浅谈如何降低“W”型火焰炉飞灰含碳
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【摘 要】在煤炭市场较好，来煤正常，燃用长治无烟煤比例较高，飞灰含碳一般控制在3～4%左右，随着近几年煤炭涨价，电厂运行成本提高，为节药成本，开始采用配煤掺烧，晋城无烟煤：潞安贫煤：川煤，采用3：3：1比例配烧，配烧后发热量21000～23000KJ/KG，挥发份9%基本能满足负荷需要，但飞灰含碳较高，一般在9%～11%，高时达到15%，严重降低锅炉效率，影响厂经济性。
国电九江发电厂（以下简称九江电厂）#5、6炉采用的是美国FOSTER WHEELER公司生产的双拱型单炉膛、W型火焰燃烧方式、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、亚临界参数自然循环汽包炉，采用的是直吹式，配备四台双进双出低速钢球磨，分别于2002年11月26日、2003年5月27日通过168小时试运，正式投入运行，本文为例进行的论述。
1 锅炉结构及工作原理
九江电厂采用的W型火焰锅炉的示意图如下图1所示：
图1 W型火焰锅炉示意图
该炉的特征是拱形炉膛，上下两个炉膛。下炉膛为燃烧室，前后墙向外扩展成炉拱，拱顶布置燃烧器。煤粉气流从燃烧器垂直向下喷入燃烧室，着火后火焰向下发展。随着煤粉进一步的燃烧，煤粉颗粒变轻，速度减慢，在离开燃烧器喷口一定距离和分级送入的二次风混合后转弯向上流动，火焰在整个燃烧室内呈W形状。由下炉膛前后水冷壁向炉外弯曲形成，拱部斜坡倾角25°，燃烧器布置在前后墙拱上，倾角为10°。在煤粉燃烧过程中，“W”火焰具有十分重要作用，它将一部分高温烟气再循环至煤粉最初的点燃区，从而进一步帮助煤粉的燃烧，使燃烧器周围始终充满着高温火焰，使煤粉气流一直处于高温中；同时它具有长行程的火焰使煤粉的停留时间延长，可保证难燃的无烟煤的完全燃烧；此外，在下炉膛敷设卫燃带，提高燃烧室的温度并产生一个再辐射的高温区，加之高浓度的一次风主火咀煤粉着火条件，从而保证煤粉的快速着火和燃烧。
上炉膛为燃尽室，燃料除了在燃尽室以低扰动状态继续燃尽外，主要功能是对受热面进行辐射放热以冷却高温烟气。
该锅炉配用的是“FW”型旋风分离式高煤粉浓度燃烧器，共有24只旋风分离式燃烧器，错列布置在锅炉前后墙炉拱上，前后墙各12只。其主要组成部分为：栅格式煤粉均分器、双旋风筒壳体、煤粉喷嘴、乏气管及其挡板、旋流调节杆和叶片等。如下图2所示：
图2 燃烧设备示意图
拱上有3个风道，分别提供煤粉喷嘴周界二次风、乏气喷口周界二次风和油点火器燃烧的二次风，并由挡板WH1、WH2、WH3分别控制。WH1、WH2的调节挡板均为手动调节挡板，在试运期间开度设定后除非煤质或炉膛燃烧工况有较大改变，一般不再作调整。油点火器二次风挡板为气动执行机构远操程序控制，当油点火投入运行时，挡板全开；油点火器切断后，挡板关闭（仅供少量冷却风）。65%以上的二次风从拱下垂直墙上的二次风口进入炉膛。拱下二次风分为三层进入炉膛，形成分级送风。分别由挡板WV1、WV2、WV3控制。上边两层的WV1、WV2挡板为手动挡板，在试运期间开度设定后除非煤质或炉膛燃烧工况有较大改变，一般不再作调整。第三层挡板为气动调节挡板，相应的燃烧器投运时全开，点火时置于点火位，否则关闭（仅供少量冷却风）。
2 该炉燃烧的主要特点
