王俊文，楊飛平，周早壽，何 剛，胡耀華，李貴波

（1.云南能投曲靖發(fā)電有限公司，云南 曲靖 655000；2.貴州省習(xí)水鼎泰能源開發(fā)有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000）

四角切圓燃燒鍋爐結(jié)構(gòu)簡單、爐內(nèi)氣流充滿度好、燃料著火性能好、燃盡率高。因此廣泛應(yīng)用于中、大型燃煤發(fā)電機(jī)組中[1]。近年來，火力發(fā)電機(jī)組年利用小時數(shù)逐年遞減，在我國西南地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出。同時，電煤供應(yīng)呈現(xiàn)出“小煤保大電”的格局，電煤價格持續(xù)攀升，使得大多數(shù)燃煤電廠燃用非設(shè)計煤種，采用摻燒價廉劣質(zhì)煤的方式降低生產(chǎn)經(jīng)營成本[2-3]。然而，劣質(zhì)煤摻燒使?fàn)t內(nèi)燃燒性能變差，出現(xiàn)鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重、爐內(nèi)燃燒不穩(wěn)定、再熱汽溫偏低、灰、渣含碳量偏高、NOx、SO2排放特性不佳等安全、環(huán)保問題[4-7]。鍋爐敷設(shè)一定面積的衛(wèi)燃帶和采用不同的布置方式，在一定程度上可以改善煤粉在爐內(nèi)燃燒的性能[8]。閆順林等[9]針對300 MW鍋爐燃用劣質(zhì)煤引起的汽溫度偏低、低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性差、煤粉燃盡率低問題，提出在主燃燒區(qū)下水冷壁處敷設(shè)衛(wèi)燃帶，通過Fluent數(shù)值模擬軟件分析，設(shè)計出最佳改造方案，解決了上述問題。耿向瑾等[10]通過調(diào)整鍋爐高、低負(fù)荷區(qū)域衛(wèi)燃帶的布置面積，解決了鍋爐結(jié)焦的問題。楊帆等[11]針對660 MW“W”型火焰鍋爐，提出減少下爐膛側(cè)墻衛(wèi)燃帶面積，緩解了側(cè)墻結(jié)焦的問題。陳凱等[12]的研究證明：增加衛(wèi)燃帶的布置高度，可以提高火焰中心高度，進(jìn)而提高鍋爐排煙溫度，改善再熱汽溫。還有文獻(xiàn)[13]闡述了改變衛(wèi)燃帶的布置方式及布置面積，能夠提高爐內(nèi)溫度,增強(qiáng)燃燒穩(wěn)定性,有效降低灰、渣含碳量,對提高鍋爐燃燒效率和改善結(jié)焦特性具有顯著作用。就目前燃煤電廠經(jīng)營狀況、所處地理位置、煤種價格分析，從改變?nèi)剂系慕嵌雀纳棋仩t結(jié)焦、低負(fù)荷穩(wěn)燃等問題較為困難，主要考慮衛(wèi)燃帶改造的方法[14-15]。文中針對鍋爐燃用非設(shè)計煤種導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重、燃燒不穩(wěn)等問題，以四角切圓燃燒鍋爐為研究對象，提出衛(wèi)燃帶改造的方案，通過Fluent軟件數(shù)值模擬優(yōu)化了設(shè)計方案，并對改造后的效果進(jìn)行評價。

1 研究對象及存在的問題

1.1 研究對象

西南地區(qū)某4×300 MW燃煤電廠鍋爐采用東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025/18.2-Ⅱ8型亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)除渣、露天布置、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)的燃煤鍋爐。燃燒器采用四角直流擺動式燃燒器，采用雙切圓逆時針布置，燃用當(dāng)?shù)責(zé)熋?，爐膛四周布置6層共24只煤粉燃燒器。每角燃燒器分為上、下兩組。4臺鍋爐燃燒器已先后改造為低NOx燃燒器，文中以該電廠2#鍋爐為研究對象，爐膛結(jié)構(gòu)如圖1所示，燃燒器上一次風(fēng)噴口到大屏過熱器底部距離L=20 870 mm，燃燒器下一次風(fēng)噴口到水冷壁冷灰斗拐角距離L2=4 110 mm。A層一次風(fēng)到F層一次風(fēng)噴口中心線距離hl=7 680 mm，AA層二次風(fēng)到FF層二次風(fēng)噴口距離hr=10 890 mm。

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

1.2 存在的問題

因當(dāng)?shù)仉娒簝r格波動較大，電廠經(jīng)營壓力大，鍋爐燃用非設(shè)計煤種造成低負(fù)荷燃燒不穩(wěn)；再熱汽溫在低負(fù)荷時段只有502.7～511.2℃，嚴(yán)重偏離設(shè)計值540℃；飛灰含碳量在1.58%～2.86%、爐渣含碳量在7.76%～10.77%，灰、渣含碳量比較高。表1統(tǒng)計了2014年、2015年兩年中2#機(jī)組低負(fù)荷時段再熱汽溫、灰渣含碳量的情況。

