電站鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器選型評述

蒙 濤，梁雙榮

(國能龍?jiān)此{(lán)天節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100089)

燃燒器是將制粉系統(tǒng)來的煤粉空氣混合物(一次風(fēng))和燃燒所需的熱空氣(二次風(fēng))分別以一定的比例和速度送入爐膛，達(dá)到穩(wěn)定著火燃燒的裝置。爐膛中的空氣動力場和燃燒工況主要是通過燃燒器的結(jié)構(gòu)及其布置來組織，因此，燃燒器設(shè)計(jì)布置和運(yùn)行是決定燃燒設(shè)備經(jīng)濟(jì)性和可靠性的因素之一。近年來，由于調(diào)峰的要求，現(xiàn)有電站普遍要求提高低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性[1]。為此可適當(dāng)提高一次風(fēng)煤粉濃度，提高煤粉細(xì)度和一次風(fēng)溫，加裝衛(wèi)燃帶，減少著火區(qū)散熱，或者改造燃燒器，或加裝穩(wěn)燃器，即采用提高燃燒穩(wěn)定性的新型燃燒器。目前國內(nèi)各研究部門開發(fā)的較為成功的新型燃燒器有濃淡燃燒器、雙通道自穩(wěn)式燃燒器和多功能船型燃燒器等[2]。本文旨在對比相應(yīng)新型燃燒器的性能，以指導(dǎo)低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器選型工作。

1 穩(wěn)燃燃燒器性能分析

1.1 濃淡型燃燒器

最早在我國使用的是由日本三菱公司供貨的黃臺電廠300 MW機(jī)組鍋爐上的上下濃淡型燃燒器。ABB-CE公司的WR型燃燒器也屬于濃淡型。隨后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位也推出了結(jié)構(gòu)有所差異的水平濃淡型燃燒器。目前，濃淡型燃燒器不僅用于直流式燃燒器，而且也用于旋流式燃燒器。這種燃燒器主要靠不同型式(彎頭式、百葉窗式等)的濃縮器將一次風(fēng)在進(jìn)入燃燒器前分成2股濃度不同的氣流，進(jìn)入由原1個一次風(fēng)口改成的2個濃淡噴嘴。一般濃相氣流在向火側(cè)，淡相氣流在靠墻一側(cè)。

采用濃淡型燃燒器時需重點(diǎn)解決以下3個問題：

(1) 濃縮器的型式和性能；

(2) 保證各角的濃相均處于向火側(cè)的結(jié)構(gòu)措施；

(3) 燃燒器出口的形狀。

1.1.1 水平濃淡煤粉燃燒器[3]

圖1示出了哈爾濱工業(yè)大學(xué)推出的水平濃淡煤粉燃燒器的原理。

1-一次風(fēng)道；2-濃縮器外殼；3=百葉窗；4-濃粉氣流出口； 5-淡粉氣流出口；6-濃縮柵；7-分流隔板 圖1 水平濃淡燃燒器

利用百葉窗煤粉濃縮器將一次風(fēng)在水平方向上分成濃度差異適當(dāng)?shù)臐獾?股?？堪偃~窗的導(dǎo)流方向不同，使四角燃燒器都是濃煤粉氣流由向火側(cè)切向噴入爐膛，由于所需的著火熱減小、著火時間縮短、火焰?zhèn)鞑ニ俣忍岣吆椭饻囟冉档蛯⒏纳苹鹧娣€(wěn)定性，所以提高了著火性能；淡煤粉氣流在濃煤粉氣流和爐膛水冷壁之間4角切向噴入爐膛，在爐膛水冷壁附近形成氧化性氣氛區(qū)域，提高灰熔融溫度，并阻止燃燒的煤粉顆粒直接沖刷水冷壁，從而可提高防結(jié)渣能力；濃淡煤粉氣流均偏離化學(xué)當(dāng)量比燃燒，依Fenimore燃料型NOx生成機(jī)理可減小NOx的排放，而據(jù)Zaldovich溫度型NOx生成機(jī)理同樣減小淡煤粉氣流溫度型NOx的生成，因此可降低NOx的排放[4]；由于2股煤粉氣流的總一次風(fēng)率不變，又由于濃煤粉氣流的穩(wěn)燃作用可提高燃燒區(qū)域的溫度水平，而一、二次風(fēng)的混合與傳統(tǒng)的燃燒方式無本質(zhì)區(qū)別。因此，處理得好，其燃燒效率至少不會低于傳統(tǒng)的燃燒方式。此外，由于可以避免在水冷壁附近出現(xiàn)還原性氣氛，對防止高溫腐蝕和防止結(jié)渣也是有利的。水平濃淡煤粉燃燒可同時滿足高效穩(wěn)燃防結(jié)渣和低NOx排放的要求。

