某电厂四角切圆燃烧器锅炉低负荷稳燃改造

2023-10-10张林周大慧英燏王勃雷雨

企业科技与发展 2023年7期

张林，周大慧，英燏，王勃，雷雨

（1.铜陵有色金属集团股份有限公司，安徽铜陵 244002；2.西安热工研究院有限公司，陕西西安 710032）

0 引言

近年来，随着工业蒸汽用户数量的增加，不少电厂越来越多地应用小型背压机组。这些机组设备相对落后，采用“以热定电”的运行方式，主要满足附近用户的蒸汽用量。由于用户的需求量不稳定，因此对小型锅炉的深度调峰提出了严峻的考验。在热负荷不高的情况下，机组只能靠对空排汽的方式维持稳定运行，造成较大的资源浪费。

为维持蒸汽的供需平衡，提高机组运行的经济性，各电厂开始进行锅炉的灵活性改造。陈江涛等［1］在煤粉管道上增设浓淡分离器，配备燃烧器进行深度浓淡分离燃烧，利用动态分离器和落煤管改造实现超低负荷稳燃。王俊文等［2］用数值模拟分析卫燃带导热系数、面积、厚度与卫燃带表面温度的关系，通过优化卫燃带参数，解决了锅炉低负荷燃烧不稳定的问题。庄志宝等［3］基于进化算法，建立火电机组低负荷非线性动态模型，设计低负荷协调控制策略，提高机组参与深度调峰的能力。陈明等［4］针对百万机组低负荷调峰水冷壁壁温局部偏高、燃烧不稳定、主汽温度偏差较大等问题进行分析，提出解决方案。目前的灵活性改造方案或多或少地存在调峰深度不足、运行成本高、初投资高等缺点，如何释放原有设备的深度调峰潜力，成为不少电厂亟待解决的问题［5-6］。本文以安徽某电厂220 t/h 四角切圆燃烧器锅炉为研究对象，进行低负荷稳燃改造，以期为其他电厂锅炉的灵活性改造提供借鉴。

1 锅炉概况

某电厂的2 台220 t/h 锅炉是四川锅炉厂制造的型号为CG-220/9.81-M 的自然循环煤粉炉，具体备置为中速磨正压直吹式制粉系统，直流式浓淡分离燃烧器，采用切向燃烧方式，固态排渣，平衡通风，全钢构架，半露天“P”形布置。锅炉前部为炉膛，四周布满膜式水冷壁。炉顶、水平烟道两侧及转向室设置顶棚和包墙管，尾部竖井烟道交错布置2 级省煤器和2级空气预热器。

炉内燃烧器假想切圆直径为ϕ560 mm，每角设置3 个一次风喷口、4 个二次风喷口、1 个燃尽风喷口（如图1 所示）。在燃烧器以上区域设置2 层分离燃尽风，以减少NOx 的生成。燃烧器燃尽风喷口倾角可在±10°范围内（垂直方向）调整，尾气气流上翘后，可通过调整燃烧中心调整过热的蒸汽温度。锅炉主要热力参数见表1。

表1 锅炉主要设计参数

图1 燃烧器喷口示意图（单位：mm）

2 锅炉存在的问题及改造方案

2.1 锅炉存在的问题

目前，2 台机组锅炉低负荷稳燃能力较差，锅炉最低稳定运行负荷约130 t/h，在120 t/h 负荷运行时曾发生灭火。负荷偏低时火检闪动严重，无法继续降低负荷。炉膛水冷壁存在小面积结焦，同时炉膛出口的NOx浓度较高，最高时可达580 mg/m3。

2.2 改造目标

通过对锅炉燃烧器及二次风的设计改造，实现锅炉最低蒸发量在95 t/h 时稳定运行，维持蒸汽参数的稳定，缓解炉膛水冷壁的结焦，达到提高机组运行经济性与安全性、降低机组煤耗、减少污染物排放、提升经济效益与社会效益的目的。

2.3 改造方案

本次燃烧器改造整体设计思路：在保持锅炉较高燃烧效率的情况下，提高锅炉的低负荷稳燃能力，防止水冷壁结渣，降低炉膛出口的NOx浓度。

（1）对原锅炉燃烧器进行改造，适当增大一次风喷口的面积，降低一次风射流速度，使着火提前［7］。

（2）中间3 层二次风喷口进行一定角度的偏置，形成“风包粉”的燃烧结构。

（3）燃烧器出口背火侧增加少量卫燃带，卫燃带呈棋盘型散状分布，确保卫燃带在不形成结焦的情况下改善燃烧系统着火稳燃条件，提高对煤质的适应性。

（4）下层微油燃烧器喷口增加稳燃齿，增加喷口气粉扰动，强化着火。

（5）改变风量分配条件，在燃尽风道中设置导流板，增加SOFA（分离燃尽风）风量，确保燃尽风在不同负荷段可以单层或2层组合运行，从而使锅炉在不同负荷下均保持高风速和适宜风量，降低锅炉运行中NOx的生成。

3 改造前后运行状况对比

3.1 炉膛火焰温度对比

增强锅炉低负荷稳燃技术主要有燃烧器改造、提高热一次风温、磨煤机动态分离改造、等离子油枪改造、富氧燃烧等，都是通过提高炉膛主燃烧区温度，达到稳定燃烧的目的［1］。此锅炉有A、B、C 3 台磨煤机，分别对应下、中、上3 层燃烧器，每两台磨煤机组合时锅炉内部运行工况均有一定差异。在相同运行工况下，对比120 t/h 时#1 炉改造前后炉膛火焰温度的变化，利用高温红外线测温仪，从3 层煤粉燃烧器4个角及燃尽风看火孔，分别测量炉膛燃烧火焰温度，锅炉改造前后炉膛火焰温度数据对比见表2。

