東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司 徐啟明
我國自20世紀(jì)80年代后期引進(jìn)“W”火焰鍋爐用于燃用低揮發(fā)份煤以來,“W”火焰鍋爐已成為我國專用于燃用低揮發(fā)份煤的鍋爐[1]。由于低揮發(fā)份煤具有較難燃盡的特性,即使“W”火焰鍋爐燃燒區(qū)域敷設(shè)了大量的衛(wèi)燃帶來提高爐內(nèi)溫度,鍋爐灰渣可燃物依然偏高[2],因此“W”火焰鍋爐一直存在鍋爐燃燒效率不高的問題。本文對某超臨界“W”火焰鍋爐進(jìn)行了試驗研究,總結(jié)出一套針對超臨界“W”火焰鍋爐的優(yōu)化試驗方法,對同類型鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行具有較高的參考價值。
鍋爐為超臨界參數(shù)、“W”型火焰燃燒、垂直管圈水冷壁、變壓直流鍋爐、單爐膛Π型鍋爐,采用專門用于燃燒低揮發(fā)份煤的雙旋風(fēng)煤粉燃燒器、一次再熱、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)。鍋爐共配有六臺雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī),每臺磨煤機(jī)帶4只煤粉燃燒器,24只煤粉燃燒器順列布置在下爐膛的前后墻爐拱上,前、后墻水冷壁上部還布置有26個燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器,燃燒區(qū)域劃分為燃燒器區(qū)域和燃盡風(fēng)區(qū)域兩部分。鍋爐的燃燒設(shè)備主要由煤粉燃燒器、燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器、風(fēng)箱、油點(diǎn)火器、火檢及風(fēng)門擋板等組成。
煤粉燃燒器由煤粉進(jìn)口管、柵格式煤粉均分器、雙旋風(fēng)筒殼體、煤粉噴口、乏氣管、乏氣擋板和消旋桿等組成。二次風(fēng)箱分為上部風(fēng)箱和下部風(fēng)箱,上部風(fēng)箱負(fù)責(zé)拱上供風(fēng),下部風(fēng)箱負(fù)責(zé)拱下供風(fēng)。二次風(fēng)分成A、B、C、D、F五股風(fēng)送入爐膛。
燃燒優(yōu)化試驗的目的是在保證鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)到額定參數(shù)的基礎(chǔ)上,同時具有較高的鍋爐效率。在燃燒穩(wěn)定的情況下,通過變動影響鍋爐燃燒的不同因素,研究如省煤器出口過量空氣系數(shù)、燃燒器乏氣風(fēng)開度,以及A、B、F層風(fēng)開度,燃盡風(fēng)風(fēng)量配比等不同因素對鍋爐燃燒效率的影響。
變省煤器出口過量空氣系數(shù):試驗將省煤器出口過量空氣系數(shù)從1.28逐漸降到1.16。從圖1可知,隨著過量空氣系數(shù)從1.28降低到1.16,鍋爐熱效率隨著過量空氣系數(shù)的降低而逐漸上升,在過量空氣系數(shù)達(dá)到1.23(氧量在3.93%)時鍋爐熱效率達(dá)到了較高值,此時再降低過量空氣系數(shù)鍋爐熱效率提升空間有限、甚至有所降低。而鍋爐未燃碳熱損失隨著過量空氣系數(shù)的降低逐步降低,說明在過大的過量空氣系數(shù)情況下爐內(nèi)燃燒溫度有所降低,并不利于爐內(nèi)煤粉的燃盡。
圖1 過量空氣系數(shù)與鍋爐效率的關(guān)系
變?nèi)急M風(fēng)量試驗:鍋爐在燃燒器上方設(shè)置了一層燃盡風(fēng),用來實現(xiàn)爐膛高度方向分級燃燒的目的。通過調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)箱入口的風(fēng)門擋板,達(dá)到調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)區(qū)域和燃燒器區(qū)域的風(fēng)量配比目的。試驗將燃盡風(fēng)箱開度從100%逐步關(guān)至10%,從圖2可知,隨著燃盡風(fēng)箱擋板開度關(guān)小鍋爐熱效率有所升高,鍋爐未燃碳熱損失總體呈下降趨勢,這是因為燃盡風(fēng)關(guān)小后,更多的風(fēng)從燃燒器區(qū)域送入,燃燒器區(qū)域供風(fēng)有所增加,火焰下沖距離變長,煤粉的停留時間變長[3]。
圖2 燃盡風(fēng)量與鍋爐效率的關(guān)系
