W形火焰锅炉改烧烟煤的实践

丘纪华， 黄益群， 王 力， 张小平， 熊金华

(1. 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室， 武汉 430074;2. 广东粤电集团韶关发电厂， 广东韶关 512312)

研究与分析

W形火焰锅炉改烧烟煤的实践

丘纪华1， 黄益群2， 王 力2， 张小平1， 熊金华2

(1. 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室， 武汉 430074;2. 广东粤电集团韶关发电厂， 广东韶关 512312)

对某电厂300 MW无烟煤W形火焰锅炉进行改烧烟煤的研究，通过调整炉内卫燃带面积，保证炉膛出口烟气温度控制在原设计范围，取消燃烧器的乏气喷口、增加一次风速和风量，以适合烟煤的着火燃烧，对制粉系统安全性进行改进，确保制粉系统安全运行。改造后的运行结果表明：该炉燃用挥发分w(Vdaf)为25%～35%、发热量Qnet,ar为20～22 MJ/kg的烟煤时，主蒸汽和再热蒸汽的汽温、汽压及输出功率均满足该锅炉原设计要求，炉内无明显结焦，燃烧器无烧坏，制粉系统可以长期安全运行，锅炉热效率提高2%以上，NOx排放质量浓度降低至400 mg/m3以下。

锅炉； 燃烧； 卫燃带； 煤粉； 制粉系统

由于国内烟煤采购和供应较为方便，中南地区的W形火焰锅炉都有掺烧烟煤的经历，其掺烧效果不一[1-4]。研究表明，无烟煤与烟煤的混磨燃烧中会因可磨指数差别大造成烟煤细、无烟煤粗的结果，导致飞灰可燃物增加[5-6]。如果烟煤与无烟煤的混合不均匀，则有可能造成制粉系统的自燃或爆炸，以及燃烧器的烧坏。无烟煤与烟煤分磨后在炉内混烧，对四角燃烧锅炉和前后墙对冲燃烧锅炉来说，由于燃烧器是沿高度按层布置，能较容易实现烟煤与无烟煤的掺烧；但是对于W形火焰锅炉，由于燃烧器布置在锅炉的前后拱上，烟煤、无烟煤的着火燃烧特性不同，一次风的风速和风率的选取也不同，因此会在炉内引起温度场、速度场混乱，容易引发燃烧事故。如果W形火焰锅炉全烧烟煤，则可以避开掺烧带来的问题。笔者针对W形火焰锅炉进行改烧烟煤的研究及实践，解决一些发电厂W形火焰锅炉燃用烟煤的需求。

某W形火焰锅炉由于是针对低挥发分煤种进行设计，与烟煤锅炉最大不同是燃烧区域(下炉膛)敷设有大面积的卫燃带，维持炉内煤粉的稳定燃烧；煤粉一次风由炉拱向下喷入下炉膛，然后约转180°再向上炉膛流动，延长煤粉在炉内的燃烧时间，以利于低挥发分煤粉的燃尽。W形火焰锅炉若不经改造直接燃用烟煤，可能会由于炉内燃烧温度高引起严重结焦、燃烧器烧坏等事故，且因为炉内吸热量变化和烟煤燃尽时间缩短导致主汽温度和再热汽温偏离设计值，影响锅炉的正常运行。另外，制粉系统也应按照磨制烟煤的规程要求进行安全性能改造和运行参数的设定。

1 锅炉的基本情况

该W形火焰锅炉燃用粤北曲仁无烟煤，型号为DG1025/18.2-Ⅱ15，配300 MW的汽轮机运行。锅炉为亚临界压力、一次中间再热的自然循环锅炉，采用双拱型、单炉膛。燃烧器布置于下炉膛的前、后拱上，为双旋风分离式煤粉浓缩型燃烧器。该锅炉配有4套正压直吹式制粉系统，每套制粉系统有1台BBD4060型双进双出钢球磨煤机，煤粉通过12个一次风喷口和12个乏气喷口送入炉内燃烧。锅炉共48个一次风喷口和48个乏气喷口。二次风经锅炉两侧风道送入前后墙大风箱的风口进入炉膛。每个燃烧器作为一个单元，每个单元布置6个二次风道及挡板，其中A、B、C挡板控制拱上部分，分别对应乏气喷口周界风、一次风喷口周界风和油枪风；D、E、F挡板控制拱下部分，分级送入控制燃烧过程。在下炉膛布置有781 m2卫燃带，用以强化无烟煤的着火和稳定燃烧。表1给出了该炉BECR工况设计参数，表2为该炉原设计煤种分析以及拟燃用的烟煤分析。

表1 设计煤种主要参数

表1(续)

表2 煤质分析

由表2可见：拟燃用的烟煤w(Vdaf)都在35%左右，且Qnet,ar也都大于20 MJ/kg。这些烟煤的着火、燃烧和燃尽性能较好，但烟煤1和烟煤2的灰熔点温度较低，应注意防止在炉内受热面结焦。

