蔡新春，王 興，高 佳

（1.格盟國際能源有限公司，山西 太原 030002；2.山西大學(xué)，山西 太原 030013；3.山西大唐國際運(yùn)城發(fā)電責(zé)任有限公司，山西 運(yùn)城 044602）

2 080 t/h煤粉爐燃燒不穩(wěn)原因分析及對(duì)策

蔡新春1，王 興2，高 佳3

（1.格盟國際能源有限公司，山西 太原 030002；2.山西大學(xué)，山西 太原 030013；3.山西大唐國際運(yùn)城發(fā)電責(zé)任有限公司，山西 運(yùn)城 044602）

指出煤粉氣流的著火和穩(wěn)定燃燒是影響鍋爐燃燒穩(wěn)定性的最主要因素，對(duì)鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要影響。結(jié)合某鍋爐的具體情況，對(duì)燃燒不穩(wěn)定的原因進(jìn)行了分析，并提出了可行的調(diào)整措施。

鍋爐；穩(wěn)定燃燒；著火熱

0 引言

鍋爐的穩(wěn)定燃燒對(duì)鍋爐機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性至關(guān)重要。然而隨著電力工業(yè)的發(fā)展，越來越多的大機(jī)組開始承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰的任務(wù)，而機(jī)組在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，由于爐內(nèi)溫度偏低，往往容易造成鍋爐燃燒不穩(wěn)定。另外，雖然我國煤炭資源相對(duì)豐富，但煤炭品種繁多，加之我國的能源政策鼓勵(lì)動(dòng)力用煤燃用劣質(zhì)燃料，使得這一問題更加突出。

1 設(shè)備概述

山西某火力發(fā)電廠安裝2臺(tái)哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司引進(jìn)美國ABB-CE燃燒工程公司技術(shù)設(shè)計(jì)制造的亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、正壓直吹、四角切圓、平衡通風(fēng)、干排渣、型半露天布置、全鋼構(gòu)架、懸吊結(jié)構(gòu)、控制循環(huán)汽包鍋爐，型號(hào)為：HG-2080/17.5-YM9。鍋爐采用冷一次風(fēng)，正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配置6臺(tái)ZGM113G型中速磨煤機(jī)。

鍋爐投運(yùn)以來，1號(hào)鍋爐存在燃燒穩(wěn)定性差、熱經(jīng)濟(jì)效率低、可靠性低、運(yùn)行方式不合理等一系列問題。本文對(duì)影響燃燒穩(wěn)定性的原因做了必要分析，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)鍋爐特征，提出一些改善鍋爐燃燒穩(wěn)定性的調(diào)整措施。

2 影響鍋爐穩(wěn)燃的原因分析

鍋爐燃燒穩(wěn)定性既反映了鍋爐著火的難易程度，又體現(xiàn)了著火后的燃燒狀況。理想的燃燒狀況應(yīng)該是燃料迅速地著火、快速地火焰?zhèn)鞑?、?qiáng)烈的燃燒強(qiáng)度和充分地燃燼。而著火階段是整個(gè)燃燒階段的關(guān)鍵，是保證穩(wěn)定燃燒的前提。在鍋爐的燃燒過程中，一般希望煤粉氣流在離開燃燒器噴口不遠(yuǎn)處就能夠穩(wěn)定地著火。如果著火過早，可能會(huì)使得燃燒器噴口過熱燒壞、燃燒器噴口結(jié)渣；而著火太遲，又會(huì)推遲整個(gè)燃燒過程，造成煤粉在爐內(nèi)燃燒時(shí)間縮短而燒不盡，還會(huì)造成爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定，甚至鍋爐熄火的發(fā)生，因此煤粉氣流穩(wěn)定的著火燃燒直接影響鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性。而煤粉氣流的著火過程又決定于煤粉氣流的著火熱和著火溫度，著火熱越小、著火溫度越低，煤粉氣流越容易著火和穩(wěn)定燃燒。煤粉氣流的著火熱[1]可通過式（1）來計(jì)算，由式（1）可見，煤粉氣流的著火熱隨燃料性質(zhì)和運(yùn)行工況的變化而變化。

式中：V1——一次風(fēng)量，Nm3/kg；

ck——空氣的比熱容，kJ/（Nm3·℃）；

cgr——干燥基的比熱容，kJ/（kg·℃）；

cq——水蒸氣的比熱容，kJ/（kg·℃）；

Mar——原煤水分，%；

ΔM——原煤在制粉系統(tǒng)中蒸發(fā)的水分，kJ/ kg；

t1——一次風(fēng)煤粉混合物的初溫，℃；

tzh——著火溫度，℃。

在實(shí)際運(yùn)行過程中影響鍋爐穩(wěn)定燃燒的因素有很多，影響爐內(nèi)的燃燒狀況的因素也比較復(fù)雜。這些因素大致包括：設(shè)計(jì)因素、煤質(zhì)特性和運(yùn)行工況等。設(shè)計(jì)因素又包括燃燒方式的選擇是否采用衛(wèi)燃帶穩(wěn)燃技術(shù)、是否采用新型燃燒器等。本文僅對(duì)影響本實(shí)驗(yàn)鍋爐穩(wěn)定燃燒的煤質(zhì)特性和運(yùn)行工況做具體分析。

2.1 煤質(zhì)的影響

燃料特性中對(duì)著火影響比較明顯的因素有：揮發(fā)分、燃料水分、灰分和煤粉細(xì)度等。

燃料特性中對(duì)著火特性影響最為顯著的是煤的揮發(fā)分Vdaf含量。揮發(fā)分是煤在熱解過程中釋放出的一種可燃?xì)怏w，著火溫度較低，容易著火。因此煤種的揮發(fā)分含量越高，煤粉氣流越容易著火和燃盡，相反揮發(fā)分Vdaf降低時(shí)，由公式（1） 可見，煤粉氣流的著火溫度顯著提高。因此，對(duì)于已投運(yùn)的鍋爐當(dāng)燃用煤種揮發(fā)分比設(shè)計(jì)煤種偏低時(shí)，煤粉氣流必須加熱到更高的溫度才能著火，使得煤粉氣流著火推遲，從而造成燃燒中心上移，燃燒區(qū)爐溫降低而引起著火不穩(wěn)定，降低鍋爐的燃燒效率。因此，煤質(zhì)揮發(fā)分Vdaf含量是對(duì)燃燒穩(wěn)定性判斷的重要依據(jù)，通?？砂凑彰嘿|(zhì)揮發(fā)分Vdaf做如下判別[2]：Vdaf＜9%為極難穩(wěn)定區(qū)；Vdaf=9%～19%為難穩(wěn)定區(qū)；Vdaf=19%～27%為中等穩(wěn)定區(qū)；Vdaf=27%～40%為易穩(wěn)定區(qū)；Vdaf＞40%為褐煤區(qū)。

由式（1）可以看出，原煤的水分越高，煤粉氣流的著火熱越大，相應(yīng)的著火溫度越高。同時(shí)水分在爐內(nèi)蒸發(fā)成蒸汽的加熱、蒸發(fā)和過熱過程都要吸收熱量，致使?fàn)t內(nèi)溫度水平降低，這對(duì)煤粉氣流的穩(wěn)定著火和燃燼也是不利的。特別是在燃用劣質(zhì)的高灰分煤種時(shí)，由于燃料熱值較低，同等負(fù)荷下劣質(zhì)燃料的消耗量較大，大量的灰分在燃燒過程中會(huì)吸收爐內(nèi)的熱量，降低爐內(nèi)的溫度水平，影響煤粉氣流著火的穩(wěn)定性。另外，灰分在燃燒過程中還會(huì)包覆在未燃燼的碳粒表面，降低了煤粉的燃燼程度，大量的灰隨著爐渣排出爐外，增加了相應(yīng)的排渣物理熱損失，都使得鍋爐熱損失增加，降低了鍋爐熱效率。因此，原煤中的水分和灰分，不僅不利于煤粉燃燒的穩(wěn)定性，還會(huì)降低鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性。

煤粉細(xì)度表示煤粉的粗細(xì)程度，煤粉越細(xì)煤粉氣流的著火溫度越低。因?yàn)槊悍鄣牧皆叫?，煤炭顆粒的反應(yīng)表面積越大，這有利于減小煤炭顆粒的導(dǎo)熱熱阻，有利于煤粉吸收周圍高溫?zé)煔鉄崃?，而盡快達(dá)到相應(yīng)的著火溫度。在煤粉氣流的燃燒過程中，總是較細(xì)的煤粉先著火，進(jìn)而加熱、引燃相對(duì)較粗的煤粉。而較粗的煤粉增加了煤粉氣流燃燒的不穩(wěn)定性，增加了機(jī)械不完全燃燒熱損失。

2.2 運(yùn)行工況

2.2.1 鍋爐負(fù)荷

運(yùn)行工況中燃燒溫度對(duì)煤粉氣流的穩(wěn)定燃燒至關(guān)重要，爐內(nèi)平均溫度越高，煤粉氣流著火的穩(wěn)定性越好。而爐內(nèi)的溫度水平又決定于鍋爐負(fù)荷，高負(fù)荷對(duì)應(yīng)的燃燒溫度較高，當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，送入爐內(nèi)的燃料消耗量相應(yīng)減少，水冷壁的吸熱量雖然也減少一些，但減少的比例相對(duì)較小，相對(duì)于單位質(zhì)量燃料的放熱量來說，水冷壁的吸熱量反而增加了，致使?fàn)t膛平均煙溫降低，燃燒器區(qū)域的燃燒溫度也有所降低，因而鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)煤粉氣流的著火和穩(wěn)定燃燒是不利的[3]。因此鍋爐負(fù)荷降低到一定程度時(shí)，將嚴(yán)重影響著火的穩(wěn)定性，甚至引起鍋爐的熄火。煤粉爐低負(fù)荷運(yùn)行燃燒穩(wěn)定性差的原因，從本質(zhì)上分析是因?yàn)殡S著負(fù)荷下降，爐內(nèi)燃料的放熱量和爐膛水冷壁吸熱量比例失調(diào)，造成爐內(nèi)煙氣平均溫度較低所引起的，特別在燃燒器的停運(yùn)方式不合理或者一次風(fēng)率偏大時(shí)，燃燒過程受到稍大一點(diǎn)的擾動(dòng)，就可能引起鍋爐火焰熄火，嚴(yán)重影響鍋爐運(yùn)行的可靠性。

2.2.2 一次風(fēng)量

一次風(fēng)量越大，煤粉氣流所需著火熱越多，將使著火推遲，影響煤粉的穩(wěn)燃和燃燼程度；但一次風(fēng)量太小，在燃燒初期揮發(fā)分和細(xì)粉的燃燒得不到足夠的助燃氧氣，也會(huì)限制燃燒過程的發(fā)展，對(duì)煤粉氣流的穩(wěn)定燃燒也不利。因此，對(duì)于不同的煤種、不同的燃燒方式一次風(fēng)量都有相應(yīng)的最佳值。

2.2.3 煤粉氣流的初溫

提高煤粉氣流的初溫，可減少煤粉氣流著火所需的著火熱，從而加快了著火，有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。在實(shí)踐中為了改善煤粉的著火條件，通常的做法是用預(yù)熱后的高溫空氣作為一次風(fēng)來輸送煤粉，特別是在燃用揮發(fā)分較低的劣質(zhì)燃料時(shí)常采用提高一次風(fēng)溫度的方法來強(qiáng)化煤粉氣流的著火條件。

2.2.4 煤粉濃度

煤粉濃度的改變顯著影響著火溫度和著火熱量。隨著煤粉濃度的增加，著火溫度首先會(huì)顯著降低，當(dāng)著火溫度降低到一定程度后不再繼續(xù)下降，反而會(huì)有一定程度的升高。因此，對(duì)于某一特定工況下存在某一最佳的煤粉濃度[4]。煤粉濃度較低時(shí)，煤粉氣流所需著火熱量較少，且少于供給的熱量，因此，足以迅速將煤粉氣流加熱至著火的臨界狀態(tài)，煤粉顆粒開始著火。但由于煤粉濃度低，放出的熱量少，燃燒不夠強(qiáng)烈，無法形成連續(xù)的火焰，溫度水平較低，影響煤粉氣流穩(wěn)定燃燒。隨著煤粉濃度的增加，所需著火熱量亦增多，且不斷接近供給的熱量，燃燒放熱逐漸強(qiáng)烈，溫度水平不斷提高。當(dāng)增加到某一煤粉濃度時(shí)，著火熱量恰好等于供給熱量，此時(shí)放熱量最大，溫度水平相對(duì)最高，著火和燃燒最穩(wěn)定，這一煤粉濃度即為該狀態(tài)下的最佳煤粉濃度，如果煤粉濃度高于此值，則所需著火熱大于著火區(qū)域所能提供的熱量，煤粉氣流著火推遲，溫度水平下降，不利于煤粉氣流的穩(wěn)定燃燒。最佳煤粉濃度隨煤質(zhì)和運(yùn)行工況的不同而不同，而煤質(zhì)對(duì)最佳煤粉濃度的影響又最為重要，特別是對(duì)于低揮發(fā)分的貧煤和無煙煤其最佳煤粉濃度要高于常規(guī)的煤粉濃度。

3 調(diào)整措施及建議

3.1 煤質(zhì)的調(diào)整

由上文的分析中不難看出，煤質(zhì)條件對(duì)煤粉氣流的著火和穩(wěn)燃具有重要影響，因此在電廠燃煤采購中要盡量采用與設(shè)計(jì)煤種相近的煤質(zhì)，但煤質(zhì)的變化較難控制，特別是煤源緊張時(shí)，供煤中的各種成分不太穩(wěn)定，經(jīng)常發(fā)生波動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)鍋爐設(shè)計(jì)煤種與實(shí)際燃用煤種的對(duì)比見表1。

表1 設(shè)計(jì)煤種與實(shí)際燃用煤種煤質(zhì)成分%

設(shè)計(jì)煤種屬于典型的煙煤，并且依據(jù)上文對(duì)燃燒的判別，該煤質(zhì)屬易穩(wěn)定區(qū)，煤粉氣流的穩(wěn)燃性能較好，而由表1的對(duì)比可以看出，實(shí)際燃用煤種屬于普通煙煤甚至是劣質(zhì)煙煤，其燃燒處于中等穩(wěn)燃區(qū)，燃燒穩(wěn)定性較差。

由表1可以看出，實(shí)際燃用煤種的水分比設(shè)計(jì)煤種略小，對(duì)煤粉氣流的著火熱影響不大，屬于有利的因素。而灰分比設(shè)計(jì)煤種高，揮發(fā)分比設(shè)計(jì)煤種低，這兩點(diǎn)對(duì)煤粉氣流穩(wěn)定著火和燃燒是非常不利的，特別是實(shí)際燃用煤種的揮發(fā)分比設(shè)計(jì)值小得多，而揮發(fā)分對(duì)煤粉的著火和穩(wěn)燃的影響又最為顯著。因此，在改燒實(shí)際燃用煤種時(shí)，如果不做合理的調(diào)整勢必會(huì)造成燃燒不穩(wěn)定和燃不燼的問題。在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)通過對(duì)運(yùn)行工況的調(diào)整來抵消其不利影響。

3.2 降低一次風(fēng)率和增加煤粉濃度

目前燃用煤種的穩(wěn)燃性能較差，因此對(duì)運(yùn)行工況的調(diào)整應(yīng)遵照降低煤粉氣流著火熱這一思路。由上文分析中可知，降低一次風(fēng)量，采用合理煤粉濃度可有效降低煤粉氣流的著火熱和著火溫度。通過調(diào)研了解到，制粉系統(tǒng)在運(yùn)行中存在給煤不暢的問題，運(yùn)行人員為了提高運(yùn)行的可靠性往往多投一套制粉系統(tǒng)，造成的后果是一次風(fēng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。尤其是在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，制粉系統(tǒng)出力隨之降低，而為了保證輸粉對(duì)風(fēng)速的要求，一次風(fēng)量不可按比例降低，使得一次風(fēng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，造成燃燒的穩(wěn)定性下降，滅火的可能性增大等問題。燃用優(yōu)質(zhì)煙煤一次風(fēng)率可提高到40%，從目前實(shí)際煤質(zhì)來看，煤質(zhì)基本上屬于普通煙煤或者劣質(zhì)煙煤，因此一次風(fēng)率應(yīng)該取下限25%左右，而據(jù)目前運(yùn)行情況來看，大部分運(yùn)行時(shí)間一次風(fēng)率在29%以上，在低負(fù)荷時(shí)甚至更高。為此，提出了降低制粉系統(tǒng)運(yùn)行臺(tái)套數(shù)這一調(diào)整方案，根據(jù)鍋爐負(fù)荷和制粉系統(tǒng)承擔(dān)出力的不同，原則上運(yùn)行中要盡量減少磨煤機(jī)運(yùn)行的臺(tái)數(shù)。并且根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況制定出如下規(guī)程：當(dāng)機(jī)組負(fù)荷超過500MW時(shí)，如果總煤量不超過320 t/h時(shí)，應(yīng)保持5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行；當(dāng)斷煤發(fā)生時(shí)，應(yīng)優(yōu)先加大其他磨煤機(jī)的出力，難以維持時(shí)可以再啟動(dòng)1臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。負(fù)荷低于500MW采用4臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。當(dāng)采用這一方案運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷500MW時(shí)，一次風(fēng)率由原來6臺(tái)磨運(yùn)行的29.1%降低到5臺(tái)磨運(yùn)行的24.1%左右，改善了煤粉氣流的著火和穩(wěn)燃特性。

降低一次風(fēng)率的同時(shí)還起到了提高煤粉濃度的效果。鍋爐原設(shè)計(jì)煤種揮發(fā)分較高，因此對(duì)應(yīng)的最佳煤粉濃度低，而目前燃用煤質(zhì)揮發(fā)分較低，所對(duì)應(yīng)的最佳煤粉濃度較高，因此提高煤粉的濃度也可改善煤粉氣流的穩(wěn)燃條件。