百葉窗煤粉濃縮器的優(yōu)點(diǎn)：

(1)可實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)濃縮比，滿足各種負(fù)荷和煤種變化的需要；

(2)濃縮器的濃縮比大，即濃縮分離效果好，能夠滿足難燃煤種變化需要；

(3)燃燒器噴嘴布置自由度大，有利于燃燒器的優(yōu)化；

(4)阻力適中；

(5)結(jié)構(gòu)簡單；

(6)很容易與現(xiàn)有系統(tǒng)對接。

百葉窗煤粉濃縮器與其他類型濃縮器性能比較見表1。

表1 不同濃縮器性能對比

1.1.2 徑向濃淡旋流煤粉燃燒器[5]

為了提高前后墻對沖布置型爐膛燃燒穩(wěn)定性，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)了旋流式徑向濃淡分離的燃燒器。

該燃燒器(如圖2所示)是通過安裝于一次風(fēng)道中的百葉窗式煤粉濃縮器，將一次風(fēng)粉混合物徑向分離為適當(dāng)濃度的濃淡2股，其中富燃料氣流靠近一次風(fēng)道中心，再經(jīng)過一次風(fēng)噴口送入爐膛；貧燃料氣流貼近一次風(fēng)通道外側(cè)噴入爐膛。二次風(fēng)分為內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)兩部分，其中內(nèi)二次風(fēng)通過旋流器以旋流的方式送入爐膛；外二次風(fēng)以直流的方式送入爐膛。如此，在旋流內(nèi)二次風(fēng)和擴(kuò)流錐的作用下，燃燒器出口處形成中心高溫回流區(qū)，富燃料氣流正好處于該區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而形成了高濃度和高溫的“雙高”區(qū)域。由于煤粉濃度的提高降低了著火溫度，縮短了著火距離，保證了煤粉氣流能夠及時著火，提高了火焰穩(wěn)定性。貧燃料氣流和二次風(fēng)在富燃料氣流著火后及時分級混入，既保證了煤粉燃燒所需的氧氣，并且分級燃燒能有效抑制氮氧化物的形成。同時，直流外二次風(fēng)風(fēng)速較高，能有效的將燃燒中心的還原性氣氛和水冷壁隔開，形成了穩(wěn)定的“風(fēng)包火”火焰結(jié)構(gòu)，保證了燃燒器區(qū)水冷壁處于氧化性氣氛中，避免了水冷壁高溫腐蝕，提高了灰熔點(diǎn)，降低了結(jié)渣傾向。該燃燒器可通過調(diào)節(jié)旋流器角度改變射流的擴(kuò)展角，進(jìn)而改變中心回流區(qū)的大小和位置，實(shí)現(xiàn)調(diào)整煤粉氣流的著火及燃燒狀況的目的。

1—爐墻；2—直流二次風(fēng)；3—旋流器；4—旋流二次風(fēng)； 5—一次風(fēng)；6—中心管；7—擋板軸；8—擋板；9—濃縮器； 10—淡一次風(fēng)；11—濃一次風(fēng) 圖2 徑向濃淡旋流燃燒器

