浓淡燃烧技术在直流燃烧锅炉中的应用
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摘 要：××电厂采用水平浓淡燃烧器对锅炉原美国CE技术直流煤粉燃烧器进行了技术改造，从运行来看，锅炉燃烧稳定性显著提高，锅炉结焦明显好转，烟气中NOX含量减少。
关键词：燃煤严重偏离设计值；燃烧稳定性；减少NOX排放；减少助燃
前言
上世纪末至本世纪初，××电厂330MW锅炉由于实际燃用煤灰分高、发热量低、挥发分低，严重偏离了原设计煤种，使得锅炉的燃烧稳定性差，特别是低负荷和燃用煤热值波动时，锅炉熄火频繁。锅炉在高负荷（250MW以上）时需投天然气稳燃。同时，锅炉燃烧器周围及中温过热器结焦现象突出，燃烧器周围水冷壁高温腐蚀明显。
1 锅炉特性
××电厂#32机组锅炉最大连续蒸发量为1004t/h，主汽压力18.4Mpa、主汽温度543℃。锅炉是斯坦因工业公司制造的亚临界参数、强制循环、中间一次再热、四角切向燃烧、固态排渣、п型布置煤粉炉。
锅炉炉膛断面尺寸为12.742×12.627m，采用直流摆动式燃烧器，四角切圆布置方式（双切圆Ф1610mm/Ф1770mm）。采用四组共20只四角布置直流燃烧器，热风送粉，燃烧系统采用天然气二级点火及低负荷稳燃，四组燃烧器分别由五层煤粉燃烧器（FEA、FEB、FEC、FED、FEE）和三层天然气燃烧器（FDA、FDC、FDD）组成。四角燃烧器周围均布置有卫燃带。过热器采用两级喷水减温调节汽温，再热器采用改变燃烧器喷口倾角调节汽温。
锅炉采用两侧大风箱方式配二次风，煤粉燃烧器配有周界风，每只煤粉燃烧器和天然气燃烧器的上下二次风量均不可调，运行中靠控制总风量及烟气氧量修正总风量。每路一次风从一次风箱引出，通过三通分成两路，与同层对角两只燃烧器连接，双出口给粉机同时向同层对角的两只燃烧器给粉，实现同层对角的两只燃烧器同时投或停。
2 锅炉燃煤情况及燃烧分析
2.1 ××电厂330MW锅炉设计煤种和实际燃用煤种发生了较大差异。实际煤质低位发热量只有设计煤质的65%，设计煤质灰分为32.4%，实际煤质灰分为55.2%。
2.2 燃烧分析
从锅炉运行和试验情况看，锅炉燃用煤质变差是导致锅炉燃烧稳定性差的直接原因。由于煤质变差，锅炉要达到满负荷，投入燃料量增加，风量增加，导致锅炉炉内温度水平低，直接导致煤粉气流的着火热源温度低，煤粉气流着火困难。要燃用实际煤，并保持锅炉高负荷，必将导致入炉煤粉气流浓度增加，直流燃烧器已不能适应运行需要。根据我国现有电站锅炉燃烧技术，采用浓淡燃烧器可以改善运行状况。
3 浓淡技术
3.1 浓淡燃烧技术简介
煤粉浓淡燃烧技术是指通过一定的措施把一次风分成煤粉浓度高的浓气流和煤粉浓度低的淡气流喷入炉内进行燃烧。理论和实践均证明：采用浓淡燃烧技术可提高煤粉着火的稳定性和有效地降低NOx排放量。
煤粉的燃烧过程包括煤粉的预热、挥发份析出、着火（燃烧的初始阶段）和煤焦的燃尽（燃烧的结束阶段）。研究表明：煤粉燃烧的初始阶段是强化燃烧的关键。粒度为0～200μm的煤粉的燃烧试验显示：煤粉从常温升至1500℃，在0.2S的时间内，煤粉燃尽率达到80%左右，而余下的约20%的部分则需要四倍左右的时间才能烧完。因此，稳燃技术的关键在于燃烧器出口附近的气流和煤粉流的组织。
百叶窗浓淡燃烧技术是东方锅炉集团（股份）有限公司于上世纪九十年代从哈尔滨工业大学引进的。百叶窗叶片式浓缩器实现浓淡分离的原理图见图1。
百叶窗水平浓淡燃烧器实现浓淡分离的基本原理是利用煤粉和空气的惯性不同来实现煤粉和空气的分离。百叶窗水平浓淡燃烧器对气固两相的分离从本质上讲，仍然是一种惯性分离装置，它与WR燃烧器、旋风分离器等分离装置的原理是一致的，都是利用了气、固两相在改变流动方向时，因惯性的不同而流动方向也不同的特性。
