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1、前言
    大唐湘潭發(fā)電有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱“湘潭電廠”）二期工程為2 x600 MW機(jī)組超臨界對(duì)沖燃燒直流鍋爐，已于2006年投產(chǎn)。近幾年還將有一批超臨界鍋爐投產(chǎn)，這些鍋爐盡管設(shè)計(jì)燃用優(yōu)質(zhì)貧煤或煙煤，但實(shí)際上已燃用或?qū)⒁�燃用本省低揮發(fā)分無(wú)煙煤或劣質(zhì)混煤，因此有必要全面系統(tǒng)地研究600 MW機(jī)組超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐對(duì)低揮發(fā)分無(wú)煙煤或劣質(zhì)混煤的適應(yīng)性及燃燒優(yōu)化技術(shù)，從而提高其對(duì)低揮發(fā)分無(wú)煙煤或劣質(zhì)煤以及煤質(zhì)大幅度波動(dòng)的適應(yīng)性，保證湖南省600MW超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
2、超臨界直流鍋爐燃燒方式比較
    因燃用煙煤、貧煤的超臨界機(jī)組主要采用切圓燃燒與對(duì)沖燃燒2種方式，以下對(duì)這2種燃燒方式進(jìn)行比較：
2.1著火穩(wěn)燃條件分析
    切圓燃燒是直流射流本身的卷吸和依靠鄰角上游火焰對(duì)下游煤粉射流的引燃著火，又可控制二次風(fēng)與一次風(fēng)粉混合的時(shí)機(jī)來(lái)適應(yīng)不同燃料的著火性能，可以采用煙氣內(nèi)回流和煤粉濃淡分離來(lái)強(qiáng)化著火；旋流燃燒器對(duì)沖燃燒則是依靠燃燒器本身回流卷吸高溫?zé)煔�，有較好的著火穩(wěn)燃能力，并通過(guò)濃淡分離來(lái)強(qiáng)化著火。從實(shí)際運(yùn)行情況看，這2種燃燒方式著火穩(wěn)定性基本相同，若煤種變化和煤質(zhì)下降時(shí)，切圓燃燒方式的適應(yīng)能力要強(qiáng)一些。
2.2燃料燃盡度和燃燒效率
    雖然切圓燃燒的后期混合較對(duì)沖燃燒強(qiáng)烈，對(duì)貧煤燃燒有利，這2種燃燒方式對(duì)煙煤來(lái)說(shuō)影響不大。由于大型鍋爐爐膛容積大、煤粉停留時(shí)間長(zhǎng)，若煤粉細(xì)度得到保證，兩者燃燒效率均高于gg%。
2.3結(jié)渣與腐蝕
    切圓燃燒易產(chǎn)生氣流貼墻，因而比對(duì)沖燃燒容易結(jié)渣和腐蝕，特別是燃用貧煤時(shí)由于燃燒延遲和二次風(fēng)與一次風(fēng)的動(dòng)量流率比大，使得火焰刷墻，導(dǎo)致結(jié)渣與腐蝕。
2.4NOx排放
    切圓燃燒中的空氣與煤粉是逐漸混合，溫度峰值低，熱力NOx濃度低，并在大型鍋爐上可以采用低NOx措施。而對(duì)沖燃燒不僅存在局部高溫，又由于后期混合差存在局部高氧區(qū)，加上各燃燒器之間風(fēng)粉分配不均，故NOx排放偏大。
2.5熱偏差
    切圓燃燒由于爐膛出口氣流的殘余旋轉(zhuǎn)造成過(guò)熱器與再熱器左右兩側(cè)的熱偏差，但可以通過(guò)煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)采取措施來(lái)解決。而對(duì)沖燃燒爐膛出口煙溫比較均勻。
2.6綜合分析
    綜上所述，從煤種適應(yīng)性和NOx的排放來(lái)看，切圓燃燒優(yōu)于對(duì)沖燃燒。從結(jié)渣與腐蝕和熱偏差來(lái)看，對(duì)沖燃燒優(yōu)于切圓燃燒。
3、湘潭電廠超臨界鍋爐簡(jiǎn)介