2 改烧烟煤技术方案

2.1 炉膛出口温度控制

对于自然循环或控制循环锅炉，锅内的水吸热汽化主要发生在炉内水冷壁内，而蒸汽过热则发生炉膛出口之后的过热器、再热器。因此，炉膛出口烟气温度的确定意味着汽水蒸发热量与过热热量的基本分配。由于拟燃用的烟煤灰分较原设计无烟煤的减少很多，会引起炉内的辐射换热量相应减少，且烟煤的燃尽时间较无烟煤短，故在W形火焰锅炉的烟煤燃烧改造中，要保证锅炉的蒸发量以及过热蒸汽、再热蒸汽的汽温和汽压与原设计一致，则炉膛出口温度应与原设计保持一致。该电厂W形火焰锅炉出口温度的原设计值为1 142 ℃，在改烧烟煤的方案中，希望通过调整卫燃带的面积，增加炉内水冷壁的吸热量，以保证炉膛出口烟煤温度与原设计值接近。

对拟燃用烟煤时炉膛出口温度按热力计算标准[7-8]进行计算，图1给出了不同卫燃带面积条件下该W形火焰锅炉燃用烟煤时的炉膛出口温度。由图1可以看出：当保持原卫燃带面积时，改烧烟煤后炉膛出口的烟气温度会较原设计值明显升高，可能导致过热器超温。适当地减少卫燃带面积以增加水冷壁的吸热，可以降低炉膛出口烟温，保证炉内吸热和尾部吸热分配合理。

图1 不同煤质及卫燃带面积对应的炉膛出口温度计算值

依据计算结果，在实际改造方案中针对锅炉的结果进行卫燃带面积调整：(1)取消炉拱卫燃带和上炉膛卫燃带，以适应烟煤的着火，避免结焦和烧坏燃烧器喷口；(2)将两侧墙卫燃带减少90 m2，过去运行中经常出现两侧墙卫燃带结焦，而烟煤灰熔点较低，更容易结焦，减少侧墙卫燃带面积，降低下炉膛的温度，可以缓解下炉膛侧墙的结焦；(3)保持前后墙卫燃带面积不变，伸向灰斗处的卫燃带面积适当减少。卫燃带面积调整前后的布置见图2。原设计卫燃带面积为781 m2，取消炉拱的卫燃带、上炉膛的卫燃带，以及部分侧墙、前后墙卫燃带，卫燃带总面积约减少约256 m2，约占卫燃带设计面积的32.8%，总增加的水冷壁面积约占炉膛水冷壁面积的11.9%。

图2 卫燃带面积布置

2.2 燃烧器改进措施

对于燃用挥发分w(Vdaf)=25%～35%的烟煤，由于其着火性能好，一次风速应在25～30 m/s较合适。该炉的煤粉燃烧器为旋风分离式(见图3)，煤粉空气混合物进入旋风分离器后，旋风分离器将煤粉与空气进行分离，所得的高质量分数煤粉气流(约80%～90%的煤粉和50%的空气)进入主燃烧器喷口，而低质量分数煤粉气流(约10%～20%的煤粉和50%的空气)进入乏气喷口。原燃烧器的设计中一次风速度较低(w1=13.6 m/s)，这对于挥发分较高的烟煤容易将燃烧器烧坏。在燃烧器的改进措施中，决定取消乏气喷口，提高一次风的出口速度，推迟烟煤的着火，避免燃烧器周围结焦和烧坏燃烧器。

图3 旋风分离式煤粉燃烧器示意图

取消乏气喷口后，一次风出口速度有较大增加，这样就使得一次风出口的动量较燃用无烟煤时增加，气流向炉膛下部的穿透能力增强。表3给出了根据一、二次风气流动量经碰撞计算得到的一次风与二次风在炉内混合后的流动方向及速度大小，从中可以看出一次风出口速度增加后的气流汇合方向和混合速度稍有影响，但对整个炉内气流流场不会引起明显变化，二次风的不同分配比例还可以对炉内流场进行调节。

表3 一、二次风混合后的速度方向

图4为一次风与二次风碰撞后混合气流角度示意图。

图4 一、二次风在炉内混合后的流动方向及速度

2.3 制粉系统安全性能改造

针对拟燃用烟煤的特性，按国家电力行业标准[9-10]对制粉系统采取以下改造：

(1) 在原煤仓上部空间(或金属煤斗下部)安装防爆门和消防用蒸汽，并在原煤仓的上部安装排风口，排除仓内的粉尘和可燃气体。

(2) 在磨煤机前的烟风管道中引入灭火蒸汽，供汽的管道阀门应采用电动并在锅炉操作盘上控制。

(3) 在通往磨煤机的热风管道上安装两道风门，第一道为隔绝门，在停运磨煤机式切断热风用，第二道为调节门。在两个风门之间安装冷风门，控制压力冷风以调节磨煤机的进风温度。

(4) 消除煤粉管道中的袋形和盲肠管，以及助长煤粉沉积的凸出和不光滑处，避免煤粉沉积后的自燃和爆炸。

(5) 对磨煤机的运行参数调整，磨制烟煤磨煤机出口温度应控制在70～80 ℃，煤粉细度控制在R90= 20%～30%，送粉管道内的流速在任何负荷下不小于18 m/s。

