四角切圆燃烧锅炉卫燃带改造及效果分析

王俊文，杨飞平，周早寿，何 刚，胡耀华，李贵波

（1.云南能投曲靖发电有限公司，云南 曲靖 655000；2.贵州省习水鼎泰能源开发有限责任公司，贵州 遵义 563000）

四角切圆燃烧锅炉结构简单、炉内气流充满度好、燃料着火性能好、燃尽率高。因此广泛应用于中、大型燃煤发电机组中[1]。近年来，火力发电机组年利用小时数逐年递减，在我国西南地区表现得尤为突出。同时，电煤供应呈现出“小煤保大电”的格局，电煤价格持续攀升，使得大多数燃煤电厂燃用非设计煤种，采用掺烧价廉劣质煤的方式降低生产经营成本[2-3]。然而，劣质煤掺烧使炉内燃烧性能变差，出现锅炉结焦严重、炉内燃烧不稳定、再热汽温偏低、灰、渣含碳量偏高、NOx、SO2排放特性不佳等安全、环保问题[4-7]。锅炉敷设一定面积的卫燃带和采用不同的布置方式，在一定程度上可以改善煤粉在炉内燃烧的性能[8]。闫顺林等[9]针对300 MW锅炉燃用劣质煤引起的汽温度偏低、低负荷燃烧稳定性差、煤粉燃尽率低问题，提出在主燃烧区下水冷壁处敷设卫燃带，通过Fluent数值模拟软件分析，设计出最佳改造方案，解决了上述问题。耿向瑾等[10]通过调整锅炉高、低负荷区域卫燃带的布置面积，解决了锅炉结焦的问题。杨帆等[11]针对660 MW“W”型火焰锅炉，提出减少下炉膛侧墙卫燃带面积，缓解了侧墙结焦的问题。陈凯等[12]的研究证明：增加卫燃带的布置高度，可以提高火焰中心高度，进而提高锅炉排烟温度，改善再热汽温。还有文献[13]阐述了改变卫燃带的布置方式及布置面积，能够提高炉内温度,增强燃烧稳定性,有效降低灰、渣含碳量,对提高锅炉燃烧效率和改善结焦特性具有显著作用。就目前燃煤电厂经营状况、所处地理位置、煤种价格分析，从改变燃料的角度改善锅炉结焦、低负荷稳燃等问题较为困难，主要考虑卫燃带改造的方法[14-15]。文中针对锅炉燃用非设计煤种导致锅炉结焦严重、燃烧不稳等问题，以四角切圆燃烧锅炉为研究对象，提出卫燃带改造的方案，通过Fluent软件数值模拟优化了设计方案，并对改造后的效果进行评价。

1 研究对象及存在的问题

1.1 研究对象

西南地区某4×300 MW燃煤电厂锅炉采用东方锅炉厂生产的DG1025/18.2-Ⅱ8型亚临界、一次中间再热、自然循环、单炉膛、平衡通风、固态除渣、露天布置、全钢架、全悬吊结构的燃煤锅炉。燃烧器采用四角直流摆动式燃烧器，采用双切圆逆时针布置，燃用当地烟煤，炉膛四周布置6层共24只煤粉燃烧器。每角燃烧器分为上、下两组。4台锅炉燃烧器已先后改造为低NOx燃烧器，文中以该电厂2#锅炉为研究对象，炉膛结构如图1所示，燃烧器上一次风喷口到大屏过热器底部距离L=20 870 mm，燃烧器下一次风喷口到水冷壁冷灰斗拐角距离L2=4 110 mm。A层一次风到F层一次风喷口中心线距离hl=7 680 mm，AA层二次风到FF层二次风喷口距离hr=10 890 mm。

图1 炉膛结构尺寸示意图

1.2 存在的问题

因当地电煤价格波动较大，电厂经营压力大，锅炉燃用非设计煤种造成低负荷燃烧不稳；再热汽温在低负荷时段只有502.7～511.2℃，严重偏离设计值540℃；飞灰含碳量在1.58%～2.86%、炉渣含碳量在7.76%～10.77%，灰、渣含碳量比较高。表1统计了2014年、2015年两年中2#机组低负荷时段再热汽温、灰渣含碳量的情况。

表1 2#炉低负荷时段汽温、灰渣状况

2 卫燃带改造

2.1 卫燃带布置分析

四角切圆炉型卫燃带主要布置于主燃烧区域及上炉膛区域，如图2所示。具体敷设方式及位置见表2。运用Fluent软件进行数值计算分析，卫燃带布置方式对炉膛出口烟温影响见表3。由表3可知：提升相同炉膛出口烟温参数条件下，卫燃带敷设在主燃烧区域（1区、2区）的布置面积可相对较少，在上炉膛区域（3区、4区）则相对较多。因此，四角切圆炉型卫燃带布置首选主燃烧区域（1区优于2区）。

表3 卫燃带布置方式对炉膛出口烟温影响

图2 四角切圆炉型卫燃带经典布置方式

表2 敷设方式及位置

图3给出了炉膛速度场分布，图4为卫燃带导热系数λ、卫燃带面积F、卫燃带厚度δ及锅炉负荷D0与卫燃带表面温度关系。

图3 炉膛速度场图

图4 λ、F、δ、D0与卫燃带表面温度关系图

通过数值计算，结论为：①不同配风工况和卫燃带敷设条件下，炉膛火焰及温度分布规律存在一定差异，但所有卫燃带敷设方式均可提高烟气温度和改善着火条件。燃烧器1、2区段加设卫燃带后其火焰直径较之在折烟角下部3、4区段加设卫燃带时火焰温度更高。②在燃烧器区域上部敷设较大面积卫燃带可以取得燃烧器区域敷设卫燃带相同的效果。该敷设方式还可以有效地避免结焦。③卫燃带的表面温度受到面积、厚度、传热系数以及锅炉负荷等因素影响。在卫燃带其他参数保持不变的情况下，卫燃带的表面温度随卫燃带面积、厚度、锅炉负荷增加而上升，随导热系数增加而下降。④卫燃带厚度对卫燃带表面温度影响较大，导热系数对表面温度影响较小。