    湘潭電廠2 x 600 MW機(jī)組超臨界鍋爐系東方鍋爐（集團(tuán)）有限公司生產(chǎn)的DG1900/25.4 -Ⅱl型超臨界參數(shù)變壓直流本生鍋爐，前后墻對(duì)沖燃燒，配正壓直吹式制粉系統(tǒng)。每臺(tái)爐共配有24個(gè)BHDB公司生產(chǎn)的HT-NR3型旋流煤粉燃燒器，與之配套的是6臺(tái)沈陽(yáng)重型機(jī)械廠生產(chǎn)的BBD4060雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)。設(shè)計(jì)燃用貧煤與煙煤的混煤，但實(shí)際上主要燃用低揮發(fā)分無(wú)煙煤和劣質(zhì)貧煤。
3.1HT-NR3燃燒器性能
    鍋爐采用HT-NR燃燒器，該燃燒器應(yīng)用NOx焰內(nèi)還原技術(shù)，在不降低火焰溫度的同時(shí)使得NOx的排放急劇減少，較好地解決了NOx排放與未燃盡碳損失這一對(duì)矛盾，達(dá)到高效率、低NOx排放燃燒。
3.2利用火焰中NOx還原技術(shù)
    在HT - NR燃燒器中，旋流燃燒器能夠單獨(dú)控制火焰結(jié)構(gòu)，用于加速火焰內(nèi)的NOx還原。在含有固有氮化物的煤中，這個(gè)還原方法是很有效的，因?yàn)槊褐泄逃械�化物可快速轉(zhuǎn)變成氣相，使得這種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程更容易。通過(guò)控制燃燒進(jìn)程，產(chǎn)生還原性媒介質(zhì)與生成的NO反應(yīng)化合，在火焰內(nèi)完成了NO的還原，同時(shí)火焰被維持在一個(gè)高溫下，避免發(fā)生延遲燃燒。
3.3煤粉濃縮器和穩(wěn)燃環(huán)
    煤粉濃縮器安裝在煤粉燃燒器的中心，煤粉燃燒器末端的斷面是逐漸擴(kuò)展的。煤粉粒子具有相對(duì)高的動(dòng)量，具有沿直線運(yùn)動(dòng)的特性。空氣具有較低的動(dòng)量，運(yùn)動(dòng)中趨于進(jìn)入噴口中心。通過(guò)煤粉粒子和空氣的動(dòng)量的差異，煤粉粒子聚集在穩(wěn)燃環(huán)附近。高煤粉濃度實(shí)現(xiàn)了快速點(diǎn)燃，提高了火焰的穩(wěn)定能力。
    火焰穩(wěn)燃環(huán)裝在煤粉噴口的末端。在HT - NR燃燒器中，靠近燃燒器處有1個(gè)負(fù)壓區(qū)，熱煙氣回流促進(jìn)著火并提高了燃燒效率。同時(shí)，在穩(wěn)燃環(huán)中安裝了導(dǎo)流環(huán)，可使二次風(fēng)和三次風(fēng)向外擴(kuò)展。因此，火焰還原區(qū)域擴(kuò)大，火焰長(zhǎng)度被縮短，擴(kuò)大的還原區(qū)域提高了“焰內(nèi)還原NOx”的能力。
4、鍋爐對(duì)煤種適應(yīng)性的分析
以cl，CB，Cs分別表示鍋爐著火穩(wěn)定性、燃盡性和結(jié)焦性常數(shù)。它綜合了燃料和結(jié)構(gòu)的特性，是鍋爐在一定燃料和一定結(jié)構(gòu)條件下的著火、燃盡和結(jié)焦特性的表征值。其范圍為：
  通過(guò)對(duì)比可以看出：湘潭電廠600 MW機(jī)組鍋爐C大于其他鍋爐，遠(yuǎn)大于上限值2. 055，因此鍋爐的燃盡性相對(duì)其他鍋爐優(yōu)勢(shì)明顯；由于未加衛(wèi)燃帶，著火穩(wěn)定性相對(duì)其他鍋爐沒(méi)有優(yōu)勢(shì)；防結(jié)焦性在正常范圍內(nèi)。
5、鍋爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬研究
5.1額定負(fù)荷鍋爐爐內(nèi)速度場(chǎng)結(jié)果分析
  二次風(fēng)進(jìn)入爐膛后貼向水冷壁，一次風(fēng)在爐膛中具有很強(qiáng)的剛性，但不會(huì)出現(xiàn)火焰直接沖擊對(duì)面水冷壁的情況，燃燒區(qū)域具有很大的回流區(qū)。中部氣流有擠向側(cè)墻的情況，且在爐膛四角出現(xiàn)漩渦。在OFA截面，燃盡風(fēng)有很強(qiáng)的剛性，吹向爐膛中部。
