采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉燃烧调整试验研究

王 克，周文台，何 翔，施鸿飞

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉燃烧调整试验研究

王 克，周文台，何 翔，施鸿飞

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

针对某电厂采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉高负荷下存在的飞灰含碳量高、屏式过热器超温严重、侧墙结渣严重、排烟温度过高及炉膛前后墙出现偏烧等问题，对锅炉的配风方式和炉膛出口氧体积分数等进行燃烧调整，并提出了相应的优化运行方式.结果表明：优化后的运行方式为中间二次风开度控制在85%，两侧二次风开度控制为90%，三次风开度减小到40%，内二次风保持原工况不变，外二次风开度增大至50%，炉膛出口氧体积分数控制在3%～3.5%，乏气缩孔开度关小至30%；优化后过热器超温问题得到解决，飞灰含碳质量分数降低了7.5%左右，排烟温度降低了8 K左右，锅炉效率达到设计值，燃烧经济性显著提高，有效缓解了侧墙结渣和前后墙偏烧的程度.

W火焰锅炉；缝隙式燃烧器；燃烧调整；结渣

W火焰锅炉是近些年逐渐引入我国并用于燃用低挥发分煤种的炉型，其燃烧方式不同于四角切圆锅炉[1].W火焰锅炉的煤粉燃烧器布置在前后拱上，垂直向下喷射，一方面延长了燃烧时间，另一方面利用高温烟气的回流来促进煤粉着火，从而提高燃烧的稳定性和煤粉燃尽率.但同时存在燃烧偏斜、飞灰含碳量高、炉膛结渣严重和污染物排放量高等问题[2-6].

国内对采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉研究较少.朱予东等[7]对聊城发电厂3号锅炉进行降低NOx排放的调试，当去掉322 m2卫燃带后，NOx质量浓度降低了218 mg/m3左右.陈玉忠等[8]结合中电投贵州金元集团股份有限公司纳雍发电总厂二厂2号锅炉改造后燃烧系统的结构特点及运行特性，调整配风方式为二次风开度中间小两边大，三次风开度在100%，磨煤机负荷分配方式为中间大两边小，乏气手动门全关，锅炉稳定性得到提高，结渣问题得到解决，飞灰含碳质量分数(以下简称飞灰含碳量)降到5%左右，锅炉效率提高.周文台等[9]对配双进双出磨煤机的W火焰锅炉进行燃烧调整试验，发现锅炉炉膛的负压波动大、水冷壁上部壁温超温以及飞灰含碳量较高都是由煤粉着火不稳和延迟引起的，通过对磨煤机料位、一次风温度和煤粉细度进行调节，运行中的问题得到解决.

笔者针对某电厂W火焰锅炉改造后所采用的缝隙式燃烧器进行燃烧优化调整，以期解决该锅炉高负荷下存在的下炉膛偏烧严重、炉膛侧墙结渣严重、排烟温度过高和飞灰含碳量高等问题.

1 锅炉概况

该电厂2号锅炉(型号为HG-1900/25.4-WM10)为一次中间再热、超临界压力变压运行、带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、π型露天布置.锅炉燃用贵州当地无烟煤，采用W火焰燃烧方式，在前后拱上共布置有24组煤粉燃烧器，采用6台BBD4360双进双出磨煤机直吹式制粉系统，每台磨煤机引出4根煤粉管道，分别与旋风分离器相连，共24个旋风分离器.每个旋风分离器对应一组煤粉燃烧器，分离得到的浓相煤粉和淡相乏气分别被注入炉膛.

煤粉燃烧器的喷口布置如图1所示，其系统布置如图2所示.浓相煤粉气流、内二次风、淡相煤粉气流及外二次风平行布置在炉拱上，由于各股气流速度不同，低速气流在高速气流带动下向下流动，即浓相煤粉气流和淡相煤粉气流在二次风带动下向下流动，在向下流动的同时，二次风不断混入煤粉气流，形成边燃烧边补充氧气的分级燃烧方式.

图1 煤粉燃烧器喷口布置图

图2 煤粉燃烧器系统布置图

每组煤粉燃烧器由4个浓相喷口、4个淡相喷口、6个内二次风喷口、2个油二次风喷口、2个边界风喷口和6个外二次风喷口组成.浓相喷口、内二次风喷口、淡相喷口和外二次风喷口在炉拱方向紧邻布置，夹在每2个浓相喷口之间的2个油二次风喷口，一个用来布置油枪，另一个用来布置煤火检.

锅炉燃用较为典型的无烟煤，煤质分析见表1.

