任雪鵬,韓立芳,陳富珍（酒鋼集團宏晟電熱公司，甘肅嘉峪關，735100）

降低燃燒成本提高鍋爐效率

任雪鵬,韓立芳,陳富珍
（酒鋼集團宏晟電熱公司，甘肅嘉峪關，735100）

【摘要】宏晟電熱公司HG-220/9.8-MQ13型鍋爐存在一次風噴口磨損和飛灰可燃物含量偏高等問題，分析了原因，提出了煤粉燃燒器的改造措施。實施后解決了一次風噴口磨損問題，降低了飛灰可燃物含量，提高了鍋爐效率，鍋爐在額定負荷下?lián)綗?0%的高揮發(fā)分煤種，鍋爐不結渣，全年可以節(jié)約資金193.24萬元。

【關鍵詞】鍋爐；燃燒器;磨損;飛灰可燃物含量;煤種摻燒

To Reduce Combustion Cost and Improve Boiler Efficiency

Ren Xuepeng, Han Lifang, Chen Fuzhen
(Hongsheng Electrothermal Co., Ltd. of Jiuquan Steel, Jiayuguan, Gansu 735100, China)

【Abstract】The HG-220/9.8-MQ13 boiler of Hongsheng Company had the problem of wear of the primary air nozzle and high content of flammables in fly-ash. Causes of the problem were analyzed and modification measures for the pulverized coal burner were put forward. After implementation of the modification measures the nozzle wear problem was solved, flammables content in fly-ash was lowered and boiler efficiency was improved. As a result, the boiler had no slag bonding with 30% of high volatile coal blending combustion under rated load, saving CNY 1.9324 million annually.

【Keywords】boiler; burner; wear; flammables content in fly-ash; blending combustion of coal

1　前言

酒鋼集團宏晟電熱公司4號鍋爐是哈爾濱鍋爐廠設計制造的HG-220/9.8-MQ13型鍋爐，單鍋筒、自然循環(huán)、集中下降管、固態(tài)排渣煤粉爐。鍋爐于1992年12月建設投入運行，設計燃料為新疆哈密煤，為煙煤其揮發(fā)分為Vdaf=28.80%左右。燃燒器的設計以及布置形式均按照哈密煤種設計安裝，對非設計煤種的適應能力不強，尤其是在摻燒劣質(zhì)煤或是強結焦性煤種時，對鍋爐運行工況和運行參數(shù)影響較大。

隨著設計煤種哈密煤及其他優(yōu)質(zhì)煤種的采購限制，單一設計煤種的采購已無法滿足要求，必需組織進行其它非設計煤種的摻燒調(diào)整。非設計煤種價格便宜、容易購買。摻燒后可為電廠帶來了一定經(jīng)濟效益。同時，4號鍋爐燃燒器，自投產(chǎn)以來一直未進行過更換，存在變形和破損現(xiàn)象，對燃燒氣流的影響較大，燃燒效率相對較低。

為了減輕煤粉燃燒器的磨損，降低飛灰可燃物含量，同時摻燒部分非設計煤種可降低生產(chǎn)成本。2011年6月，某鋼廠自備電廠決定采用雙通道煤粉燃燒器，對4號爐燃燒器進行改造。

2　設備概述

2.1鍋爐主要參數(shù)

過熱蒸汽流量220 t/h；過熱蒸汽溫度540℃；過熱蒸汽壓力9.8 MPa；給水溫度215℃；熱風溫度337℃；排煙溫度156℃；鍋爐效率89.68%；計算燃料量21960 kg/h。

2.2燃燒器的設計參數(shù)

鍋爐爐膛截面尺寸為8050×8050mm，一次風煤粉燃燒器采用直噴式燃燒器，正四角切圓燃燒方式，假想切圓直徑為Φ674 mm，逆時針旋轉(zhuǎn)。每組燃燒器沿高度方向共有7個噴口，自上而下依次為二、一、二次風（內(nèi)含高爐煤氣火嘴）二、一、二次風（內(nèi)含焦爐煤氣火嘴）、二次風（內(nèi)含高爐煤氣火嘴）布置方式。其中焦爐煤氣火嘴4支，供點火及穩(wěn)燃使用。

