融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器冷態(tài)?；瘻y(cè)試

董信光，張立孟，劉豪杰，車　剛

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南　250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南　250003）

融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器冷態(tài)?；瘻y(cè)試

董信光1，張立孟1，劉豪杰1，車剛2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南250003）

某電廠2號(hào)貧煤鍋爐為了適應(yīng)低排放和摻燒煙煤的要求，在技術(shù)改造中采用了新型的融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器，對(duì)新型燃燒器進(jìn)行全面冷態(tài)特性測(cè)試和爐內(nèi)等溫模化試驗(yàn)。結(jié)果表明：該燃燒器的二次風(fēng)（包括SOFA）擋板線性度能較好滿足燃燒調(diào)整的需要，濃、淡側(cè)的噴口風(fēng)速偏差較大，煙氣回流區(qū)域的大小與回流控制門的開(kāi)度基本呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，爐內(nèi)空氣動(dòng)力狀況良好，通過(guò)測(cè)試較好地掌握了新型燃燒器的冷態(tài)特性，為鍋爐熱態(tài)燃燒調(diào)整和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)指導(dǎo)。

煙氣回流可控；低氮燃燒器；冷態(tài)特性測(cè)試；等溫模化測(cè)試

0　引言

國(guó)家越來(lái)越嚴(yán)格的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于煤質(zhì)不穩(wěn)的鍋爐來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)，這些鍋爐為了達(dá)標(biāo)排放也必須采用低氮燃燒方式。而采用普通的低氮燃燒方式給貧煤鍋爐帶來(lái)一系列負(fù)面作用，尤其明顯的是飛灰含碳量大幅度升高、低負(fù)荷穩(wěn)燃特性差，采用煙氣回流可控燃燒器，既能滿足低氮燃燒又能解決上述的負(fù)面問(wèn)題。但是這種低氮燃燒器的燃燒效果與爐內(nèi)空氣動(dòng)力狀況直接相關(guān)，由于在煤粉燃燒的熱態(tài)情況下，爐內(nèi)是最高可達(dá)到1 500℃多灰的高溫環(huán)境，而且煤粉燃燒是多變量、多因素復(fù)雜耦合的物理化學(xué)過(guò)程，無(wú)法在熱態(tài)情況下對(duì)爐內(nèi)燃燒動(dòng)力狀況進(jìn)行測(cè)試，而基于相似理論的爐內(nèi)冷態(tài)動(dòng)力狀況的測(cè)試可以準(zhǔn)確了解爐內(nèi)的空氣動(dòng)力狀況，為燃燒器的熱態(tài)運(yùn)行提供指導(dǎo)和建議。

1　設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1鍋爐及低氮燃燒器簡(jiǎn)介

鍋爐為上海鍋爐廠制造，超高壓、中間一次再熱、單汽包自然循環(huán)、固態(tài)排渣、中間儲(chǔ)倉(cāng)式煤粉爐，型號(hào)為SG-435/13.7-M760。鍋爐為Π型露天布置，爐膛截面為8 840 mm×9 600 mm，燃燒器采用直流、四角切向燃燒布置。設(shè)計(jì)燃用貧煤。

為了降低氮氧化物的排放和適應(yīng)煤炭市場(chǎng)而摻燒煙煤的要求，進(jìn)行了低氮燃燒器的改造，改造設(shè)計(jì)煤種和校核煤種見(jiàn)表1。

表1　改造設(shè)計(jì)燃煤特性

改造中將燃燒器改造為翼型導(dǎo)流濃淡直流式煤粉燃燒器，采用四角切向布置，爐膛中心的假想大切圓D800 mm，小切圓D200 mm，燃燒器中心線與側(cè)墻水冷壁的夾角為41.75°和46.15°。每角燃燒器分為上、下二組。上組為兩層燃盡風(fēng)噴口，下組噴口的布置型式為3-2-1-2-1-2-1-2（油）?？偣?層一次風(fēng)噴口，其中A層為煙氣回流可控燃燒器，AA層布置油點(diǎn)火燃燒器。燃燒器改造后，上組的燃盡風(fēng)噴口及下組的所有燃燒器噴口（除三次風(fēng)噴口、下一次噴口和最下層二次風(fēng)噴口外）均可上下擺動(dòng)，上組燃盡風(fēng)噴口可上下擺動(dòng)15°，下組的所有燃燒器噴口（不包括微油點(diǎn)火燃燒器噴口）均可上下擺動(dòng)20°，燃燒器具體結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1，燃燒區(qū)域在垂直方向上分為三個(gè)區(qū)域，主燃區(qū)，還原區(qū)和燃盡區(qū)。改造后燃燒器的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1　燃燒器改造結(jié)構(gòu)

