煤粉锅炉掺烧火炬气技术的探讨及应用

石敏

摘 要：燃煤锅炉进行掺烧火炬气改造，要求新增燃气燃烧器后锅炉能够兼顾煤粉独立运行、煤气混合运行及燃气独立运行功能，满足燃煤及燃气掺烧工况的任意转换并保证锅炉安全稳定运行。

关键词： 锅炉;燃煤;燃气;掺烧

引言

为了减低电厂煤耗，电厂将原有通过火炬燃烧排放的火炬气通入煤粉锅炉燃烧，利用了火炬气的燃烧热值产生蒸汽，既降低了锅炉煤耗量，又利用锅炉尾部的烟气处理装置对火炬气燃烧产物中的氮氧化物和二氧化硫进行处理，达到了环保排放的要求。

1 工程概况

某热电厂锅炉为220 t/h高压煤粉炉，锅炉为单锅筒、自然循环、Π形布置的固态排渣煤粉炉，锅炉前部为炉膛，四周采用膜式水冷壁，炉膛出口处布置屏式过热器，水平烟道装设两级对流过热器，炉顶、水平烟道转向室及尾部包墙均采用膜式管包敷。尾部竖井烟道中交错布置两级省煤器和两级空气预热器。锅炉采用平衡通风、切圆燃烧，燃烧器为角式直流式燃烧器，正四角切向布置，假想切圆为φ800mm，采用钢球磨中间储仓，乏气送粉系统。

锅炉主要参数如表 1所示。

燃煤资料如表 2所示。

火炬气资料如表 3所示。

2 燃烧器改造技术方案

改造要求：1.增加火炬气燃烧器，要求火炬气单独运行、燃气与煤粉掺烧运行锅炉参数达标;2.保留原来煤粉燃烧器功能不变，纯煤工况锅炉参数达标。

根据原有锅炉、燃烧器结构，燃烧器沿用四角切圆布置，综合考虑新增火炬气燃烧器布置原煤粉燃烧器上部和下部。整个燃烧器共9层喷口，其中C层及E层为煤粉燃烧器，A层和G层为火炬气燃烧器，B、D、F层为二次风，H层为低位燃尽风，J层为高位燃尽风。此种布置方式，燃烧器结构紧凑，现有设备改动小，操作运行方便。为了避免燃气热负荷集中，燃气燃烧器分上下两层，共8只/单台炉。每只燃气燃烧器均可独立控制运行，单只燃烧器负荷调解比1：5，锅炉负荷可以通过调整单只燃气燃烧器负荷，以及投运燃气燃烧器数量组合调整，实现宽负荷调整。

燃气和燃煤同时混烧运行时，燃气着火快，如果配风不合理，易形成燃气抢氧，造成煤粉着火推迟。燃气掺烧可能带来两个风险：1.煤粉喷口区域还原性气氛增加，带来燃烧器区域结焦的风险;2.火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，减温水量增加。为此燃气燃烧器采取远离煤粉燃烧器布置，且采用多只分散式布置，运行中有条件的采用多枪分散热负荷的运行方式;为防止结焦的风险，适当减小燃烧器切圆。

改造后的燃燒器布置如下图：

3 流场模拟验证

为了评估掺烧火炬气后对锅炉运行的影响，采用流场模拟（CFD）锅炉运行工况。根据改造要求，假定了4种运行工况进行模拟，工况定义及模拟数据摘录如下：

Case1：锅炉全负荷工况;

Case2：气、煤混烧，上层燃煤，下层燃气，气、煤比各占50%;

Case3：气、煤混烧，上层燃气，下层燃煤，气、煤比各占50%;

Case4：纯气燃烧（70%锅炉BMCR）。

通过数值模拟可以看出，火炬气燃烧器投运后炉膛出口烟气温度较锅炉全煤工况接近;炉膛出口氧量与改造前接近;由于燃气特性，炉膛出口CO明显下降;混烧工况下NOx的排放基本持平，上层燃气掺烧时NOx排放数值高于下层掺烧，运行中需要调整配风。

