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浓淡燃烧器在陡河发电厂8号炉上的应用

发布时间：2009/6/12 阅读次数：1272 字体大小: 【小】【中】【大】

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浓淡燃烧器在陡河发电厂8号炉上的应用

李建成，谢长松，赵玉龙
河北陡河发电厂，河北唐山 063028

摘要： 针对陡河发电厂8号炉燃烧器在运行中经常出现的问题，对原2、3层燃烧器进行了技术改造，采用浓淡风煤粉燃烧器。给出了改造后冷态燃烧调整试验的情况和热态试验结果，并对改造后在运行中存在的问题提出了相应的解决方案。

关键词： 水平浓淡风喷燃器；低负荷稳燃；燃烧调整；NO_x排放

0　前言

　　陡河发电厂8号炉为哈尔滨锅炉厂生产的HG-670/140-9型超高压自然循环煤粉炉，配备4套DTM350/600型钢球磨煤机、中间储仓式制粉系统、直流式燃烧器、四角切圆、热风送粉，设计燃用开滦洗中煤。为了防止锅炉灭火，提高燃烧稳定性，20世纪90年代初期将原直流燃烧器改为清华大学设计的船体燃烧器。但从1997年以来，由于燃用煤着火、燃烧稳定性变好，运行中经常出现燃烧器烧损、给粉管打炮、喷燃器区域透火、漏粉、水冷壁拉裂等问题，也曾采取过加装冷风管降低一次风温等措施，但效果仍不明显。为适应煤种多变的实际情况，彻底解决给粉管打炮、燃烧器烧损及低负荷稳定燃烧问题，陡河电厂委托北京国电龙高科环境工程技术有限公司于2003年3月对8号炉的2、3层燃烧器进行了改造，燃烧器采用哈尔滨工业大学的专利技术—浓淡风煤粉燃烧器。
　　改造后试验结果表明：适当降低一次风温，给粉管打炮现象基本消除，低负荷燃烧稳定性大大增强。运行一年来，未出现过燃烧器烧损现象，NO_x排放比改造前有所降低。

1　设备概述

1.1　锅炉技术规范 　
　　以B-MCR工况为设计工况的锅炉主要参数见表1。

表1　锅炉主要参数

参　数　名　称	数值	参　数　名　称	数值
过热蒸汽流量/t·h^-1	670	给水温度/℃	247
过热蒸汽温度/℃	540	热风温度/℃	330
过热蒸汽压力/ MPa	13.72	排烟温度/℃	141
再热蒸汽温度/℃	323/540	锅炉效率/％	89.69
再热蒸汽压力/MPa	2.7/2.5	锅炉计算燃料量/t·h^-1	162.50
汽包工作压力/MPa	15.68

1.2　锅炉设计燃料特性
　　锅炉设计燃料特性见表2。

表2　设计及常用燃料特性

类　别	项目	设计值	现燃用煤种
工业分析	水分Mar/%	8.80	6.70
	灰分Aar/%	45.76	31.23
	挥发分Var/%	19.71	22.9
	低位发热量 Qnet.ar/ kJ·kg^-1	13088	19250
元素分析	碳Car/%	34.47	48.42
	氢Har/%	2.93	3.01
	氧Oar/%	7.00	8.97
	氮Nar/%	0.53	0.80
	硫Sar/%	0.51	0.87
	水分Mar/%	8.80	6.70
	灰分Aar/%	45.76	31.23

1.3　煤粉燃烧器的设计参数
　　锅炉炉膛截面尺寸为13 660 mm×11 660 mm，高度为38 500 mm，煤粉燃烧器区域截面热负荷为q_F=1280×10⁵kJ/(m²·h)。采用钢球磨煤机中储仓式制粉系统，热风送粉、冷风调节。煤粉燃烧器布置在炉膛四个角，火焰在炉膛中心形成假想切圆，直径为φ1 200 mm/φ600 mm，具体布置方式自上而下依次为三、三、二、一、二、一、二、油二、二、一、二、一、二、油二次风，如图1所示，各燃燃烧器参数如表3所示。

　　图1　陡河发电厂8号炉煤粉燃烧器示意图

表3　煤粉燃烧器设计参数

项目	风率/%	风速/m·s^-1	风温/℃
一次风	23	23	208
二次风	48.34	46	330
三次风	24.50	60	60
炉膛漏风	4.16	-	30