表2　改造燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2煙氣回流可控燃燒器簡(jiǎn)介

對(duì)于采用切圓直流燃燒方式的煤粉鍋爐來(lái)說(shuō)，煤粉著火所需熱量的80%來(lái)自回流高溫?zé)煔獾膶?duì)流換熱，其余20%來(lái)自輻射換熱，在一定程度上控制了高溫?zé)煔饣亓髁烤偷扔诳刂屏嗣悍鄣闹?、穩(wěn)燃狀態(tài)，煙氣回流可控技術(shù)是基于以上原理采用控制和改變高溫?zé)煔饣亓髁縼?lái)調(diào)節(jié)煤粉的著火點(diǎn)，對(duì)于高揮發(fā)份、易著火的煤種通過(guò)減少熱煙氣回流量，使著火點(diǎn)推遲，防止燃燒器燒損或燃燒器結(jié)焦；對(duì)于低揮發(fā)份、難著火的煤種通過(guò)增加熱煙氣回流量，將著火點(diǎn)提前，使燃燒穩(wěn)定，以上調(diào)節(jié)均通過(guò)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。該燃燒器的基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2　煙氣可控回流燃燒器結(jié)構(gòu)

2　冷態(tài)?；瘲l件

為使?fàn)t內(nèi)等溫冷態(tài)?；囼?yàn)更為準(zhǔn)確地描述鍋爐在熱態(tài)情況下的復(fù)雜物理化學(xué)過(guò)程，根據(jù)相似原理，進(jìn)行爐內(nèi)冷態(tài)等溫?；囼?yàn)時(shí)應(yīng)遵守［1-3］：1）模型與實(shí)物幾何相似；2）冷態(tài)爐內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū)，要求冷態(tài)氣流的雷諾數(shù)與熱態(tài)雷諾數(shù)相等或超過(guò)臨界雷諾數(shù)，由于在冷態(tài)試驗(yàn)條件下臨界雷諾數(shù)較小，試驗(yàn)風(fēng)量很容易就超過(guò)臨界風(fēng)量，比較容易滿足該條件；3）邊界條件相似，由于進(jìn)入爐內(nèi)氣流包括一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)和SOFA多股氣流（爐低漏風(fēng)忽略不計(jì)），在進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)，為了滿足邊界條件相似，必須保證冷、熱態(tài)下各股氣流的動(dòng)量比相等。

由于進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)，在原鍋爐上進(jìn)行測(cè)試，幾何相似完全滿足，則

式中：A1M，A2M，A3M，AsofaM為冷模燃燒器一次風(fēng)，二次風(fēng)，三次風(fēng)，SOFA噴口面積；A1O，A2O，A3O，AsofaO為鍋爐燃燒器一次風(fēng)，二次風(fēng)，三次風(fēng)，SOFA噴口面積。

然后保證煤粉燃燒器出口氣流的雷諾數(shù)達(dá)到自模區(qū)，即

式中：V為爐內(nèi)氣流速度，m/s；d為當(dāng)量直徑，m；v為空氣運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

當(dāng)Re大于105時(shí)，歐拉數(shù)接近于常數(shù)，則實(shí)物和模型的歐拉數(shù)相等，即

式中：ΔP2M為冷模燃燒器二次風(fēng)阻力，Pa；ΔP2O為熱態(tài)燃燒器二次風(fēng)阻力，Pa；ρ2M為冷態(tài)空氣密度，kg/m3；ρ2O為熱態(tài)空氣密度，kg/m3；

鍋爐燃燒器各股氣流較為復(fù)雜共包括四股氣流分別是一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)和SOFA，因此在進(jìn)行冷態(tài)時(shí)，要實(shí)現(xiàn)邊界條件相似，要滿足如下關(guān)系式

式中：m1M，m2M，m3M，msofaM為冷模一次風(fēng)，二次風(fēng)，三次風(fēng)和SOFA風(fēng)質(zhì)量流量，kg/s；w1M，w2M，w3M，wsofaM為冷模一次風(fēng)，二次風(fēng)，三次風(fēng)和SOFA風(fēng)風(fēng)速，m/s；m1O，m2O，m3O，msofaO為熱態(tài)一次風(fēng)，二次風(fēng)，三次風(fēng)和SOFA質(zhì)量流量，kg/s；w1O，w2O，w3O，wsofaO為熱態(tài)一次風(fēng)，二次風(fēng)，三次風(fēng)和SOFA風(fēng)速，m/s。

