郭秋實，陳安合，王路路，張 達，任福虎，王 歡

(1.內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電有限責任公司，呼和浩特 010200；2.中國大唐集團科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司 華北電力試驗研究院，北京 100040)

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019年我國能源消費總量為48.6億t標準煤，其中煤炭消費量高達57.7%[1]。目前，鍋爐燃燒仍然是煤炭的主要利用方式。因此，深入探究煤粉在不同工況下的著火及燃燒特性，尤其是著火延遲和燃燒穩(wěn)定性，對于煤的高效燃燒和鍋爐穩(wěn)定運行都具有重要意義[2]。然而，煤粉的著火是一個包含氣-固兩相流動、傳熱傳質(zhì)及燃燒反應(yīng)的復(fù)雜過程[3]。

著火距離是煤粉燃燒過程中一個重要的物理量?？刂坪线m的煤粉氣流著火距離對于對沖鍋爐的運行非常重要，一般期望煤粉氣流在距離噴口0.3～1.5 m處能夠穩(wěn)定著火。著火距離太近，可能會燒壞噴嘴或者導(dǎo)致噴嘴處出現(xiàn)結(jié)渣；在距離噴口較遠處著火則會推遲燃燒過程，使煤粉來不及燃盡就離開爐膛，增大機械不完全燃燒熱損失[4]。此外，著火推遲還可能引起火焰中心上移，易造成爐膛出口區(qū)域煙氣超溫，以及位于該區(qū)域的高溫過熱器和再熱器管超溫，影響主蒸汽及再熱蒸汽的溫度調(diào)整，長此以往會造成爆管等突發(fā)事故[5]。因此，開展煤粉著火距離的相關(guān)研究對于煤粉的穩(wěn)定和有效燃燒具有重要意義。影響煤粉著火的因素很多，筆者在現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，研究了不同參數(shù)對煤粉氣流著火特性的影響，并對著火機理進行探討，對于對沖鍋爐燃燒器的優(yōu)化設(shè)計和運行管理具有重要參考價值。

1 研究對象和研究方法

1.1 研究對象

某電廠為600 MW亞臨界機組，自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒。爐膛斷面尺寸為20.7 m×16.744 m。爐膛燃燒方式為正壓直吹前后墻對沖燃燒，共配有30只低NOx軸向旋流式煤粉燃燒器(LNASB)，分3層分別布置在鍋爐前后墻水冷壁上，每層各有5只燃燒器，其布置見圖1。前墻從下到上依次是C、D、E層，后墻從下到上依次為A、B、F層。燃燒器一次風噴口中心線層間距離為4 400 mm，同層燃燒器間的水平距離為3 680 mm，上一次風噴口中心線距離屏底 19 947 mm，下一次風噴口中心線距離冷灰斗拐點3 250 mm，最外側(cè)燃燒器與側(cè)墻距離為2 990 mm。

圖1 燃燒器布置示意圖

經(jīng)過低氮改造后，下層(A、C層)為等離子燃燒器，中、上層為中心給粉LNASB，燃燒器著火距離測量示意圖見圖2。

圖2 燃燒器著火距離測量示意圖

采用內(nèi)濃外淡的濃縮燃燒方式，二次風分為內(nèi)外兩層，內(nèi)二次風為軸向不可調(diào)旋流風，外二次風為徑向可調(diào)旋流風。制粉系統(tǒng)配置6臺HP1103型磨煤機，鍋爐燃用設(shè)計煤種滿負荷時，5臺運行1臺備用，燃料消耗質(zhì)量流量為291.2 t/h。

1.2 研究方法

為研究單只燃燒器煤粉射流的著火情況，選取D層和E層燃燒器為研究對象，進行了不同工況下的煤粉射流溫度分布試驗。K形熱電偶從觀火孔處伸入爐膛內(nèi)，測量在不同深度位置處的溫度，以燃燒器最前沿即內(nèi)二次風噴口前沿處為著火距離起始點。為避免熱電偶伸入爐膛后劇烈擺動，將其固定在DN30的不銹鋼管上，試驗時將鋼管一起插入爐膛內(nèi)以減少波動性和誤差，多次測量取平均值。所測結(jié)果為負值表示在噴口內(nèi)著火，所測結(jié)果為正值則表示離開噴口后著火。

1.3 煤質(zhì)和主要參數(shù)

試驗時鍋爐燃用煤種為宏燃煤，宏燃煤屬于煙煤，其煤質(zhì)分析見表1。試驗主要考查了不同負荷工況下煤粉含量、一次風速和負荷等參數(shù)對氣流著火特性的影響。