1.1.3 雙通道自穩(wěn)式燃燒器

該型燃燒器為清華大學(xué)力學(xué)系與哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司共同開發(fā)研制的，燃燒器示意如圖3所示，其主要原理如下[6]。

1—上一次風(fēng)；2—下一次風(fēng)；3—回流區(qū)； 4—高速蒸汽射流；5—腰部風(fēng) 圖3 雙通道自穩(wěn)式燃燒器

(1)所謂“雙通道”即在燃燒器的上、下兩側(cè)分別設(shè)置1個一次風(fēng)口，如此，在2個一次風(fēng)射流的中間位置便可形成高溫?zé)煔獾幕亓鲄^(qū)域。由于該區(qū)域位于上下一次風(fēng)的中間，不與壁面接觸，不會使壁面被高溫加熱，而且上下一次風(fēng)粉在該區(qū)域處被提前加熱并著火，進(jìn)而提高了燃燒的穩(wěn)定性。

(2)該燃燒器左右兩側(cè)壁分別設(shè)置了1股二次風(fēng)，用于防止回流煙氣使燃燒器兩側(cè)過熱和結(jié)渣，這2股二次風(fēng)被稱為“腰部風(fēng)”。通過調(diào)節(jié)腰部風(fēng)的大小可實(shí)現(xiàn)著火點(diǎn)位置的調(diào)整。當(dāng)腰部風(fēng)全開時，高溫?zé)煔庠谘匡L(fēng)作用下無法回流，此時燃燒器內(nèi)部溫度由一次風(fēng)溫度決定，燃燒器沒有提前加熱一次風(fēng)粉和自穩(wěn)燃的作用，相當(dāng)于常規(guī)燃燒器；當(dāng)腰部風(fēng)全關(guān)時，大量高溫?zé)煔鈱⒒亓鬟M(jìn)入燃燒器，燃燒器內(nèi)部溫度驟增，煤粉在燃燒器內(nèi)被加熱并開始著火，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化燃燒的目的，實(shí)現(xiàn)了鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃或低揮發(fā)分燃料的燃燒，提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力或提高鍋爐的煤種適應(yīng)性。

這種燃燒器基本上克服了前一時期國內(nèi)大量應(yīng)用的預(yù)燃室?guī)淼慕Y(jié)渣問題，并且可用于主燃燒器。在鍋爐改造及新爐設(shè)計(jì)上已得到廣泛應(yīng)用，尤其是貧煤、無煙煤燃燒器的改造。

1.1.4 多功能船形燃燒器

本型燃燒器由清華大學(xué)熱能工程系開發(fā)，在一次風(fēng)口內(nèi)加裝1個形如船體的火焰穩(wěn)定器(如圖4所示)，并可設(shè)有中心點(diǎn)火油槍。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，射流束腰部的兩側(cè)外緣的局部區(qū)域，在所形成的高煤粉濃度區(qū)有較高的溫度，氧的含量也相對比較高，形成了“三高區(qū)”。

圖4 多功能船形燃燒器

本型燃燒器具有如下的特點(diǎn)：

(1)所形成的“三高區(qū)”有利于保持煤粉火焰的穩(wěn)定；

(2)射流剛性較好、射流擴(kuò)張角不大。不會貼壁，一般不會引起爐膛水冷壁在燃燒器區(qū)結(jié)渣；

(3)在一般采用的床體結(jié)構(gòu)，燃燒器阻力不大，比普通直流煤粉燃燒器約增加200～500 Pa；

(4)可降低煙氣中NOx的排放量；

(5)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。既可在運(yùn)行鍋爐上改裝，也可用于制造廠生產(chǎn)新的煤粉鍋爐；

(6)擴(kuò)大鍋爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，提高對煤質(zhì)多變的適應(yīng)能力，低負(fù)荷時可節(jié)省大量的助燃用油。