根據(jù)式（5），可以計(jì)算出冷態(tài)?；瘻y(cè)試時(shí)的一次風(fēng)速、二次風(fēng)速，三次風(fēng)速和 SOFA風(fēng)速分別為17.5 m/s，28.6 m/s，37.0 m/s和27.6 m/s。

3　測(cè)試與分析

3.1一次風(fēng)速和三次風(fēng)速的平衡

對(duì)于四角切圓燃燒的鍋爐來(lái)說(shuō)，同一層的磨煤機(jī)出口至燃燒器，排粉機(jī)出口至燃燒器的阻力是各不相同的，主要是因?yàn)楣艿篱L(zhǎng)度、彎頭個(gè)數(shù)的不同造成，各風(fēng)管的阻力不同會(huì)造成熱態(tài)運(yùn)行時(shí)發(fā)生燃燒切圓偏斜導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)燃燒狀況惡化，影響鍋爐的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。而爐內(nèi)空氣動(dòng)力狀況的冷態(tài)?；囼?yàn)的目的是模擬熱態(tài)運(yùn)行狀況，因此必須要求各層一次風(fēng)管和三次風(fēng)管的阻力一致，各層一次風(fēng)和三次風(fēng)噴口風(fēng)速一致的條件進(jìn)行。經(jīng)過(guò)三個(gè)工況的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，距離磨煤機(jī)較遠(yuǎn)的2號(hào)角和3號(hào)角的風(fēng)速較低，1號(hào)角和4號(hào)角風(fēng)速較高，根據(jù)風(fēng)速偏差，對(duì)各風(fēng)管上的縮孔進(jìn)行調(diào)整，最后將各層一次風(fēng)和三次風(fēng)的風(fēng)速相對(duì)誤差控制在5%以內(nèi)，為鍋爐冷態(tài)?；瘻y(cè)試做好準(zhǔn)備。

3.2二次風(fēng)擋板特性試驗(yàn)

在鍋爐正常運(yùn)行中，燃燒器噴口的二次風(fēng)速和風(fēng)量是通過(guò)調(diào)節(jié)各二次風(fēng)擋板來(lái)實(shí)現(xiàn)，理論上講，噴口二次風(fēng)速與二次風(fēng)擋板的開(kāi)度呈一致性的線性關(guān)系，但由于二次風(fēng)擋板的安裝和加工工藝的偏差會(huì)造成各二次風(fēng)擋板的特性不一致，因此新燃燒器在投運(yùn)之前對(duì)二次風(fēng)擋板特性的測(cè)試對(duì)以后進(jìn)行熱態(tài)燃燒器的調(diào)整優(yōu)化十分必要。

試驗(yàn)過(guò)程中，爐膛負(fù)壓維持在-30～-50 Pa，二次風(fēng)風(fēng)壓維持在700 Pa，進(jìn)行二次風(fēng)擋板特性試驗(yàn)。1號(hào)、3號(hào)角二次風(fēng)風(fēng)門開(kāi)度按0%、25%、50%、75%、100%五個(gè)開(kāi)度變化，對(duì)應(yīng)2號(hào)、4號(hào)角二次風(fēng)風(fēng)門開(kāi)度按100%、75%、50%、25%、0%五個(gè)開(kāi)度變化。利用電子風(fēng)速儀測(cè)量二次風(fēng)噴口風(fēng)速，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制出二次風(fēng)擋板特性曲線。經(jīng)過(guò)對(duì)所有二次風(fēng)擋板特性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，二次風(fēng)擋板開(kāi)度與噴口風(fēng)速基本呈線性關(guān)系，圖3為比較典型的擋板特性曲線。

測(cè)試結(jié)果表明：所有二次風(fēng)擋板（包括SOFA和主燃燒器二次風(fēng)）開(kāi)度與噴口風(fēng)速基本呈線性關(guān)系，能夠滿足熱態(tài)燃燒調(diào)整的需要，可以進(jìn)行熱態(tài)的四角配風(fēng)，但各個(gè)擋板的特性存在差異。

