降低燃烧成本 提高锅炉效率

任雪鹏,韩立芳,陈富珍（酒钢集团宏晟电热公司，甘肃嘉峪关，735100）

降低燃烧成本提高锅炉效率

任雪鹏,韩立芳,陈富珍
（酒钢集团宏晟电热公司，甘肃嘉峪关，735100）

【摘要】宏晟电热公司HG-220/9.8-MQ13型锅炉存在一次风喷口磨损和飞灰可燃物含量偏高等问题，分析了原因，提出了煤粉燃烧器的改造措施。实施后解决了一次风喷口磨损问题，降低了飞灰可燃物含量，提高了锅炉效率，锅炉在额定负荷下掺烧30%的高挥发分煤种，锅炉不结渣，全年可以节约资金193.24万元。

【关键词】锅炉；燃烧器;磨损;飞灰可燃物含量;煤种掺烧

To Reduce Combustion Cost and Improve Boiler Efficiency

Ren Xuepeng, Han Lifang, Chen Fuzhen
(Hongsheng Electrothermal Co., Ltd. of Jiuquan Steel, Jiayuguan, Gansu 735100, China)

【Abstract】The HG-220/9.8-MQ13 boiler of Hongsheng Company had the problem of wear of the primary air nozzle and high content of flammables in fly-ash. Causes of the problem were analyzed and modification measures for the pulverized coal burner were put forward. After implementation of the modification measures the nozzle wear problem was solved, flammables content in fly-ash was lowered and boiler efficiency was improved. As a result, the boiler had no slag bonding with 30% of high volatile coal blending combustion under rated load, saving CNY 1.9324 million annually.

【Keywords】boiler; burner; wear; flammables content in fly-ash; blending combustion of coal

1　前言

酒钢集团宏晟电热公司4号锅炉是哈尔滨锅炉厂设计制造的HG-220/9.8-MQ13型锅炉，单锅筒、自然循环、集中下降管、固态排渣煤粉炉。锅炉于1992年12月建设投入运行，设计燃料为新疆哈密煤，为烟煤其挥发分为Vdaf=28.80%左右。燃烧器的设计以及布置形式均按照哈密煤种设计安装，对非设计煤种的适应能力不强，尤其是在掺烧劣质煤或是强结焦性煤种时，对锅炉运行工况和运行参数影响较大。

随着设计煤种哈密煤及其他优质煤种的采购限制，单一设计煤种的采购已无法满足要求，必需组织进行其它非设计煤种的掺烧调整。非设计煤种价格便宜、容易购买。掺烧后可为电厂带来了一定经济效益。同时，4号锅炉燃烧器，自投产以来一直未进行过更换，存在变形和破损现象，对燃烧气流的影响较大，燃烧效率相对较低。

为了减轻煤粉燃烧器的磨损，降低飞灰可燃物含量，同时掺烧部分非设计煤种可降低生产成本。2011年6月，某钢厂自备电厂决定采用双通道煤粉燃烧器，对4号炉燃烧器进行改造。

2　设备概述

2.1锅炉主要参数

过热蒸汽流量220 t/h；过热蒸汽温度540℃；过热蒸汽压力9.8 MPa；给水温度215℃；热风温度337℃；排烟温度156℃；锅炉效率89.68%；计算燃料量21960 kg/h。

2.2燃烧器的设计参数

锅炉炉膛截面尺寸为8050×8050mm，一次风煤粉燃烧器采用直喷式燃烧器，正四角切圆燃烧方式，假想切圆直径为Φ674 mm，逆时针旋转。每组燃烧器沿高度方向共有7个喷口，自上而下依次为二、一、二次风（内含高炉煤气火嘴）二、一、二次风（内含焦炉煤气火嘴）、二次风（内含高炉煤气火嘴）布置方式。其中焦炉煤气火嘴4支，供点火及稳燃使用。

2.3设计燃料煤粉

锅炉设计煤种为哈密烟煤掺烧高炉煤气，其燃料特性见表1~3。

表1　设计煤质特性

表2　锅炉燃料为80%煤+20%高炉煤气时的设计参数

表3　锅炉燃料为100%煤时的设计参数

3　HG- 220/9.8- MQ13型锅炉煤种适应差与炉膛区域结渣原因分析

3.1煤种适应性分析

结合图1和图2所示，HG-220/9.8-MQ13锅炉原煤粉燃烧器的一次风喷口为普通直流喷口煤粉燃烧器，无任何稳定燃烧的措施，其主要着火方式是燃烧器最基本的着火机理：

