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600MW超临界对冲燃煤锅炉燃烧特性研究
发布时间：2013-10-24 09:00 来源：未知
1、前言
大唐湘潭发电有限责任公司（以下简称“湘潭电厂”）二期工程为2 x600 MW机组超临界对冲燃烧直流锅炉，已于2006年投产。近几年还将有一批超临界锅炉投产，这些锅炉尽管设计燃用优质贫煤或烟煤，但实际上已燃用或将要燃用本省低挥发分无烟煤或劣质混煤，因此有必要全面系统地研究600 MW机组超临界对冲燃烧锅炉对低挥发分无烟煤或劣质混煤的适应性及燃烧优化技术，从而提高其对低挥发分无烟煤或劣质煤以及煤质大幅度波动的适应性，保证湖南省600MW超临界对冲燃烧锅炉安全稳定经济运行。富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；�、木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂�，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
2、超临界直流锅炉燃烧方式比较
因燃用烟煤、贫煤的超临界机组主要采用切圆燃烧与对冲燃烧2种方式，以下对这2种燃烧方式进行比较：
2.1着火稳燃条件分析
切圆燃烧是直流射流本身的卷吸和依靠邻角上游火焰对下游煤粉射流的引燃着火，又可控制二次风与一次风粉混合的时机来适应不同燃料的着火性能，可以采用烟气内回流和煤粉浓淡分离来强化着火；旋流燃烧器对冲燃烧则是依靠燃烧器本身回流卷吸高温烟气，有较好的着火稳燃能力，并通过浓淡分离来强化着火。从实际运行情况看，这2种燃烧方式着火稳定性基本相同，若煤种变化和煤质下降时，切圆燃烧方式的适应能力要强一些。
2.2燃料燃尽度和燃烧效率
虽然切圆燃烧的后期混合较对冲燃烧强烈，对贫煤燃烧有利，这2种燃烧方式对烟煤来说影响不大。由于大型锅炉炉膛容积大、煤粉停留时间长，若煤粉细度得到保证，两者燃烧效率均高于gg%。
2.3结渣与腐蚀
切圆燃烧易产生气流贴墙，因而比对冲燃烧容易结渣和腐蚀，特别是燃用贫煤时由于燃烧延迟和二次风与一次风的动量流率比大，使得火焰刷墙，导致结渣与腐蚀。
2.4NOx排放
切圆燃烧中的空气与煤粉是逐渐混合，温度峰值低，热力NOx浓度低，并在大型锅炉上可以采用低NOx措施。而对冲燃烧不仅存在局部高温，又由于后期混合差存在局部高氧区，加上各燃烧器之间风粉分配不均，故NOx排放偏大。
2.5热偏差
切圆燃烧由于炉膛出口气流的残余旋转造成过热器与再热器左右两侧的热偏差，但可以通过烟气侧和蒸汽侧采取措施来解决。而对冲燃烧炉膛出口烟温比较均匀。
2.6综合分析
综上所述，从煤种适应性和NOx的排放来看，切圆燃烧优于对冲燃烧。从结渣与腐蚀和热偏差来看，对冲燃烧优于切圆燃烧。
3、湘潭电厂超临界锅炉简介
湘潭电厂2 x 600 MW机组超临界锅炉系东方锅炉（集团）有限公司生产的DG1900/25.4 -Ⅱl型超临界参数变压直流本生锅炉，前后墙对冲燃烧，配正压直吹式制粉系统。每台炉共配有24个BHDB公司生产的HT-NR3型旋流煤粉燃烧器，与之配套的是6台沈阳重型机械厂生产的BBD4060双进双出磨煤机。设计燃用贫煤与烟煤的混煤，但实际上主要燃用低挥发分无烟煤和劣质贫煤。
3.1HT-NR3燃烧器性能
锅炉采用HT-NR燃烧器，该燃烧器应用NOx焰内还原技术，在不降低火焰温度的同时使得NOx的排放急剧减少，较好地解决了NOx排放与未燃尽碳损失这一对矛盾，达到高效率、低NOx排放燃烧。
3.2利用火焰中NOx还原技术
在HT - NR燃烧器中，旋流燃烧器能够单独控制火焰结构，用于加速火焰内的NOx还原。在含有固有氮化物的煤中，这个还原方法是很有效的，因为煤中固有氮化物可快速转变成气相，使得这种化学反应过程更容易。通过控制燃烧进程，产生还原性媒介质与生成的NO反应化合，在火焰内完成了NO的还原，同时火焰被维持在一个高温下，避免发生延迟燃烧。
3.3煤粉浓缩器和稳燃环
