W形火焰鍋爐改燒煙煤的實(shí)踐

丘紀(jì)華， 黃益群， 王 力， 張小平， 熊金華

(1. 華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074;2. 廣東粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠， 廣東韶關(guān) 512312)

研究與分析

W形火焰鍋爐改燒煙煤的實(shí)踐

丘紀(jì)華1， 黃益群2， 王 力2， 張小平1， 熊金華2

(1. 華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430074;2. 廣東粵電集團(tuán)韶關(guān)發(fā)電廠， 廣東韶關(guān) 512312)

對(duì)某電廠300 MW無(wú)煙煤W形火焰鍋爐進(jìn)行改燒煙煤的研究，通過(guò)調(diào)整爐內(nèi)衛(wèi)燃帶面積，保證爐膛出口煙氣溫度控制在原設(shè)計(jì)范圍，取消燃燒器的乏氣噴口、增加一次風(fēng)速和風(fēng)量，以適合煙煤的著火燃燒，對(duì)制粉系統(tǒng)安全性進(jìn)行改進(jìn)，確保制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行。改造后的運(yùn)行結(jié)果表明：該爐燃用揮發(fā)分w(Vdaf)為25%～35%、發(fā)熱量Qnet,ar為20～22 MJ/kg的煙煤時(shí)，主蒸汽和再熱蒸汽的汽溫、汽壓及輸出功率均滿足該鍋爐原設(shè)計(jì)要求，爐內(nèi)無(wú)明顯結(jié)焦，燃燒器無(wú)燒壞，制粉系統(tǒng)可以長(zhǎng)期安全運(yùn)行，鍋爐熱效率提高2%以上，NOx排放質(zhì)量濃度降低至400 mg/m3以下。

鍋爐； 燃燒； 衛(wèi)燃帶； 煤粉； 制粉系統(tǒng)

由于國(guó)內(nèi)煙煤采購(gòu)和供應(yīng)較為方便，中南地區(qū)的W形火焰鍋爐都有摻燒煙煤的經(jīng)歷，其摻燒效果不一[1-4]。研究表明，無(wú)煙煤與煙煤的混磨燃燒中會(huì)因可磨指數(shù)差別大造成煙煤細(xì)、無(wú)煙煤粗的結(jié)果，導(dǎo)致飛灰可燃物增加[5-6]。如果煙煤與無(wú)煙煤的混合不均勻，則有可能造成制粉系統(tǒng)的自燃或爆炸，以及燃燒器的燒壞。無(wú)煙煤與煙煤分磨后在爐內(nèi)混燒，對(duì)四角燃燒鍋爐和前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐來(lái)說(shuō)，由于燃燒器是沿高度按層布置，能較容易實(shí)現(xiàn)煙煤與無(wú)煙煤的摻燒；但是對(duì)于W形火焰鍋爐，由于燃燒器布置在鍋爐的前后拱上，煙煤、無(wú)煙煤的著火燃燒特性不同，一次風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)率的選取也不同，因此會(huì)在爐內(nèi)引起溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)混亂，容易引發(fā)燃燒事故。如果W形火焰鍋爐全燒煙煤，則可以避開(kāi)摻燒帶來(lái)的問(wèn)題。筆者針對(duì)W形火焰鍋爐進(jìn)行改燒煙煤的研究及實(shí)踐，解決一些發(fā)電廠W形火焰鍋爐燃用煙煤的需求。

某W形火焰鍋爐由于是針對(duì)低揮發(fā)分煤種進(jìn)行設(shè)計(jì)，與煙煤鍋爐最大不同是燃燒區(qū)域(下?tīng)t膛)敷設(shè)有大面積的衛(wèi)燃帶，維持爐內(nèi)煤粉的穩(wěn)定燃燒；煤粉一次風(fēng)由爐拱向下噴入下?tīng)t膛，然后約轉(zhuǎn)180°再向上爐膛流動(dòng)，延長(zhǎng)煤粉在爐內(nèi)的燃燒時(shí)間，以利于低揮發(fā)分煤粉的燃盡。W形火焰鍋爐若不經(jīng)改造直接燃用煙煤，可能會(huì)由于爐內(nèi)燃燒溫度高引起嚴(yán)重結(jié)焦、燃燒器燒壞等事故，且因?yàn)闋t內(nèi)吸熱量變化和煙煤燃盡時(shí)間縮短導(dǎo)致主汽溫度和再熱汽溫偏離設(shè)計(jì)值，影響鍋爐的正常運(yùn)行。另外，制粉系統(tǒng)也應(yīng)按照磨制煙煤的規(guī)程要求進(jìn)行安全性能改造和運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定。

