塔式煤粉锅炉效率偏低的燃烧调整研究

陈科峰，李 源，杜学森

(润电能源科学技术有限公司，郑州 450042)

0 引言

在我国，煤炭是主要的一次能源，其约占能源消费总量的59%，而煤电发电量占总发电量的近70%[1-2]。燃煤机组的运行方式决定了发电过程中不可避免地会产生大量污染物，对此国家制定了严格的环保标准，因此如何在达到严格环保标准的基础上不断保持较高参数机组的锅炉燃烧效率，成为目前煤电领域急需解决的重要问题[3]。

目前，在环保管控压力及煤炭经营市场收紧的情况下，出于煤电整体经济收益的考虑，电站锅炉燃用煤种来源复杂多变且煤质持续下降，实际入炉煤质偏离锅炉设计煤种较多，致使部分锅炉出现炉膛整体温度偏低、低负荷燃烧稳定性较差、水冷壁结焦、高温腐蚀、锅炉飞灰和炉渣含碳量高等问题[4-10]，严重影响了锅炉经济安全运行[11-12]。而本文主要从锅炉燃烧调整策略角度对锅炉效率偏低问题进行对策研究。

1 锅炉概况

某燃煤电厂4#锅炉为上海锅炉厂有限责任公司生产的SG-3100/26.15-M546型超超临界直流炉，单炉膛塔式布置、四角切向燃烧、摆动喷嘴调温、平衡通风、全钢架悬吊结构、露天布置、机械排渣。采用双进双出钢球磨煤机直吹式制粉系统，配置6台磨煤机，每台磨煤机引出 4 根煤粉管道到炉膛四角，炉外安装煤粉分配装置，每根管道分成两根管道分别与两个相邻的一次风喷嘴相连，共计 48 只直流式燃烧器分 12 层布置于炉膛下部四角(每两个煤粉喷嘴为一层)，煤粉燃烧器布置图如图1所示。机组额定负荷1 000 MW，燃用设计煤种，在BRL工况下锅炉保证热效率为92.00%(按低位发热值)。锅炉燃用设计煤种和校核煤种均为贫煤，表1为设计及校核煤种的工业分析和元素分析，煤种的主要特点为发热量较高、挥发份含量较低、着火及燃尽性较差。

表1 设计、校核煤种工业分析和元素分析

2 锅炉效率偏低现象

通过锅炉性能试验对4#锅炉效率进行了摸底测试，结果如表2所示。在机组1 000 MW负荷工况下，修正后锅炉效率为90.951%，比锅炉效率设计值92.00%偏低1.049%，其中该工况下锅炉修正后排烟温度为139.06 ℃，比BRL工况锅炉排烟温度设计值121 ℃高18.06 ℃；飞灰含碳量为6.79%，炉渣含碳量为10.16%，锅炉固体未完全燃烧热损失达到3.255%，比BRL工况锅炉固体未完全燃烧热损失设计值2.30%偏高0.955%。锅炉所烧煤种来源为汽车煤，入炉前进行掺配煤(摸底及燃烧调整试验所用煤质参数如表3所示)，煤种条件相对不稳定、发热量低、灰分高、入炉煤总量大，灰渣含碳量指标对锅炉效率是否达设计值起决定作用。

表2 锅炉效率偏低的对比分析表

表3 摸底及燃烧调整试验所用煤质参数

3 结果与分析

火电机组锅炉效率的高低主要由飞灰含碳量、炉渣含碳量、排烟温度、运行氧量、冷风温度等因素决定，而除冷风温度外，以上其他因素均可通过合适的燃烧调整手段来优化改善，其调整原理如下：①炉内燃烧状态良好应具备合适的空气量、适当高的炉内温度、空气与燃料的良好扰动与混合、燃料在炉内具有足够的停留时间等条件；②提高热风及一次风温有利于提高炉内温度水平，有利于加速煤粉的着火，对燃烧有利；③炉内二次风速高于一次风速，能明显加强炉内气流的扰动，同时能及时补充主燃区燃料充分燃烧所需的氧量，应合理控制二次风混入一次风的时间；④应选择合适的煤粉细度，煤粉细度越细，同样煤粉浓度下的煤粉总表面积就越大，对及时着火和燃料燃尽率均十分有利；⑤煤粉的燃烧其基础是焦炭的燃烧，大部分的细煤粉在燃烧中心区已燃尽，少量的粗煤粉则在燃尽区继续燃烧，因此燃尽区应维持足够高的温度。