煤粉浓缩器安装在煤粉燃烧器的中心，煤粉燃烧器末端的断面是逐渐扩展的。煤粉粒子具有相对高的动量，具有沿直线运动的特性。空气具有较低的动量，运动中趋于进入喷口中心。通过煤粉粒子和空气的动量的差异，煤粉粒子聚集在稳燃环附近。高煤粉浓度实现了快速点燃，提高了火焰的稳定能力。
火焰稳燃环装在煤粉喷口的末端。在HT - NR燃烧器中，靠近燃烧器处有1个负压区，热烟气回流促进着火并提高了燃烧效率。同时，在稳燃环中安装了导流环，可使二次风和三次风向外扩展。因此，火焰还原区域扩大，火焰长度被缩短，扩大的还原区域提高了“焰内还原NOx”的能力。
4、锅炉对煤种适应性的分析
以cl，CB，Cs分别表示锅炉着火稳定性、燃尽性和结焦性常数。它综合了燃料和结构的特性，是锅炉在一定燃料和一定结构条件下的着火、燃尽和结焦特性的表征值。其范围为：
通过对比可以看出：湘潭电厂600 MW机组锅炉C大于其他锅炉，远大于上限值2. 055，因此锅炉的燃尽性相对其他锅炉优势明显；由于未加卫燃带，着火稳定性相对其他锅炉没有优势；防结焦性在正常范围内。
5、锅炉炉内燃烧过程的数值模拟研究
5.1额定负荷锅炉炉内速度场结果分析
二次风进入炉膛后贴向水冷壁，一次风在炉膛中具有很强的刚性，但不会出现火焰直接冲击对面水冷壁的情况，燃烧区域具有很大的回流区。中部气流有挤向侧墙的情况，且在炉膛四角出现漩涡。在OFA截面，燃尽风有很强的刚性，吹向炉膛中部。
5.2额定负荷锅炉炉内温度场结果分析
图2为额定负荷时锅炉中层燃烧器区域的温度图。从图中可以看出，由于旋流燃烧器是单只组织燃烧，因此炉膛内温度总体上呈对称分布。模拟计算结果表明：上、中、下层温度分布特点相同，在燃烧器出口处的温度变化梯度较大，温升快，保证了煤粉气流的及时着火，炉膛中心区域燃烧最为剧烈，最高点温度达到1600℃，炉膛火焰充满度良好；下层燃烧器区域炉膛温度略显偏低，由于在上一层燃烧器受到下层燃烧器火焰的支持，烟气温度要明显高于下层，在燃尽风区域温度达到最高，随后烟气温度逐步降低。
5.3额定负荷NOx分布
NOx浓度与过量空气系数、燃烧温度和煤的含氮量有关，NOx浓度与温度变化趋势一致。在燃烧器和燃尽风之间的还原区域NOx浓度达到最大，然后逐步降低，在炉膛出口NOx浓度达到最低值491mg/Nm3，与实验值(510mg/Nm3)大致相符。
5.4结渣的部位和程度模拟结果
结渣模拟表明，前后墙有轻微的结渣倾向，侧墙结渣倾向更大一些，在侧墙燃烧器高度，由于高温烟气回流带动煤粉粒子刷墙造成结渣。
5.5增加卫燃带模拟结果及对比
图3为在下层燃烧器高度和中层燃烧器高度增加350m2卫燃带的温度场模拟结果，通过与图2的对比可以看出，增加卫燃带后炉膛断面高温区增加，整体温度水平有近100℃的上升，炉膛温度偏低的状况有明显改善。因此，建议在燃烧器区域加装卫燃带。
6、燃烧优化试验研究
湘潭电厂超临界锅炉设计燃用烟煤和贫煤的混煤，实际燃用的煤种较杂，基本为少量烟煤及本省劣质贫煤和晋城无烟煤的混煤。试验期间煤质工业分析数据见表3。由于无烟煤比例较大、燃尽特性差，燃烧优化调整试验的重点是针对无烟煤的特性解决锅炉运行经济性问题。
6.1预备性试验
燃烧调整试验前进行了预备性试验，试验在不做任何调整的情况下进行，试验飞灰和炉渣可燃物含量分别为7.80%，11. 26%，排烟温度149℃，锅炉效率89.32%。
6.2变氧量试验
560 MW以上负荷下变氧量试验工况。按氧量由小到大排列，省煤器出口氧量分别控制在2.5 %，3.0%，3.5%．4.0%，飞灰可燃物含量分别为7.55%．7.46%．4.72%，6.62%。随氧量增大，飞灰可燃物含量降低，机械不完全燃烧损失q4减少。这是由于试验煤种中无烟煤占有较大比例，煤粉较难燃尽，适当提高氧量有利于充分燃烧；但氧量过高（高于4.0%）不利于煤粉着火，飞灰可燃物反而升高。
6.3变外=次风（即三次风）叶片角度试验
燃烧器三次风为旋流风，三次风的作用主要是卷吸高温热烟气并补充燃烧所需的空气，它在燃烧器风量中占的比例最大，对煤粉燃烧起关键作用。
三次风叶片角度分别为45%，55%，65%，飞灰可燃物含量分别为7. 88%，7.03%，7.83%，排烟温度分别为150.6℃．148.5℃，149.8℃。可见三次风叶片角度变化对锅炉经济性有一定的影响。三次风叶片角度关小至45%，燃烧器风量减少，飞灰可燃物含量升高，锅炉效率明显降低；三次风叶片角度开大至65%，旋流强度降低，同样飞灰可燃物含量升高。因此在试验煤质情况下，三次风叶片角度的调整应综合考虑燃烧器风量和旋流强度2个方面，在55%左右叶片角度下，煤粉燃尽效果较好。