圖3　SOFA1層各擋板特性曲線

3.3煤粉燃燒器噴口風(fēng)速的測(cè)量與分析

A層煤粉燃燒器由于采用煙氣回流可控技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行噴口風(fēng)速測(cè)量時(shí)重點(diǎn)關(guān)注其回流區(qū)域的大小，為了測(cè)量出其發(fā)生回流點(diǎn)的距離，在測(cè)試中采用了飄帶的方法，在噴口上固定一條2.5 m長(zhǎng)的飄帶，觀察并測(cè)量回流發(fā)生點(diǎn)距離噴口的距離，然后改變回流調(diào)節(jié)門的開(kāi)度，觀察調(diào)節(jié)門的開(kāi)度與回流點(diǎn)的變化關(guān)系，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4可以看出，回流發(fā)生點(diǎn)與二次風(fēng)單板開(kāi)度基本呈線性關(guān)系，在回流調(diào)節(jié)門全關(guān)時(shí)，回流點(diǎn)距離噴口最近只有0.1 m左右，在回流調(diào)節(jié)門全開(kāi)時(shí)，回流點(diǎn)距離噴口大約1.5 m左右。

表3　B/C層噴口風(fēng)速測(cè)量匯總表

對(duì)B層和C層燃燒器的濃淡側(cè)風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，B層和C層燃燒器的濃側(cè)和淡側(cè)風(fēng)速偏差較大，最大偏差為B層4號(hào)角，其濃側(cè)風(fēng)速為17.4 m/s，淡側(cè)風(fēng)速僅為12.2 m/s，濃淡側(cè)風(fēng)速比達(dá)到1.43，濃淡側(cè)風(fēng)速偏差最小的為C層3號(hào)角，濃淡側(cè)風(fēng)速比達(dá)到1.27。

3.4爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)測(cè)試

為比較準(zhǔn)確掌握爐內(nèi)實(shí)際切圓直徑的大小，判斷氣流的是否貼壁、爐內(nèi)充滿度是否合適，切圓是否偏心等，進(jìn)行了爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的測(cè)試，測(cè)試方法為在B層一次風(fēng)位置用鐵絲拉一個(gè)“十”字形架，從中心每300 mm系一個(gè)200 mm的飄帶，保證一次風(fēng)和二次風(fēng)速達(dá)到計(jì)算出的冷態(tài)?；L(fēng)速，用風(fēng)速儀測(cè)量各點(diǎn)風(fēng)速并通過(guò)飄帶的漂浮方向觀察氣流旋轉(zhuǎn)方向；貼壁風(fēng)速的采用風(fēng)速儀在水冷壁表面每300 mm測(cè)量一個(gè)貼壁風(fēng)速。

在B層一次風(fēng)燃燒切圓的風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，鍋爐中心至前墻的最大風(fēng)速為7.7 m/s，鍋爐中心至后墻的最大風(fēng)速為6.5 m/s，鍋爐中心至左側(cè)墻的最大風(fēng)速為5.5 m/s，鍋爐中心至右側(cè)墻的最大風(fēng)速為6.2 m/s，B層一次風(fēng)爐內(nèi)切圓直徑約為6.3 m左右，為假想切圓直徑的8倍左右，充滿度較好，切圓中心基本居中，氣流旋轉(zhuǎn)方向?yàn)槟鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)。

在B層貼壁風(fēng)速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中：前墻最大貼壁風(fēng)速為2.5 m/s，后墻最大貼壁風(fēng)速為3.4 m/s，左側(cè)墻最大貼壁風(fēng)速為2.8 m/s，右側(cè)墻最大貼壁風(fēng)速為2.1 m/s，圖5為后墻貼壁風(fēng)速分布圖，其他三面爐墻的貼壁風(fēng)速分布規(guī)律與后墻的規(guī)律一致，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，后墻的貼壁風(fēng)速在整體上高于其他三面墻，而且各面爐墻貼壁風(fēng)速的一個(gè)顯著特點(diǎn)是靠近角的位置貼壁風(fēng)速明顯高于其他點(diǎn)貼壁風(fēng)速，四面墻的最大貼壁風(fēng)速均出現(xiàn)在靠近角位置，分析認(rèn)為這與濃淡一次風(fēng)噴口的周界風(fēng)采用卷邊設(shè)計(jì)有關(guān)，導(dǎo)致周界風(fēng)吹向水冷壁。