表1 2#爐低負(fù)荷時段汽溫、灰渣狀況

2 衛(wèi)燃帶改造

2.1 衛(wèi)燃帶布置分析

四角切圓爐型衛(wèi)燃帶主要布置于主燃燒區(qū)域及上爐膛區(qū)域，如圖2所示。具體敷設(shè)方式及位置見表2。運用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計算分析，衛(wèi)燃帶布置方式對爐膛出口煙溫影響見表3。由表3可知：提升相同爐膛出口煙溫參數(shù)條件下，衛(wèi)燃帶敷設(shè)在主燃燒區(qū)域（1區(qū)、2區(qū)）的布置面積可相對較少，在上爐膛區(qū)域（3區(qū)、4區(qū)）則相對較多。因此，四角切圓爐型衛(wèi)燃帶布置首選主燃燒區(qū)域（1區(qū)優(yōu)于2區(qū)）。

表3 衛(wèi)燃帶布置方式對爐膛出口煙溫影響

圖2 四角切圓爐型衛(wèi)燃帶經(jīng)典布置方式

表2 敷設(shè)方式及位置

圖3給出了爐膛速度場分布，圖4為衛(wèi)燃帶導(dǎo)熱系數(shù)λ、衛(wèi)燃帶面積F、衛(wèi)燃帶厚度δ及鍋爐負(fù)荷D0與衛(wèi)燃帶表面溫度關(guān)系。

圖3 爐膛速度場圖

圖4 λ、F、δ、D0與衛(wèi)燃帶表面溫度關(guān)系圖

通過數(shù)值計算，結(jié)論為：①不同配風(fēng)工況和衛(wèi)燃帶敷設(shè)條件下，爐膛火焰及溫度分布規(guī)律存在一定差異，但所有衛(wèi)燃帶敷設(shè)方式均可提高煙氣溫度和改善著火條件。燃燒器1、2區(qū)段加設(shè)衛(wèi)燃帶后其火焰直徑較之在折煙角下部3、4區(qū)段加設(shè)衛(wèi)燃帶時火焰溫度更高。②在燃燒器區(qū)域上部敷設(shè)較大面積衛(wèi)燃帶可以取得燃燒器區(qū)域敷設(shè)衛(wèi)燃帶相同的效果。該敷設(shè)方式還可以有效地避免結(jié)焦。③衛(wèi)燃帶的表面溫度受到面積、厚度、傳熱系數(shù)以及鍋爐負(fù)荷等因素影響。在衛(wèi)燃帶其他參數(shù)保持不變的情況下，衛(wèi)燃帶的表面溫度隨衛(wèi)燃帶面積、厚度、鍋爐負(fù)荷增加而上升，隨導(dǎo)熱系數(shù)增加而下降。④衛(wèi)燃帶厚度對衛(wèi)燃帶表面溫度影響較大，導(dǎo)熱系數(shù)對表面溫度影響較小。

2.2 衛(wèi)燃帶布置優(yōu)化

四角切圓燃燒鍋爐衛(wèi)燃帶布置最佳途徑：煤粉顆粒不易沖刷的區(qū)域。①燃燒產(chǎn)物沿爐膛高度能夠沖刷到的區(qū)域主要集中于燃燒區(qū)及其以上3 m范圍內(nèi)；②燃燒產(chǎn)物沿水平方向能夠沖刷到的區(qū)域主要集中于燃燒器每個角的向火側(cè)。圖5給出了燃燒器區(qū)域結(jié)焦位置示意圖。帶箭頭粗線1所覆蓋的爐墻為燃燒產(chǎn)物易沖刷到的區(qū)域；細(xì)線2所覆蓋的爐墻為燃燒產(chǎn)物不易沖刷到的區(qū)域。實際設(shè)計方案中，可根據(jù)該思路對燃燒器區(qū)域的四角向火側(cè)、背火側(cè)區(qū)域面積作出微調(diào)；需對向火側(cè)、背火側(cè)區(qū)域大面積差異性調(diào)整時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行水冷壁的水動力影響估算。

圖5 燃燒器區(qū)域結(jié)焦位置示意圖

2.3 具體實施方案

有文獻(xiàn)[16]闡述了鍋爐衛(wèi)燃帶改造需考慮爐內(nèi)熱負(fù)荷不均勻性問題，就四角切圓燃燒鍋爐而言，熱負(fù)荷變化情況沿爐寬和深度基本一致。爐內(nèi)熱負(fù)荷分布沿爐寬呈中間高、兩邊低的現(xiàn)象；沿爐高在燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷最高。同時，衛(wèi)燃帶表面粗糙，鍋爐容易發(fā)生結(jié)焦。因此，衛(wèi)燃帶布置原則應(yīng)在熱負(fù)荷偏低區(qū)域多布置，以減少水冷壁吸熱，提高爐內(nèi)煙溫；在熱負(fù)荷偏高的區(qū)域少布置，防止高溫區(qū)域衛(wèi)燃帶出現(xiàn)結(jié)焦的現(xiàn)象。綜上所述，該電廠衛(wèi)燃帶擬改造方案為：以A層燃燒器噴口底標(biāo)高為基準(zhǔn)，分3層，共88塊，分大小兩類，大塊1 000 mm×1 000 mm，共54塊，小塊1 000 mm×500 mm，共34塊，前后墻各18.5 m2，左右墻各17 m2，澆筑面積為71 m2。