1.1.5 HT-NR旋流燃燒器

HT-NR旋流燃燒器是日本Babcock-Hitachi推出的，結(jié)構(gòu)如圖5所示。一次風(fēng)粉混合物經(jīng)過一次風(fēng)通道中的鈍體式煤粉濃縮器后，產(chǎn)生徑向分離，濃粉氣流從一次風(fēng)通道外側(cè)經(jīng)過一次風(fēng)通道多出口處的穩(wěn)焰齒進(jìn)入環(huán)形回流區(qū)著火燃燒；淡粉氣流從一次風(fēng)通道中心區(qū)噴入爐膛，并在內(nèi)回流區(qū)著火燃燒。

圖5 HT-NR 旋流燃燒器

內(nèi)外二次風(fēng)通過燃燒器內(nèi)同心環(huán)形通道在燃燒的不同階段送入爐膛，實(shí)現(xiàn)分級供風(fēng)，降低NOx的生成量[7]。其中，外二次風(fēng)通道內(nèi)布置有軸向旋流器，使經(jīng)過的外二次風(fēng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，在旋流外二次風(fēng)的作用下，燃燒器出口處形成中心高溫回流區(qū)，為煤粉氣流的著火提供能量。內(nèi)二次風(fēng)為直流形式，通過燃燒器內(nèi)同心通道送入爐膛，參與燃燒。

HT-NR旋流燃燒器的基本特點(diǎn)是：快速著火、高火焰溫度、火焰內(nèi)還原氮氧化物。

1.2 對調(diào)峰鍋爐改造燃燒器型式選擇的分析

對各種型式新型燃燒器的特點(diǎn)分析見表2。

1.2.1 對大中型電站鍋爐直流式燃燒器改造

從表2中看到，可以采用垂直及水平2種濃淡分離型式，濃縮器有百葉窗式、普通彎頭式及擋塊式3種，各種型式都有自己的特點(diǎn)，具體選擇時要根據(jù)現(xiàn)場條件而定。

表2 各種型式燃燒器的特點(diǎn)分析

(1)百葉窗式水平濃淡燃燒器改造工作量小，滿足穩(wěn)燃的同時，有利于防止結(jié)渣和高溫腐蝕，對于易結(jié)渣煤種宜優(yōu)先選用。四川廣安電廠2×300 MW鍋爐，制粉系統(tǒng)采用中間儲倉式，配4臺鋼球磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)煤種為高灰份劣質(zhì)煙煤，收到基低位發(fā)熱量介于19.765～24.401 MJ/kg，收到基灰分介于22.76%～34.85%，干燥無灰基揮發(fā)分介于22.66%～35.8%。將部分傳統(tǒng)直流燃燒器改為水平濃淡燃燒器后，鍋爐不投油最低穩(wěn)燃負(fù)荷降至115 MW，低于鍋爐性能保證值[8]。

針對濃淡分離型燃燒器，無論分離器是那種型式，都要注意改造后增加的阻力不致影響送粉能力，另外，濃淡型燃燒器要注意后期的混合及燃盡問題，防止煤粉離析，增加大渣損失。

(2)對于雙通道自穩(wěn)式燃燒器改造，清華大學(xué)及哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司在200 MW和300 MW機(jī)組鍋爐上有應(yīng)用，調(diào)節(jié)性能好，適于煤種特性變化較大的鍋爐。 其中，華能德州電廠2號爐(HG-1025/18.2-PM2型)為亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)，4角切向燃燒，WR型直流擺動燃燒器，鋼球磨中儲倉式制粉系統(tǒng)，熱風(fēng)送粉，設(shè)計(jì)煤種為晉中貧煤。

原燃燒器共有5層一次風(fēng)噴嘴，改造只對A、B 2層共計(jì)8只噴嘴實(shí)施。改造后的燃燒器分上下2個一次風(fēng)通道，并加裝了楔型檔塊，楔型擋塊的加入增強(qiáng)了氣流的湍流度，也使回流區(qū)加大。#1、#3角燃燒器設(shè)計(jì)為富燃料一次風(fēng)氣流在向火側(cè)，貧燃料一次風(fēng)氣流在背火側(cè)，#2、#4角不分濃淡。