1 鍋爐的基本情況

該W形火焰鍋爐燃用粵北曲仁無(wú)煙煤，型號(hào)為DG1025/18.2-Ⅱ15，配300 MW的汽輪機(jī)運(yùn)行。鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱的自然循環(huán)鍋爐，采用雙拱型、單爐膛。燃燒器布置于下?tīng)t膛的前、后拱上，為雙旋風(fēng)分離式煤粉濃縮型燃燒器。該鍋爐配有4套正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每套制粉系統(tǒng)有1臺(tái)BBD4060型雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)，煤粉通過(guò)12個(gè)一次風(fēng)噴口和12個(gè)乏氣噴口送入爐內(nèi)燃燒。鍋爐共48個(gè)一次風(fēng)噴口和48個(gè)乏氣噴口。二次風(fēng)經(jīng)鍋爐兩側(cè)風(fēng)道送入前后墻大風(fēng)箱的風(fēng)口進(jìn)入爐膛。每個(gè)燃燒器作為一個(gè)單元，每個(gè)單元布置6個(gè)二次風(fēng)道及擋板，其中A、B、C擋板控制拱上部分，分別對(duì)應(yīng)乏氣噴口周界風(fēng)、一次風(fēng)噴口周界風(fēng)和油槍風(fēng)；D、E、F擋板控制拱下部分，分級(jí)送入控制燃燒過(guò)程。在下?tīng)t膛布置有781 m2衛(wèi)燃帶，用以強(qiáng)化無(wú)煙煤的著火和穩(wěn)定燃燒。表1給出了該爐BECR工況設(shè)計(jì)參數(shù)，表2為該爐原設(shè)計(jì)煤種分析以及擬燃用的煙煤分析。

表1 設(shè)計(jì)煤種主要參數(shù)

表1(續(xù))

表2 煤質(zhì)分析

由表2可見(jiàn)：擬燃用的煙煤w(Vdaf)都在35%左右，且Qnet,ar也都大于20 MJ/kg。這些煙煤的著火、燃燒和燃盡性能較好，但煙煤1和煙煤2的灰熔點(diǎn)溫度較低，應(yīng)注意防止在爐內(nèi)受熱面結(jié)焦。

2 改燒煙煤技術(shù)方案

2.1 爐膛出口溫度控制

對(duì)于自然循環(huán)或控制循環(huán)鍋爐，鍋內(nèi)的水吸熱汽化主要發(fā)生在爐內(nèi)水冷壁內(nèi)，而蒸汽過(guò)熱則發(fā)生爐膛出口之后的過(guò)熱器、再熱器。因此，爐膛出口煙氣溫度的確定意味著汽水蒸發(fā)熱量與過(guò)熱熱量的基本分配。由于擬燃用的煙煤灰分較原設(shè)計(jì)無(wú)煙煤的減少很多，會(huì)引起爐內(nèi)的輻射換熱量相應(yīng)減少，且煙煤的燃盡時(shí)間較無(wú)煙煤短，故在W形火焰鍋爐的煙煤燃燒改造中，要保證鍋爐的蒸發(fā)量以及過(guò)熱蒸汽、再熱蒸汽的汽溫和汽壓與原設(shè)計(jì)一致，則爐膛出口溫度應(yīng)與原設(shè)計(jì)保持一致。該電廠W形火焰鍋爐出口溫度的原設(shè)計(jì)值為1 142 ℃，在改燒煙煤的方案中，希望通過(guò)調(diào)整衛(wèi)燃帶的面積，增加爐內(nèi)水冷壁的吸熱量，以保證爐膛出口煙煤溫度與原設(shè)計(jì)值接近。