5.2額定負(fù)荷鍋爐爐內(nèi)溫度場(chǎng)結(jié)果分析
    圖2為額定負(fù)荷時(shí)鍋爐中層燃燒器區(qū)域的溫度圖。從圖中可以看出，由于旋流燃燒器是單只組織燃燒，因此爐膛內(nèi)溫度總體上呈對(duì)稱分布。模擬計(jì)算結(jié)果表明：上、中、下層溫度分布特點(diǎn)相同，在燃燒器出口處的溫度變化梯度較大，溫升快，保證了煤粉氣流的及時(shí)著火，爐膛中心區(qū)域燃燒最為劇烈，最高點(diǎn)溫度達(dá)到1600℃，爐膛火焰充滿度良好；下層燃燒器區(qū)域爐膛溫度略顯偏低，由于在上一層燃燒器受到下層燃燒器火焰的支持，煙氣溫度要明顯高于下層，在燃盡風(fēng)區(qū)域溫度達(dá)到最高，隨后煙氣溫度逐步降低。
5.3額定負(fù)荷NOx分布
    NOx濃度與過(guò)量空氣系數(shù)、燃燒溫度和煤的含氮量有關(guān)，NOx濃度與溫度變化趨勢(shì)一致。在燃燒器和燃盡風(fēng)之間的還原區(qū)域NOx濃度達(dá)到最大，然后逐步降低，在爐膛出口NOx濃度達(dá)到最低值491mg/Nm3，與實(shí)驗(yàn)值(510mg/Nm3)大致相符。
5.4結(jié)渣的部位和程度模擬結(jié)果
    結(jié)渣模擬表明，前后墻有輕微的結(jié)渣傾向，側(cè)墻結(jié)渣傾向更大一些，在側(cè)墻燃燒器高度，由于高溫?zé)煔饣亓鲙��?dòng)煤粉粒子刷墻造成結(jié)渣。
5.5增加衛(wèi)燃帶模擬結(jié)果及對(duì)比
    圖3為在下層燃燒器高度和中層燃燒器高度增加350m2衛(wèi)燃帶的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果，通過(guò)與圖2的對(duì)比可以看出，增加衛(wèi)燃帶后爐膛斷面高溫區(qū)增加，整體溫度水平有近100℃的上升，爐膛溫度偏低的狀況有明顯改善。因此，建議在燃燒器區(qū)域加裝衛(wèi)燃帶。
6、燃燒優(yōu)化試驗(yàn)研究
    湘潭電廠超臨界鍋爐設(shè)計(jì)燃用煙煤和貧煤的混煤，實(shí)際燃用的煤種較雜，基本為少量煙煤及本省劣質(zhì)貧煤和晉城無(wú)煙煤的混煤。試驗(yàn)期間煤質(zhì)工業(yè)分析數(shù)據(jù)見表3。由于無(wú)煙煤比例較大、燃盡特性差，燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的重點(diǎn)是針對(duì)無(wú)煙煤的特性解決鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。
6.1預(yù)備性試驗(yàn)
    燃燒調(diào)整試驗(yàn)前進(jìn)行了預(yù)備性試驗(yàn)，試驗(yàn)在不做任何調(diào)整的情況下進(jìn)行，試驗(yàn)飛灰和爐渣可燃物含量分別為7.80%，11. 26%，排煙溫度149℃，鍋爐效率89.32%。
6.2變氧量試驗(yàn)
  560 MW以上負(fù)荷下變氧量試驗(yàn)工況。按氧量由小到大排列，省煤器出口氧量分別控制在2.5 %，3.0%，3.5%．4.0%，飛灰可燃物含量分別為7.55%．7.46%．4.72%，6.62%。隨氧量增大，飛灰可燃物含量降低，機(jī)械不完全燃燒損失q4減少。這是由于試驗(yàn)煤種中無(wú)煙煤占有較大比例，煤粉較難燃盡，適當(dāng)提高氧量有利于充分燃燒；但氧量過(guò)高（高于4.0%）不利于煤粉著火，飛灰可燃物反而升高。
6.3變外=次風(fēng)（即三次風(fēng)）葉片角度試驗(yàn)