3 改造效果

3.1 結(jié)焦的影響

衛(wèi)燃帶改造的主要安全風(fēng)險是：由于落焦，爐膛負(fù)壓波動大，導(dǎo)致鍋爐滅火；間歇落焦可能導(dǎo)致刮板出渣機(jī)或碎渣機(jī)跳火。2#爐燃燒帶改造布置在燃燒區(qū)下部，落焦后向冷灰斗滑動一小段距離，因此落焦滅火的可能性較小。2#鍋爐衛(wèi)燃帶改造前渣形如圖6所示。2#鍋爐衛(wèi)燃帶改造完成后，運行10多天，通過燃燒優(yōu)化和配風(fēng)方式調(diào)整，A、B兩側(cè)排渣機(jī)出渣量正常，渣體結(jié)構(gòu)大多疏松，粒徑超標(biāo)焦塊少，如圖7所示。

圖6 2#鍋爐衛(wèi)燃帶改造前渣形圖

圖7 2#鍋爐衛(wèi)燃帶改造后渣形圖

3.2 NO x、SO2排放特性的影響

為驗證2#鍋爐衛(wèi)燃帶改造后NOx、SO2排放濃度滿足國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)，在2#鍋爐運行10來天時間里燃燒相同煤種，記錄不同負(fù)荷工況下的NOx、SO2排放濃度均值及氧量均值情況（見表4）。從表4中數(shù)據(jù)分析：2#機(jī)組鍋爐衛(wèi)燃帶改造后，在高、低負(fù)荷工況下NOx、SO2排放濃度均在國家環(huán)保要求可控范圍。

表4 2#鍋爐衛(wèi)燃帶改造后環(huán)保參數(shù)排放情況

3.3 灰、渣含碳量的影響

2#機(jī)組先后完成了低NOx燃燒器、SCR煙氣脫硝系統(tǒng)及配套設(shè)備改造等相關(guān)環(huán)保工程，但改造后鍋爐的飛灰、爐渣含碳量難以控制在較低水平。經(jīng)衛(wèi)燃帶改造后，通過調(diào)整主燃燒區(qū)14層小風(fēng)門，采用“低氮、均等”配風(fēng)方式，同步進(jìn)行爐膛上部燃盡風(fēng)的“部分投入、部分切除”組合調(diào)整等方案，尋找理想的配風(fēng)方式，最后在原有基礎(chǔ)上飛灰、爐渣含碳量有所降低。

實踐證明，衛(wèi)燃帶改造的實施效果有利于降低粉煤灰和爐渣的含碳量,經(jīng)過不同負(fù)荷段鍋爐飛灰、爐渣含碳量采樣化驗實時數(shù)據(jù)如表5所示?？梢钥闯觯褐?、低負(fù)荷時段飛灰含碳量為1%～2%、爐渣含碳量為3%～5%；高負(fù)荷段飛灰含碳量為1%～1.5%、爐渣含碳量2%～4%。統(tǒng)計結(jié)果均優(yōu)于衛(wèi)燃帶改造前數(shù)據(jù)。

表5 2#機(jī)組不同負(fù)荷段鍋爐飛灰、爐渣含碳量數(shù)據(jù)

3.4 再熱汽溫的影響

在改造前，2#機(jī)組在50%～60%負(fù)荷運行時經(jīng)常出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒，需要投油助燃，再熱汽溫達(dá)不到設(shè)計值。近年來，鍋爐低氮燃燒器改造完成后，再熱汽溫進(jìn)一步降低，比設(shè)計值低10～15℃左右。2#鍋爐實施衛(wèi)燃帶改造后，降低了爐內(nèi)水冷壁的吸熱，提高了爐膛出口煙氣的溫度，有利于提高再熱器的蒸汽溫度。運行結(jié)果表明：低負(fù)荷時，機(jī)組再熱汽溫提高5℃左右；高負(fù)荷時，鍋爐再熱汽溫提高10℃左右，2#機(jī)組不同負(fù)荷時段主、再汽溫數(shù)據(jù)見表6，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性顯著提高。

表6 2#機(jī)組不同負(fù)荷時段負(fù)主、再熱汽溫數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

該電廠2#鍋爐受熱面經(jīng)過合理敷設(shè)衛(wèi)燃帶改造后，燃用非設(shè)計煤種時鍋爐結(jié)焦問題得以改善，未出現(xiàn)過落焦滅火、刮板出渣機(jī)卡跳現(xiàn)象；飛灰含碳量降低0.58%～1.38%、爐渣含碳量降低3.3%～6.2%；NOx、SO2排放濃度滿足超低排放要求；機(jī)組再熱汽溫提高5～10℃，提高了機(jī)組的安全穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性。