1）一次风煤粉气流卷吸高温烟气，高温烟气对煤粉气流进行加热，煤粉气流升温到着火温度。此项占传热能量的60%～70%。

2）上游邻角火焰的撞击。

3）炉内高温火焰的辐射加热（图2）。

而对于普通的直流煤粉燃烧器由于没有采用稳定燃烧的措施（如钝体、船体、V型波纹钝体等），与一些稳燃功能较强的煤粉燃烧器相比（如双通道燃烧器、钝体燃烧器、浓淡燃烧器等），其着火时间和着火距离长，着火稳定性差。这样也间接影响焦炭粒子后期燃尽，降低锅炉的燃煤效率，影响电厂运行的经济性。

图1　HG- 220/100- MQ13型锅炉煤粉燃烧器改造前示意图

图2　普通直流喷口煤粉燃烧器稳燃原理示意图

3.2非设计煤种煤质特性

某钢厂自备电厂锅炉掺烧的非设计煤种主要为新疆广汇煤种，其煤质特性如表4。

表4　非设计煤种煤质特性

从上述煤质特性可以看出，某钢厂自备电厂掺烧设计制煤种与原设计煤种相比，其发热量也略低于设计煤种，挥发分远远高于设计煤种，其火焰中心将逼近燃烧器出口处，可能烧损燃烧器造成停炉事故；也可能因火焰中心位置偏斜，使正常的水循环恶化，引起管子均布过热、胀粗或爆管。

随着国内煤炭资源的日益紧俏，锅炉掺烧资源变化较为频繁。相对设计煤种较低的低挥发分煤种，也时常掺烧。底挥发分煤种掺烧后会影响煤种燃尽程度，增加飞灰可燃物含量，增加不完全燃烧热损失，甚至会导致锅炉灭火。

3.3影响结渣的有关因素

影响锅炉结构的主要因素见图3。

图3　影响锅炉结渣的因素

根据图3可以看出：影响锅炉结渣的因素有三个方面：煤质特性，炉膛结构特性，燃烧器的结构和运行方式。

3.4煤质结渣特性

对于用煤灰软化温度方法ST作判别，根据煤的分析结果总结出用ST判别结渣性界限如下：

设计煤种的ST=1370℃，某钢厂自备电厂HG-220/9.8-MQ13型锅炉燃煤的结渣特性为结渣中等的煤种。

3.5炉膛截面热负荷

HG-220/9.8-MQ13型锅炉的炉膛容积热负荷为：qV=0.1516 MW/m3；根据计算标准查证燃用易结渣煤种的锅炉允许炉膛容积热负荷qV为0.093～0.151 MW/m3。显然，如果HG-220/9.8-MQ13型锅炉燃用低灰熔点的煤种时，炉膛容积热负荷略微偏大。但从推荐值来看，炉膛容积热负荷不是结渣的主要因素。

3.6假想切圆直径

为了防止携带煤粉的高温烟气偏斜、贴壁冲刷水冷壁引起结渣。切圆过大会使燃烧器出口两侧夹角差增大，出口射流的“吸附效应”加剧，火焰偏斜的可能性较大。对于结渣性较强的煤种宜选用推荐值下限。

按表5推荐方法对某钢厂自备电厂4号锅炉HG-220/9.8-MQ13型锅炉的假想切圆直径进行计算，实际上HG-220/9.8-MQ13型锅炉的假想切圆直径为Φ674 mm。其djx/ddl＝0.076。HG-220/9.8-MQ13型锅炉的假想切圆直径不是结渣的原因。

表5　切向燃烧假想切圆直径推荐值

3.7一次风风速分析

一次风速的大小取决于煤质的挥发分含量和挥发分的发热值，当煤质一定时，一次风速是影响煤粉气流着火和着火稳定性的主要因素，一次风速越大，煤粉加热到着火所需的热量越多，即着火热越多，着火速度越慢，会引起燃烧不稳定。

燃烧过程包括着火时间和燃尽时间，燃烧时间约为2～3 s，通常在煤粉燃烧器的一次风速是根据燃煤挥发分的高低，一般推荐25～35 m/s，设计上一次风的着火距离一般0.3～0.5 m，设计着火时间为0.01～0.02 s左右。

某钢厂自备电厂HG-220/9.8-MQ13型4号锅炉一次风风速经实际测量为28～30 m/s，这样，一次风煤粉气流与周围的高温烟气传热传质效果差，在规定的着火距离内无法实现煤粉气流着火，使得煤粉气流着火推迟，火焰长，水冷壁在着火的距离内吸热量大，降低高温烟气温度，影响煤粉粒子的燃尽。因此，调整、降低一次风风速可减少管道磨损并有利于着火和稳燃。