    燃燒器三次風(fēng)為旋流風(fēng)，三次風(fēng)的作用主要是卷吸高溫?zé)釤煔獠⒀a(bǔ)充燃燒所需的空氣，它在燃燒器風(fēng)量中占的比例最大，對(duì)煤粉燃燒起關(guān)鍵作用。
    三次風(fēng)葉片角度分別為45%，55%，65%，飛灰可燃物含量分別為7. 88%，7.03%，7.83%，排煙溫度分別為150.6℃．148.5℃，149.8℃�？梢娙�次風(fēng)葉片角度變化對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性有一定的影響。三次風(fēng)葉片角度關(guān)小至45%，燃燒器風(fēng)量減少，飛灰可燃物含量升高，鍋爐效率明顯降低；三次風(fēng)葉片角度開大至65%，旋流強(qiáng)度降低，同樣飛灰可燃物含量升高。因此在試驗(yàn)煤質(zhì)情況下，三次風(fēng)葉片角度的調(diào)整應(yīng)綜合考慮燃燒器風(fēng)量和旋流強(qiáng)度2個(gè)方面，在55%左右葉片角度下，煤粉燃盡效果較好。
6.4變?nèi)急M風(fēng)門開度試驗(yàn)
    不同燃盡風(fēng)門開度可改變?nèi)急M風(fēng)量和燃燒器風(fēng)量的分配比例。試驗(yàn)分100%，50%，40%3個(gè)工況，飛灰可燃物含量分別為6.12%，7.26%，7.06%。燃盡風(fēng)門全開工況的飛灰可燃物含量明顯低于其它2個(gè)工況，這主要是對(duì)試驗(yàn)煤質(zhì)來(lái)說(shuō)，燃盡風(fēng)比例增大可降低燃燒器區(qū)域風(fēng)量，有利于煤粉著火和穩(wěn)燃效果，同時(shí)后期風(fēng)量充足有利于燃盡。
6.5變?nèi)急M風(fēng)門葉片角度試驗(yàn)
    改變?nèi)急M風(fēng)噴口二次風(fēng)和三次風(fēng)調(diào)風(fēng)器角度可改變?nèi)急M風(fēng)量和旋流強(qiáng)度。2個(gè)工況燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器角度分別在25%，50%，飛灰可燃物含量分別為6.12%．6.30%。2個(gè)工況飛灰可燃物含量沒(méi)有明顯變化，排煙損失也接近。
6.6變二次風(fēng)套簡(jiǎn)位置試驗(yàn)
    二次風(fēng)套筒主要調(diào)節(jié)燃燒器內(nèi)外二次風(fēng)的比例，起到控制燃燒初期氧量供應(yīng)的作用。變二次風(fēng)套筒位置試驗(yàn)工況開度分別在1OO%，65%，飛灰可燃物含量分別為5.02%，4.93%，爐渣可燃物含量分別為4.00%．6.34%，排煙溫度分別為133.47℃．136.15℃；2個(gè)工況飛灰可燃物含量接近，100%開度下爐渣可燃物含量和排煙溫度略低。
6.7變煤粉細(xì)度對(duì)比試驗(yàn)
    2個(gè)工況煤質(zhì)、配風(fēng)工況基本相同，煤粉細(xì)度R90分別為17.6%和12.4%，飛灰可燃物含量分別為7. 46%5.61%，爐渣可燃物含量分別為18.ll%．8.10%，試驗(yàn)結(jié)果表明煤粉細(xì)度提高后煤粉的燃盡效果好，灰渣可燃物含量明顯降低。
6.8優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)
    針對(duì)前一階段試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)人員進(jìn)行了分析和優(yōu)化調(diào)整，并進(jìn)行了3個(gè)工況的優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。3個(gè)工況鍋爐效率平均91.4%，比預(yù)備性試驗(yàn)約提高了2%。
