对冲燃烧锅炉热负荷分配对炉内燃烧影响的试验研究

李 德

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院，合肥 230088)

近两年随着国内煤炭价格的持续增长，燃煤发电机组燃料成本越来越高，为控制发电成本，各发电企业实际燃用煤种经常偏离设计煤种，为解决由此带来的安全经济运行问题，积极开展配煤掺烧[1-2]。印尼褐煤价格优势明显，但存在高水分、低灰熔点、低热值的缺点，长期燃用印尼褐煤对机组的安全性和设备的使用寿命存在不同程度的影响。以沿海地区某电厂超临界对冲燃烧锅炉掺烧印尼褐煤时，因热负荷分配不均导致的炉膛严重结焦为案例，分析炉膛结焦的原因和解决方法，可为同类型锅炉的安全运行提供参考。

1 设备及问题

锅炉前墙燃烧器由下往上依次是A、C、D；后墙燃烧器由下往上E、B、F，正常运行时A、E磨煤机燃用塔山煤，B、C、D、F燃用印尼褐煤，结焦期间E磨燃用印尼褐煤，燃用煤质状况见表1。机组负荷在350 MW以下时采用A、C、E磨煤机运行方式；机组负荷在350～450 MW时采用A、C、E、B磨煤机运行方式；450～550 MW时采用A、E、C、B、F磨煤机运行方式；550 MW左右开始投用全部燃烧器。随着负荷降低，前后墙水冷壁的壁温偏差加大；左右侧墙CO浓度急剧升高；炉侧墙产生严重的结焦，焦块掉落导致炉膛负压波动，严重影响锅炉的安全运行。

表1 燃用煤质分析

2 调整过程及分析

为解决热负荷偏差造成的结焦问题，通过对热负荷分配进行调整，缓解了结焦，同时水冷壁壁温偏差以及偏烧带来的还原性气氛的偏差现象有所改善。调整主要方式如下：磨煤机投运方式；燃烧器旋流强度；燃尽风风门开度；磨煤机出力分配；磨煤机热态风速调平；配风方式的改变。

2.1 炉膛温度

450 MW负荷，炉膛下部A磨所对应的燃烧区域局部温度最高达到1 500℃以上，参照结渣特性判别计算列表[4]可知，掺烧的印尼褐煤属于极易结焦煤种，同时由于炉内热负荷不均导致燃用印尼褐煤的燃烧器区域温度在1 300℃以上，明显高于煤种的软化温度，从而导致燃烧器附近水冷壁区域结焦。B、C磨对应的燃烧区域局部温度明显高于灰软化温度，当炉膛温度高时煤灰呈融化或半融化状态，熔融灰会直接粘结在受热面上，产生结渣[5]。

2.2 水冷壁区域CO浓度

机组负荷在400 MW以下时，锅炉左侧墙贴壁还原性气氛测量结果显示CO浓度在3%左右，右侧墙贴壁还原性气氛测量结果显示CO浓度在0.6%左右，锅炉水冷壁左侧墙还原性气氛较强。随着机组负荷的上升，投运的磨煤机增多，炉膛燃烧偏差现象有所缓解，左右侧墙贴壁还原性气氛分别为0.8%和0.3%，CO浓度分布偏差明显改善。理论研究知道，还原性气体能夺取灰中高价氧化物的氧，使其变成低价氧化物而降低熔点。锅炉因缺氧引起不完全燃烧时，结渣的可能性就大[6]。同时，热负荷不均造成局部高温会进一步加剧结焦现象。

2.3 炉膛出口氧量分布

在各个典型负荷工况下测量了炉膛出口的O2和CO的浓度，结果如表2所示。

表2 炉膛出口氧量分布测量结果

由表2可知，随着负荷降低，炉膛出口氧量增加但是CO浓度也随之升高，与传统理论不符。

2.4 结焦情况

负荷曲线与炉膛负压曲线如图1所示。在负荷较低时或者负荷由高降低后出现炉膛负压波动，最大可达700 Pa左右，此时炉膛壁温的温度也会急剧变化，可以判断出炉膛出现局部掉焦。由分析可以看出，负荷较低时以及锅炉负荷降低时炉膛热负荷都会发生明显偏差，从而导致了炉膛的结焦。

图1 炉膛负压波动

2.5 壁温分布与燃烧区域温度

在350 MW工况左右，炉膛水冷壁壁温趋势呈现前墙高于后墙，燃烧器喷口区域火焰温度也存在明显差异。水冷壁壁温见图2。燃烧区域火焰温度见图3。

图2 水冷壁壁温

图3 燃烧区域火焰温度

通过图2、图3可以看出，前墙热负荷明显高于后墙，此时投运的磨煤机组合为A、C、E，其中A磨为塔山煤，C、E磨为褐煤。

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3 热负荷分配的影响分析

3.1 炉膛各区域热负荷计算

电厂上煤规律为A、E磨煤机燃用塔山煤，B、C、D、F燃用印尼褐煤。印尼褐煤高水特性造成实际B、C、D、F磨煤机出力仅42 t/h，A、E磨煤机实际出力54 t/h。投运A、E、B、C四台磨煤机运行时，A磨输入热量占比高达28.4%，前墙输入热值占比52.3%，后墙输入热占比47.7%。A、E、B三台磨煤机运行时，前后墙输入热量分别占比49.1%和50.9%，并且A磨输入热量占比即高达49.1%；采用A、C、E三台麽煤机运行时，各台磨热负荷分配不均现象更加明显，A磨输入热占比49.1%；前墙输入热占比高达74.5%，后墙输入热占比仅25.5%。