3.2 百叶窗浓淡燃烧技术特点
百叶窗水平浓淡燃烧器除了具有上述浓淡燃烧器的特点外，由于自身结构及布置上的特点，还具有如下优点。
（1）燃烧器的布置。水平浓淡燃烧器在布置上使浓侧气流靠近向火侧，使进入炉膛的浓侧煤粉气流直接与上游来的高温烟气混合。上游来的高温烟气直接冲刷浓侧一次风气流，使一次风气流迅速得到加热。煤粉气流能通过这种强烈的混合得到大量的着火燃烧所需要的热量，能及时地着火燃烧，提高含粉气流的着火稳定性。
（2）防止结渣和高温腐蚀。熔渣大多都属于非牛顿流体，熔渣刚开始出现固体物时的温度称为熔渣的临界粘度温度Tcv，它与灰渣的软化温度Tst可用下式简单描述：
Tst=Tcv-110
研究表明，Tcv与灰渣的化学成分有关：
Tcv=2990-1470（A）+360（A2）+14.7（B）+0.15（B2）
其中：
A=SiO2/Al2O3 B=Fe2O3+CaO+MgO
熔渣所在区域的气氛状态通过化学成分改变Tcv。由于淡侧煤粉气流中氧含量较高，氧化性气氛强，此时二价铁离子将被氧化为三价铁离子Fe+3，就可以提高Tcv，从而达到提高灰渣软化温度Tst的目的。
较之WR和PM型等竖直浓淡型燃烧器，水平浓淡燃烧器中的淡侧一次风位于背火侧可减小颗粒冲刷水冷壁的可能。一方面，目前的水平浓淡燃烧器基本上都采用的是惯性分离的原理，这使得淡侧一次风的煤粉含量少、颗粒细，这可避免大量颗粒冲刷水冷壁。另一方面，煤粉浓度低的淡一次风在客观上起到了“风屏”的作用，可有效地阻碍和延缓浓侧一次风中大的煤粉颗粒向水冷壁方向移动，进一步减小颗粒冲刷水冷壁的可能。WR和PM型等竖直浓淡型燃烧器的浓侧气流与水冷壁间没有起阻碍和延缓作用的空气（或煤粉浓度极低）气流，高浓度的煤粉气流极易冲墙贴壁。比起不采用浓淡燃烧的普通燃烧器，竖直浓淡型燃烧器将使颗粒冲墙贴壁的可能性增加，而水平浓淡燃烧器将使颗粒冲墙贴壁的可能性降低。
（3）NOx排放
Pershing等对煤粉燃烧过程中的NOx的形成进行研究的结果表明，对煤粉燃烧过程中的NOx的形成进行研究阐述，煤燃烧时形成的NOx中，燃料型NOx占90%，热力型NOx占10%。燃料燃烧时，燃料N几乎全部迅速分解而形成产物HCN、N、CN、NHi等中间产物。这些中间产物与O、O2、OH反应生成NO，与NO发生反应生成N2。因此，在燃烧过程中减少燃料N向燃料型NO转化的重要措施就是尽量减少含氧化合物的存在，从而强化NO的还原反应，使燃料N转化为N2。
NOx生成机理：
再燃区：
XN+NON2+XN CH+NOXN（NH3+NO+HCN）
燃尽区：
XN+NON2+NO XN+NON2+HCN XN+NH3NO+N2
从水平浓淡燃烧器的燃烧过程来看，浓侧煤粉气流先着火，然后是淡侧气流的混入，然后才是与二次风的混合，因此从燃烧过程看，它属于分级燃烧，有利于降低锅炉机组的NOx排放量；一次风煤粉气流经过浓缩器分离后，浓侧煤粉气流内浓度高，含粉量大，空气量变化不大，浓侧一次风气流中的空气量仅仅能维持煤粉内挥发份的着火和燃烧，燃料相对较多，即过量空气系数小，属于缺氧燃烧，燃烧温度低，故燃料型NOx和热力型NOx都低，因而能大大降低NOx的排放量；而在淡侧由于空气量相对较大，属于富氧燃烧，燃烧温度也低，热力型NOx生成也少。这样水平浓淡燃烧器就能从总体上控制热力型NOx，降低锅炉机组的NOx等污染物的排放量，根据研究，采用分级燃烧，最高可降低NOx 30%～40%。经工业性试验表明，对于不同的煤种，采用水平浓淡煤粉燃烧技术可以将NOx的排放量控制在以下范围：无烟煤
（4）水平浓淡燃烧技术的着火燃尽性能