對(duì)擬燃用煙煤時(shí)爐膛出口溫度按熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[7-8]進(jìn)行計(jì)算，圖1給出了不同衛(wèi)燃帶面積條件下該W形火焰鍋爐燃用煙煤時(shí)的爐膛出口溫度。由圖1可以看出：當(dāng)保持原衛(wèi)燃帶面積時(shí)，改燒煙煤后爐膛出口的煙氣溫度會(huì)較原設(shè)計(jì)值明顯升高，可能導(dǎo)致過(guò)熱器超溫。適當(dāng)?shù)販p少衛(wèi)燃帶面積以增加水冷壁的吸熱，可以降低爐膛出口煙溫，保證爐內(nèi)吸熱和尾部吸熱分配合理。

圖1 不同煤質(zhì)及衛(wèi)燃帶面積對(duì)應(yīng)的爐膛出口溫度計(jì)算值

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際改造方案中針對(duì)鍋爐的結(jié)果進(jìn)行衛(wèi)燃帶面積調(diào)整：(1)取消爐拱衛(wèi)燃帶和上爐膛衛(wèi)燃帶，以適應(yīng)煙煤的著火，避免結(jié)焦和燒壞燃燒器噴口；(2)將兩側(cè)墻衛(wèi)燃帶減少90 m2，過(guò)去運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)兩側(cè)墻衛(wèi)燃帶結(jié)焦，而煙煤灰熔點(diǎn)較低，更容易結(jié)焦，減少側(cè)墻衛(wèi)燃帶面積，降低下?tīng)t膛的溫度，可以緩解下?tīng)t膛側(cè)墻的結(jié)焦；(3)保持前后墻衛(wèi)燃帶面積不變，伸向灰斗處的衛(wèi)燃帶面積適當(dāng)減少。衛(wèi)燃帶面積調(diào)整前后的布置見(jiàn)圖2。原設(shè)計(jì)衛(wèi)燃帶面積為781 m2，取消爐拱的衛(wèi)燃帶、上爐膛的衛(wèi)燃帶，以及部分側(cè)墻、前后墻衛(wèi)燃帶，衛(wèi)燃帶總面積約減少約256 m2，約占衛(wèi)燃帶設(shè)計(jì)面積的32.8%，總增加的水冷壁面積約占爐膛水冷壁面積的11.9%。

圖2 衛(wèi)燃帶面積布置

2.2 燃燒器改進(jìn)措施

對(duì)于燃用揮發(fā)分w(Vdaf)=25%～35%的煙煤，由于其著火性能好，一次風(fēng)速應(yīng)在25～30 m/s較合適。該爐的煤粉燃燒器為旋風(fēng)分離式(見(jiàn)圖3)，煤粉空氣混合物進(jìn)入旋風(fēng)分離器后，旋風(fēng)分離器將煤粉與空氣進(jìn)行分離，所得的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤粉氣流(約80%～90%的煤粉和50%的空氣)進(jìn)入主燃燒器噴口，而低質(zhì)量分?jǐn)?shù)煤粉氣流(約10%～20%的煤粉和50%的空氣)進(jìn)入乏氣噴口。原燃燒器的設(shè)計(jì)中一次風(fēng)速度較低(w1=13.6 m/s)，這對(duì)于揮發(fā)分較高的煙煤容易將燃燒器燒壞。在燃燒器的改進(jìn)措施中，決定取消乏氣噴口，提高一次風(fēng)的出口速度，推遲煙煤的著火，避免燃燒器周?chē)Y(jié)焦和燒壞燃燒器。

圖3 旋風(fēng)分離式煤粉燃燒器示意圖

取消乏氣噴口后，一次風(fēng)出口速度有較大增加，這樣就使得一次風(fēng)出口的動(dòng)量較燃用無(wú)煙煤時(shí)增加，氣流向爐膛下部的穿透能力增強(qiáng)。表3給出了根據(jù)一、二次風(fēng)氣流動(dòng)量經(jīng)碰撞計(jì)算得到的一次風(fēng)與二次風(fēng)在爐內(nèi)混合后的流動(dòng)方向及速度大小，從中可以看出一次風(fēng)出口速度增加后的氣流匯合方向和混合速度稍有影響，但對(duì)整個(gè)爐內(nèi)氣流流場(chǎng)不會(huì)引起明顯變化，二次風(fēng)的不同分配比例還可以對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表3 一、二次風(fēng)混合后的速度方向

