煤粉浓缩预热低NO x燃烧器的应用

蔡新春，郝江平，武卫红

（1.山西电力科学研究院，山西太原 030001；2.北京圆能工业技术有限公司，北京 100190)

煤粉浓缩预热低NOx燃烧器的应用

蔡新春1，郝江平2，武卫红1

（1.山西电力科学研究院，山西太原 030001；2.北京圆能工业技术有限公司，北京 100190)

对某厂15号锅炉投产以来一直存在的频繁掉焦灭火事故、助燃油量多、低负荷稳燃性能差等问题进行了全面地论述，并从结构等多方面进行了原因分析。介绍了新型的煤粉浓缩预热低NOx燃烧器，总结了使用煤粉浓缩预热低NOx燃烧器后一年多的运行效果，对使用煤种易结焦及变化较大的锅炉煤种具有重要的参考价值。

结焦；频繁灭火；燃油量；低负荷；煤粉浓缩PRP燃烧器

0 引言

某发电公司15号锅炉由四川锅炉厂制造，CG-220/9.81-M14型，采用四角切向直流燃烧器和中储式热风送粉系统。设计为贫煤，设计和运行煤种主要成分见表1。自2001年投产以来，由于锅炉设计等方面的原因，燃烧稳定性一直很差。该炉原燃烧器为钝体直流燃烧器，运行几年后采用水平撞击式浓淡燃烧器进行了改造，性能有所提升，最低稳燃负荷从原来的80%降低到70%，但运行中还一直存在炉膛负压波动大，单台给粉机故障就需投油助燃的问题；锅炉炉膛结焦严重，2005年—2007年的掉焦灭火次数分别为14、16和18次，全年助燃油量约180 t，启动耗油320 t；燃烧效率低，飞灰含碳量高达12%～18%。另外，锅炉燃烧器还两次因使用煤种突然变化为烟煤而烧坏燃烧器。

锅炉采用单汽包、自然循环、集中下降管、Л型布置、固态排渣的形式，按室内布置设计。锅炉前部为炉膛，四周布置膜式水冷壁，炉顶、水平烟道两侧及转向室设置成顶棚和包墙过热器。尾部竖井烟道中交错布置两级省煤器和两级空气预热器。

表1 设计和运行煤种主要成分

考虑到燃用多种煤种的可能性和适应四角燃烧的需要，炉膛断面设计成正方形，深度和宽度均为7 570mm。

1 锅炉问题产生原因

该炉设计中为了满足较难燃烧的煤种，选用了传统的一次风集中布置的结构特点[1]，即燃烧器中的一次风口相对集中地布置在一起，形成Ⅱ-Ⅰ-Ⅰ-Ⅱ的布局。在炉内水冷壁上铺设卫燃带、较大的假想切园直径（φ800mm）及一次风集中布置，意味着煤粉气流的着火和燃烧相对集中，有利于提高燃烧器区域局部热负荷和温度水平，以改善燃料的着火条件。这种结构型式最适合燃用Vr较低的贫煤和无烟煤。

上述结构设计提高了炉膛燃烧器区域断面热负荷，满足了较难着火煤种的需要，但对于易结渣的煤种，由于没有采用侧二次风等措施，煤粉燃烧后，靠近水冷壁的背火侧如果不能及时得到氧气补充，势必产生还原性气氛，使得灰熔点降低，加剧了结渣的趋势，所以运行中高负荷工况炉内结渣非常严重，并且频繁发生掉焦灭火事故。

围绕上述运行中存在的问题，该炉曾经采用水平撞击式浓淡燃烧器进行了改造，低负荷稳燃有一定的提高。但对于特殊的煤种，以及由于该炉存在四角各燃烧器的粉风不均匀、炉内布置大量表面粗糙的卫燃带等原因，低负荷稳燃有一定的提高，但锅炉结渣及频繁发生掉焦灭火事故的问题依然很严重。

2 PRP燃烧器的特点

煤粉浓缩预热低NOx燃烧器PRP（Pulverized Rich Preheating）采用旋转惯性分离的浓淡燃烧技术。通过预热筒内一次风气流的卷吸作用，向预热筒内抽吸炉膛内的高温烟气，增加了高温烟气的回流量和温度。预热筒设有自动补气阀来控制预热强度，当煤质变差或低负荷时，一次风预热后温度降低，温度控制系统自动关小或关闭补气阀，以提高预热筒内负压，增强回流预热能力。当煤质变好或高负荷时，则开大补气阀以降低一次风预热温度和煤粉浓度，避免烧坏燃烧器。预热筒工作原理见图1。

图1 PRP燃烧器的工作原理图

该燃烧器结构简单、操控方便、安全可靠，适用于各种形式的制粉系统和燃烧方式，有如下特点。

a）较高的低负荷稳燃性。由于采用了炉外煤粉浓缩和预热的综合手段，使煤粉在锅炉内着火燃烧的稳定性显著提高，可大大降低挥发份、低热值难燃煤的最低不投油稳燃负荷。

b）较好的煤种适应性。该燃烧器可根据煤种的燃烧特性进行预热程度的自动调节，通过改变高温烟气的回流量使燃烧器能适应煤质的变化，既可以提高稳燃性能又能防止烧坏燃烧器喷口，始终保持较佳的燃烧工况。

c）较低的NOx气体排放。经日本IHI公司测试，该燃烧技术能使煤粉以大于10 000℃/s的升温速率进行高温热解，可大幅提高挥发分氮比例，在煤粉燃烧初期的还原性气氛中，更大幅度地抑制了NOx的生成。