由于浓侧煤粉气流固体颗粒浓度高，一次风量相对较少，煤粉气流所需着火热少，着火温度低、火焰传播速度大、浓侧煤粉气流的一次风量仅能维持浓侧煤粉气流中挥发份的燃烧，煤粉气流着火及时；而一、二次风的混合特性与传统的燃烧器没有本质上的区别，因而水平浓淡燃烧器的燃烧效率不会低于传统的燃烧器的燃烧效率。
在布置上，使浓侧煤粉气流处于上游已着火燃烧的高温烟气的直接冲刷下，也能保证煤粉气流能得到足够的热源，加热煤粉气流，使煤粉气流能及时地着火燃烧。
图2 显示了在冷态模化试验台上利用PDA（Particle Dynamic Analyzer）分别就竖直浓淡和水平浓淡燃烧方式炉膛内的颗粒浓度场的测量结果。从该图2中可以看到，采用水平浓淡燃烧器时，水冷壁面附近的颗粒浓度远小于采用竖直浓淡燃烧器时的情况。
4 技术改造方案
采用百叶窗水平浓淡燃烧器对××电厂#32锅炉A、B、C层直流燃烧器进行改造。具体方案（确保原一次风管、燃烧器位置不改变）：重新设计燃烧器喷口、设计加装浓淡分离器。具体布置图见图3。
根据本次燃烧器改造的目的对百叶窗燃烧器的结构参数进行选取，使百叶窗燃烧器出口浓淡侧风量比达到1.1：1，以满足改造目的。
为保证燃烧器改造后和原有一次风煤粉管道相连接，改造后的燃烧器总长度与原有燃烧器长度一致，以减小现场改动工作量。
5 试验结果
5.1 首先进行了一次风调平试验、二次风喷口流量偏差试验，对一次风速度进行了标定；根据二次风喷口气流速度偏差，对二次风喷口速度进行了修正。
5.2 炉内空气动力场试验。炉内空气动力场试验的表盘参数分别为：一次风风量80000m3/h、二次风风量390000m3/h、乏气风量58000m3/h，采用炉底挡板调节控制燃烧系统风量，保证系统设备一次风机、二次风机、引风机的安全运行。
从空气动力场的测量结果看，炉内切圆直径约7600mm，切圆略微偏小，对煤粉的燃尽影响不大，而对于防止锅炉结焦有利。
6 运行情况
6.1 增强了低负荷稳燃能力和带负荷能力
#32锅炉A、B、C层煤粉燃烧器改造结束投运以来，燃烧低位发热量在11000～17000KJ/Kg范围内煤种，未出现一次熄火。同时，如果燃烧低位发热量在16000KJ/Kg左右煤种，可以不投天然气稳燃。燃烧低位发热量在16500Kj/Kg的煤质，投A、B、C层煤粉带170MW负荷稳燃。每天较改造前节约稳燃天然气约60000m3。
6.2 NOx排放有一定降低
改造前平均462.43mg/ndm3，改造后平均415.23mg/ndm3，减少47.2mg/ndm3。
6.3 结焦现象有所改善、水冷壁高温腐蚀现象消除
改造前，锅炉燃烧器周围结焦严重，中温过热器（屏过）管束之间长期存在挂焦现象。改造后煤粉燃烧器周围及卫燃带、水冷壁上没有了结焦现象，中温过热器管束之间挂焦也消除了。同时，燃烧器改造后由于火焰中心的稳定，高温区较之直流燃烧器远离炉膛水冷壁，火焰冲刷水冷壁较少，以及水冷壁周围的富氧环境，水冷壁高温腐蚀得到了有效控制。
7 结束语
上世纪末至本世纪初，国内电厂用煤普遍紧张，原煤掺假现象突出，煤质参数宽幅波动。由于直流燃烧器受设计煤质影响较大，煤质差时，锅炉带高负荷能力和低负荷稳燃性能较差，熄火频发、NOX排放超标。随着国家环保排放要求越来越严，直流燃技术在燃煤电厂受到极大冲击。很多燃煤电厂为了解决高效、稳燃、低污染以及防止结渣和高温腐蚀问题，纷纷采用浓淡燃烧器对直流燃烧器进行技术改造。比如青岛电厂、富拉尔基电厂、四川江油电厂等，从而，浓淡燃烧技术在我国燃煤电厂得到了广泛推广和发展。
参考文献
[1]王恩禄，张海燕，罗永浩，等.低NOx燃烧技术及其在我国燃煤电站锅炉中的应用[Z].
[2]盛昌栋.高浓度煤粉燃烧时炉内结渣的机理分析[J].电站系统工程.
[3]秦裕琨，李争起，吴少华.风包粉系列浓淡煤粉燃烧技术研究[J].中国工程科学.
[4]吴建甫，王洪涛.百叶窗煤粉浓缩器性能参数和燃烧优化实验研究[J].电力设备.