2.3設計燃料煤粉

鍋爐設計煤種為哈密煙煤摻燒高爐煤氣，其燃料特性見表1~3。

表1　設計煤質(zhì)特性

表2　鍋爐燃料為80%煤+20%高爐煤氣時的設計參數(shù)

表3　鍋爐燃料為100%煤時的設計參數(shù)

3　HG- 220/9.8- MQ13型鍋爐煤種適應差與爐膛區(qū)域結渣原因分析

3.1煤種適應性分析

結合圖1和圖2所示，HG-220/9.8-MQ13鍋爐原煤粉燃燒器的一次風噴口為普通直流噴口煤粉燃燒器，無任何穩(wěn)定燃燒的措施，其主要著火方式是燃燒器最基本的著火機理：

1）一次風煤粉氣流卷吸高溫煙氣，高溫煙氣對煤粉氣流進行加熱，煤粉氣流升溫到著火溫度。此項占傳熱能量的60%～70%。

2）上游鄰角火焰的撞擊。

3）爐內(nèi)高溫火焰的輻射加熱（圖2）。

而對于普通的直流煤粉燃燒器由于沒有采用穩(wěn)定燃燒的措施（如鈍體、船體、V型波紋鈍體等），與一些穩(wěn)燃功能較強的煤粉燃燒器相比（如雙通道燃燒器、鈍體燃燒器、濃淡燃燒器等），其著火時間和著火距離長，著火穩(wěn)定性差。這樣也間接影響焦炭粒子后期燃盡，降低鍋爐的燃煤效率，影響電廠運行的經(jīng)濟性。

圖1　HG- 220/100- MQ13型鍋爐煤粉燃燒器改造前示意圖

圖2　普通直流噴口煤粉燃燒器穩(wěn)燃原理示意圖

3.2非設計煤種煤質(zhì)特性

某鋼廠自備電廠鍋爐摻燒的非設計煤種主要為新疆廣匯煤種，其煤質(zhì)特性如表4。

表4　非設計煤種煤質(zhì)特性

從上述煤質(zhì)特性可以看出，某鋼廠自備電廠摻燒設計制煤種與原設計煤種相比，其發(fā)熱量也略低于設計煤種，揮發(fā)分遠遠高于設計煤種，其火焰中心將逼近燃燒器出口處，可能燒損燃燒器造成停爐事故；也可能因火焰中心位置偏斜，使正常的水循環(huán)惡化，引起管子均布過熱、脹粗或爆管。

隨著國內(nèi)煤炭資源的日益緊俏，鍋爐摻燒資源變化較為頻繁。相對設計煤種較低的低揮發(fā)分煤種，也時常摻燒。底揮發(fā)分煤種摻燒后會影響煤種燃盡程度，增加飛灰可燃物含量，增加不完全燃燒熱損失，甚至會導致鍋爐滅火。

3.3影響結渣的有關因素

影響鍋爐結構的主要因素見圖3。

圖3　影響鍋爐結渣的因素

根據(jù)圖3可以看出：影響鍋爐結渣的因素有三個方面：煤質(zhì)特性，爐膛結構特性，燃燒器的結構和運行方式。

3.4煤質(zhì)結渣特性

對于用煤灰軟化溫度方法ST作判別，根據(jù)煤的分析結果總結出用ST判別結渣性界限如下：

設計煤種的ST=1370℃，某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型鍋爐燃煤的結渣特性為結渣中等的煤種。

3.5爐膛截面熱負荷

HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的爐膛容積熱負荷為：qV=0.1516 MW/m3；根據(jù)計算標準查證燃用易結渣煤種的鍋爐允許爐膛容積熱負荷qV為0.093～0.151 MW/m3。顯然，如果HG-220/9.8-MQ13型鍋爐燃用低灰熔點的煤種時，爐膛容積熱負荷略微偏大。但從推薦值來看，爐膛容積熱負荷不是結渣的主要因素。