變乏氣風(fēng)量試驗:鍋爐使用的是雙旋風(fēng)煤粉燃燒器,采用旋風(fēng)筒進(jìn)行煤粉濃縮,風(fēng)粉混合物在旋風(fēng)筒內(nèi)旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下大部分煤粉被分離到筒壁附近,旋風(fēng)筒中心部位的一次風(fēng)含粉量極少,該部分一次風(fēng)被稱作“乏氣”,由乏氣管引出從乏氣噴頭送入爐膛,試驗將乏氣擋板開度從20%逐漸開至100%。試驗結(jié)果表明,當(dāng)乏氣風(fēng)開大后火焰下沖的動量減小,煤粉顆粒在爐內(nèi)的停留時間縮短,鍋爐未燃碳熱損失有所增加,鍋爐熱效率也呈現(xiàn)下降的趨勢。
變A擋板試驗:為保證乏氣風(fēng)噴口的冷卻并防止噴口結(jié)焦,鍋爐在拱上二次風(fēng)設(shè)置了一層A風(fēng)用于乏氣風(fēng)噴口的冷卻。試驗測試了A擋板開度設(shè)置在45°和90°兩個開度下的鍋爐效率情況。結(jié)果表明,隨著A擋板的開大鍋爐干煙氣熱損失和未燃碳熱損失均有不同程度的增大、鍋爐效率則有小幅的降幅,因此在日常運(yùn)行中A擋板開度不宜過大。
變B擋板試驗:鍋爐在拱上布置了一層拱上二次風(fēng)作為控制燃燒器煤粉主噴口的周界風(fēng),起到調(diào)節(jié)煤粉氣流著火點(diǎn)及冷卻噴口的作用,該股風(fēng)風(fēng)量由B擋板調(diào)節(jié)。試驗將B擋板開度從20°逐漸開至90°。結(jié)果表明,隨著B擋板開度開大未燃碳熱損失先降低然后再上升,鍋爐熱效率則先升高后降低。隨著B擋板的開大,在煤粉燃燒初期有更多的氧氣供煤粉燃燒、利于煤粉的燃盡,同時煤粉氣流的穿透能力有所增強(qiáng),增加了煤粉在爐內(nèi)的停留時間,但當(dāng)B擋板開的太大后會使煤粉下沖動量過大,造成火焰沖刷冷灰斗,使鍋爐灰渣含碳量上升,進(jìn)而影響鍋爐效率。
變F擋板試驗:“W”火焰鍋爐的F風(fēng)是燃燒區(qū)域所占風(fēng)量比例最高的一股風(fēng),約占總二次風(fēng)量的40%左右,是調(diào)節(jié)沿爐膛寬度方向風(fēng)量分布均勻性、控制風(fēng)箱風(fēng)壓的主要手段[4]。F擋板開度試驗完成了38%、43%、55%三個開度的試驗。從圖3可知,隨著F擋板開大未燃碳熱損失降低明顯,同時鍋爐熱效率有所上升,升幅非常明顯。F風(fēng)在燃燒器二次風(fēng)中所占比重最大,其開度開大后能顯著增加拱下送風(fēng)量,有利于煤粉的燃盡。
圖3 F擋板與鍋爐效率的關(guān)系
變消旋桿開度試驗:燃燒器噴口內(nèi)設(shè)置有消旋桿用于控制主煤粉氣流的殘余旋轉(zhuǎn),以調(diào)節(jié)主火焰擴(kuò)散角和著火點(diǎn)。當(dāng)消旋桿下放時煤粉氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減弱、氣流剛性增強(qiáng),當(dāng)消旋桿提起時煤粉氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高、氣流剛性減弱。消旋桿上有多個孔,試驗結(jié)果表明,隨著消旋桿的下放煤粉氣流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度減弱、剛性加強(qiáng)、火焰行程變長,未燃碳熱損失和干煙氣熱損失均有所減小,鍋爐熱效率有所提高。
在某超臨界“W”火焰鍋爐上研究了如省煤器出口過量空氣系數(shù)、燃盡風(fēng)量、燃燒器F風(fēng)擋板等對鍋爐熱效率的影響,通過試驗得出如下結(jié)論:
為保證較高的燃燒效率,省煤器出口過量空氣系數(shù)不宜過大,過大的過量空氣系數(shù)會造成鍋爐干煙氣熱損失和未燃碳熱損失增大。也不宜過小,過小則無法保證煤粉的燃盡,因此在鍋爐額定負(fù)荷時,可將省煤器出口過量空氣系數(shù)控制在1.2~1.23;燃盡風(fēng)量對鍋爐熱效率影響較大,在保證NOx排放的前提下,應(yīng)將燃盡風(fēng)門開度適當(dāng)關(guān)小以保證燃燒區(qū)域燃燒所需要的風(fēng)量,保證低揮發(fā)份煤的燃盡。
超臨界“W”火焰鍋爐的拱上風(fēng)諸如乏氣風(fēng)、A風(fēng)、B風(fēng)均不應(yīng)開度過大,對于A風(fēng)和B風(fēng)可將開度控制在40~60°,乏氣風(fēng)則依據(jù)實際入爐煤的揮發(fā)分進(jìn)行調(diào)整,若入爐煤的揮發(fā)分較低,乏氣風(fēng)可適當(dāng)關(guān)小以保證煤粉的燃盡;F風(fēng)作為主燃燒區(qū)域占比最大的風(fēng),其開度大小對鍋爐效率影響最大,在實際運(yùn)行中可將其開度控制在45~65%。