2 运行中存在的问题及分析

2.1 运行中存在的问题

在2号锅炉进行前期改造后，基本解决了火焰下冲严重、冲刷冷灰斗的问题，但高负荷下该锅炉仍然存在如下问题：(1) 锅炉燃烧经济性较差，飞灰含碳量达到11%以上时锅炉效率只有88%左右，与设计值相差4%；(2) 屏式过热器超温严重，据统计燃烧调整前，第23屏一处测点平均每小时超温高达13次，一级减温水量维持在60 t/h左右；(3) 侧墙严重结渣，经常堵塞观火孔，渣样质地坚硬，不易清除，前后墙出现偏烧现象.

表1 煤质分析

2.2 原因分析

通过前期的观察及摸底试验，经分析认为出现上述问题有2个原因：(1) 浓相煤粉浓度控制不合理，导致煤粉过早着火产生强烈的热膨胀，从而降低一次风和二次风的刚度，三次风补氧作用削弱，热负荷相对集中，局部缺氧严重，形成局部还原性气氛，携带焦炭粒的高温烟气扫边造成前后墙出现偏烧和结渣现象[10]；(2) 配风方式不合理导致下炉膛利用率低，煤粉有效燃烧时间较短.采用缝隙式燃烧器的W火焰锅炉同样具有炉膛较宽但高度较低的特点.下炉膛空间较大，可为煤粉提供更多的燃烧空间，降低容积热负荷，但是下炉膛的受热面相对较少.如果配风方式控制不当很容易使火焰中心升高，火焰行程缩短，甚至出现短路，导致下炉膛利用率不足，可燃物后燃现象严重.

3 燃烧调整试验

根据本机组存在的问题以及前期的摸底试验，从改变锅炉炉膛出口氧体积分数、二次风与三次风配比、乏气缩孔开度、内外二次风开度和三次风角度等方面进行优化调整.主要工况参数及调整效果见表2.

表2 主要工况参数

3.1 二次风、三次风开度的调整

如图3中行程2所示，保证适当的二次风风量不仅可以将煤粉携带至炉膛下部，充分利用下炉膛的空间进行燃烧反应，而且可以补充煤粉着火后前期燃烧的大部分氧量.另外，适量的三次风的注入可以托住下冲火焰，使其向上折返，防止冲刷冷灰斗，并提供煤粉后期燃烧的氧量.如图3中行程1所示，如果三次风风量过大，二次风风量就会相对减小，从而减弱火焰的下冲能力，使火焰中心上移，燃烧后期所需要的氧量不能及时供给.

对沿炉膛侧墙壁面4层不同高度上的观火孔进行观察，发现最下层三次风喷口附近的火焰充满度较差，颜色暗红，观火孔附近无结渣现象,上面3层观火孔附近结渣严重且渣样质地坚硬，不易清除.利用烟气分析仪对各层观火孔附近氧体积分数进行测量，发现上面3层水冷壁附近的氧体积分数显示为0，属于还原性气氛，最下层靠近三次风处的氧体积分数大于0.这表明火焰中心靠近下炉膛上部，火焰下冲较差，三次风补氧困难，二次风氧量又不足以满足煤粉剧烈燃烧所需要的氧量，不完全燃烧的焦炭粒在高于灰熔点的烟气温度下冲刷水冷壁面形成了结焦.为此，根据以上燃烧情况，将前后墙二次风开度由原来的70%增大至85%，将三次风开度由55%减小至40%.经过观察，下炉膛上部两侧侧墙仍有结渣大的现象.为此，将靠近侧墙的煤粉燃烧器二次风开度增大至90%，从而保证侧墙区域氧量充分，以维持氧化性气氛，使侧墙结渣程度得以缓解.经调整后如表2所示，燃烧趋于稳定，飞灰含碳量从11.20%降到9.86%，侧墙虽仍有结渣，但渣量大大减少，且渣样松软，容易清除.

图3 W火焰行程示意图

3.2 氧体积分数的调整

经过二次风、三次风开度的调整，燃烧状况得到明显改善，但飞灰含碳量仍然高达9.86%.对省煤器出口氧体积分数进行标定，发现氧体积分数只有2%左右，明显偏低.为此，在燃烧相对稳定的前提下，逐渐增加二次风风量，使炉膛出口氧体积分数达到3%～3.5%.由工况3可知，飞灰含碳量下降至6.93%，燃烧经济性显著提升，另外结渣也有所改善.这是因为通过调节二次风风量来提高氧体积分数，进一步提高了二次风射流携带一次风煤粉气流下冲的刚度，相当于一方面延长了煤粉气流的燃烧行程，另一方面增加了燃烧所需要的氧量.

