410 t/h煤粉锅炉冷热态试验

王军明 孙州岳 阎丽敏

(1中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司，山东 淄博 255410；2浙江大学，浙江 杭州 310027)

随着国家环保要求的进一步提高，对烟气排放的限制也越来越严格，尤其是电厂锅炉NOx的排放限制更是达到了50 mg/m3的国际最严标准，因此NOx的控制成为各企业首要解决的问题。为了满足严格的排放标准，电厂锅炉普遍采用炉内低NOx燃烧和烟气脱硝技术相结合的方式来实现减排。近年来，中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司(以下简称齐鲁石化)热电厂4#炉经过两轮低氮燃烧器改造、烟气脱硝改造，实现了NOx低于50 mg/m3的达标排放。然而，由于煤炭市场波动大，煤质变化频繁，尤其是热值和挥发分波动较大，原有的低氮燃烧器提供的操作配风方式无法适应，导致配风方式频繁调整，出现了NOx高、结焦、掉焦甚至灭火、减温水量大的问题。因此，急需寻找一种燃烧效果良好、操作简单、煤种适应性广的运行方式。针对此类问题，早在20世纪80年代美国的通用电气公司就已开发了一种燃烧系统—同心双切圆燃烧系统(CFS)，该燃烧系统在国内的大型四角燃烧电站锅炉中得到了广泛应用[1]。其主要思路为将二次风偏离一次风，在水平方向上形成大小不等的双切圆(一次风在内，二次风在外)，利用大切圆的二次风在一次风和水冷壁之间形成一层风膜，并形成风包粉的气流结构，从而达到防止结焦的目的[2]。从稳燃性看，一次风气流受到大动量的二次风牵引而被卷吸，但是由于煤粉的惯性要比气流大，大量煤粉粒子在燃烧器喷口附近仍将保持原运动方向，被上游冲刷过来的高温烟气加热从而着火，因此具有良好的稳燃性能。此外，由于推迟了一、二次风混合，实现一、二次风分级燃烧，降低了NOx生成量[3]。

文章主要参照此圆心双切圆燃烧理念，结合现有设备情况，通过试验研究寻找适合该锅炉的运行方式。

1 设备概况

齐鲁石化热电厂4#炉为单炉膛、自然循环、集中下降管、冂型布置的固态排渣煤粉炉，型号为HG 410/100-11型。该锅炉采用热风送粉、中间仓储式、钢球磨煤机，设计煤种为山西混合贫煤，四角切圆燃烧，设计了三层一次风喷口、四层二次风喷口、三层贴壁风喷口、一层三次风喷口、三层燃尽风喷口，二次风与一次风间隔布置。燃烧器的假想切圆为Ø680 mm，逆时针旋转。燃烧器布置如图1所示，锅炉主要设计参数如表1所示。设计煤种为山西混合贫煤，校核煤种为山东、山西混合贫煤，主要参数如表2所示。

(a)假想切圆的布置 (b)轴向整体布置

图1 燃烧器布置

表1 锅炉主要设计参数

表2 锅炉设计和校核煤质

2 摸底试验情况

为详细了解习惯运行方式下存在的问题，在360 t/h负荷下进行了摸底试验，基本情况如下：(1)运行氧体积分数保持在3.8%左右，一次风速经过标定后发现高达27.2 m/s，给粉机基本按下层转速高，上、中两层转速低，12台全投的方式运行；(2)配风方式基本为均等配风，上层、中层、中下层二次风开度在45%左右，下二次风略高，上燃尽风全关；(3)煤粉气流着火偏迟，火焰中心位置偏高，减温水量30～40 t/h；(4)水冷壁结焦严重，特别是三次风与燃尽风之间存在大面积结焦，存在掉焦灭火的风险；(5)选择性催化还原技术(SCR)反应器前NOx达到700 mg/m3左右，给脱硝系统带来了巨大压力；(6)随着煤种、负荷、制粉投运的变化，配风方式要频繁调整，操作非常繁琐。

3 冷热态试验

该锅炉常用煤种均为贫煤，一、二次风燃烧器的切圆为Ø680 mm，一次风速高达27.2 m/s，导致燃烧器区域煤粉着火初期供风过多，造成NOx大量生成、煤粉着火推迟、火焰中心位置偏高等问题。根据摸底试验的情况以及同心双切圆燃烧系统的理念，燃烧优化调整主要在于降低一次风速，并利用大切圆的二次风组织气流结构，实现风包粉，使煤粉气流着火提前，防止结焦，降低NOx生成。因设备缺陷导致二次风喷口无法左右摆动，可以考虑常年处于较小开度的贴壁风，贴壁风正切17°进入炉膛，其切圆较大，故尝试用贴壁风来代替二次风组织气流。为验证其可行性，首先在冷态下采用以上理念对炉膛空气动力场进行了模拟，然后在热态下保持360 t/h负荷，运行氧体积分数3.8%，进行一次风速及配风方式的调整，最后把这种运行方式推广至不同负荷。