3.5A層空氣氣流狀況

在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)A層強(qiáng)風(fēng)環(huán)的直徑隨著回流控制門開(kāi)度的變化而發(fā)生改變，具體變化規(guī)律為隨著回流控制的開(kāi)度增大，回流區(qū)域減少，A層切圓直徑是逐漸減少的。這與定性分析基本一致。

圖5　后墻貼壁風(fēng)速分布

3.6爐內(nèi)各層切圓直徑的變化

沿爐膛高度，爐內(nèi)各層切圓直徑變化是有規(guī)律的，見(jiàn)表4。

表4　燃燒器各層切圓直徑　m

從表4可以看出，除偏置二次風(fēng)AB和BC兩層噴口由于偏置角度較大，致使燃燒切圓直徑要偏大外，其他各層燃燒器的切圓直徑變化趨勢(shì)接近雙曲線型，即最底層二次風(fēng)AA層最大，在三次風(fēng)噴口D層切圓直徑最小，再往上切圓直徑又變大。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)融合煙氣回流可控的低氮燃燒器的全面冷態(tài)動(dòng)力特性測(cè)試，得出如下結(jié)論：二次風(fēng)擋板（包括SOFA擋板）開(kāi)度與噴口風(fēng)速的關(guān)系基本呈線性關(guān)系，能夠滿足燃燒調(diào)整的需要，運(yùn)行人員可以在熱態(tài)下進(jìn)行四角的配風(fēng)；濃淡分離燃燒器的濃側(cè)噴口風(fēng)速與淡側(cè)噴口風(fēng)速的偏差較大，多數(shù)噴口的濃側(cè)風(fēng)速與淡側(cè)風(fēng)速比在1.20以上；煙氣回流可控燃燒器的煙氣回流區(qū)域的大小與回流控制門的開(kāi)度基本呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，回流控制門的開(kāi)度越大，回流區(qū)域越??；爐內(nèi)切圓居中，直徑大小合適；各面墻的貼壁風(fēng)速呈現(xiàn)兩頭高中間低的分布趨勢(shì)；爐內(nèi)各層燃燒器的切圓直徑的變化趨勢(shì)接近雙曲線型；融合煙氣回流可控技術(shù)的低氮燃燒器具有較好的燃燒動(dòng)力工況，可適用于燃用貧煤或煤種多變的鍋爐。

［1］路均鋒，魏來(lái)，高玉秋.660 MW超超臨界四角切圓鍋爐冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.東北電力技術(shù)，2010（1）：33-36.

［2］張桂華，鄭文廣，劉博，等.300 MW亞臨界四角切圓鍋爐冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.電站系統(tǒng)工程，2013，29（6）：40-42.

［3］岑可法.鍋爐燃燒試驗(yàn)方法及測(cè)量技術(shù)［M］.北京：水利電力出版社，1987.

［4］鄧文儉，申旭，王傳帥，等.1 000 MW超超臨界鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)及爐膛溫度試驗(yàn)研究［J］.山東電力技術(shù)，2011，38（3）：61-65.

［5］譚厚章，余戰(zhàn)英，徐通模，等.四角切圓布置燃燒器爐內(nèi)實(shí)際切圓大小的試驗(yàn)研究［J］，熱能動(dòng)力工程，2004，19（2）：157-160.

Cold Modeling Tests on Low NOxBurner Fused Controlled Vortex of Flue Gas

DONG Xinguang1，ZHANG Limeng1，LIU Haojie1，CHE Gang2
（1.Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003；
2.Shandong ZhongShiYiTong Co.，Ltd.，Jinan 250003）

A new-type low-NOxbuner fused flue gas vortex controlled is used in technical reformation on the NO.2 boiler in certain power plant for low-NOxexhausting and mixed-burning bituminous coal.A full-scale cold isothermal modeling test has been performed.The results show that：the degree of linearity of secondary air（including SOFA） dampers opening and secondary air velocity is high enough to organizing combustion in boiler；there is a big difference between rich and lean fuel flow velocity；the flue gas vortex area and the vortex controlled damper opening is negative linear relation；the aerodynamic condition is reasonable etc.Cold characteristics of the new-type burner have been obtained.Hopefully this will provide technical guide for combustion adjustment and for safe and economic operating.

controlled vortex of hot flue gas；low NOxcombustion；cold characteristics test；cold isothermal modeling test

TK227.1

A

1007-9904（2016）01-0015-05

2015-09-20

董信光（1974），男，高級(jí)工程師，主要從事電站鍋爐的燃燒調(diào)整、鍋爐節(jié)能技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用等工作。