3.8燃烧器分析

某钢厂自备电厂HG-220/9.8-MQ13型4号锅炉煤粉燃烧器为均衡布置的普通直流喷口煤粉燃烧器。喷口固定无法调整，喷口角度是根据设计煤种煤质设定的，因此不能根据煤种变化调整燃烧。因此，喷燃器对煤种适应性差，无任何稳定燃烧的措施，其主要着火方式是燃烧器最基本的着火机。因此，在煤种发生变化时容易造成喷燃器、水冷壁甚至是过热器结焦。

同时，由于直流可调式燃烧器改造相对于固定式燃烧器所需空间较大，现场不具备改造条件且改造费用较高。为了提高锅炉的燃烧燃性能，某钢厂自备电厂4号锅炉进行过燃烧器改造，用“撞击块式水平浓淡”燃烧器代替原燃烧器。该燃烧器改造后，对稳燃起到一定作。运行实践表明：当HG-220/9.8-MQ13锅炉燃用挥发分较高的煤种，如Vad≥30%，或负荷较高时，锅炉燃烧稳定。但是，当锅炉燃用挥发分较低的煤种，如Vad≤30%，或灰分较高时，会出现着火特性较差，燃烧不稳定、飞灰可燃物含量偏高等问题。影响了锅炉安全、经济运行。解决这一问题的方法是：进行煤粉燃烧器改造，选用对煤种适应性较好的宽煤种、防结渣燃烧器代替原燃烧器，使之能够实现宽煤种、防结渣燃烧，适应煤种的变化。

4　双通道煤粉燃烧器稳燃原理

双通道煤粉燃烧器是一种热回流稳燃燃烧器，其结构是在同一燃烧器喷口的上、下侧各开一个一次风喷口，在上、下一次风喷口之间形成一个回流空间，通过上下一次风射流的动量，在燃烧筒内的受限空间中产生一个强回流区。通过设计合理的H/L比值（燃烧器高长比），可使回流区呈开放形，反之会封闭。由于回流区是开放形，且两股一次风射流的动量大，因此，高温烟气的回流量大。使炉内的高温烟气被卷吸到燃烧筒内来加热上下一次风风粉混合物，这对一次风煤粉气流的着火十分有利，由于上下一次风煤粉气流被提前加热、部分着火，因此，双通道煤粉燃烧器具有非常高的强化燃烧特性。

图4　双通道煤粉燃烧器结构示意图

5　改造措施

5.1煤粉燃烧器改造措施

通过上述所列的煤种适应差和过热器区域结渣的分析得出：现煤粉燃烧器为直喷式煤粉燃烧器，在稳燃的基础上其应对煤种变化的措施少，是目前锅炉煤种适应性差的主要原因。

具体改造措施如下（见图5）：

1）下一次风燃烧器改为双通道煤粉燃烧器；

2）上层一次风改为水平浓淡煤粉燃烧器；

3）调整下组煤粉燃烧器的间距（可能会对两组燃烧器间的水冷壁进行改动）；

4）改造下组燃烧器的上二次风喷口。

图5　HG- 220/9.8- MQ13型锅炉改造后煤粉燃烧器示意图

图6　浓淡和热回流双向稳燃煤粉燃烧器结构示意图

5.2浓淡和热回流双向稳燃煤粉燃烧器稳燃特性

同时，由于煤粉燃烧器上部，炉膛烟气温度最高，所以在上一次风喷口布置设计浓淡和热回流双向稳燃煤粉燃烧器，其结构见图6。

当浓度约为0.4～0.5 kg/kgair为一次风煤粉气流通过方圆节进入浓淡煤粉分离器时，在浓淡煤粉分离器的作用下，一次风煤粉气流分成浓淡两股煤粉气流，其中一股为高浓度煤粉气流，浓煤粉气流的煤粉浓度可以达到0.6～0.8 kg/kgair，这股气流位于向火侧，形成内切圆；煤粉浓度提高后，其着火温度降低，同时，煤粉所需的着火热减少；火焰传播速度也提高了。一次风的着火、燃烧稳定性增强。另一股的煤粉浓度很低，淡煤粉气流的煤粉浓度可以达到0.3～0.1 kg/kgair，以空气为主，位于背火侧，形成外切圆。