2.2 卫燃带布置优化

四角切圆燃烧锅炉卫燃带布置最佳途径：煤粉颗粒不易冲刷的区域。①燃烧产物沿炉膛高度能够冲刷到的区域主要集中于燃烧区及其以上3 m范围内；②燃烧产物沿水平方向能够冲刷到的区域主要集中于燃烧器每个角的向火侧。图5给出了燃烧器区域结焦位置示意图。带箭头粗线1所覆盖的炉墙为燃烧产物易冲刷到的区域；细线2所覆盖的炉墙为燃烧产物不易冲刷到的区域。实际设计方案中，可根据该思路对燃烧器区域的四角向火侧、背火侧区域面积作出微调；需对向火侧、背火侧区域大面积差异性调整时应当进行水冷壁的水动力影响估算。

图5 燃烧器区域结焦位置示意图

2.3 具体实施方案

有文献[16]阐述了锅炉卫燃带改造需考虑炉内热负荷不均匀性问题，就四角切圆燃烧锅炉而言，热负荷变化情况沿炉宽和深度基本一致。炉内热负荷分布沿炉宽呈中间高、两边低的现象；沿炉高在燃烧器区域热负荷最高。同时，卫燃带表面粗糙，锅炉容易发生结焦。因此，卫燃带布置原则应在热负荷偏低区域多布置，以减少水冷壁吸热，提高炉内烟温；在热负荷偏高的区域少布置，防止高温区域卫燃带出现结焦的现象。综上所述，该电厂卫燃带拟改造方案为：以A层燃烧器喷口底标高为基准，分3层，共88块，分大小两类，大块1 000 mm×1 000 mm，共54块，小块1 000 mm×500 mm，共34块，前后墙各18.5 m2，左右墙各17 m2，浇筑面积为71 m2。

3 改造效果

3.1 结焦的影响

卫燃带改造的主要安全风险是：由于落焦，炉膛负压波动大，导致锅炉灭火；间歇落焦可能导致刮板出渣机或碎渣机跳火。2#炉燃烧带改造布置在燃烧区下部，落焦后向冷灰斗滑动一小段距离，因此落焦灭火的可能性较小。2#锅炉卫燃带改造前渣形如图6所示。2#锅炉卫燃带改造完成后，运行10多天，通过燃烧优化和配风方式调整，A、B两侧排渣机出渣量正常，渣体结构大多疏松，粒径超标焦块少，如图7所示。

图6 2#锅炉卫燃带改造前渣形图

图7 2#锅炉卫燃带改造后渣形图

3.2 NO x、SO2排放特性的影响

为验证2#锅炉卫燃带改造后NOx、SO2排放浓度满足国家超低排放标准，在2#锅炉运行10来天时间里燃烧相同煤种，记录不同负荷工况下的NOx、SO2排放浓度均值及氧量均值情况（见表4）。从表4中数据分析：2#机组锅炉卫燃带改造后，在高、低负荷工况下NOx、SO2排放浓度均在国家环保要求可控范围。

表4 2#锅炉卫燃带改造后环保参数排放情况

3.3 灰、渣含碳量的影响

2#机组先后完成了低NOx燃烧器、SCR烟气脱硝系统及配套设备改造等相关环保工程，但改造后锅炉的飞灰、炉渣含碳量难以控制在较低水平。经卫燃带改造后，通过调整主燃烧区14层小风门，采用“低氮、均等”配风方式，同步进行炉膛上部燃尽风的“部分投入、部分切除”组合调整等方案，寻找理想的配风方式，最后在原有基础上飞灰、炉渣含碳量有所降低。

实践证明，卫燃带改造的实施效果有利于降低粉煤灰和炉渣的含碳量,经过不同负荷段锅炉飞灰、炉渣含碳量采样化验实时数据如表5所示。可以看出：中、低负荷时段飞灰含碳量为1%～2%、炉渣含碳量为3%～5%；高负荷段飞灰含碳量为1%～1.5%、炉渣含碳量2%～4%。统计结果均优于卫燃带改造前数据。

表5 2#机组不同负荷段锅炉飞灰、炉渣含碳量数据

3.4 再热汽温的影响

在改造前，2#机组在50%～60%负荷运行时经常出现不稳定燃烧，需要投油助燃，再热汽温达不到设计值。近年来，锅炉低氮燃烧器改造完成后，再热汽温进一步降低，比设计值低10～15℃左右。2#锅炉实施卫燃带改造后，降低了炉内水冷壁的吸热，提高了炉膛出口烟气的温度，有利于提高再热器的蒸汽温度。运行结果表明：低负荷时，机组再热汽温提高5℃左右；高负荷时，锅炉再热汽温提高10℃左右，2#机组不同负荷时段主、再汽温数据见表6，机组经济性显著提高。

表6 2#机组不同负荷时段负主、再热汽温数据

4 结语

该电厂2#锅炉受热面经过合理敷设卫燃带改造后，燃用非设计煤种时锅炉结焦问题得以改善，未出现过落焦灭火、刮板出渣机卡跳现象；飞灰含碳量降低0.58%～1.38%、炉渣含碳量降低3.3%～6.2%；NOx、SO2排放浓度满足超低排放要求；机组再热汽温提高5～10℃，提高了机组的安全稳定性及经济性。