鉴于电厂机组实际运行情况，针对该机组锅炉效率偏低问题，提出了基于燃烧调整的改善措施，主要从两方面入手：一是提升炉膛热负荷的均匀性，从而为入炉燃料的充分燃烧提供有利条件；二是适当调整炉膛火焰中心高度，从而改善煤粉在炉内停留时间及煤粉燃烧状态，有利于降低飞灰、炉渣含碳量，具体流程如图2所示。

3.1 热负荷调平对锅炉效率的影响

图3、图4为锅炉热负荷测试参数对比，其中由于测量位置原因，A4看火孔温度无法测量，其余看火孔所测结果如图3所示。由图3可以看出，B3温度偏低，A/C/D/E/F层温度较为平均。由图4可以看出，通过对B/C层燃烧器二次风辅助风门挡板的调整，B层温度最大偏差由214 ℃降为82 ℃，这是因为通过调整B/C层燃烧器周围二次风挡板，使得B3周边助燃风量分配更为合理，降低了B层峰值温度值，提升了最低温度值。但经取样检测，调整后的飞灰、炉渣含碳量分别为6.5%，11%，表明通过调整热负荷均匀性，锅炉效率略有提升，如图5所示。

3.2 过量空气系数对锅炉效率的影响

通过对4#机组锅炉在不同过量空气系数运行工况下进行观察，发现锅炉在过量空气系数较小时，飞灰含碳量较高。表4、图6为不同过量空气系数下锅炉运行参数对比。可以看出，在一定范围内，通过适当提升过量空气系数后，飞灰含碳量明显下降，锅炉效率明显提升。这是因为过量空气系数的适当提升，可以为炉内燃料的充分燃烧提供足量的氧气，从而促进燃料的燃尽。

表4 不同过量空气系数下锅炉测试参数对比

3.3 二次风配风方式对锅炉效率的影响

表5为不同配风方式下锅炉运行测试参数对比。如图7所示，通过均等倒塔、束腰及均等(增大二次风门开度)三种不同的二次风配风方式与调整前的均等配风方式的试验结果对比，发现调整后尝试的倒塔、束腰及均等(增大二次风门开度)三种不同的二次配风方式试验结果均优于调整前的均等配风方式。进一步分析，发现调整后工况6的均等配风方式略优于调整后其他两种配风方式(工况4、5)，且调整后的均等配风(增大二次风门开度)飞灰含碳量(4.38%)分别比倒塔配风飞灰含碳量(4.71%)和束腰配风飞灰含碳量(4.82%)小0.33%和0.44%，均等(增大二次风门开度)配风炉渣含碳量(2.7%)比倒塔配风炉渣含碳量(3.33%)小0.63%，相较束腰配风炉渣含碳量(5.13%)小2.43%。这是因为，采用倒塔配风方式时，炉膛下部供风量减少，炉膛下部燃烧有所减弱。在采用束腰配风方式时，总风量保持不变，炉膛中部供风量减少，使得炉膛中部的燃烧反应有所减弱，燃料在主燃烧区域的燃尽程度有所下降，导致飞灰、炉渣含碳量有所增高，从而使得锅炉效率略微降低。而在采用增大二次风门开度的均等配风时，总风量保持不变，炉膛高度方向各层燃烧器区域供风量适当，燃料在炉膛高度方向燃烧程度相对较好。

表5 不同配风方式下锅炉测试参数对比

3.4 燃尽风量对锅炉效率的影响

表6、图8为不同燃尽风量下锅炉运行参数对比。可以看出，随着燃尽风量的增加，锅炉固体未完全燃烧损失呈现逐渐增大的趋势，燃尽风量的变化，影响锅炉效率约1.07个百分点左右。这是因为在总风量一定的前提下，随着燃尽风量的增加，主燃烧区风量减小，使得燃料在主燃区燃烧程度不够充分所致。

表6 不同燃尽风量下锅炉参数对比

4 结论

基于燃烧调整策略对塔式锅炉效率偏低进行了研究，分析了锅炉热负荷调平、运行氧量调整、二次配风组合方式调整、燃尽风量调整等对锅炉效率的影响，得到的主要结论如下：

1)通过锅炉热负荷调平试验，表明仅通过调整局部燃烧器热负荷均匀性，在温度调整幅度较小的情况下，锅炉效率回略有提升，但改善不明显；

2)合适的过量空气系数、二次风配风方式及燃尽风量，对锅炉效率的提升较为明显。