改造后在燃用晉中貧煤(Qnet，ar=19.88 MJ/kg，Mt=11%，Vad=9.33%，Aad=30.52%，R90=12%～16%，R200=0.6%～1.0%)情況下進(jìn)行了測試。當(dāng)機(jī)組從300 MW降為106.9 MW時，鍋爐可以不投油長時間穩(wěn)定運(yùn)行[9]。

(3)多功能船形燃燒器結(jié)構(gòu)簡單、改造容易，已在300 MW機(jī)組鍋爐上有應(yīng)用實(shí)例。東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司將此型燃燒器用于300 MW機(jī)組的鍋爐上作為穩(wěn)燃的措施之一。在馬鞍山、首陽山、曲靖和湛江電廠的300 MW機(jī)組鍋爐設(shè)計(jì)上取得了一定的成效。例如：馬鞍山電廠燃用無煙煤，不敷設(shè)衛(wèi)燃帶，而鍋爐燃燒穩(wěn)定，效率很高；對于易結(jié)渣的煤種則要采取措施，否則會引起噴嘴結(jié)渣，如首陽山電廠。

1.2.2 對于大中型對沖式電站鍋爐旋流燃燒器的改造

(1)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徑向分離燃燒器在電站鍋爐的改造中已取得了好的成績，其特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，燃盡性也好。西北坡電廠2號爐為北巴設(shè)計(jì)的300 MW亞臨界鍋爐，設(shè)計(jì)煤種山西晉中貧煤，采用鋼球磨中間儲倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，前后對沖燃燒方式，配4臺鋼球磨煤機(jī)。由于低負(fù)荷穩(wěn)燃能力差，將部分EI-DRB(增強(qiáng)型雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器)改為徑向濃淡旋流燃燒器后，在燃用設(shè)計(jì)煤種時，最低穩(wěn)燃負(fù)荷達(dá)到140 MW，同時解決了燃燒器區(qū)域水冷壁結(jié)渣和高溫腐蝕的問題，爐膛出口NOx排放濃度較改造前降低10%[10]。

(2)HT-NR旋流燃燒器降低了氮氧化物排放并改善了飛灰中的未燃碳，而被廣泛應(yīng)用。東方鍋爐廠某600 MW超臨界鍋爐，采用前后墻對沖燃燒，配6臺ZGM113N型輥式中速磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)煤種干燥無灰基揮發(fā)分14.44%，全水分5.88%，收到基灰分22.22%，低位熱值24.360 MJ/kg。通過對鍋爐進(jìn)行性能試驗(yàn)，最低不投油穩(wěn)燃負(fù)荷為45%B-MCR[11]。

2 結(jié) 語

對電站鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃燃燒器的基本原理和主要型式進(jìn)行了概括，對比了不同型式穩(wěn)燃燃燒器的不同特點(diǎn)及適用對象，列舉了部分燃燒器在燃用難燃煤種時的低負(fù)荷穩(wěn)燃情況。通過分析后初步得出以下結(jié)論。

(1)采用直流燃燒器的鍋爐在深度調(diào)峰燃燒器改造時，為獲得更低的穩(wěn)燃負(fù)荷，可考慮采用雙通道自穩(wěn)式燃燒器，該燃燒器通過合理設(shè)計(jì)和調(diào)整高溫回流區(qū)的大小，提高煤種適應(yīng)性和穩(wěn)燃能力。

(2)采用旋流燃燒器的鍋爐在深度調(diào)峰燃燒器改造時，雖然徑向濃淡和HT-NR燃燒器已經(jīng)比傳統(tǒng)雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器的穩(wěn)燃能力和燃料適應(yīng)性有了大幅的提高，但為了保證更低的穩(wěn)燃負(fù)荷需要在此基礎(chǔ)上，考慮設(shè)置外置式分離器以進(jìn)一步提高煤粉濃縮比，進(jìn)而保證鍋爐能夠在更低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒。