張文龍

（太原理工大學，山西 太原 030024）

改變燃料特性對某W火焰鍋爐性能影響的實驗研究

張文龍

（太原理工大學，山西 太原 030024）

以某2 060 t/h W火焰鍋爐為研究對象，在分析研究對象現狀的基礎上，總結改變燃料特性以后鍋爐燃燒工況發(fā)生的變化，分析多煤種混合燃燒對鍋爐運行性能的影響機理，采用熱重分析技術及數值模擬技術實驗驗證利用煤種特性差異形成燃料分級燃燒的新途徑，提出適當改變燃料特性采用多煤種混合燃燒方式是解決W火焰無煙煤鍋爐安全高效清潔運行的一種有效方法。

W火焰鍋爐；燃料特性；混合燃燒；分級燃燒；燃燒效率；NO x控制

1 W火焰鍋爐特點

W火焰鍋爐采用W火焰燃燒方式延長煤粉在爐膛內的停留時間，采用濃淡分離技術提高煤粉濃度，燃燒室敷設衛(wèi)燃帶強化著火、強化燃燒，使W火焰鍋爐成為燃用無煙煤等難燃煤種的首選爐型。

W火焰鍋爐爐膛分為下部的燃燒室和上部的燃燼室兩部分，燃燒室側向寬度比燃燼室大80%～120%，形成兩個不等截面，在上下爐膛的前后墻結合部形成爐拱。燃燒器和部分二次風風口布置在前后墻拱上，其余二次風風口分布在下爐膛的前后墻上。煤粉氣流和拱上二次風從爐拱由上向下噴入爐膛，下噴的煤粉氣流著火后向下伸展；拱下二次風在爐前、爐后與風粉氣流火焰幾乎呈垂直的方向分級加入，匯合后折轉向上形成W火焰；燃燒產物氣流上升進入上爐膛。在下爐膛燃燒室的水冷壁上敷設衛(wèi)燃帶，形成著火區(qū)的高溫，有利于著火。

1.1 鍋爐型式及主要參數

某2 060 t/h W火焰鍋爐為亞臨界壓力、一次中間再熱、雙拱型單爐膛W火焰、平衡通風、固態(tài)排渣、露天布置、自然循環(huán)汽包爐。設計煤種為晉東南無煙煤，設計效率90.3%。鍋爐燃燒器結構如圖1所示。

圖1 燃燒器結構圖

1.2 鍋爐運行中存在的主要問題

1.2.1 飛灰可燃物含量高

無煙煤揮發(fā)分低、可磨性差，該爐投產后，飛灰、爐渣可燃物含量一直居高不下。性能考核試驗時，額定工況下的飛灰可燃物含量達到18.24%，嚴重影響機組的經濟運行；同時，灰渣不能綜合利用，只能堆放到灰場，灰場庫容壓力很大。

1.2.2 NOx生成量大

由于無煙煤的燃燒特性和W火焰鍋爐采取的強化著火、強化燃燒的措施，W火焰鍋爐爐膛火焰中心峰值溫度達到1 500℃以上，熱力型NOx生成量較大，NOx排放設計值達到1 300 mg/m3，實際運行中甚至達到1 700 mg/m3以上。

1.2.3 燃油消耗量高

無煙煤揮發(fā)分低、著火點高，該爐燃油消耗量很大，2010年發(fā)電油耗達到24.62 t/（億kW·h），全年共使用971 t，其中啟停用油846 t、助燃用油112 t，燃油消耗量遠大于一般電廠的水平。

1.2.4 容易結焦

W火焰鍋爐采取敷設衛(wèi)燃帶等一系列強化著火、燃燒的措施，容積熱負荷和斷面熱負荷較大，爐膛溫度較高，容易造成受熱面結渣。

2 改變燃料特性對鍋爐運行性能的影響

隨著國家能源體制改革的深入，煤炭市場化程度提高。為了適應煤炭市場的變化，尋找替代適燒煤種，該W火焰鍋爐進行了改變燃料特性的試驗工作，在無煙煤中混合一定比例的煙煤，研究燃料特性變化后對鍋爐性能的影響。

2.1 改變燃料特性對鍋爐燃燒工況的影響

燃料特性變化后該W火焰鍋爐燃燒工況出現了明顯的變化，主要是：燃燒穩(wěn)定性增強，鍋爐帶負荷能力得到改善，NOx生成量由1 700mg/m3降低到800mg/m3，高負荷時燃燒穩(wěn)定性增強，飛灰可燃物含量降至5%左右，冷態(tài)啟動用油由150 t/臺次降低到50 t/臺次以下。

2.2 改變燃料特性對鍋爐燃燒工況影響的機理分析

無煙煤中混合一定比例的煙煤入爐燃燒，著火性能、穩(wěn)燃性能明顯改善，燃燒效率明顯提高，NOx生成量顯著下降。主要是因為煙煤揮發(fā)分較高，容易著火，煙煤著火燃燒以后，對無煙煤的著火燃燒起到了支持作用。

無煙煤與煙煤的混合煤粉進入爐膛以后，由于煙煤揮發(fā)分高、活化能小、著火溫度低，首先達到著火點，形成第一級燃燒。煙煤著火燃燒以后釋放出大量熱量，為無煙煤的著火創(chuàng)造了有利條件，克服了無煙煤揮發(fā)分低、活化能大、著火溫度高，不容易燃燒的缺點。第一級燃燒產生的高溫煙氣，促進了無煙煤粉的著火，形成第二級燃燒。由于以煙煤為主的第一級燃燒對以無煙煤為主的第二級燃燒的支持作用，W火焰鍋爐的著火性能、穩(wěn)燃性能明顯改善，燃燒效率明顯提高。

無煙煤和煙煤按一定比例混合燃燒時，煙煤先著火形成第一級燃燒，無煙煤后著火形成第二級燃燒。兩級燃燒在時間上有一定間隔、空間上有一定距離，熱量的釋放區(qū)域較大，火焰峰值溫度較低，在燃燒整體放熱量不變的情況下均勻了爐膛溫度的分布，抑制了熱力型NOx的生成。

2.3 常規(guī)低NOx燃燒技術、燃料特性差異混合燃燒抑制NOx生成機理的比較

NOx的生成與燃燒條件關系很大，不同的燃燒參數，其生成量會發(fā)生很大變化。改變燃燒條件，可以降低NOx的生成。從燃燒原理出發(fā)，根據NOx生成機理，控制NOx生成的理論依據是降低火焰溫度，降低燃燒區(qū)域的氧濃度。根據這個原理，常規(guī)的低NOx燃燒技術主要有改進燃燒運行參數、燃燒空氣分級技術和燃料分級再燃還原技術三類。本項目所采用燃料特性差異混合燃燒兼具燒空氣分級技術和燃料分級再燃的技術優(yōu)點。

2.3.1 改進燃燒運行參數

改進燃燒運行參數是指在運行時根據負荷和煤質特性，在穩(wěn)定燃燒的前提下，適當調整運行參數，進行燃燒優(yōu)化，在較大燃燒區(qū)域內，空氣相對不足，燃燒不強烈，溫度較低，降低NOx的總生成量。

2.3.2 空氣分級燃燒技術

空氣分級燃燒技術，是立足于把初始燃燒區(qū)域內的過量空氣系數調整至濃淡燃燒技術所要求的合適范圍，抑制燃燒初期生成大量揮發(fā)分燃料型NOx。在適當位置將燃燼風（OFA）加入燃燒過程，通過降低燃燒區(qū)域氧濃度和溫度的方法抑制熱力型NOx的大量生成。

2.3.3 燃料分級再燃還原技術

燃料分級再燃還原技術將鍋爐燃料分成兩部分，80%～85%的主燃料從常規(guī)一次風噴口區(qū)域以正常過量空氣系數（α≥1） 配置空氣噴入爐膛進行充分燃燒。其余15%～20%的燃料以再燃燃料的形式從主噴口上方噴入，形成富燃料（過量空氣系數α＜1）、還原性氣氛，燃燒生成碳氫化合物基團，并與一次燃燒區(qū)內生成的NOx反應，NOx被還原為N2。

2.3.4 燃料特性差異混合燃燒

與常規(guī)低NOx燃燒技術相比，燃料特性差異混合燃燒抑制NOx生成的機理兼具空氣分級燃燒、燃料分級再燃的特點。利用燃料特性差異形成的混合分級燃燒不需要另外的空氣噴口和燃料噴口，不降低爐膛整體溫度水平。在大幅降低NOx生成量的同時提高燃燒穩(wěn)定性，為增加空氣量，降低不完全燃燒熱損失，提高鍋爐效率創(chuàng)造了條件，具有高效、低污染、不需設備改造的特點。

3 燃料特性對鍋爐燃燒工況影響的實驗驗證

采用熱重-紅外聯用技術對不同煤種燃燒特性的研究結果和采用數值模擬技術進行的燃燒工況研究結果，驗證了燃料特性改變對鍋爐燃燒特性影響的機理分析。試驗研究以晉城無煙煤、晉中呂梁煙煤、長治貧煤、以及不同比例混合煤種為樣品。表1為不同煤種樣品的元素和工業(yè)分析數據。

表1 不同煤種的元素分析和工業(yè)分析

3.1 基于熱重分析技術對多煤種混合燃燒特性的分析研究

通過對樣品的熱重分析，得到煤的熱重（TG）曲線，由TG曲線得到失重率?？梢钥闯?，煙煤較無煙煤先進入燃燒失重區(qū)域，先達到燃燒失重結束溫度。隨著煙煤摻配比例的提高，整個曲線向左側移動，燃燒特性發(fā)生變化，由較難燃燒煤質逐漸向較易燃燒煤質過渡。

無煙煤中摻入煙煤，會改變原有煤質的燃燒特性，煤粉著火燃燒會逐漸形成兩級性，延長了煤質著火的行程。當煙煤、無煙煤按照＞1∶1、甚至3∶1的比例摻配時，入爐煤質的燃燒特性改變較為明顯，形成爐內分級燃燒方式，煤粉著火溫度降低，改善了爐內的燃燒狀況，煤粉燃燼性提高，對鍋爐點火、穩(wěn)燃、降低爐膛火焰中心峰值溫度、降低NOx排放濃度具有明顯優(yōu)勢。

根據熱重分析試驗，得出以下結論。

a）煙煤比例25%時，混煤燃燒特性發(fā)生變化。

b）煙煤比例75%時，混煤的燃燼溫度更低、更容易燃燼。

c）當煙煤比例超過25%時，能夠形成兩級燃燒模式，煙煤幫助無煙煤著火燃燒，整個火焰燃燒行程變長，火焰擴散，中心峰值溫度降低，有利于降低熱力型NOx。

3.2 燃用不同煤時爐膛溫度、NOx、CO數值模擬

根據實際測量和數值模擬計算，該W火焰鍋爐單獨燃用無煙煤時火焰中心溫度在1 500～1 600℃。當煙氣溫度＞1 500℃時，熱力型NOx的生成量遠高于平均水平，這是該W火焰鍋爐NOx生成量大的主要原因。

單純燃用無煙煤時，爐內在略低于拱下部形成W火焰最高溫度區(qū)，溫度一般在1 500℃以上，與實際測量結果一致。單純燃燒無煙煤時，爐內燃燒產生的NOx含量較高，一般在1 300 mg/m3左右，也與實際測量結果一致，在拱部區(qū)域形成了高NOx含量的煙氣區(qū)域，拱部中心NOx＞1 700mg/m3，爐膛出口NOx含量在1 000mg/m3。爐內產生的CO含量較高，在200×10-6，說明爐內煤粉燃燒不夠充分，灰渣含碳量高。

單純燃用無煙煤時，拱下區(qū)域容積熱負荷較高。隨著煙煤比例的提高，爐內火焰溫度水平略有降低，爐膛出口煙溫下降明顯。無煙煤和煙煤經過摻配后，在爐內燃燒可以有效降低拱下燃燒中心的火焰溫度，隨著煙煤摻配比例的提高，峰值溫度隨之下降。當燃用75%比例煙煤燃燒時，峰值溫度接近1 300～1 400℃，比無煙煤燃燒降低100～200℃，熱力型NOx能夠降低80%～90%，燃料型NOx能夠降低20%～40%，這對NOx降低排放有很大的好處。拱下區(qū)域溫度＜1 300℃，主要為燃料型NOx，隨著煙煤比例的提高，燃料型NOx的生成量明顯減少，燃燒器區(qū)域上部的NO含量也明顯減弱。

4 結束語

通過對某2 060 t/h W火焰鍋爐在無煙煤中以一定比例混合煙煤，燃燒特性改變對鍋爐燃燒特性影響的工程實踐總結；利用熱重分析技術對不同煤種燃燒特性的實驗分析，利用數值模擬技術對不同煤種混合燃燒時爐膛溫度、NOx、CO分布的研究分析，從工程實踐和實驗研究兩個方面驗證了燃料特性改變對W火焰鍋爐燃燒性能的影響。

由于煙煤和無煙煤在燃燒特性上存在較大差異，在W火焰鍋爐中以一定比例的煙煤與無煙煤混合燃燒，可以形成分級燃燒。兩種燃料的分級燃燒，改變了燃燒條件，充分發(fā)揮了W火焰鍋爐的分級送風配風手段，減少了燃料型NOx的生成量；兩種燃料分級燃燒使爐膛溫度分布均勻，火焰峰值溫度降低，減少了熱力型NOx的生成量，減排效果達到50%以上。

以煙煤為主的第一級燃燒可以對以無煙煤為主的第二級燃燒起到支持作用，能夠改善著火性能、提高燃燒穩(wěn)定性和燃燒效率，提高W火焰鍋爐的運行效率和調整負荷的能力。

無煙煤和煙煤的混合燃燒，由于燃燒特性的差異，可以使空氣分級燃燒的作用得到充分發(fā)揮，為燃料分級燃燒理論提供了一種新的實現方法，在降低NOx生成量的同時可以提高鍋爐運行效率。

An Experimental Study on the Influence of Fuel Characteristics Changing on the Performance of W-flame Boilers

ZHANG W enlong

（Taiyuan University of Technology，Taiyuan,Shanxi 030024，China)

In this paper,a 2 060 t/h W-flame boiler is chosen as the researching object.Based on the current research status,the changes of combustion conditionswhen fuelpropertieswere altered are summarized.The influences of co-combustion withmixed types of coal on the boiler's operating performance are analyzed.Thermogravimetric analysis technique and numerical simulation technique are used to verify that characteristic differences between different kinds of coals can be used to form staged combustion.It is proposed that usingmixed coalas fuelisan effectiveway to ensureW-flameboiler tooperate safely,effectively and cleanly.

W-flameboiler;fuelcharacteristics;mixed combustion;staged combustion;combustion efficiency;NOx control

TK229

A

1671-0320（2016）05-0042-04

2016-07-03，

2016-07-22

張文龍（1976），男，山西文水人，1998年畢業(yè)于太原電力高等?？茖W校發(fā)電廠及電力系統專業(yè)，工學及經濟學雙學士，高級工程師，從事發(fā)電廠生產技術管理工作。