改变燃料特性对某W火焰锅炉性能影响的实验研究

张文龙

（太原理工大学，山西 太原 030024）

改变燃料特性对某W火焰锅炉性能影响的实验研究

张文龙

（太原理工大学，山西 太原 030024）

以某2 060 t/h W火焰锅炉为研究对象，在分析研究对象现状的基础上，总结改变燃料特性以后锅炉燃烧工况发生的变化，分析多煤种混合燃烧对锅炉运行性能的影响机理，采用热重分析技术及数值模拟技术实验验证利用煤种特性差异形成燃料分级燃烧的新途径，提出适当改变燃料特性采用多煤种混合燃烧方式是解决W火焰无烟煤锅炉安全高效清洁运行的一种有效方法。

W火焰锅炉；燃料特性；混合燃烧；分级燃烧；燃烧效率；NO x控制

1 W火焰锅炉特点

W火焰锅炉采用W火焰燃烧方式延长煤粉在炉膛内的停留时间，采用浓淡分离技术提高煤粉浓度，燃烧室敷设卫燃带强化着火、强化燃烧，使W火焰锅炉成为燃用无烟煤等难燃煤种的首选炉型。

W火焰锅炉炉膛分为下部的燃烧室和上部的燃烬室两部分，燃烧室侧向宽度比燃烬室大80%～120%，形成两个不等截面，在上下炉膛的前后墙结合部形成炉拱。燃烧器和部分二次风风口布置在前后墙拱上，其余二次风风口分布在下炉膛的前后墙上。煤粉气流和拱上二次风从炉拱由上向下喷入炉膛，下喷的煤粉气流着火后向下伸展；拱下二次风在炉前、炉后与风粉气流火焰几乎呈垂直的方向分级加入，汇合后折转向上形成W火焰；燃烧产物气流上升进入上炉膛。在下炉膛燃烧室的水冷壁上敷设卫燃带，形成着火区的高温，有利于着火。

1.1 锅炉型式及主要参数

某2 060 t/h W火焰锅炉为亚临界压力、一次中间再热、双拱型单炉膛W火焰、平衡通风、固态排渣、露天布置、自然循环汽包炉。设计煤种为晋东南无烟煤，设计效率90.3%。锅炉燃烧器结构如图1所示。

图1 燃烧器结构图

1.2 锅炉运行中存在的主要问题

1.2.1 飞灰可燃物含量高

无烟煤挥发分低、可磨性差，该炉投产后，飞灰、炉渣可燃物含量一直居高不下。性能考核试验时，额定工况下的飞灰可燃物含量达到18.24%，严重影响机组的经济运行；同时，灰渣不能综合利用，只能堆放到灰场，灰场库容压力很大。

1.2.2 NOx生成量大

由于无烟煤的燃烧特性和W火焰锅炉采取的强化着火、强化燃烧的措施，W火焰锅炉炉膛火焰中心峰值温度达到1 500℃以上，热力型NOx生成量较大，NOx排放设计值达到1 300 mg/m3，实际运行中甚至达到1 700 mg/m3以上。

1.2.3 燃油消耗量高

无烟煤挥发分低、着火点高，该炉燃油消耗量很大，2010年发电油耗达到24.62 t/（亿kW·h），全年共使用971 t，其中启停用油846 t、助燃用油112 t，燃油消耗量远大于一般电厂的水平。

1.2.4 容易结焦

W火焰锅炉采取敷设卫燃带等一系列强化着火、燃烧的措施，容积热负荷和断面热负荷较大，炉膛温度较高，容易造成受热面结渣。

2 改变燃料特性对锅炉运行性能的影响

随着国家能源体制改革的深入，煤炭市场化程度提高。为了适应煤炭市场的变化，寻找替代适烧煤种，该W火焰锅炉进行了改变燃料特性的试验工作，在无烟煤中混合一定比例的烟煤，研究燃料特性变化后对锅炉性能的影响。

2.1 改变燃料特性对锅炉燃烧工况的影响

燃料特性变化后该W火焰锅炉燃烧工况出现了明显的变化，主要是：燃烧稳定性增强，锅炉带负荷能力得到改善，NOx生成量由1 700mg/m3降低到800mg/m3，高负荷时燃烧稳定性增强，飞灰可燃物含量降至5%左右，冷态启动用油由150 t/台次降低到50 t/台次以下。

2.2 改变燃料特性对锅炉燃烧工况影响的机理分析

无烟煤中混合一定比例的烟煤入炉燃烧，着火性能、稳燃性能明显改善，燃烧效率明显提高，NOx生成量显著下降。主要是因为烟煤挥发分较高，容易着火，烟煤着火燃烧以后，对无烟煤的着火燃烧起到了支持作用。