3 锅炉改烧烟煤后运行情况及分析

3.1 锅炉主要运行参数

在对锅炉及制粉系统进行改进后，对该W形火焰锅炉开始逐步改烧烟煤，其过程为由1套制粉系统磨制烟煤过渡到4套制粉系统，燃煤的w(Vdaf)也由20%逐步上升至35%。在成功完成对烟煤的燃烧试验后，锅炉的入炉燃煤一直控制在w(Vdaf)=25%～35%，Qnet,ar=20～22 MJ/kg。运行中对磨煤机钢球重新配比，装载量45 t(比改前减少5 t)；磨煤机出口温度由90 ℃降至80 ℃，降低10 K；一次风旋流器调至最弱。

经过一年多的燃用烟煤的运行，结果表明：锅炉负荷在180～300 MW稳定运行，主汽和再热汽温度、压力、流量均达到设计要求，减温水适量；炉内燃烧稳定，没有明显结焦，也无燃烧器烧坏；炉内最高温度约1 550 ℃，较改造前燃用无烟煤时的1 700 ℃有明显降低。

3.2 锅炉的热效率提高及NOx排放减少

表4给出了该锅炉改烧烟煤后的部分数据的平均值。由表4可见：改烧烟煤后该锅炉的热效率高于92%，有的月份平均值高于93%，较原设计值90.73%有较大提升，锅炉热效率平均提高约2%以上。可见改烧烟煤后锅炉的经济性有较大提高，供电煤耗下降约7 g/(kW·h)。

表4 改烧烟煤后热效率的部分数据1)(月平均值)

注：1) 数据来源广东省节能发电调度煤耗在线监测系统网；锅炉热效率计算中取q3=0，q5=0.46%，q6=0.26%。

改烧烟煤后由于烟煤易于燃尽，飞灰可燃物大幅度下降，q4降低明显。然而由于磨制烟煤时磨煤机出口温度相应降低，减少了热风用量，增加了冷风用量，导致排烟温度上升，使得q2损失稍有增加。

改烧烟煤时由于减少卫燃带，炉膛温度降低，NOx的排放质量浓度也由原来燃用无烟煤时的>1 000 mg/m3减少到<400 mg/m3，为采用SCR脱氮提供了有利条件。

4 结语

(1) 该电厂W形火焰锅炉由燃用无烟煤改为燃用烟煤，经过减少炉内卫燃带面积256 m2、取消燃烧器乏气喷口、制粉系统加装安全消防设施，以及调整运行参数等措施，成功地在该锅炉上燃烧烟煤，机组的蒸汽参数均达到原设计值，炉内没有结焦，燃烧器没有烧坏，制粉系统安全运行。与燃用无烟煤相比，锅炉热效率约有2%的提高，NOx的排放质量浓度大幅度降低。

(2) W形火焰锅炉燃用烟煤的改造，控制炉膛出口温度是关键，因此卫燃带的合理选取十分重要；同时要考虑煤粉燃烧器的一次风速和一次风率满足烟煤的燃烧条件，避免燃烧器烧坏；制粉系统按规范增加消防及安全设备，可保证煤粉磨制和输送过程中的安全。

(3) 此次W形火焰锅炉改烧烟煤费用主要用于调整卫燃带面积和增加制粉系统安全设施的，工作量小且成本较低，而因燃用烟煤使得锅炉的热效率提高及购买煤炭成本降低，每年可为电厂带来数千万元的经济效益。

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声 明

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Retrofit of a W-flame Boiler for Burning Bituminous Coal

Qiu Jihua1, Huang Yiqun2, Wang Li2, Zhang Xiaoping1, Xiong Jinhua2

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China; 2. Shaoguan Power Plant, Guandong Yudean Group Co., Ltd.,Shaoguan 512132, Guangdong Province, China)

A 300 MW W-flame boiler was retrofitted from originally burning anthracite into burning bituminous coal by adjusting the area of refractory belt, controlling the outlet flue gas temperature within the original design range, canceling the exhaust gas nozzle of burners, increasing the primary air speed and air volume to facilitate ignition and combustion of bituminous coal, improving the safety of the coal pulverizing system to ensure that it can operate safely. Retrofit results show that when the bituminous coal ofw(Vdaf)= 25%-35% andQnet,ar=20-22 MJ/kg is burned, the temperature and pressure of both the main steam and reheat steam as well as the unit power output can all meet original design requirements of the boiler, in which case, the pulverizing system will be able to operate safely for a long time, and the thermal efficiency of boiler would be increased by 2%, the NOxemission would be lowered to be below 400 mg/m3, with no obvious slagging and without burnout burners in the furnace.

boiler; combustion; refractory belt; pulverized coal; pulverizing system

2014-12-24

丘纪华(1957—)，男，教授，主要从事电站锅炉的教学与科研工作。

E-mail: jhqiu@hust.edu.cn

TK227.1

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1671-086X(2015)04-0237-05