表1 試驗煤質(zhì)分析

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 入爐煤質(zhì)特性

熱重(TG)分析法是使用最多、最廣泛的熱分析技術(shù)之一。以宏燃煤為樣品，采用德國NETZSCH公司生產(chǎn)的TG 209F1 Libra型同步熱分析儀對煤樣進行燃燒特性TG分析，結(jié)果見圖3。由圖3可以看出，在溫度升高過程中，宏燃煤的熱解可分為3個階段：溫度低于300 ℃時，TG曲線略有下降但較為平緩，表明該階段為著火前的預(yù)熱失水狀態(tài)；在300～600 ℃階段，以熱裂解反應(yīng)為主，發(fā)生了明顯的失重現(xiàn)象；600 ℃以后，可燃質(zhì)基本燃燒完全，處于燃盡階段。由圖3可求得著火溫度為372.25 ℃，燃盡溫度為507.25 ℃，表明宏燃煤屬于易著火、易燃盡的煤種。

圖3 宏燃煤樣的TG-微商熱重(DTG)曲線

2.2 煤粉含量對著火特性的影響

煤粉含量(每千克空氣中所含煤粉的質(zhì)量)是影響煤粉氣流著火特性最主要的因素之一[6]。對于煙煤，控制合適的煤粉含量直接影響其著火與穩(wěn)燃特性。選取D層和E層LANSB為研究對象，每層燃燒器共有5只，從左側(cè)墻至右側(cè)墻分別為D1～D5和E1～E5。當只有D磨煤機投運時，煤粉含量對著火距離的影響見圖4。

圖4 煤粉含量對著火特性的影響

由圖4可以看出：隨著煤粉含量升高，D層5只燃燒器著火距離均縮短，但是煤粉含量的變化對5只燃燒器的影響程度不同。分析原因為隨著磨煤機的總煤量升高，煤粉并不是平均分布到5只燃燒器中的，因此5只燃燒器表現(xiàn)出的變化程度不同，但是總體變化趨勢是一致的。當煤粉含量增加時，從著火熱角度來說，輸送煤粉需要的一次風量減少，所需著火熱則相應(yīng)降低；與此同時，煤粉顆粒數(shù)量增加，吸收的輻射熱也隨之增加，這對于著火和燃燒是十分有利的。

2.3 一次風速對著火特性的影響

一次風速對于煤粉氣流著火的影響具有兩面性，比較復(fù)雜。相關(guān)研究表明[7]，一次風速升高將引起煤粉氣流的停留時間變短，對于離開噴口相同距離處的煤粉而言，其揮發(fā)分析出和表面反應(yīng)時間也大大減小，導(dǎo)致著火距離延長。此外，一次風速升高可以間接加快煤粉顆粒加熱升溫、揮發(fā)分釋放及O2的輸送過程，造成煤粉著火提前。兩者影響是完全相反的，應(yīng)具體問題具體分析?？紤]到煤粉爐的實際運行情況，一次風速對煤粉與煙氣混合的影響比較有限。因此，一般認為，一次風速增加時，煤粉著火推遲。

負荷在400 MW時，保證煤粉含量均為0.5 kg/kg，改變磨煤機入口一次風量和給煤量計算出一次風量對應(yīng)的噴口一次風速，并對E層各燃燒器的著火距離進行了測量，結(jié)果見表2。

表2 不同一次風速下的著火距離

由表2可以看出：隨著一次風速的提高，著火距離變長。E2和E4燃燒器隨著一次風速由20.33 m/s增加到22.93 m/s時，著火距離延長較大，而隨著一次風速進一步提高到25.97 m/s時，著火距離的變化趨于緩慢。E3燃燒器表現(xiàn)出的規(guī)律較為不同，隨著一次風速的提高，著火距離先變長，隨著一次風速的進一步提高，著火距離又迅速變短。隨著一次風量的增加，雖然煤粉含量不變，但是煤粉量增加。因此，隨著一次風速的增加，著火距離的變化趨于緩慢。E3燃燒器處于爐膛正中間，周圍溫度較高，隨著一次風速的提高，著火距離反而變短，也有可能是一次風速升高間接加快煤粉顆粒升溫、揮發(fā)分釋放及O2的輸送過程，造成煤粉著火提前。

2.4 鍋爐負荷對著火特性的影響

試驗過程中，保持煤粉含量為0.545 kg/kg、一次風速為21.4 m/s，研究負荷變化對著火距離的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 負荷對著火特性的影響

由圖5可以看出：隨著鍋爐負荷升高，著火距離呈明顯下降趨勢。針對E2燃燒器，450 MW負荷情況下，煤粉氣流在離開噴口7 mm處著火；當負荷增加至550 MW時，著火距離為-253 mm，表明煤粉氣流在噴口內(nèi)已經(jīng)著火。爐膛平均溫度隨著鍋爐負荷降低而降低，噴燃器區(qū)域的溫度也相應(yīng)降低，不利于煤粉氣流著火。

3 結(jié)語

通過現(xiàn)場試驗的方法，測量了不同煤粉含量、一次風速及不同負荷工況下宏燃煤的著火距離。試驗結(jié)果表明：保持一次風速不變，煤粉含量增加時，著火距離縮短；煤粉含量相同，而一次風速降低時，著火距離縮短；隨著負荷的升高，保持煤粉含量和一次風速不變時，著火距離縮短。