无烟煤与烟煤的混合煤粉进入炉膛以后，由于烟煤挥发分高、活化能小、着火温度低，首先达到着火点，形成第一级燃烧。烟煤着火燃烧以后释放出大量热量，为无烟煤的着火创造了有利条件，克服了无烟煤挥发分低、活化能大、着火温度高，不容易燃烧的缺点。第一级燃烧产生的高温烟气，促进了无烟煤粉的着火，形成第二级燃烧。由于以烟煤为主的第一级燃烧对以无烟煤为主的第二级燃烧的支持作用，W火焰锅炉的着火性能、稳燃性能明显改善，燃烧效率明显提高。

无烟煤和烟煤按一定比例混合燃烧时，烟煤先着火形成第一级燃烧，无烟煤后着火形成第二级燃烧。两级燃烧在时间上有一定间隔、空间上有一定距离，热量的释放区域较大，火焰峰值温度较低，在燃烧整体放热量不变的情况下均匀了炉膛温度的分布，抑制了热力型NOx的生成。

2.3 常规低NOx燃烧技术、燃料特性差异混合燃烧抑制NOx生成机理的比较

NOx的生成与燃烧条件关系很大，不同的燃烧参数，其生成量会发生很大变化。改变燃烧条件，可以降低NOx的生成。从燃烧原理出发，根据NOx生成机理，控制NOx生成的理论依据是降低火焰温度，降低燃烧区域的氧浓度。根据这个原理，常规的低NOx燃烧技术主要有改进燃烧运行参数、燃烧空气分级技术和燃料分级再燃还原技术三类。本项目所采用燃料特性差异混合燃烧兼具烧空气分级技术和燃料分级再燃的技术优点。

2.3.1 改进燃烧运行参数

改进燃烧运行参数是指在运行时根据负荷和煤质特性，在稳定燃烧的前提下，适当调整运行参数，进行燃烧优化，在较大燃烧区域内，空气相对不足，燃烧不强烈，温度较低，降低NOx的总生成量。

2.3.2 空气分级燃烧技术

空气分级燃烧技术，是立足于把初始燃烧区域内的过量空气系数调整至浓淡燃烧技术所要求的合适范围，抑制燃烧初期生成大量挥发分燃料型NOx。在适当位置将燃烬风（OFA）加入燃烧过程，通过降低燃烧区域氧浓度和温度的方法抑制热力型NOx的大量生成。

2.3.3 燃料分级再燃还原技术

燃料分级再燃还原技术将锅炉燃料分成两部分，80%～85%的主燃料从常规一次风喷口区域以正常过量空气系数（α≥1） 配置空气喷入炉膛进行充分燃烧。其余15%～20%的燃料以再燃燃料的形式从主喷口上方喷入，形成富燃料（过量空气系数α＜1）、还原性气氛，燃烧生成碳氢化合物基团，并与一次燃烧区内生成的NOx反应，NOx被还原为N2。

2.3.4 燃料特性差异混合燃烧

与常规低NOx燃烧技术相比，燃料特性差异混合燃烧抑制NOx生成的机理兼具空气分级燃烧、燃料分级再燃的特点。利用燃料特性差异形成的混合分级燃烧不需要另外的空气喷口和燃料喷口，不降低炉膛整体温度水平。在大幅降低NOx生成量的同时提高燃烧稳定性，为增加空气量，降低不完全燃烧热损失，提高锅炉效率创造了条件，具有高效、低污染、不需设备改造的特点。

3 燃料特性对锅炉燃烧工况影响的实验验证

采用热重-红外联用技术对不同煤种燃烧特性的研究结果和采用数值模拟技术进行的燃烧工况研究结果，验证了燃料特性改变对锅炉燃烧特性影响的机理分析。试验研究以晋城无烟煤、晋中吕梁烟煤、长治贫煤、以及不同比例混合煤种为样品。表1为不同煤种样品的元素和工业分析数据。

表1 不同煤种的元素分析和工业分析

3.1 基于热重分析技术对多煤种混合燃烧特性的分析研究

通过对样品的热重分析，得到煤的热重（TG）曲线，由TG曲线得到失重率。可以看出，烟煤较无烟煤先进入燃烧失重区域，先达到燃烧失重结束温度。随着烟煤掺配比例的提高，整个曲线向左侧移动，燃烧特性发生变化，由较难燃烧煤质逐渐向较易燃烧煤质过渡。

无烟煤中掺入烟煤，会改变原有煤质的燃烧特性，煤粉着火燃烧会逐渐形成两级性，延长了煤质着火的行程。当烟煤、无烟煤按照＞1∶1、甚至3∶1的比例掺配时，入炉煤质的燃烧特性改变较为明显，形成炉内分级燃烧方式，煤粉着火温度降低，改善了炉内的燃烧状况，煤粉燃烬性提高，对锅炉点火、稳燃、降低炉膛火焰中心峰值温度、降低NOx排放浓度具有明显优势。