（1）由于着火区没有大量空气进入，保证了炉膛温度无明显下降，且部分高温烟气回流至着火区，有利于迅速加热进入炉内的煤粉气流，加速着火，提高火的稳定性，但是由于初期二次风混入不多，会缩短火焰长度，缩短煤粉在炉内的停留时间，使一次风过早转折向上，最后飞灰可燃物增加。
（2）火焰不旋转，无烟气冲刷炉墙现象，炉膛出口烟气的速度场和温度场分布较均匀，可以减少过热器和再热器的热偏差，而且炉内热力工况良好，有利于稳燃。
（3）煤粉开始自上而下流动，着火后向下扩展，随着燃烧过程的发展，煤粉颗粒逐渐变小，速度减慢，在离开一次风喷口数米处，火焰开始转折180度向上流动，既不易产生煤粉分离现象，又获得较长的火焰燃烧行程，煤粉在炉内停留时间长，有利于提高燃烧效率。
（4）空气可以沿着火焰行程逐步加入，易于实现分级配风，分段燃烧，有利于低挥发份无烟煤的着火和燃烧。
（5）一般与双进双出钢球磨匹配，因此在低负荷时煤粉较细，这有利于低负荷稳燃；另外，由于在负荷变化时，下部着火炉膛火焰中心温度变化不大，因而负荷调节性能好，在较低负荷运行时可以不投油或少投油助燃。由于强化了稳燃条件，在单烧无烟煤或无烟煤与贫煤的混煤时，最低不投油的稳燃负荷可达到40%。
3 调节原理
从燃烧学考虑，对无烟煤的燃烧，有如下要求：（1）原煤磨细。因为煤粒越细小，加热到着火温度愈快，反应的表面积增大，即提高了风粉混合物的着火品质。一般取煤粉细度R90与煤的挥发份数值相近。（2）高的一次风粉混合物浓度。尽可能维持低的空气份额，加速煤粉吸热，使风粉混合物在燃烧器附近达到着火温度。（3）高的一次风粉混合物进口温度和燃烧空气温度。这样可以减少加热时间，易于着火。（4）低的一次风粉混合物出口速度。为延长煤粉在燃烧器喷口附近的停留时间以及改善煤粉空气混合物的加热条件，应选用较小的速度。（5）燃烧空气分级输入。为进一步改善加热和着火条件，必须根据燃烧进程分阶段输入空气。（6）长的燃烧路程。为使碳粒充分燃烬，就应使燃料颗粒有一个尽可能长的燃烬路程。（7）着火区域具有高的燃烧室温度和燃烧室壁温，以使煤粉尽早地达到着火条件。
4 控制飞灰含碳方法
通过锅炉结构特点以及燃烧原理的分析，降低飞灰含碳控制手段主要可以从以下三个方面来进行：
4.1 改变炉膛火焰形状或行程
（1）二次风采用多级送风，每个燃烧器的二次风分为6股，即水平风WH1、WH2、WH3，垂直风WV1、WV2、WV3，水平风由炉拱部位送入，其风量约占二次风量的30%～40%主要供给油燃烧器的风量及冷却风量，；垂直风由拱下方的垂直墙上送入，其风量约占二次风量的65%～70%，主要为煤粉着火提供必要的氧量。WH1、WH2均为手动调节挡板，在试运期间开度设定后除非煤质或炉膛燃烧工况有较大改变，一般不再作调整。WH3为油点火器二次风挡板是个气动执行机构远操程序控制，当油点火投入运行时，挡板全开；油点火器切断后，挡板关闭（仅供少量冷却风）。而垂直风WV3在二次风比例最大，接近50%，其主要供给燃烧后期所需要的氧，并增强后期可燃物与空气的混合。WV1、WV2风对燃烧的影响相对较小，煤质变差时，可适当关小。拱上有3个风道，分别提供煤粉喷嘴周界二次风、乏气喷口周界二次风和油点火器燃烧的二次风，并由挡板WH1、WH2、WH3分别控制。煤粉喷嘴周界风和乏气喷口周界风的调节挡板WV1、WV2挡板为手动挡板，在试运期间开度设定后除非煤质或炉膛燃烧工况有较大改变，一般不再作调整。 第三层挡板为气动调节挡板，相应的燃烧器投运时全开，点火时置于点火位，否则关闭（仅供少量冷却风）。