3.1 冷态空气动力场试验

在炉内下层一次风燃烧器喷口标高平台，用铁丝拉十字线，十字线与水冷壁构成“田”字形，在十字线上每隔250 mm扎100 mm长的飘带，小飘带流动方向即为气流流动方向。根据相似模拟的原理，按动量比不变的原则，进行了冷态试验。试验中，贴壁风保持全开，下层二次风开度75%，其余二次风全关，一次风速22.5 m/s、二次风32.7 m/s、三次风52.5 m/s，空气动力场切圆及贴壁风速分布如图2所示。图2中十字线的横坐标表示测点离炉心的距离，纵坐标表示该测点的风速，连接速度最大点即为切圆。整个切圆略呈椭圆形，甲乙侧墙方向直径5 500 mm，前后墙方向直径6 250 mm，切圆中心稍向1号角倾斜。总体而言，切圆大小合适，基本符合燃烧要求。图2中4条折线代表贴壁风速，每侧墙各布置19个测点，折线上点与炉墙的距离表示其风速大小，贴壁风速基本在2～5 m/s，无明显气流冲刷水冷壁现象。从冷态空气动力场切圆及贴壁风速分布来看，这样的运行方式是可行的。

图2 空气动力场切圆及贴壁风速分布

3.2 热态一次风速调整

对于贫煤，为了稳定燃烧和燃尽，一次风速应远低于褐煤和烟煤。该锅炉实际常用煤种均为贫煤，一次风速高达27.2 m/s，一、二次风燃烧器的切圆为Ø680 mm，很难形成风包粉，这对于煤粉的着火、防止煤粉气流刷墙及结焦都是极其不利的。试验中将一次风速从27.2 m/s降至24.5 m/s，表3为调整前后的一次风速，表4为调整前后的主要指标。从表4的指标看，减温水从36.2 t/h下降至23.2 t/h，炉膛出口烟温由1 090 ℃下降至1 070 ℃，NOx从700 mg/m3下降至632 mg/m3。另外，在燃烧器区域观火孔观测，习惯运行方式1#、3#角一次风喷嘴不透明火焰回流冲刷强烈，夹带杂乱渣颗粒，水冷壁和一次风气流难以看到，2#、4#角也较混乱。一次风速调整以后，1#、3#角火焰回流夹带杂乱渣颗粒明显减少，各角燃烧器喷口颜色逐渐透明，被不透明火焰挡住的水冷壁也显现出来。可见，当一次风速下降后，一方面煤粉着火提前，有利于煤粉在炉内燃尽，降低了炉膛出口烟温及减温水量；另一方面由于煤粉燃烧初期氧量低，抑制了NOx的生成。

表3 调整前后的一次风速 m/s

表4 一次风速调整前后主要指标对比

3.3 配风方式调整

习惯运行方式下，贴壁风开度45%左右，二次风压1.85 kPa，导致贴壁风速低、刚性不够，很难起到组织气流的效果。试验中，一次风速保持在24.5 m/s，燃尽风、下层二次风开度不变，上层、中上、中下二次风全关，贴壁风全开，把二次风压提高至2.26 kPa。表5为调整前后的配风方式对比，表6为调整前后的主要指标对比。从表6指标可以看出：减温水从19.5 t/h下降至13.6 t/h，炉膛出口烟温从1 060 ℃下降至1 050 ℃，NOx从643 mg/m3下降至498 mg/m3。对水冷壁进行了连续几天的观测，发现水冷壁干净程度有很大改善。但是，由于没有改变一次风率，也没有改变一次风速，在燃烧器区域观火孔观测，煤粉着火变化不明显。采用贴壁风代替二次风组织气流的影响主要体现在两方面：(1)形成了风包粉的气流结构，贴壁风将水冷壁与煤粉气流阻隔开，大幅减轻了水冷壁结焦；(2)炉膛水平方向和垂直方向都形成分级燃烧，使煤粉燃烧初期处于低氧气氛，大幅降低了NOx生成。

发现水冷壁干净程度有很大改

表6 配风方式调整前后主要指标对比

3.4 不同负荷的推广试验

通过前期试验，发现降低一次风速，并采用贴壁风扩大切圆，可以使煤粉气流着火提前，降低减温水量和NOx，减轻结焦。为研究前期试验得到的运行方式是否在不同负荷下适用，进行了不同负荷的推广试验。试验条件如下：(1)运行氧体积分数保持在3.8%，一次风速24.5 m/s，给粉机基本按下层转速高，上、中两层转速低，运行台数根据负荷适当增减；(2)配风方式按下二次风75%，其余二次风全关，贴壁风全开，燃尽风只开中层、下层。

表7是运行方式及主要指标。从表7中可以发现：不同负荷下，减温水为18.5～25.2 t/h，炉膛温度为1 040～1 061 ℃，SCR入口NOx为445～490 mg/m3，各大指标都较好且比较稳定。为防止发生煤粉气流着火太近而烧坏燃烧器喷嘴，连续几天对燃烧器区域观火孔进行了观测，发现各角燃烧器喷口颜色较透明，煤粉着火较早但喷口不带火。此外，水冷壁结焦也较轻。因此325～390 t/h负荷下，这样的运行方式都是适用的，负荷较低时，可适当减少给粉机运行台数，减少一次风对燃烧的扰动，促进燃烧稳定性。

表7 不同负荷下的运行方式及主要指标

4 结语

通过降低一次风速，并突破常规采用贴壁风代替二次风扩大切圆，形成了“风包粉”的气流结构，在提升着火稳定性、减轻结焦、降低NOx等方面都取得了不错的效果。按照调整后的运行方式，根据负荷适当调整给粉机运性台数，极大地减少了运行操作次数，操作由繁变简，锅炉运行的安全性、环保性都大幅提升，对同类型锅炉的燃烧调整有一定的指导意义。