3.3 乏气缩孔开度的调整

进入煤粉燃烧器的一次风粉均通过旋风分离器进行风粉分离，分离出来的浓相煤粉气流通过图4中的浓相喷口射入炉膛，淡相煤粉气流(即乏气)通过图4中的淡相喷口射入炉膛.乏气管道上有可调节缩孔，乏气缩孔可调节浓相、淡相煤粉气流的风量，改变煤粉气流的浓度及出口速度，调节煤粉气流着火距离，合理组织燃烧.开大缩孔可以提高浓相煤粉浓度.

原工况下乏气缩孔开度为80%，现将前后墙所有乏气缩孔逐步关小到30%.调整后锅炉的飞灰含碳量和排烟温度变化如图5所示.由图5可知，随着乏气缩孔关小，飞灰含碳量和排烟温度逐渐降低.通过上面几层观火孔观察发现侧墙结渣改善效果明显，且下炉膛火焰充满度好，燃烧稳定.这是由于煤粉浓度对着火有很大的影响，高的煤粉浓度不仅使单位体积内燃烧释放的热强度增大，而且单位体积内辐射粒子数量也增加，导致煤粉气流黑度增大，从而迅速吸收炉膛辐射热量，使着火提前.此外，煤粉浓度高必然会使逸出的挥发分增加，这也促进了可燃物的着火.但对于W火焰锅炉，如果煤粉浓度过高，着火提前，局部热负荷增大，气体迅速热膨胀，下冲刚度随之削弱，此时煤粉气流还没有得到有效扩散及与二次风充分混合，大炉膛空间不能得到充分利用，燃烧需要的氧量不能及时供给，在这种情况下燃烧速率可以说是扩散控制的.高温下焦炭粒随着气流的扰动接触炉膛壁面形成了结渣.当乏气缩孔开度关小后，相当于减少了乏气量，降低了浓相煤粉浓度，提高了浓相一次风粉动量，增加了着火热，延迟了着火点，使火焰中心下移，从而可以充分利用炉膛空间，分散炉膛热负荷，有助于后期可燃物与二次风混合，提高燃尽率.

图4 旋风分离器示意图

图5 飞灰含碳量和排烟温度随乏气缩孔开度的变化

Fig.5 Fly ash carbon content and exhaust temperature along with the opening of exhaust vent

由图5可知，进一步将乏气缩孔开度关小至20%时，飞灰含碳量和排烟温度升高明显，且通过观察发现炉内燃烧不稳定，火检信号较弱，炉膛负压波动较大.这是因为过分降低浓相煤粉浓度会使煤粉着火困难，影响后期的充分燃烧.乏气缩孔开度在20%～30%内，飞灰含碳量变化剧烈，应进行进一步的优化，但考虑到运行安全问题，并未实施，可在后续制粉系统优化后确保锅炉燃烧稳定性增强的基础上进行.

通过对比分析，最终将乏气缩孔开度调至30%，如表2中的工况4所示，调节后飞灰含碳量降低了2%左右，排烟温度降低了4 K左右，锅炉效率达到91.33%.

3.4 外二次风开度的调整

经过前期的燃烧调整，锅炉整体性能得到显著提升，侧墙结渣速度虽然有所减慢，但还是出现大渣堆积现象.因此，需要进行内外二次风开度的优化.原工况下内二次风开度为100%，外二次风开度为30%.改造时拆除了在每组煤粉燃烧器两侧最靠边浓相喷口外侧的边界风喷口，导致外侧一次风卷入煤粉燃烧器组之间的低压回流区，影响了外侧一次风的下射深度.经观察发现侧墙煤粉气流扫边现象严重，对火焰行程及火焰长度产生不利影响，这也是导致侧墙结渣的因素之一.保持内二次风开度不变，将外二次风开度逐渐增大至50%(工况5)，经过几天运行发现，侧墙结渣得到显著改善，没有出现大渣堆积现象和掉大渣现象，另外，飞灰含碳量也降到4.31%，排烟温度较前期调整降低了1.8 K，屏式过热器无超温现象.继续增大外二次风开度，飞灰含碳量明显升高，炉内燃烧不稳定，火检信号减弱.显然过分增加外二次风风量使内二次风携带煤粉的能力和补氧能力严重下降，影响了煤粉的稳定着火和充分燃烧，因此将外二次风开度控制在50%为宜.