（2）调整消旋杆位置。消旋杆位置的变化主要影响一次风旋流强度的变化，当消旋杆拔出时，消旋作用减弱，一次风旋流强度增加，卷吸周围高温烟气能力增强，但一次风刚性减弱。
（3）调整乏气挡板开度。实践证明，当乏气挡板关小时，在可燃质数量相近的情况下，增加了粉嘴的一次风量，这可以使煤粉从燃烧开始就有更加充分的氧量供应，煤粉的燃烬程度增加了，使得飞灰可燃物含量降低，灰渣可燃物也降低。但乏气挡板关得过小会降低煤粉浓度，不利于煤粉初期着火。
（4）调整WV3二次风挡板。通过进行WV3挡板开度变化的试验，开大WV3挡板，也就意味着风量从上部转移到下面进入。此组试验选择了两种WV3挡板开度35%和70%，煤质情况是煤的低位热值22000 kJ/kg左右，挥发份Vad为9%左右。这组试验结果：飞灰可燃物含量7.46%变到5.98%，炉渣可燃物含量由3.94%减小到2.94%%，机械不完全燃烧损失由5.111%变到3.866%，排烟损失由5.517%变到5.76%，锅炉效率增加了1.04%，增加量超过了1%。WV3挡板的开大，二次风有效的托住炉渣，炉渣可燃物含量降低，其次，对煤粉流的稳定燃烧干扰小，有助于加大进风，提高锅炉燃烧氧量，但不宜开得过大，否则维持不了一定的风箱压力。
4.2 降低煤粉细度
煤粉细度是影响锅炉飞灰含碳的一主要因数，煤粉越细，总表面积越大，挥发分析出越快，所需着火温度越低，煤粉在炉膛内燃烧越充分。
（1）尽量燃用可磨性系数高，易磨的煤种，配煤掺烧尽量减少晋城煤的配比，以不超过30%为准。
（2）确保钢球的合理装载量，定时筛球，定时定量加球，以确保大中小球的比例在1：1：1。
（3）利用小修或大修期间对磨煤机衬板进行定检，发现磨损较大的衬板即使更换，以确保磨制粉出力。
（4）合理调整一次风压，实践证明由于配置的是直吹式制粉系统，煤粉细度受锅炉负荷影响较大，高负荷时由于磨容量风档板开度大，一次风压高，所以煤粉细度大。
（5）调整磨煤机上部粗粉分离器的可调切向叶片角度（即折向挡板开度），通过热试组测定不同煤种，保证最佳煤粉细度时的折向挡板开度。
5 合理配风，提供适当氧量
变运行氧量。氧量的提高有助于煤粉的充分燃烧，显著降低飞灰含碳量，提高锅炉效率。但氧量过高，容易引起锅炉燃烧不稳，特别是在低负荷时，实际上在低负荷时该组试验选择了两个试验氧量3%和4%（炉膛出口氧量），煤质情况是煤的低位热值22000kJ/kg左右，挥发份Vad为9%左右。所得测试结果是：飞灰可燃物含量5.32%变到3.44%，机械不完全损失由3.51%变到2.01%，锅炉效率增加了1.05%，增加量超过了1%。当燃用较好煤质时，锅炉燃烧稳定，氧量可以再增大至5%，锅炉效率可继续提高1个百分点。因此，氧量适当提高大大改善了锅炉的燃烧状况，提高了锅炉经济性。
6 控制各台磨一次风压、一次风流量在合格范围
特别是高负荷时，运行人员习惯将容量风开到最大，其实这样是不经济的，不但降低了一次风压，而且使煤粉变粗，飞灰含碳增加，降低锅炉效率，根据不同锅炉燃烧特性，选择合理的一次风压尤为重要。
7 结论
锅炉燃烧工况是个复杂的过程，任何参数的变化均会引起燃烧工况的变化，当然煤质因素是决定因素，特别是煤种的可磨性，可磨系数越高。越易磨的煤，煤粉细度能得到保证，锅炉的飞灰含碳就越低，但对于燃烧调整试验来说，除了煤质因素外，以下几个因素也影响着锅炉的飞灰含碳。
参考文献：
[1]曾臻.“W”型火焰锅炉飞灰含碳量的控制[J].技术与市场，2013（2）.
[2]曾蓉，冯继勇，余长开等.“W”型火焰锅炉卫燃带改造[J].热力发电，2012（8）.