根据热重分析试验，得出以下结论。

a）烟煤比例25%时，混煤燃烧特性发生变化。

b）烟煤比例75%时，混煤的燃烬温度更低、更容易燃烬。

c）当烟煤比例超过25%时，能够形成两级燃烧模式，烟煤帮助无烟煤着火燃烧，整个火焰燃烧行程变长，火焰扩散，中心峰值温度降低，有利于降低热力型NOx。

3.2 燃用不同煤时炉膛温度、NOx、CO数值模拟

根据实际测量和数值模拟计算，该W火焰锅炉单独燃用无烟煤时火焰中心温度在1 500～1 600℃。当烟气温度＞1 500℃时，热力型NOx的生成量远高于平均水平，这是该W火焰锅炉NOx生成量大的主要原因。

单纯燃用无烟煤时，炉内在略低于拱下部形成W火焰最高温度区，温度一般在1 500℃以上，与实际测量结果一致。单纯燃烧无烟煤时，炉内燃烧产生的NOx含量较高，一般在1 300 mg/m3左右，也与实际测量结果一致，在拱部区域形成了高NOx含量的烟气区域，拱部中心NOx＞1 700mg/m3，炉膛出口NOx含量在1 000mg/m3。炉内产生的CO含量较高，在200×10-6，说明炉内煤粉燃烧不够充分，灰渣含碳量高。

单纯燃用无烟煤时，拱下区域容积热负荷较高。随着烟煤比例的提高，炉内火焰温度水平略有降低，炉膛出口烟温下降明显。无烟煤和烟煤经过掺配后，在炉内燃烧可以有效降低拱下燃烧中心的火焰温度，随着烟煤掺配比例的提高，峰值温度随之下降。当燃用75%比例烟煤燃烧时，峰值温度接近1 300～1 400℃，比无烟煤燃烧降低100～200℃，热力型NOx能够降低80%～90%，燃料型NOx能够降低20%～40%，这对NOx降低排放有很大的好处。拱下区域温度＜1 300℃，主要为燃料型NOx，随着烟煤比例的提高，燃料型NOx的生成量明显减少，燃烧器区域上部的NO含量也明显减弱。

4 结束语

通过对某2 060 t/h W火焰锅炉在无烟煤中以一定比例混合烟煤，燃烧特性改变对锅炉燃烧特性影响的工程实践总结；利用热重分析技术对不同煤种燃烧特性的实验分析，利用数值模拟技术对不同煤种混合燃烧时炉膛温度、NOx、CO分布的研究分析，从工程实践和实验研究两个方面验证了燃料特性改变对W火焰锅炉燃烧性能的影响。

由于烟煤和无烟煤在燃烧特性上存在较大差异，在W火焰锅炉中以一定比例的烟煤与无烟煤混合燃烧，可以形成分级燃烧。两种燃料的分级燃烧，改变了燃烧条件，充分发挥了W火焰锅炉的分级送风配风手段，减少了燃料型NOx的生成量；两种燃料分级燃烧使炉膛温度分布均匀，火焰峰值温度降低，减少了热力型NOx的生成量，减排效果达到50%以上。

以烟煤为主的第一级燃烧可以对以无烟煤为主的第二级燃烧起到支持作用，能够改善着火性能、提高燃烧稳定性和燃烧效率，提高W火焰锅炉的运行效率和调整负荷的能力。

无烟煤和烟煤的混合燃烧，由于燃烧特性的差异，可以使空气分级燃烧的作用得到充分发挥，为燃料分级燃烧理论提供了一种新的实现方法，在降低NOx生成量的同时可以提高锅炉运行效率。

An Experimental Study on the Influence of Fuel Characteristics Changing on the Performance of W-flame Boilers

ZHANG W enlong

（Taiyuan University of Technology，Taiyuan,Shanxi 030024，China)

In this paper,a 2 060 t/h W-flame boiler is chosen as the researching object.Based on the current research status,the changes of combustion conditionswhen fuelpropertieswere altered are summarized.The influences of co-combustion withmixed types of coal on the boiler's operating performance are analyzed.Thermogravimetric analysis technique and numerical simulation technique are used to verify that characteristic differences between different kinds of coals can be used to form staged combustion.It is proposed that usingmixed coalas fuelisan effectiveway to ensureW-flameboiler tooperate safely,effectively and cleanly.

W-flameboiler;fuelcharacteristics;mixed combustion;staged combustion;combustion efficiency;NOx control

TK229

A

1671-0320（2016）05-0042-04

2016-07-03，

2016-07-22

张文龙（1976），男，山西文水人，1998年毕业于太原电力高等专科学校发电厂及电力系统专业，工学及经济学双学士，高级工程师，从事发电厂生产技术管理工作。