3.5 三次风角度的调整

如果三次风下倾过大，会导致下冲的火焰不能及时被三次风拦截向上折返，进而冲刷冷灰斗，致使冷灰斗严重结渣，底渣含碳量升高，炉内压力波动增大，严重影响炉内稳定燃烧.当三次风角度上倾过大时，三次风会过早地与主气流接触，对主气流的空气动力场产生强烈的干扰，破坏W火焰的正常形状，使火焰中心上移，从而造成过热器、再热器超温,炉膛上部结渣严重，煤粉燃尽性能下降以及排烟温度过高等问题.因此，获得合适的三次风角度至关重要.表3给出了不同三次风角度下的飞灰含碳量和排烟温度.

原工况下三次风角度为0°(即水平方向).由表3可知，将三次风角度向下调整时(即为负值)，炉内燃烧状态越来越差，飞灰含碳量显著升高，排烟温度变化不明显，冷灰斗没有明显结渣现象，这说明携带煤粉的二次风未下冲到三次风射入的位置，火焰即反转向上，二次风与三次风的混合大大削弱，并未起到及时补氧的目的.将三次风角度向上调整时(即为正值)，燃烧得到了改善，这是由于通过前面对二次风与三次风开度、炉膛出口氧体积分数和乏气缩孔开度等参数的调整弱化了着火，三次风向上进一步补充了氧量，当三次风角度为5°时，飞灰含碳量下降至3.68%，炉内燃烧稳定，负压波动不大.继续增大三次风角度后，燃烧状态并未得到显著优化，反而出现上炉膛结渣现象，飞灰含碳量也相对升高，所以三次风角度保持5°为最优.

表3 不同三次风角度下的飞灰含碳量和排烟温度

Tab.3 Fly ash carbon content and exhaust temperature vs.incidence angle of tertiary air

三次风角度/(°)飞灰含碳量/%排烟温度/℃103.92148.853.68148.704.31148.3-54.52148.3-105.21147.9

4 燃烧调整后的效果

4.1 锅炉结渣程度得到缓解

通过对二次风与三次风开度、炉膛出口氧体积分数、乏气缩孔开度以及外二次风开度进行优化调整，改善了前后墙偏烧程度，降低了火焰中心和容积热负荷，提高了炉膛火焰充满度，使侧墙结渣得到有效缓解.炉内没有出现大渣堆积现象和掉大渣现象.为了进一步改善结渣问题，在后续工作中可以对煤粉细度进行优化，使煤粉细度与锅炉燃烧实现有效的匹配.

4.2 屏式过热器超温得到控制

燃烧调整前，屏式过热器出现超温现象，在低风量和低氧量情况下一级减温水量已达到60 t/h.采取各项燃烧调整措施后，虽然增大了二次风风量，提高氧体积分数1%左右，但屏式过热器并未出现超温现象，且一级减温水量减少到20 t/h左右.这说明适当降低火焰中心能够提高煤粉在下炉膛的燃尽率，降低炉膛出口温度.

4.3 锅炉燃烧经济性显著提高

通过对二次风与三次风开度、炉膛出口氧体积分数、乏气缩孔开度、外二次风开度和三次风角度的调整，锅炉的燃烧经济性显著提高，飞灰含碳量降低了7.5%左右，锅炉效率最高达到92.04%，高于设计值.

5 结 论

(1) 该W火焰锅炉高负荷下存在飞灰含碳量高、屏式过热器超温严重、侧墙结渣严重、排烟温度过高以及炉膛前后墙出现偏烧等问题,原因主要有2方面：一方面是锅炉配风方式不合理导致火焰下冲不足，下炉膛利用率低，煤粉有效燃烧时间较短；另一方面是浓相煤粉浓度控制不合理导致煤粉过早着火.

(2) 通过对炉膛出口氧体积分数、二次风与三次风的配比、乏气缩孔开度、内外二次风开度和三次风角度进行燃烧调整，过热器超温问题得到了解决，飞灰含碳量降低了7.5%左右，排烟温度降低了8 K左右，锅炉效率达到设计值，燃烧经济性显著提高，有效缓解了侧墙结渣和前后墙偏烧的程度.

[1] 周文台,程智海,金鑫,等.600 MW超临界W火焰锅炉防超温燃烧调整试验研究[J].动力工程学报,2013,33(10):753-758.

ZHOU Wentai,CHENG Zhihai,JIN Xin,et al.Combustion adjustment tests for preventing overheating problems in a 600 MW supercritical W-flame boiler[J].Journal of Chinese Society of Power Engineering,2013,33(10):753-758.