2　燃烧器改造、实施方案

　　(1) 第1、4层保留原船体燃烧器，第2、3层改为水平浓淡风煤粉燃烧器。
　　一次风粉通过安装于煤粉燃烧器前的给粉管上的高浓缩比的煤粉浓缩器，在水平方向分成浓淡两股煤粉气流。浓煤粉气流与淡煤粉气流以一定的夹角喷入炉膛，其中一股为高浓度气流，风粉中含有大部分煤粉，这股气流位于向火侧，形成内切圆；另一股煤粉浓度很低，以空气为主，位于背火侧，形成外切圆。浓一次风煤粉气流在向火侧的着火区域形成了高温、高浓度区域。煤粉浓度的提高，可以减少着火热，火焰传播速度加快，有利于稳燃。浓一次风着火后，淡一次风煤粉气流逐渐混入，符合随燃烧进行补充供风的原则，有利于煤粉的燃尽。燃烧器的布置及切圆见图2。

　　
1—一次风管道；2—煤粉浓缩器；3—侧边风；4—浓煤粉气流；
5—淡煤粉气流；6—内假想切圆；7—外假想切圆；8—水冷壁
图2　改造后的煤粉燃烧器示意图

　　(2) 在燃烧器背火侧加装侧二次风。
　　侧二次风从邻近的二次风箱引出，通过调节风门引入燃烧器背火侧，调节风门采用电动机构远程控制。淡一次风煤粉和侧二次风在背火侧的加入，大大提高燃烧器区域壁面的氧量，使壁面氧量大于2%，同时降低了燃烧器区域四周壁面的温度，提高了灰的熔化温度，可防止结渣，也有利于减轻水冷壁管的高温腐蚀，有力地抑制NO_x的排放。同时，侧二次风在燃烧器停用时起冷却作用，防止燃烧器过热，提高燃烧器使用寿命。
　　(3)加装百叶窗煤粉浓缩器。
　　为了提高锅炉对煤质和负荷变化的适应性，并调节1、2角与3、4角分离不一致，在给粉管煤粉浓缩器后加装百叶窗煤粉浓缩器，内含三块可调节的挡板，调节挡板采用陶瓷耐磨材料，该材料硬度高，抗磨性能优良。可以根据煤质及负荷的变化，来调节煤粉浓度，对于低挥发份的燃料，可将浓侧的煤粉浓度提高1倍（见图3）。
　　(4) 燃烧器浓侧加装稳燃钝体。
　　钝体采用耐热合金钢，其耐热温度可达1 200～1 250 ℃（见图3）。

　　图3　浓淡喷燃器示意图

　　(5) 对一、二、三次风的配风比例和配风方式进行优化。
　　此次设计中，浓淡燃烧器的一次风温采用160 ℃，出口速度28～30 m/s，改造后的煤粉燃烧器设计参数见表4。

表4　改造后煤粉燃烧器设计参数

项目	风率/%	风速/m·s^-1	风温/℃
一次风	23	23	208
二次风	48.34	46	330
三次风	24.50	60	60
炉膛漏风	4.16	-	30

3　改造后冷态试验结果

　　为了摸索8号锅炉煤粉燃烧器改造后的炉内空气流动特性，掌握二次风挡板特性及额定负荷下煤粉燃烧器所形成的实际切圆大小位置，陡河发电厂和北京国电龙高科环境工程技术有限公司于2003年4月17日对8号炉进行了炉内冷态空气动力场测定工作。在测量前，对一次风管道上的笛形管流量系数进行标定，而后对测量的一次风气流动压进行修正计算出各煤粉燃烧器的一次风量。
3.1　二次风挡板特性试验
　　在每组煤粉燃烧器的二次风喷口处，选4点用风速仪测量二次风喷口气流速度，以供锅炉进行二次风配风方式燃烧调整时使用。挡板开度分别为0、25%、50%、75%、100%，维持二次风总风压在1 600～1 800 Pa之间。
　　通过对4个角的二次风挡板特性曲线的标定，得出了二次风挡板开度与二次风出口气流速度的关系曲线。从二次风挡板特性曲线可以看出：大多数的二次风挡板特性规律性较强，可以用于运行调整。
3.2　一、二次风喷口速度的调平试验
3.2.1　冷态模化试验及计算
　　在实炉上进行冷态等温模化试验，除了保证煤粉燃烧器出口气流的雷诺数达到自模区，即Re≥10⁵，还要遵守冷、热态时煤粉燃烧器一、二次风出口气流动量比相等的原则，此次冷态模化试验按设计参数进行。冷态模化试验及计算结果见表5。