3.6假想切圓直徑

為了防止攜帶煤粉的高溫煙氣偏斜、貼壁沖刷水冷壁引起結渣。切圓過大會使燃燒器出口兩側夾角差增大，出口射流的“吸附效應”加劇，火焰偏斜的可能性較大。對于結渣性較強的煤種宜選用推薦值下限。

按表5推薦方法對某鋼廠自備電廠4號鍋爐HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的假想切圓直徑進行計算，實際上HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的假想切圓直徑為Φ674 mm。其djx/ddl＝0.076。HG-220/9.8-MQ13型鍋爐的假想切圓直徑不是結渣的原因。

表5　切向燃燒假想切圓直徑推薦值

3.7一次風風速分析

一次風速的大小取決于煤質(zhì)的揮發(fā)分含量和揮發(fā)分的發(fā)熱值，當煤質(zhì)一定時，一次風速是影響煤粉氣流著火和著火穩(wěn)定性的主要因素，一次風速越大，煤粉加熱到著火所需的熱量越多，即著火熱越多，著火速度越慢，會引起燃燒不穩(wěn)定。

燃燒過程包括著火時間和燃盡時間，燃燒時間約為2～3 s，通常在煤粉燃燒器的一次風速是根據(jù)燃煤揮發(fā)分的高低，一般推薦25～35 m/s，設計上一次風的著火距離一般0.3～0.5 m，設計著火時間為0.01～0.02 s左右。

某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型4號鍋爐一次風風速經(jīng)實際測量為28～30 m/s，這樣，一次風煤粉氣流與周圍的高溫煙氣傳熱傳質(zhì)效果差，在規(guī)定的著火距離內(nèi)無法實現(xiàn)煤粉氣流著火，使得煤粉氣流著火推遲，火焰長，水冷壁在著火的距離內(nèi)吸熱量大，降低高溫煙氣溫度，影響煤粉粒子的燃盡。因此，調(diào)整、降低一次風風速可減少管道磨損并有利于著火和穩(wěn)燃。

3.8燃燒器分析

某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型4號鍋爐煤粉燃燒器為均衡布置的普通直流噴口煤粉燃燒器。噴口固定無法調(diào)整，噴口角度是根據(jù)設計煤種煤質(zhì)設定的，因此不能根據(jù)煤種變化調(diào)整燃燒。因此，噴燃器對煤種適應性差，無任何穩(wěn)定燃燒的措施，其主要著火方式是燃燒器最基本的著火機。因此，在煤種發(fā)生變化時容易造成噴燃器、水冷壁甚至是過熱器結焦。

同時，由于直流可調(diào)式燃燒器改造相對于固定式燃燒器所需空間較大，現(xiàn)場不具備改造條件且改造費用較高。為了提高鍋爐的燃燒燃性能，某鋼廠自備電廠4號鍋爐進行過燃燒器改造，用“撞擊塊式水平濃淡”燃燒器代替原燃燒器。該燃燒器改造后，對穩(wěn)燃起到一定作。運行實踐表明：當HG-220/9.8-MQ13鍋爐燃用揮發(fā)分較高的煤種，如Vad≥30%，或負荷較高時，鍋爐燃燒穩(wěn)定。但是，當鍋爐燃用揮發(fā)分較低的煤種，如Vad≤30%，或灰分較高時，會出現(xiàn)著火特性較差，燃燒不穩(wěn)定、飛灰可燃物含量偏高等問題。影響了鍋爐安全、經(jīng)濟運行。解決這一問題的方法是：進行煤粉燃燒器改造，選用對煤種適應性較好的寬煤種、防結渣燃燒器代替原燃燒器，使之能夠?qū)崿F(xiàn)寬煤種、防結渣燃燒，適應煤種的變化。