圖4為一次風(fēng)與二次風(fēng)碰撞后混合氣流角度示意圖。

圖4 一、二次風(fēng)在爐內(nèi)混合后的流動(dòng)方向及速度

2.3 制粉系統(tǒng)安全性能改造

針對(duì)擬燃用煙煤的特性，按國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9-10]對(duì)制粉系統(tǒng)采取以下改造：

(1) 在原煤倉(cāng)上部空間(或金屬煤斗下部)安裝防爆門(mén)和消防用蒸汽，并在原煤倉(cāng)的上部安裝排風(fēng)口，排除倉(cāng)內(nèi)的粉塵和可燃?xì)怏w。

(2) 在磨煤機(jī)前的煙風(fēng)管道中引入滅火蒸汽，供汽的管道閥門(mén)應(yīng)采用電動(dòng)并在鍋爐操作盤(pán)上控制。

(3) 在通往磨煤機(jī)的熱風(fēng)管道上安裝兩道風(fēng)門(mén)，第一道為隔絕門(mén)，在停運(yùn)磨煤機(jī)式切斷熱風(fēng)用，第二道為調(diào)節(jié)門(mén)。在兩個(gè)風(fēng)門(mén)之間安裝冷風(fēng)門(mén)，控制壓力冷風(fēng)以調(diào)節(jié)磨煤機(jī)的進(jìn)風(fēng)溫度。

(4) 消除煤粉管道中的袋形和盲腸管，以及助長(zhǎng)煤粉沉積的凸出和不光滑處，避免煤粉沉積后的自燃和爆炸。

(5) 對(duì)磨煤機(jī)的運(yùn)行參數(shù)調(diào)整，磨制煙煤磨煤機(jī)出口溫度應(yīng)控制在70～80 ℃，煤粉細(xì)度控制在R90= 20%～30%，送粉管道內(nèi)的流速在任何負(fù)荷下不小于18 m/s。

3 鍋爐改燒煙煤后運(yùn)行情況及分析

3.1 鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)

在對(duì)鍋爐及制粉系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后，對(duì)該W形火焰鍋爐開(kāi)始逐步改燒煙煤，其過(guò)程為由1套制粉系統(tǒng)磨制煙煤過(guò)渡到4套制粉系統(tǒng)，燃煤的w(Vdaf)也由20%逐步上升至35%。在成功完成對(duì)煙煤的燃燒試驗(yàn)后，鍋爐的入爐燃煤一直控制在w(Vdaf)=25%～35%，Qnet,ar=20～22 MJ/kg。運(yùn)行中對(duì)磨煤機(jī)鋼球重新配比，裝載量45 t(比改前減少5 t)；磨煤機(jī)出口溫度由90 ℃降至80 ℃，降低10 K；一次風(fēng)旋流器調(diào)至最弱。

經(jīng)過(guò)一年多的燃用煙煤的運(yùn)行，結(jié)果表明：鍋爐負(fù)荷在180～300 MW穩(wěn)定運(yùn)行，主汽和再熱汽溫度、壓力、流量均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，減溫水適量；爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定，沒(méi)有明顯結(jié)焦，也無(wú)燃燒器燒壞；爐內(nèi)最高溫度約1 550 ℃，較改造前燃用無(wú)煙煤時(shí)的1 700 ℃有明顯降低。

3.2 鍋爐的熱效率提高及NOx排放減少

表4給出了該鍋爐改燒煙煤后的部分?jǐn)?shù)據(jù)的平均值。由表4可見(jiàn)：改燒煙煤后該鍋爐的熱效率高于92%，有的月份平均值高于93%，較原設(shè)計(jì)值90.73%有較大提升，鍋爐熱效率平均提高約2%以上?？梢?jiàn)改燒煙煤后鍋爐的經(jīng)濟(jì)性有較大提高，供電煤耗下降約7 g/(kW·h)。

