使得左侧气流速度变得更低。

左侧烟气大部分从炉顶进入水平烟道，故其流经的路径长，受到左侧分隔屏的冷却也大，而右侧烟气进入分隔屏后很快短路进入水平烟道，因而烟气流速高且温度也高。结果，在水平烟道底部，右侧烟气传热温压和放热系数都比左侧大，从而使水平烟道底部右侧的受热面处于最恶劣的环境中。这就是超温爆管的根本原因。

2　影响炉膛出口烟气能量偏差的主要因素

2.1　锅炉容量对烟气残余旋转的影响

无论容量大小四角切向燃烧煤粉锅炉的炉内流动情况大同小异，300MW以下锅炉炉膛上部没有将气流完全切割的分隔屏，左侧的气流会向右侧流动从而使偏差进一步增大。为什么烟温偏差问题主要出现在300MW容量以上锅炉，而对200MW以下锅炉基本反映不出呢？表1是哈尔滨锅炉厂生产的不同容量的烟煤锅炉的有关参数。

按美国CE公司标准,一次风速基本不随锅炉容量变化，而对于同一煤种二次风速与炉膛断面成正比，但变化范围不大。也就是说随锅炉容量增大，射流相对炉膛的穿透能力，特别是一次风的穿透能力相对下降，因而气流切圆倾向于贴壁，炉膛出口的残余旋转及其引起的烟温偏差相应增大。

前苏联也是在研制500-800MW四角切向燃烧煤粉锅炉时炉膛出口烟气能量偏差对性能的影响变得明显才对消除炉膛出口的残余旋转给与充分重视。

表1

锅炉容量（MW）	炉膛宽X深（m）	一次风速（M/S）	二次风速（M/S）
50	7.57X7.57	25～28	38～42
100	9.98X9.98	25～28	38～42
200	11.66X11.66	25～28	40～45
300	14.05X11.86	～25	40～45
600	18.54X16.43	～25	40～48

2.2　燃烧器区域空气动力场对烟气残余旋转的影响

燃烧器射流在炉内扩展过程中将卷吸周围的烟气。对狭长形的燃烧器射流，卷吸主要发生在射流两侧，从而在两侧造成负压。如果射流两侧的补气条件不同，则两侧的负压值也不同，使射流两侧出现压差，导致燃烧器射流的偏转。

射流两侧补气条件的差异取决于射流与上下游水冷壁的夹角，也就是燃烧器假想切圆直径。

图1是在试验测得的燃烧器区上下游水冷壁的压力分布。

从图中可以看出，在燃烧器射流根部压差较大，以后随着射流向前扩展，射流两侧的压差要明显小于射流根部的压差，这是因为随着射流的扩展，射流背火侧的补气不仅可以从射流下游得到，而且射流上下方的气体也较易流向射流中部，使得射流补气条件优于根部。另外，从图中还可以看到，随着射流与上下游水冷壁的夹角的减小，燃烧器射流两侧的压差增大，从而引起射流偏转的动力也就越大，射流也就越容易贴壁。显然，当燃烧器射流的几何轴线与射流与上下游水冷壁的夹角夹角不相等时，夹角大的补气也就容易一些，从而射流两侧的压差也就较小。

随着燃烧器高宽比h/b的增大，射流两侧的压差值会增大，气流越容易贴壁。这是由于高宽比小时，射流不但可以从两侧补气，而且可以进行从上下两方补气，使得射流的补气条件较好。另外炉内旋转气流的冲击作用对射流偏转也具有重要影响。当燃烧器高宽比较小时，相当一部分旋转气流从燃烧器射流的上下绕过，使得对其冲击减小。当燃烧器高宽比较大时，大部分上游来的旋转气流冲击到燃烧器射流上使其偏转。对速度低、刚性差的一次风受上游气流冲击而偏转的程度更强。

同层燃烧器或各角燃烧器之间摆动不同步会造成炉内空气动力场紊乱、燃烧效果变差，使得炉膛出口烟气能量偏差进一步加大。

图1

2.3　燃烧工况对炉膛出口烟气能量偏差的影响

煤是多种复杂物质的混合物,在磨制过程中会产生一定程度的分离。煤粉通常含有：40%-70%的净煤颗粒，它只含有相当于2%以下灰份的固有矿物质（也就是与煤紧密结合在一起难以分离的矿物质）；20%-40%的混合颗粒，同时含有煤和矿物质，一般为层状结构；离散的矿物质颗粒。

净煤颗粒，煤和矿物质的混合颗粒以及含有少量可燃成份大部分为无机物的颗粒的燃烧性能有巨大的差别，其燃尽时间、炉内行程，未燃尽部分所含有的热量也有很大差别。

从煤岩学的角度可以将煤分为镜质组、惰性组和矿物质，前二者是由古代植物的不同部分形成的，在同样温度下、同一时间内的燃尽情况也不相同。

煤粉颗粒从喷嘴中喷出后，沿螺旋线上升、燃尽。不同喷嘴喷出颗粒的行程不同；同一喷嘴喷出颗粒尺寸不同行程也不同；同一喷嘴喷出，尺寸相同的颗粒其燃尽程度不同行程也不同。

煤的不同部分，即使燃尽程度相同其未燃尽部分所剩余的热量也不相同。

上述因素都对炉膛出口烟气能量偏差产生影响。研究结果表明：

不同角喷口喷出的煤粉在炉内运动轨道是不同的，一般从水平烟道右侧飞出的煤粉颗粒在炉膛内停留时间较短，颗粒中未燃成分多，这就使得炉膛出口左右两侧煤粉所带未燃热量相差加大。

在水平烟道出口处，左右两侧未燃烬热量存在较大的偏差，右侧明显高于左侧，煤粉在四角切向燃烧锅炉炉膛内的这一燃烧特性将直接引起水平烟道处温度、热量分布的左右偏差，从而导致超温爆管。

对于烟煤，正常燃烧条件下由于上述原因所造成的炉膛出口处残余热量小于总热量的1%。一旦燃烧条件变差、着火推迟，就会有相当部分热量在屏区释放，这部分热量在炉膛出口的不均匀分配会使炉膛出口烟气能量偏差大幅度增加。计算表明，即使仅有3%的燃烧量在屏区进行也会造成10℃左右的两侧过/再热气温差。

CE公司在美国的300MW锅炉并没有出现明显的烟温偏差，这与其燃煤的着火、燃尽特性均好于中国煤种有关。改善煤粉的着火和燃尽条件也是降低炉膛出口烟气能量偏差的有效措施之一。

水冷壁结焦会使炉膛吸热量减少，炉膛出口温度升高，相当部分热量转移至过、再热器吸收。即使水平烟道两侧烟温峰值之比不变，最高烟温的绝对值也大为升高，使得过、再热器超温爆管现象加重。

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