4　雙通道煤粉燃燒器穩(wěn)燃原理

雙通道煤粉燃燒器是一種熱回流穩(wěn)燃燃燒器，其結構是在同一燃燒器噴口的上、下側各開一個一次風噴口，在上、下一次風噴口之間形成一個回流空間，通過上下一次風射流的動量，在燃燒筒內(nèi)的受限空間中產(chǎn)生一個強回流區(qū)。通過設計合理的H/L比值（燃燒器高長比），可使回流區(qū)呈開放形，反之會封閉。由于回流區(qū)是開放形，且兩股一次風射流的動量大，因此，高溫煙氣的回流量大。使爐內(nèi)的高溫煙氣被卷吸到燃燒筒內(nèi)來加熱上下一次風風粉混合物，這對一次風煤粉氣流的著火十分有利，由于上下一次風煤粉氣流被提前加熱、部分著火，因此，雙通道煤粉燃燒器具有非常高的強化燃燒特性。

圖4　雙通道煤粉燃燒器結構示意圖

5　改造措施

5.1煤粉燃燒器改造措施

通過上述所列的煤種適應差和過熱器區(qū)域結渣的分析得出：現(xiàn)煤粉燃燒器為直噴式煤粉燃燒器，在穩(wěn)燃的基礎上其應對煤種變化的措施少，是目前鍋爐煤種適應性差的主要原因。

具體改造措施如下（見圖5）：

1）下一次風燃燒器改為雙通道煤粉燃燒器；

2）上層一次風改為水平濃淡煤粉燃燒器；

3）調(diào)整下組煤粉燃燒器的間距（可能會對兩組燃燒器間的水冷壁進行改動）；

4）改造下組燃燒器的上二次風噴口。

圖5　HG- 220/9.8- MQ13型鍋爐改造后煤粉燃燒器示意圖

圖6　濃淡和熱回流雙向穩(wěn)燃煤粉燃燒器結構示意圖

5.2濃淡和熱回流雙向穩(wěn)燃煤粉燃燒器穩(wěn)燃特性

同時，由于煤粉燃燒器上部，爐膛煙氣溫度最高，所以在上一次風噴口布置設計濃淡和熱回流雙向穩(wěn)燃煤粉燃燒器，其結構見圖6。

當濃度約為0.4～0.5 kg/kgair為一次風煤粉氣流通過方圓節(jié)進入濃淡煤粉分離器時，在濃淡煤粉分離器的作用下，一次風煤粉氣流分成濃淡兩股煤粉氣流，其中一股為高濃度煤粉氣流，濃煤粉氣流的煤粉濃度可以達到0.6～0.8 kg/kgair，這股氣流位于向火側，形成內(nèi)切圓；煤粉濃度提高后，其著火溫度降低，同時，煤粉所需的著火熱減少；火焰?zhèn)鞑ニ俣纫蔡岣吡?。一次風的著火、燃燒穩(wěn)定性增強。另一股的煤粉濃度很低，淡煤粉氣流的煤粉濃度可以達到0.3～0.1 kg/kgair，以空氣為主，位于背火側，形成外切圓。

5.3雙通道煤粉燃燒器的一次風煤粉氣流的著火距離可調(diào)特性

為了避免熱煙氣回流使燃燒器兩側壁面過熱和結渣，在燃燒器出口兩側壁面易結渣部位設置了狹長形的防結渣風口，稱為腰部二次風。腰部二次風風量可調(diào)節(jié)，來自于各角的二次風總風箱。圖6為雙通道煤粉燃燒器在220 t/h燃用貧煤鍋爐的試驗結果。

（1）腰部風全關，雙通道煤粉燃燒器內(nèi)部的溫度大幅度增加，一次風煤粉氣流在燃燒筒內(nèi)受到高溫回流煙氣加熱，在燃燒筒出處形成穩(wěn)定火焰，曲線1。