在三磨运行时，前墙燃烧器区域火焰温度达到1 500℃，后墙燃烧器区域火焰温度1 280℃，温度偏差达到200℃以上，SCR入口CO浓度为1.3%；在四磨运行时，前墙燃烧器区域火焰温度达到1 440℃，后墙燃烧器区域火焰温度仅1 350℃，偏差仅90℃，SCR入口CO浓度为0.3%。随着投运燃烧器的增多，热负荷偏差和CO浓度均有所缓解。

前后墙投入燃烧器数量偏差和磨煤机磨制不同煤种时的出力偏差，造成炉膛内部各区域输入热负荷存在明显偏差，并且投入磨煤机越少，热负荷分配不均情况越严重。

3.2 配风的影响

正常运行工况下，运行人员根据燃烧器投用情况和磨煤机出力均等配风，无法有效调节输入热量不均导致的热负荷不均。由分析认为，可以通过燃烧区域的热负荷调节风量大小，实现“按需配风”。

另一方面，热态调平一次风速和煤粉浓度，保证一次风速偏差小于5%，煤粉浓度偏差小于10%，以降低同一台磨煤机出口5只燃烧器之间热负荷偏差。通过对偏差粉管进行热态一次风调平后前后墙燃烧器对应区域火焰温度均低于1 400℃，前后墙热负荷均匀性得到提高。

按需配风前锅炉左侧墙贴壁还原性气氛测量结果显示CO浓度在2.7%左右，右侧墙贴壁还原性气氛测量结果显示CO浓度在0.7%左右，锅炉水冷壁左侧墙还原性气氛较强。随着配风方式的改变，炉膛燃烧偏差现象有所缓解，左右侧墙贴壁还原性气氛分别为0.9%和0.3%，CO分布偏差明显改善。

3.3 磨投入台数的影响

以350 MW工况为例，投运三台磨煤机和四台磨煤机对比，燃烧器区域火焰温度偏差由220℃降低到90℃；前后墙热负荷偏差由49.0%降低至4.6%；两侧墙CO浓度偏差由2.4%降低至0.5%，分析认为随着磨煤机投用数量的增加，热负荷偏差、燃烧区域火焰温度、CO浓度偏差均不同程度缓解，炉内的燃烧均匀性更佳，对锅炉的安全经济运行更为有利。

3.4 燃尽风的影响

锅炉负荷在负荷较低时，保持二次风量不变的前提下，开大燃烧器上层的燃尽风风门，保持下层二次风门开度，使炉内燃烧推迟，配风方式呈倒宝塔状，弱化了底层燃烧[7]，降低了底层燃烧器区域的火焰温度。前后墙输入热偏差无法避免时，相应的燃尽风量也需要和输入热一致，输入热高侧的燃尽风门开度应相应开大，二次风的配比实质上是要根据掺烧煤质的特性，充分协调好外二次风、内二次风和燃尽风三者在不同负荷段的配合关系[8]，进一步避免了结焦现象的发生。

4 结语

机组负荷450 MW、采用A、B、C、E磨煤机运行方式，锅炉炉膛温度场测试结果表明，炉膛局部温度偏差达200℃。热负荷偏差使炉内形成局部高温区甚至极高温区，加剧了锅炉结焦[3]。

掺烧的印尼褐煤属于极易结焦煤种，同时由于炉内热负荷不均导致燃用印尼褐煤的燃烧器区域温度在1 300℃以上，明显高于煤种的软化温度，从而导致燃烧器附近水冷壁区域结焦。

炉内热负荷分配对炉内燃烧影响至关重要，不解决好热负荷分配不均的现象，不但会影响锅炉经济性，同时也会危及锅炉的安全运行。通过调整后对比锅炉同负荷下炉膛温度发现，平均温度比调整前低100℃，A磨对应区域的局部极高温区有所减轻。如果偏差无法完全避免，应从以下方面考虑，尽量减小热负荷不均对锅炉燃烧的影响。

(1)燃烧煤种之间热值偏差较大时，充分考虑各台磨煤机输入热量分配比例及炉内燃烧热负荷分布，合理优化磨煤机组合方式避免热负荷过于集中形成局部高温区。

(2)根据热负荷分配特点“按需配风”，避免因主燃烧区域的还原性气氛降低了燃用煤种的灰熔点，加强热负荷较低的燃烧器的燃烧，避免加剧炉膛结焦。

(3)燃烧器喷口风速偏差造成燃烧器区域流场存在不均现象从而导致热负荷分配不均加剧，更易结焦；调整一次风速偏差在5%以内，减少热负荷分配不均。

(4)通过优化磨煤机运行组合方式降低炉膛温度，避免燃烧热负荷过于集中，开展磨煤机低出力运行研究。结焦严重时，适当通过多投入一台磨煤机分散燃烧热负荷，可有效缓解水冷壁和燃烧器结焦。

(5)开大两侧二次风挡板开度增加了二次风刚性，可有效避免了气流刷墙，减轻侧墙区域还原性气氛浓度，有助于抑制结焦。