表5　冷态模化试验及计算结果

名　称	数据来源	100%ECR工况
一次风速度W₁/m·s^-1	设计参数	27.5
一次风温T₁／℃	设计参数	160
一次风煤粉浓度Μ／kg·kg^-1	设计参数	0.5
二次风速W₂／m·s^-1	设计参数	39.95
二次风温T₂／℃	设计参数	330
煤粉与空气速度不同的修正系数K	设计参数	0.8
模化温度T_2m／℃	选取	30
冷态模化二次风速度W_2m／m·s^-1	公式计算	25.4
冷态模化一次风速度W_1m／m·s^-1	公式计算	22.5
炉膛截面宽A/ m	设计参数	13.66
炉膛截面深B/m	设计参数	11.66
炉膛截面当量直径D_dl/m	公式计算	12.581
炉内气流速度W/m·s^-1	公式计算	0.66
炉内气流的雷诺数Re	公式计算	5.2×10⁵

3.2.2　煤粉燃烧器一、二次风喷口速度调平
　　根据一次风管道上笛形管流量系数的标定结果和二次风挡板特性曲线，给出冷态空气动力场测定时一、二次风速度。一次风管道的风速与二次风挡板开度见表6与表7。　

　　　　　　　　　　　　表6　冷态模化时一次风速　　　　　　m/s

项　目	No.1	No.2	No.3	No.4
一层一次风速	22.35	21.60	22.93	22.93
二层一次风速	22.64	20.35	20.67	22.93
三层一次风速	23.76	18.66	20.51	19.86
四层一次风速	20.67	23.22	20.99	21.45

　　注：W_平均=21.6±1.5(m/s)

　　　　　　　　　　　　表7　冷态模化时二次风挡板开度　　　　　　　　％

项　目	No.1	No.2	No.3	No.4
上上二次风挡板开度	53	43	33	44
上中二次风挡板开度	47	36	68	41
上下二次风挡板开度	64	56	48	52
下上二次风挡板开度	58	69	52	46
下中二次风挡板开度	66	55	47	55
下下二次风挡板开度	45	59	58	60

3.3　100%ECR炉内空气动力场的测定
　　100%ECR炉内空气动力场是在炉膛出口负压为-30～-50 Pa，二次风压保持在1 600 Pa、二次风调平时流速25.4±2 m/s时进行。侧边风挡板开度为30%～40%。试验结果见图4。

图4　100%ECR炉内空气动力场

　　在100%ECR条件下，一次风喷口气流在炉内形成一个长轴为7 800 mm，短轴为7 200 mm的强风环。强风环的最大速度为7.5～9.0 m/s，一、二次风气流刚劲有力，无气流贴壁现象，一、二次风气流进入炉膛后形成一个稳定逆向的旋转体，强风环居中。
3.4　浓淡分离挡板预调整
　　由于1、2号角的煤粉管在入炉弯头处浓淡分离后浓粉在向火侧，而3、4号角的煤粉管在入炉弯头处浓淡分离后浓粉在背火侧，与设计不一致，因此对浓淡分离挡板进行预调整，调整角度如表8所示。

表8　浓淡分离挡板预调整角度

	No.1	No.2	No.3	No.4	备注
一层					船体
二层	15°、0°、0°	15°、0°、0°	15°、15°、0°	15°、15°、0°	浓淡
三层	15°、0°、0°	15°、0°、0°	15°、15°、0°	15°、15°、0°	浓淡
四层					船体
方向	给粉管道 → 浓淡风燃烧器 → 炉膛

4　改造后热态试验结果

　　为了考核8号锅炉煤粉燃烧器改造后的锅炉在额定负荷下的效率、NO_x排放量、40%额定负荷下锅炉稳定燃烧等情况，陡河发电厂、北京国电龙高科环境工程技术有限公司于2003年4月20日～25日对8号炉进行了热态燃烧调整试验。
4.1　NO_x排放
4.1.1　NO_x排放量计算方法
　　按照惯例，锅炉NO_x排放量应将实测的NO_x折算到氧量为6%时NO_x的浓度。具体方法为

　　　　　　
　　式中，［NO_x］为折算到氧量为6% 时的NO_x浓度，mg/m³；［NO_x］′为实测得到NO_x浓度，ppm；［O₂］为实测得O₂浓度，%。
4.1.2　燃烧器改造前后NO_x排放物比较
　　为了比较燃烧器改造前后NO_x排放物的多少，在燃烧器改造前，对8号炉的NO_x排放物进行测定，试验共进行了2个工况。燃烧器改造后，又对NO_x排放物进行测定，试验结果见表9。