5.3双通道煤粉燃烧器的一次风煤粉气流的着火距离可调特性

为了避免热烟气回流使燃烧器两侧壁面过热和结渣，在燃烧器出口两侧壁面易结渣部位设置了狭长形的防结渣风口，称为腰部二次风。腰部二次风风量可调节，来自于各角的二次风总风箱。图6为双通道煤粉燃烧器在220 t/h燃用贫煤锅炉的试验结果。

（1）腰部风全关，双通道煤粉燃烧器内部的温度大幅度增加，一次风煤粉气流在燃烧筒内受到高温回流烟气加热，在燃烧筒出处形成稳定火焰，曲线1。

（2）腰部风开50 %，双通道煤粉燃烧器内部的温度有所增加，一次风煤粉气流在燃烧器喷口处开始受到加热，着火点在燃烧筒外400 mm处形成，曲线2。

（3）腰部风全开，此时，双通道燃烧器内部的温度就是一次风混合物的温度（210℃），温度梯度很小，着火点在燃烧筒外930 mm处形成，曲线3。

图7　腰部二次风的着火点位置调节作用

试验结果表明：双通道煤粉燃烧器上、下一次风设计参数确定后，其着火点的位置与腰部风量的大小有直接重要的关系。通过调节腰部风量可使一次风着火点在0～930 mm的范围内变化。

5.4双通道煤粉燃烧器内烟气回流温度控制

在双通道煤粉燃烧器燃烧室内的装一只铠装热电偶，用于测量双通道煤粉燃烧器燃烧室内的温度，当双通道煤粉燃烧器燃烧室内的温度超过500℃时，可适当开大腰部二次风风门的开度。冷却双通道煤粉燃烧器燃烧室。设一个超温报警温度，当双通道煤粉燃烧器燃烧室内较高时，自动报警，运行人员就可以根据报警提示，开大腰部风风门，对双通道煤粉燃烧器燃烧室进行冷却。这样可以避免燃烧器喷口烧坏，同时可实现司炉及时调整配风，提高锅炉燃烧效率。

5.5双通道煤粉燃烧器材料特性

双通道煤粉燃烧器的耐热钢部分采用ZG45Cr26Ni4NRE，其耐热温度可达1250℃。

耐磨钢部分采用ZG45Cr4MnMoNiVRE，其HRC≥40～45。

6　锅炉改造后可以达到的效果

某钢厂自备电厂HG-220/9.8-MQ13型锅炉采用双通道煤粉燃烧器改造后，应满足以下要求：

6.1燃用煤质范围：Vdaf=27.0%～43.0%, Aar=15.0%～43.0 %Qnet.ar=16100～24000 kJ/kg。

6.2锅炉满足机组在额定负荷60% ECR下稳定燃烧运行。

6.3降低NOx排放10～15%。

6.4锅炉在高负荷下不会因为结渣而影响锅炉运行。

6.5双通道煤粉燃烧器喷口材料为耐热铸钢，具有耐高温性能，在1200～1250℃温度条件下不会严重变形，能连续运行一个大修期。

6.6双通道煤粉燃烧器的裤衩方圆节材料为耐磨铸钢，其HRC≥45左右，可明显减少磨损，延长使用寿命。可彻底解决煤粉燃烧器的磨损问题。

7　经济效益

煤种适应性强，改善动力煤结构，拓宽动力煤采购渠道，提高低质能源的消耗量，节约能源采购成本。HG-220/9.8-MQ13型锅炉经过WRKT－Ⅲ型双通道煤粉燃烧器改造后，锅炉在100%B-MCR工况下，飞灰可燃物含量降低到4.06%，固体未完全燃烧热损失降低到2.080%，锅炉效率为90.073%，煤粉粒子燃尽率为97.92%。

HG-220/9.8-MQ13型锅炉经过WRKT－Ⅲ型双通道煤粉燃烧器改造后，锅炉掺烧20%的霍林河褐煤可以满负荷运行，每年可节约资金193.24万元。

[参考文献]

[1]成庆刚,庄国中.稳燃低污染可调煤粉燃烧器.中国实用新型专利，ZL 2004.2.0018422.3

[2]何佩敖,赵仲琥,秦裕琨.煤粉燃烧器设计与运行[M].北京:机械工业出版社，1986.

作者简介：任雪鹏（1977-），男，大学本科学历，工程师，现从事锅炉检修和日常维护及管理工作。

收稿日期：2015- 01- 20

【中图分类号】TK229

【文献标识码】B

【文章编号】1006-6764（2015）04-0030-06