3.3 提高磨煤機(jī)出口溫度

磨煤機(jī)出口溫度控制范圍應(yīng)根據(jù)鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)安全情況綜合而定，此范圍不宜過高也不宜過低，過低會(huì)增加煤粉氣流的著火熱、降低磨煤出力、增大磨煤電耗，經(jīng)濟(jì)性差；過高則會(huì)增加制粉系統(tǒng)及管道自燃和著火爆炸的可能性，還會(huì)造成磨輥軸承超溫，安全性差。在保證安全運(yùn)行的原則下，一般規(guī)程對(duì)煙煤的磨煤機(jī)出口溫度推薦值為70～80℃，本文綜合考慮煤質(zhì)及設(shè)備的具體情況后，將磨煤機(jī)入口溫度從200℃提高到260℃，磨煤機(jī)的出口溫度從80℃提高到85℃，部分工況甚至達(dá)到90℃。這不僅改善了煤粉氣流著火的穩(wěn)定性，而且由于磨煤機(jī)內(nèi)的平均溫度升高，原煤的破損特性增強(qiáng)，因而磨煤機(jī)的制粉能耗降低。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)調(diào)整后在磨煤機(jī)出力為60 t/h時(shí)，磨煤電流比調(diào)整前約降低5 A，提高了制粉系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

提高磨煤機(jī)出口溫度的另一個(gè)作用就是降低了磨煤機(jī)冷風(fēng)的使用量。磨煤機(jī)出口溫度主要受進(jìn)入磨煤機(jī)冷風(fēng)和熱風(fēng)比例影響，要提高磨煤機(jī)的出口溫度，就要加大進(jìn)入磨煤機(jī)熱風(fēng)的比例，減少冷風(fēng)的比例。減少進(jìn)入爐膛的冷風(fēng)量，不僅可以提高燃燒區(qū)的平均溫度，還可以降低爐膛火焰中心，對(duì)強(qiáng)化和改善燃燒區(qū)煤粉氣流的著火和穩(wěn)燃非常有利。

4 結(jié)論及建議

煤質(zhì)特性特別是揮發(fā)分的含量對(duì)煤粉氣流的著火和穩(wěn)定燃燒具有重要影響，是判斷煤粉氣流燃燒穩(wěn)定性的重要依據(jù)。

對(duì)于燃用煙煤的鍋爐，一次風(fēng)率r1的推薦范圍25%～40%偏高，特別是在燃用熱值較低的劣質(zhì)煙煤時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低到25%以下。

現(xiàn)今規(guī)程對(duì)燃用煙煤磨煤機(jī)出口溫度推薦值70～80℃偏于保守，當(dāng)燃用劣質(zhì)煙煤時(shí)，可以適當(dāng)提高到90℃左右。

［1］ 葉江明.電廠鍋爐原理及設(shè)備［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 姚文達(dá)，姜凡.火電廠鍋爐運(yùn)行及事故處理［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］ 閆順林，王冬生，李永華，等.鍋爐燃燒穩(wěn)定性影響因素分析［J］.電站系統(tǒng)工程，2005，25（1）：29-30.

［4］ 閻維平，徐通模，許晉源.煤粉氣流著火存在最佳煤粉濃度的試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程，1994，14（4）：28-32.

Causal Analysis and Countermeasures for 2 080 t/h Boiler Unstable Combustion

CAIXinchun1，WANG Xing2，GAO Jia3
（1.Gemeng International Energy Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030002，China；2.Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030013，China；3.Shanxi Datang International Yuncheng Power Generation Co.，Ltd.，Yuncheng，Shanxi 044602，China）

The ignition and stable combustion ofpulverized coalair flow are the key factors to the combustion stability ofboiler，for that they determine the security and economy of boiler.This paper analyses the unstable combustion ofa boiler，and gives some feasible adjustmentmeasures.

boiler；stable combustion；ignition heat

TK224.1

B

1671-0320（2015）01-0046-04

2014-12-12，

2015-01-08

蔡新春（1963），男，山西介休人，1985年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力分院熱能工程專業(yè)，高級(jí)工程師，從事電廠鍋爐優(yōu)化運(yùn)行與燃燒調(diào)整技術(shù)的試驗(yàn)研究；

王 興（1983），男，山西大同人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱能工程專業(yè)，碩士,講師，從事火電廠安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的教學(xué)和研究；

高 佳（1986），男，山西運(yùn)城人，2008年畢業(yè)于太原理工大學(xué)熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，助理工程師，從事火電廠機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工作。