表9　 NO_x排放物试验测定结果

项目	改造前		改造后
项目	工况1	工况2	工况1	工况2	工况3	工况4	工况5
电负荷/MW	200	160	181.6	180	199.8	181.6	161.5
转向室氧量/%	4.3	4.4	4.3	4.8	4.4	4.4	4.4
空气预热器出口氧量/%	7.1	6.94	7.6	7.75	7.2	7.75	7.8
空预器出口NOx排放浓度/mg·m^-3	736	690.1	671	683	694	683	649
空预器出口NOx平均排放浓度/mg·m^-3	713.05		676

　　由表10可以看出：
　　① 通过燃烧器改造，在同样负荷下，NO_x平均排放浓度由改造前的713.05 mg/m³下降至676 mg/m³，下降了37.05 mg/m³。
　　② 180 MW负荷下，随着入炉总风量的增加，即转向室中的烟气氧量从4.3%增加到4.8%，NO_x排放量呈增加趋势，NO_x排放量由671 mg/m³增加到683 mg/m³，增加了12 mg/m³。③ 随负荷降低，NO_x排放量由694 mg/m³降低到649 mg/m³，降低了45 mg/m³。
4.2　锅炉效率
　　锅炉效率试验是在转向室的烟气氧量4.4%，侧边风挡板开度为30%～40%，二次风为均匀配风、试验负荷分别为200、180、160 MW的负荷下进行。试验结果见表10。

表10 　锅炉效率试验测定结果

项　目	工况1	工况2	工况3	工况4	工况5
锅炉蒸发量/t·h^-1	515.0	514.1	555.6	515.0	459.3
电负荷/MW	181.6	180	199.8	181.6	161.5
转向室氧量/%	4.3	4.8	4.4	4.4	4.4
飞灰可燃物含量/%	1.18	1.11	1.43	1.11	1.16
排烟温度/℃	137	137	140	137	132
固体未完全燃烧热损失/%	1.58	0.72	0.93	0.72	1.53
锅炉效率/%	90.80	91.71	91.7	91.71	91.1

　　1) 在额定负荷下，锅炉热效率达91.71%。
　　2) 随着入炉总风量增加，飞灰含碳量减少，固体未完全燃烧热损失减少。当转向室氧量为4.3%时，固体未完全燃烧热损失为1.58%，锅炉效率为90.80%。当转向室氧量为4.8%时，固体未完全燃烧热损失为0.72%，锅炉效率为91.71%。
4.3　40%ECR稳定燃烧试验
　　低负荷稳定燃烧试验时的煤质为：水分Mar=7.2%，灰分Aar=6.41%，挥发分Vdaf=37.1%，热值Qnet.ar=17 040 kJ/kg。具体试验情况如下：
　　① 试验初始负荷为120 MW，测定投粉的四角燃烧器出口火焰温度为850～950 ℃，火焰中心温度为1 380～1 450 ℃。
　　② 从120 MW负荷开始，以1.5%ECR/min降负荷率降低机组负荷，同时降低下二排给粉机转速。在机组负荷降到100 MW时，侧边风挡板开度关至15%～20%，投粉的燃烧器出口火焰温度800～900 ℃，火焰中心温度为1 320～1 380 ℃。
　　③ 继续降低机组负荷到80 MW时，保留的燃燃器为一层燃烧器两只（船形喷口），二层燃燃器四只（水平浓淡风喷口），稳燃1h。测定此投粉的燃烧器出口火焰温度为700～750 ℃，火焰中心温度为1 200～1 300 ℃。
　　④ 负荷保持不变，将一层的两只燃烧器切换到三层燃燃器，这时投运的6个燃燃器均为水平浓淡风燃烧器，稳定1 h。测定投粉的燃烧器出口火焰温度为700～780 ℃，火焰中心温度为1 220～1 230 ℃。⑤ 同样在80 MW负荷下，将二层的一只燃燃器切换至三层水平浓淡风喷口，一只切换至四层燃燃器，稳定1 h。测定投粉的燃烧器出口火焰温度为700～780 ℃，火焰中心温度为1 240～1 250 ℃。

表11　40%ECR稳定燃烧试验

项　目	试验值
电负荷/MW	80.2
过热蒸汽流量/t·h^-1	261.3
过热蒸汽压力/MPa	8.47
过热蒸汽温度/℃	507
热风温度/℃	262
排烟温度/℃	103.4
稳定时间/min	180