4 增设燃烧器后操作运行思路

4.1纯燃煤工况

纯燃煤工况与原燃煤运行方式一致，火炬气层不投运，保持上、下层火炬气二次风喷口通有一定冷却风保护喷口。

4.2燃煤、火炬气混烧工况

在锅炉投入火炬气前，需要燃煤运行稳定后逐步掺烧火炬气。燃煤稳定运行负荷超过60%锅炉额定出力（约130t/h蒸汽出力）时可以逐渐投入火炬气。根据锅炉出力、金属壁温、汽包水位、减温水量等控制火炬气掺烧量，煤粉量相对应调整。

根据锅炉负荷调整需要，加负荷时先增加二次风，再增加火炬气量，控制炉膛出口氧量在3—5%。降低负荷时则先减少火炬气量，待氧量升高后再调整二次风。

4.2.1火炬气投入具备条件：

（1）启动燃烧器前先确认所有设备均正常工作（可以做启动试验）。

（2）锅炉掺烧煤气系统投入使用条件：锅炉炉膛正常燃烧，二次风投入运行，二次风压力高于1.2Kpa，炉膛出口温度在大于600℃。

4.2.2煤气系统投入操作：

（1）投运前吹扫：先打开氮气吹扫手动阀门（主管路阀门、疏水阀均保持关闭状态，其他所有阀门打开），放散吹扫管路10分钟左右，然后关闭所有吹扫放散阀门。

（2）燃烧器投入：先逐步开大燃气燃烧器二次风手动门，投入二次风。其次打开火炬气管路所有手动阀门，确定主管火炬气压力及温度是否正常，正常情况下打开主管气动快关阀，调整火炬气调节阀，将火炬气投入锅炉炉膛，可通过观火孔查看火炬气燃烧情况。投入时燃烧器对称投入，防止产生热偏差。

（3）调节负荷操作：根据锅炉负荷调整需要，加负荷时先现增加二次风，再增加火炬气量，控制炉膛出口氧量在3—5%。降低负荷时先减少火炬气量，待氧量升高后再调整二次风。

操作注意事项：急剧增加或减小空气量，都会导致燃烧异常，甚至熄火，所以对火炬气和空气的调节量不能过大，必须分几次反复操作;

4.2.3燃烧器停止运行：

（1）降低火炬气系统出力，将火炬气调节阀逐步降低到10%;

（2）关闭火炬气母管气动阀及母管手动阀;

（3）打开吹扫阀吹扫管路10分钟;

（4）关闭吹扫阀;

（5）关闭火炬气调节阀;

（6）关闭燃烧器前手动闸阀。

4.2.4 灭火保护功能实现：

当燃烧器正常投入使用后，锅炉保护初步定值如下：

MFT动作时，快关阀动作快速切断火炬气;

火炬气压力低时要快速切断焦炉煤气;

炉膛出口温度低要快速切断火炬气;

二次风压低时要快速切断火炬气;

二次风口处炉膛压力高时要快速切断火炬气。

4.2.5 火炬气快关阀要考虑以下闭锁：

二次风压力高于一定值后方可打开;

炉膛温度高于一定值时方可打开;

火炬气压力高于一定值时方可打开。

为避免热负荷过于集中，燃煤火炬气掺烧时，避免相邻两层燃煤和火炬气大功率同时运行，例如：下层燃煤投运时，优先采用上层火炬气;上层燃煤投运时，优先采用下层火炬气。

4.3纯火炬气工况

当燃煤出力小于30%锅炉额定出力（约66t/h蒸汽量），且火炬气出力大于50%锅炉额定出力（约110t/h蒸汽量），建议停用煤粉，锅炉进入纯火炬气工况。

5 结语

通过对燃气掺烧的技术可行性论证，燃煤锅炉掺烧火炬气在技术上可行。目前本工程项目已经成功投运，掺烧效果及环保指标都正常，各种工况组合有待进一步实际运行验证。

参考文献：

[1]JBT 4194-1999 锅炉直流式煤粉燃烧器制造技术条件.

[2]JBT 10440-2004 大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器性能设计规范.

[3]锅炉原理及计算（第二版）科学版1992.

[4]TSG11-2020《锅炉安全技术监察规程》.