[2] 杨雄文.W型火焰锅炉结渣分析及对策[J].热能动力工程,2002,17(5):527-529.

YANG Xiongwen.Analysis of the slag-formation in a W-shaped flame boiler and measures taken for its alleviation[J].Journal of Engineering for Thermal Energy and Power,2002,17(5):527-529.

[3] FAN J R,ZHA X D,CEN K F.Study on coal combustion characteristics in a W-shaped boiler furnace[J].Fuel,2001,80(3):373-381.

[4] LI Zhengqi,KUANG Min,ZHANG Jia,et al.Influence of staged-air on airflow,combustion characteristics and NOxemissions of a down-fired pulverized-coal 300 MWeutility boiler with direct flow split burners[J].Environmental Science & Technology,2010,44(3):1130-1136.

[5] 苗长信,车刚,刘志超.菏泽发电厂300 MW “W”火焰锅炉燃烧调整及运行特性分析[J].中国电力,2002,35(7):13-17.

MIAO Changxin,CHE Gang,LIU Zhichao.Combustion adjustment and operation characteristics analysis of 300 MW "W" flame boilers in Heze Power Plant[J].Electric Power,2002,35(7):13-17.

[6] 程智海,金鑫,张富祥,等.W火焰锅炉的燃烧调整[J].动力工程,2009,29(2):129-133.

CHENG Zhihai,JIN Xin,ZHANG Fuxiang,et al.Combustion adjusting of W flame boilers[J].Journal of Power Engineering,2009,29(2):129-133.

[7] 朱予东,秦占锋,张伟,等.聊城电厂600 MW “W”火焰锅炉优化燃烧[J].中国电力,2007,40(5):51-54.

ZHU Yudong,QIN Zhanfeng,ZHANG Wei,et al.Optimal combustion on W-flame boiler in Liaocheng Power Plant[J].Electric Power,2007,40(5):51-54.

[8] 陈玉忠,石践,罗小鹏.缝隙式燃烧器“W”火焰锅炉燃烧系统改造后燃烧调整及运行特性分析[J].中国电机工程学报,2011,31(增刊):212-216.

CHEN Yuzhong,SHI Jian,LUO Xiaopeng.Combustion adjustment and operation characteristics analysis for "W" flame boiler with split-burner after combustion system retrofitted[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(S):212-216.

[9] 周文台,何翔,杨勇.配双进双出磨煤机的W火焰锅炉的燃烧调整试验研究[J].锅炉技术,2015,46(4):55-58.

ZHOU Wentai,HE Xiang,YANG Yong.Combustion adjustment test for W flame boiler with double-inlet and double-outlet coal mill[J].Boiler Technology,2015,46(4):55-58.

[10] 王春昌.缝隙式燃烧器与“W”火焰锅炉的燃烧稳定性[J].中国电力,2009,42(1):58-61.

WANG Chunchang.Split burner and the combustion stability of W-flame boiler[J].Electric Power,2009,42(1):58-61.

Combustion Adjustment of a W-flame Boiler with Slot Burners

WANGKe,ZHOUWentai,HEXiang,SHIHongfei

(Shanghai Power Equipment Research Institute,Shanghai 200240,China)

To solve the problems of high carbon content in fly ash,serious overheating of platen superheaters,severe slagging on side walls,high exhaust temperatures,bias combustion on front and rear furnace walls occurring at high load condition of a W-flame boiler with slot burners,combustion optimization was performed for the boiler by adjusting the air distribution and outlet oxygen concentration,and subsequently an optimized operation mode was proposed.Results show that above problems can be effectively solved with fly ash carbon content reduced by 7.5%,exhaust temperature reduced by 8 K,boiler efficiency meeting the design requirement and with combustion economy improved remarkably,in the optimized operation mode,such as controlling the damper openings of middle secondary air,side secondary air,tertiary air and external secondary air to be at 85%,90%,40% and 50%,respectively,while the internal secondary air damper is kept unchanged,furnace outlet oxygen volumetric fraction kept within 3%-3.5%,and the exhaust vent reduced to 30%.

W-flame boiler; slot burner; combustion adjustment; slagging

2016-02-03

2016-03-25

王 克(1989-)，男，湖北襄阳人，助理工程师，硕士，主要从事电站锅炉燃烧调整及准东煤防结渣沾污方面的研究.电话(Tel．)：18017596389；E-mail：wangke6@speri.com.cn．

1674-7607(2017)01-0001-06

TK227.1

A 学科分类号：470.30