    經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)整飛灰可燃物含量在4.0%一5.0%范圍內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。煤粉細(xì)度R90盡量控制在12%左右較好，氧量適當(dāng)提高飛灰可燃物含量明顯降低（省煤器出口氧量應(yīng)控制在3.5%左右），三次風(fēng)葉片角度在中間位置飛灰可燃物含量有所降低，燃盡風(fēng)擋板開度應(yīng)大于60%。各調(diào)整工況對(duì)排煙溫度的影響不太明顯。
6.9存在的問(wèn)題和建議
    對(duì)灰渣可燃物化驗(yàn)結(jié)果表明，爐渣可燃物含量明顯偏高（平均在10%左右）。主要原因有2個(gè)方面：a．混煤中無(wú)煙煤（如晉城煤和志城煤）較難研磨，爐渣中無(wú)煙煤粗顆粒較多；鑒于目前人爐煤中無(wú)煙煤比例不斷加大，要保證鍋爐經(jīng)濟(jì)性必須進(jìn)一步控制煤粉細(xì)度，煤粉細(xì)度R90必須控制在12%以下。b．下爐膛溫度偏低，煤粉粗顆粒燃盡困難。試驗(yàn)測(cè)得3層燃燒器區(qū)域溫度平均約1100℃左右，燃盡風(fēng)區(qū)域I 350℃左右，明顯偏低，通過(guò)燃燒調(diào)整手段提高爐膛溫度效果不明顯，建議在燃燒器區(qū)域適當(dāng)敷設(shè)衛(wèi)燃帶。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯(cuò)的選擇。
7、技術(shù)(改造）措施
7.1油槍霧化片更換：在機(jī)組調(diào)試初期，通過(guò)將啟動(dòng)油槍霧化片更換為3 200 kg/h和2400 kg/h這樣2種規(guī)格，達(dá)到了省油和保證霧化效果的目的；將下排點(diǎn)火油槍霧化片更換為500 kg/h，提高了煤粉著火和穩(wěn)燃性能。
7.2鍋爐啟動(dòng)超溫問(wèn)題的解決：首次采用修改鍋爐啟動(dòng)控制曲線、增大高低壓旁路開度、增加主蒸汽流量、投入減溫水的方法，成功解決了該類型超臨界鍋爐啟動(dòng)超溫的問(wèn)題，該方法的有效性、經(jīng)濟(jì)性和安全性明顯。
7.3鍋爐制粉系統(tǒng)設(shè)備改造：雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)普遍存在分離器和回粉管易堵塞、煤粉細(xì)度無(wú)法調(diào)整等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)磨煤機(jī)分離器和回粉管進(jìn)行定期清理，同時(shí)對(duì)分離器進(jìn)行2級(jí)分離改造，煤粉細(xì)度得到有效控制，從而保證了鍋爐燃用無(wú)煙煤時(shí)燃燒穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。
8、結(jié)論
    通過(guò)對(duì)湘潭電廠國(guó)產(chǎn)600MW超臨界鍋爐燃燒特性的理論研究和燃燒優(yōu)化試驗(yàn)研究，找出了在燃用劣質(zhì)煤條件下鍋爐的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，解決了湘潭電廠600 MW超臨界鍋爐由于煤質(zhì)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)要求出現(xiàn)的帶負(fù)荷能力差、飛灰可燃物含量高等難題，鍋爐效率提高了2.08%；提出并實(shí)施的技術(shù)（改造）措施簡(jiǎn)單可行，解決了生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，為鍋爐安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行創(chuàng)造了有利條件。