表2 改造前后炉膛火焰温度对比数值表

120 t/h 为改造前锅炉所能达到的最低负荷。由于负荷较低，炉膛火焰温度为700～930 ℃，煤粉进入炉膛后在主燃烧区开始初步燃烧，到炉膛上部燃尽风区域燃烧更加剧烈，此处炉膛火焰温度高于主燃烧区。由表1可以看出，锅炉改造后，任意磨组合时的炉膛火焰温度均有不同程度的提高，其中A、B 磨组合时，#2 角上层测点火焰温度升高最大，达到54 ℃，炉膛整体火焰温度平均升高19.3 ℃。此次燃烧器改造对提高炉膛火焰温度有显著效果。

锅炉改造前后，不同磨之间组合运行时炉膛火焰温度分布均存在一定差异，A、B 磨组合时炉膛下层火焰温度较高，A、C 磨组合和B、C 磨组合时火焰中心上移，炉膛出口火焰温度有一定程度的提高。在锅炉运行负荷较低时宜采用A、B 磨组合，这是因为上层磨组合时，下层燃烧器周界风只有270 ℃左右，相对于上层主燃烧区是一股冷却风，对炉膛火焰有干扰作用，不利于燃烧的稳定性；并且上层磨组合时炉膛出口烟温较高，容易引起过热器、再热器超温。

3.2 炉膛负压波动对比

锅炉在低负荷运行时，随着炉膛温度的降低，火焰出现扰动，会引起炉膛负压波动，甚至偶尔变为正压，此时锅炉负压的小幅度波动都可能引发灭火，对机组稳定运行造成严重影响。因此，炉膛负压的变化是检测炉内燃烧状况的重要参数，通过观察炉膛负压变化就能及时反映运行的稳定性［8］。记录锅炉改造前后不同负荷下炉膛负压的变化情况，通过对比负压波动情况判断改造对锅炉稳燃的效果。负压随时间变化的波动如图2至图4所示。

图2 改造前120 t/h负荷炉膛负压变化情况

图3 改造后120 t/h负荷炉膛负压变化情况

图4 改造后95 t/h负荷炉膛负压变化情况

已知改造前120 t/h 为锅炉稳定燃烧的最低负荷，到120 t/h 时炉膛火焰出现闪动，个别喷口会有脱火现象。从图2 可以看出，此时炉膛负压波动幅度较大，最大差值可达59 Pa；改造后，相同负荷下的炉膛负压波动如图3 所示，相较于改造前，负压波动幅度明显减小，趋于相对稳定状态，炉膛火焰呈稳定切圆燃烧状；随着负荷进一步降低，负压波动逐渐增大，在降低到本次改造目标值95 t/h 时，负压波动愈发剧烈，最大差值可达57 Pa，但相较于改造前120 t/h 时的负压波动幅度略小且变化频率有所降低，炉内火焰偶尔闪动，无喷口脱火现象，在不投油时仍可以稳定燃烧。从炉膛负压波动可以看出，随着负荷的降低，锅炉的稳燃能力逐渐下降，火焰燃烧越来越不稳定。炉膛在改造前120 t/h 负荷、改造后120 t/h 负荷、改造后95 t/h 负荷这3 个工况下，负压平均值分别为34.98 Pa、35.78 Pa、38.42 Pa，均在锅炉正常运行的负压范围内，燃烧基本趋于稳定状态。

3.3 锅炉效率对比

对于整个供电流程而言，锅炉效率会随着运行负荷的改变而变化，随着负荷的降低，炉膛温度有所下降，锅炉排烟温度同步降低会减小排烟损失，但会使煤粉燃尽率降低，增大固体不完全燃烧损失［9］。测量锅炉在120 t/h 负荷下（A、B 磨组合）的空预器出口氧量、温度、脱硝入口NOx 含量，对入炉煤、灰、渣进行化验分析，计算锅炉效率，对比改造前后锅炉运行的经济性指标，相关数据见表3。

表3 改造前后锅炉经济性指标对比

由表3 可知，2 次测试期间入炉煤质接近，挥发成分、发热量等主要参数相差不大，对测试结果影响可忽略不计。锅炉改造后灰渣含碳量降低，这与炉膛火焰温度升高的测量结果相吻合，主燃烧区火焰温度上升及燃尽风量的增大，都有利于提高煤粉燃尽率。并且，随着燃尽风量的增大，主燃烧区煤粉处于缺氧燃烧状态，对炉内NOx 生成起到一定的抑制作用，炉膛出口的NOx 含量为395 mg/Nm3，较改造前降低137 mg/Nm3，减少了锅炉污染物排放，可降低SCR脱硝成本，大幅度提高锅炉的经济性。

根据计算可知，改造后锅炉的机械不完全燃烧损失和化学不完全燃烧损失降低，随着炉膛烟温的升高，虽然排烟热损失增大，锅炉效率较改造前有所降低，但是基本达到了本次改造的主要目的，提高了锅炉低负荷稳燃能力，最低运行负荷达到目标值95 t/h，炉膛出口NOx排放量明显降低。