表4 改燒煙煤后熱效率的部分?jǐn)?shù)據(jù)1)(月平均值)

注：1) 數(shù)據(jù)來(lái)源廣東省節(jié)能發(fā)電調(diào)度煤耗在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)；鍋爐熱效率計(jì)算中取q3=0，q5=0.46%，q6=0.26%。

改燒煙煤后由于煙煤易于燃盡，飛灰可燃物大幅度下降，q4降低明顯。然而由于磨制煙煤時(shí)磨煤機(jī)出口溫度相應(yīng)降低，減少了熱風(fēng)用量，增加了冷風(fēng)用量，導(dǎo)致排煙溫度上升，使得q2損失稍有增加。

改燒煙煤時(shí)由于減少衛(wèi)燃帶，爐膛溫度降低，NOx的排放質(zhì)量濃度也由原來(lái)燃用無(wú)煙煤時(shí)的>1 000 mg/m3減少到<400 mg/m3，為采用SCR脫氮提供了有利條件。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 該電廠W形火焰鍋爐由燃用無(wú)煙煤改為燃用煙煤，經(jīng)過(guò)減少爐內(nèi)衛(wèi)燃帶面積256 m2、取消燃燒器乏氣噴口、制粉系統(tǒng)加裝安全消防設(shè)施，以及調(diào)整運(yùn)行參數(shù)等措施，成功地在該鍋爐上燃燒煙煤，機(jī)組的蒸汽參數(shù)均達(dá)到原設(shè)計(jì)值，爐內(nèi)沒(méi)有結(jié)焦，燃燒器沒(méi)有燒壞，制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行。與燃用無(wú)煙煤相比，鍋爐熱效率約有2%的提高，NOx的排放質(zhì)量濃度大幅度降低。

(2) W形火焰鍋爐燃用煙煤的改造，控制爐膛出口溫度是關(guān)鍵，因此衛(wèi)燃帶的合理選取十分重要；同時(shí)要考慮煤粉燃燒器的一次風(fēng)速和一次風(fēng)率滿足煙煤的燃燒條件，避免燃燒器燒壞；制粉系統(tǒng)按規(guī)范增加消防及安全設(shè)備，可保證煤粉磨制和輸送過(guò)程中的安全。

(3) 此次W形火焰鍋爐改燒煙煤費(fèi)用主要用于調(diào)整衛(wèi)燃帶面積和增加制粉系統(tǒng)安全設(shè)施的，工作量小且成本較低，而因燃用煙煤使得鍋爐的熱效率提高及購(gòu)買(mǎi)煤炭成本降低，每年可為電廠帶來(lái)數(shù)千萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。

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Retrofit of a W-flame Boiler for Burning Bituminous Coal

Qiu Jihua1, Huang Yiqun2, Wang Li2, Zhang Xiaoping1, Xiong Jinhua2

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China; 2. Shaoguan Power Plant, Guandong Yudean Group Co., Ltd.,Shaoguan 512132, Guangdong Province, China)

A 300 MW W-flame boiler was retrofitted from originally burning anthracite into burning bituminous coal by adjusting the area of refractory belt, controlling the outlet flue gas temperature within the original design range, canceling the exhaust gas nozzle of burners, increasing the primary air speed and air volume to facilitate ignition and combustion of bituminous coal, improving the safety of the coal pulverizing system to ensure that it can operate safely. Retrofit results show that when the bituminous coal ofw(Vdaf)= 25%-35% andQnet,ar=20-22 MJ/kg is burned, the temperature and pressure of both the main steam and reheat steam as well as the unit power output can all meet original design requirements of the boiler, in which case, the pulverizing system will be able to operate safely for a long time, and the thermal efficiency of boiler would be increased by 2%, the NOxemission would be lowered to be below 400 mg/m3, with no obvious slagging and without burnout burners in the furnace.

boiler; combustion; refractory belt; pulverized coal; pulverizing system

2014-12-24

丘紀(jì)華(1957—)，男，教授，主要從事電站鍋爐的教學(xué)與科研工作。

E-mail: jhqiu@hust.edu.cn

TK227.1

A

1671-086X(2015)04-0237-05