（2）腰部風開50 %，雙通道煤粉燃燒器內(nèi)部的溫度有所增加，一次風煤粉氣流在燃燒器噴口處開始受到加熱，著火點在燃燒筒外400 mm處形成，曲線2。

（3）腰部風全開，此時，雙通道燃燒器內(nèi)部的溫度就是一次風混合物的溫度（210℃），溫度梯度很小，著火點在燃燒筒外930 mm處形成，曲線3。

圖7　腰部二次風的著火點位置調(diào)節(jié)作用

試驗結果表明：雙通道煤粉燃燒器上、下一次風設計參數(shù)確定后，其著火點的位置與腰部風量的大小有直接重要的關系。通過調(diào)節(jié)腰部風量可使一次風著火點在0～930 mm的范圍內(nèi)變化。

5.4雙通道煤粉燃燒器內(nèi)煙氣回流溫度控制

在雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)的裝一只鎧裝熱電偶，用于測量雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)的溫度，當雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)的溫度超過500℃時，可適當開大腰部二次風風門的開度。冷卻雙通道煤粉燃燒器燃燒室。設一個超溫報警溫度，當雙通道煤粉燃燒器燃燒室內(nèi)較高時，自動報警，運行人員就可以根據(jù)報警提示，開大腰部風風門，對雙通道煤粉燃燒器燃燒室進行冷卻。這樣可以避免燃燒器噴口燒壞，同時可實現(xiàn)司爐及時調(diào)整配風，提高鍋爐燃燒效率。

5.5雙通道煤粉燃燒器材料特性

雙通道煤粉燃燒器的耐熱鋼部分采用ZG45Cr26Ni4NRE，其耐熱溫度可達1250℃。

耐磨鋼部分采用ZG45Cr4MnMoNiVRE，其HRC≥40～45。

6　鍋爐改造后可以達到的效果

某鋼廠自備電廠HG-220/9.8-MQ13型鍋爐采用雙通道煤粉燃燒器改造后，應滿足以下要求：

6.1燃用煤質(zhì)范圍：Vdaf=27.0%～43.0%, Aar=15.0%～43.0 %Qnet.ar=16100～24000 kJ/kg。

6.2鍋爐滿足機組在額定負荷60% ECR下穩(wěn)定燃燒運行。

6.3降低NOx排放10～15%。

6.4鍋爐在高負荷下不會因為結渣而影響鍋爐運行。

6.5雙通道煤粉燃燒器噴口材料為耐熱鑄鋼，具有耐高溫性能，在1200～1250℃溫度條件下不會嚴重變形，能連續(xù)運行一個大修期。

6.6雙通道煤粉燃燒器的褲衩方圓節(jié)材料為耐磨鑄鋼，其HRC≥45左右，可明顯減少磨損，延長使用壽命?？蓮氐捉鉀Q煤粉燃燒器的磨損問題。

7　經(jīng)濟效益

煤種適應性強，改善動力煤結構，拓寬動力煤采購渠道，提高低質(zhì)能源的消耗量，節(jié)約能源采購成本。HG-220/9.8-MQ13型鍋爐經(jīng)過WRKT－Ⅲ型雙通道煤粉燃燒器改造后，鍋爐在100%B-MCR工況下，飛灰可燃物含量降低到4.06%，固體未完全燃燒熱損失降低到2.080%，鍋爐效率為90.073%，煤粉粒子燃盡率為97.92%。

HG-220/9.8-MQ13型鍋爐經(jīng)過WRKT－Ⅲ型雙通道煤粉燃燒器改造后，鍋爐摻燒20%的霍林河褐煤可以滿負荷運行，每年可節(jié)約資金193.24萬元。

[參考文獻]

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[2]何佩敖,趙仲琥,秦裕琨.煤粉燃燒器設計與運行[M].北京:機械工業(yè)出版社，1986.

作者簡介：任雪鵬（1977-），男，大學本科學歷，工程師，現(xiàn)從事鍋爐檢修和日常維護及管理工作。

收稿日期：2015- 01- 20

【中圖分類號】TK229

【文獻標識碼】B

【文章編號】1006-6764（2015）04-0030-06