3 改造情况

为了解决锅炉运行中一直存在的严重结渣及频繁发生掉焦灭火等影响锅炉安全经济方面的问题，2008年3月，该厂采用PRP燃烧技术对燃烧器进行了改造。这次改造的具体措施包括以下几点。

a）将原燃烧器全部更换为稳燃特性优良的PRP燃烧器，为改善燃烧条件、采取多种措施解决问题提供了基础。

b）改变原设计一次风集中布置的做法，改用一、二次风均等配风的结构，即采用Ⅱ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅰ的布局，保证着火后的煤粉及时得到助燃空气的补充，并避免水冷壁附近产生局部的还原性气氛。

c）拆除炉膛全部的卫燃带，消弱炉膛结焦的根基，避免结焦的生根和发展。

d）将锅炉燃烧器假想切园直径由φ800mm减小到φ700mm，降低高温煤粉冲刷水冷壁的可能。

e）安装可调入射角度的水平摆动式二次风喷口，在运行中根据情况调节动力切圆的大小和中心，修正四角配风的偏差，以获得最佳的空气动力场，彻底消除炉内燃烧区结焦的条件。

4 改造后效果

该炉经过燃烧器等一系列的改造后，取得如下效果。

a）低负荷稳燃性能，节油性能显著。运行中可实现单层燃烧器稳燃和上下层燃烧器任意投停，不投油最低稳燃负荷可达到55%以下（由于4号角二次风箱总挡板关不到位，无法继续减小风量，实际更低的不投油稳燃负荷未做）。助燃用油大幅减少，改造后已运行一年多未再发生掉焦灭火事故，解决了该炉投产以来的大问题，同时该炉同比全年节油约450 t。

b）飞灰含碳量降低，锅炉效率提高。改造前为了保持炉膛负压稳定，炉膛出口含氧量仅能维持在3%以下，对于低挥发份的煤种明显偏低。由于氧量供应不足，燃烧不充分，飞灰含碳量高达12%～18%。经过燃烧器改造后，炉膛出口含氧量可以提高到3%～5%范围内。另外，由于采用了一、二风交替布置，煤粉着火后氧量供应及时，燃烧效率提高，该炉飞灰含碳量降到4%～7%。

本次改造原计划更换三次风喷口为预热结构，但由于时间和安装空间的限制，无法实施。另外，由于该炉燃烧系统风门挡板等辅机设备状况不佳，燃烧调整较为困难，致使降低飞灰含碳量还未能达到最佳效果。

c）烟气炉膛出口烟温降低，减温水量大幅减少。由于煤粉着火及时，燃烧充分，进入炉内的风量增加，炉膛出口烟温和排烟温度略有不同程度的降低，排烟损失减小。过热器减温水量较燃烧器改造前减少30%～50%，高温受热面壁温有不同程度的降低，其安全性有所提高。

5 结论

一次风集中布置、炉内过多的卫燃带、四角风粉不均、易结焦煤种是锅炉投产以来一直结焦严重、频繁掉焦灭火、低负荷稳燃性能差、助燃油量多的主要原因。PRP燃烧器有较好的燃烧和调节性能，能够适应较难燃烧及煤质变化大的煤种，防止锅炉结焦和避免高温腐蚀，具有广泛的应用前景。

该炉改造前平均月因炉膛掉焦灭火一次。将燃烧器改为PRP燃烧器、取消炉内卫燃带、减小假想切圆直径等措施后，运行一年来未发生炉膛掉焦灭火事故，节油效果显著，不投油最低稳燃负荷率从70%降到55%，飞灰含碳量从12%～18%降到4%～7%，锅炉的安全经济性显著提高。

［1］ 徐通模，金定安，温龙.锅炉燃烧设备［M］.西安交通大学出版社，1990：300-301.

The Application of PRP Burner with Low NOxEm ission

CAIXin-chun1，HAO Jiang-ping2，WUWei-hong1
（1.Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China;2.Beijing Yuanneng Industrial Technology Co.，Ltd，Beijing 100190，China）

This paper comprehensively expounds the problems occurring in#15 boiler in a plant since commissioning,such as frequent coke extinguishing,excessive combustion-supporting oil demand and non-stable combustion performance at low load，and then analyzes the reasons for these problems in respect to the structure.This paper also introduces PRPburnerwith low NOxemission and summarizes the effectof PRP burner after a year’s operation，whichmay bemeaningful for easy-coking coal type or coal of great diversity.

coking；frequentextinguishing；fuel quantity；low load；pulverized coal concentration PRP burner

TK223.23

B

1671-0320-（2011）03-0044-03

2010-12-20，

2011-03-11

蔡新春（1963-），男，山西介休人，1985年毕业于山西大学工程学院热能动力专业，高级工程师，从事电厂锅炉优化运行与燃烧调整技术的试验研究；

郝江平（1969-），男，山西大同人，2002年毕业于华北电力大学动力工程专业，高级工程师，从事电厂锅炉的设备改造与调整工作；

武卫红（1965-），男，山西乡宁人，1985年毕业于太原理工大学热能动力专业，高级工程师，从事电厂锅炉优化运行与燃烧调整技术的试验研究。