6.4变燃尽风门开度试验
不同燃尽风门开度可改变燃尽风量和燃烧器风量的分配比例。试验分100%，50%，40%3个工况，飞灰可燃物含量分别为6.12%，7.26%，7.06%。燃尽风门全开工况的飞灰可燃物含量明显低于其它2个工况，这主要是对试验煤质来说，燃尽风比例增大可降低燃烧器区域风量，有利于煤粉着火和稳燃效果，同时后期风量充足有利于燃尽。
6.5变燃尽风门叶片角度试验
改变燃尽风喷口二次风和三次风调风器角度可改变燃尽风量和旋流强度。2个工况燃尽风调风器角度分别在25%，50%，飞灰可燃物含量分别为6.12%．6.30%。2个工况飞灰可燃物含量没有明显变化，排烟损失也接近。
6.6变二次风套简位置试验
二次风套筒主要调节燃烧器内外二次风的比例，起到控制燃烧初期氧量供应的作用。变二次风套筒位置试验工况开度分别在1OO%，65%，飞灰可燃物含量分别为5.02%，4.93%，炉渣可燃物含量分别为4.00%．6.34%，排烟温度分别为133.47℃．136.15℃；2个工况飞灰可燃物含量接近，100%开度下炉渣可燃物含量和排烟温度略低。
6.7变煤粉细度对比试验
2个工况煤质、配风工况基本相同，煤粉细度R90分别为17.6%和12.4%，飞灰可燃物含量分别为7. 46%5.61%，炉渣可燃物含量分别为18.ll%．8.10%，试验结果表明煤粉细度提高后煤粉的燃尽效果好，灰渣可燃物含量明显降低。
6.8优化调整试验
针对前一阶段试验结果，试验人员进行了分析和优化调整，并进行了3个工况的优化调整试验。3个工况锅炉效率平均91.4%，比预备性试验约提高了2%。
经过优化调整飞灰可燃物含量在4.0%一5.0%范围内，达到设计要求。煤粉细度R90尽量控制在12%左右较好，氧量适当提高飞灰可燃物含量明显降低（省煤器出口氧量应控制在3.5%左右），三次风叶片角度在中间位置飞灰可燃物含量有所降低，燃尽风挡板开度应大于60%。各调整工况对排烟温度的影响不太明显。
6.9存在的问题和建议
对灰渣可燃物化验结果表明，炉渣可燃物含量明显偏高（平均在10%左右）。主要原因有2个方面：a．混煤中无烟煤（如晋城煤和志城煤）较难研磨，炉渣中无烟煤粗颗粒较多；鉴于目前人炉煤中无烟煤比例不断加大，要保证锅炉经济性必须进一步控制煤粉细度，煤粉细度R90必须控制在12%以下。b．下炉膛温度偏低，煤粉粗颗粒燃尽困难。试验测得3层燃烧器区域温度平均约1100℃左右，燃尽风区域I 350℃左右，明显偏低，通过燃烧调整手段提高炉膛温度效果不明显，建议在燃烧器区域适当敷设卫燃带。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂鲜强突遣淮淼难≡瘛�
7、技术(改造）措施
7.1油枪雾化片更换：在机组调试初期，通过将启动油枪雾化片更换为3 200 kg/h和2400 kg/h这样2种规格，达到了省油和保证雾化效果的目的；将下排点火油枪雾化片更换为500 kg/h，提高了煤粉着火和稳燃性能。
7.2锅炉启动超温问题的解决：首次采用修改锅炉启动控制曲线、增大高低压旁路开度、增加主蒸汽流量、投入减温水的方法，成功解决了该类型超临界锅炉启动超温的问题，该方法的有效性、经济性和安全性明显。
7.3锅炉制粉系统设备改造：双进双出磨煤机直吹式制粉系统普遍存在分离器和回粉管易堵塞、煤粉细度无法调整等问题，通过对磨煤机分离器和回粉管进行定期清理，同时对分离器进行2级分离改造，煤粉细度得到有效控制，从而保证了锅炉燃用无烟煤时燃烧稳定性和经济性。
8、结论
通过对湘潭电厂国产600MW超临界锅炉燃烧特性的理论研究和燃烧优化试验研究，找出了在燃用劣质煤条件下锅炉的经济运行方式，解决了湘潭电厂600 MW超临界锅炉由于煤质严重偏离设计要求出现的带负荷能力差、飞灰可燃物含量高等难题，锅炉效率提高了2.08%；提出并实施的技术（改造）措施简单可行，解决了生产实际问题，为锅炉安全稳定经济运行创造了有利条件。