　　试验表明，负荷在40%及以上运行，有部分水平浓淡风燃燃器的情况下，无论投运哪一层燃燃器，炉膛负压稳定，无波动，燃烧稳定，充分说明水平浓淡风煤粉燃烧器具有较强的抗干扰稳燃能力。

5　改造后运行过程中存在的问题及建议

5.1　停运的燃烧器经常出现烧红迹象
　　在实际运行中发现，停运的上层燃烧器由于炉内高温烟气的辐射热，出现烧红的现象。分析原因为：
　　① 实际燃用煤种偏离设计煤种较大，但在对喷燃器进行改进时，仍延用原假想切圆直径，假想切圆直径偏大。同时，对于多层燃烧器，实际切圆直径可膨胀至假想切圆直径的7～8倍，实际的切圆是一个倒锥形的旋涡核心，即上大下小，因此在燃烧器区域上部，燃烧器区域温度升高。
　　② 煤质及燃烧器结构改变后，着火点提前，使燃烧器区域温度较设计值升高。
　　③ 炉膛外墙大滑板改造后，漏风减少，燃烧器温度较大修前升高。
　　因此出现实际燃烧器区域烟气温度高，而上层燃烧器停运时又没有侧二次风冷却，从而使停用的燃烧器在高温烟气辐射下，温度过高。建议将假想切圆直径由1 200／600 mm改为600/600 mm。
5.2　燃烧器开裂
　　浓淡燃烧器前半部为合金钢，后半部为铸钢，两者材料不一样，焊接难度大，在受热时，膨胀系数不一致，导致运行中二层2号角、二层3号角、二层4号角、三层3号角的燃烧器均出现焊口开裂现象。
5.3　浓淡分离挡板耐磨陶瓷脱落
　　为了防止浓淡分离挡板在运行中磨损掉下，影响分离效果，浓淡分离挡板为双层结构，内层为不锈钢，外层为耐磨陶瓷。但在运行过程中，由于两种材料膨胀不均，浓淡分离挡板出现耐磨陶瓷脱落的现象。因此，应对浓淡分离挡板的材料进行改进。另外在浓淡分离挡板转轴处，没有加装防护套。由于一次风粉的磨损，转轴易磨损断裂造成分离挡板掉落，因此应另装防护套，避免此类现象的发生。
5.4　一次风温度
　　陡河发电厂燃煤的挥发分（Vdaf）多在38%～44%左右，属于着火、燃烧性能较好的烟煤，加之采用了热风送粉系统，应遵循电力工业部的部颁标准DL 435—1991《火电厂煤粉锅炉燃烧室防爆规程》中的规定，对一次风应按如下要求控制：
　　① 对于挥发分≤38.5%的烟煤，在180～200 MW负荷下，一次风总风压控制在3.2 kPa以上，煤粉混合器前的一次风温度控制在250 ℃以下。
　　② 对于挥发分＞38.5%的烟煤，该煤种属于极易燃烧着火的煤种，在180～200 MW负荷下，一次风总风压控制在3.2 kPa以上，煤粉混合器前的一次风温度控制在230 ℃以下。
　　由于8号炉只将2、3层燃烧器改为浓淡燃烧器，其稳燃能力可进行调整，但1、4层仍为船体燃烧器，没有调节手段。为防止灭火，一次风温需控制在260 ℃左右。尽管浓淡喷燃器提高了稳燃能力，但一次风温未降至设计值，给粉管打炮问题未能彻底解决。建议在今后的改造中，将1、4层燃烧器也进行改造，从而将风温降至设计值，彻底消除给粉管打炮现象。

6　结论 

　　(1) 陡河发电厂8号炉采用水平浓淡风煤粉燃烧器对2、3两层火嘴进行改造后，煤粉燃烧器着火稳定、炉膛无结渣，过热蒸汽、再热蒸汽参数稳定，减温水流量在设计范围内。锅炉在额定负荷下，锅炉效率达91.70%。 NO_x平均排放量由原来的713.05 mg/m³降为676 mg/m³。
　　(2) 陡河发电厂8号锅炉采用水平浓淡风煤粉燃烧器改造后，锅炉可在40%ECR下稳定燃烧。
　　(3) 陡河发电厂8号锅炉采用水平浓淡风煤粉燃烧器后，NO_x排放浓度虽比改前有所降低，但NO_x排放仍较高，应对1、4层船体燃烧器进行改造。
　　(4) 对于燃烧器改造后出现的问题，应利用机组检修机会，及时进行改进，提高锅炉运行的安全性。

7　参考文献

　　［1］岑可法.锅炉燃烧试验研究方法及测量技术.北京：水利电力出版社，1995.

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