煤粉鍋爐低碳改造及生物質(zhì)燃燒機試驗調(diào)整
萊電廠使用的是由東方鍋爐廠設(shè)計生產(chǎn)的DG-75/5.30-HM1515型75 t/h的四角切圓煤粉鍋爐，為了響應(yīng)國家的環(huán)保要求和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門的氮氧化物的排放指標(biāo)，該廠在2014年7月進行了低氮改造，采用了華中科技大學(xué)研發(fā)的開縫鈍體直流煤粉燃燒器，并采用空氣分級送風(fēng)，縮小二次風(fēng)噴口，中二次風(fēng)采用貼壁風(fēng)，三次風(fēng)上部增設(shè)燃盡風(fēng)等改造。改造后進行了鍋爐燃燒調(diào)整試驗，結(jié)果表明，鍋爐燃燒效果好，解決了鍋爐低負(fù)荷燃燒不穩(wěn)定，投油燃燒的問題，氮氧化物由改造前的750～880 mg/m3變?yōu)楝F(xiàn)在的小于400 mg/m3，爐渣及飛灰含碳量略低于同期數(shù)值，改造及調(diào)整試驗取得了良好的效果。
1  鍋爐簡俞
1.1鍋爐設(shè)備改造后綜述
    DG-75/5.3 -HM1515型75 t/h的四角切圓煤粉鍋爐，鍋爐采用“Ⅱ”型布置、固態(tài)排渣，前吊后支，采用中間倉儲式熱風(fēng)送粉，兩級省煤器兩級空預(yù)器交錯緊密布置，使用華中科技大學(xué)設(shè)計的開縫鈍體直流燃燒器，爐膛剖面為正方形深×寬=5 500 mmx5 500 mm，鍋爐切圓為逆時針切圓，假想切圓直徑為450mm(改造前的假想切囡直徑為500 mm)，爐膛布置為自下而上為下二次風(fēng)，下一次風(fēng)，上一次風(fēng)，中上二次風(fēng)，上二次風(fēng)，三次風(fēng)，改造后在三次風(fēng)的上面增加兩層SOFA風(fēng)噴口，分別為下層、下層燃盡風(fēng)，燃盡風(fēng)采用順時針切圓。
1.2鍋爐主要參數(shù)
    此75 t/h的四角切囡煤粉鍋爐的主要參數(shù)見表1。
1.3鍋爐原設(shè)計使用煤種
    此鍋爐原始設(shè)計使用的煤種為貧煤，貧煤的煤質(zhì)分析.
表1鍋爐主要參數(shù)
名稱    數(shù)值
  額定蒸發(fā)量／t．h-l
  額定蒸汽壓力/MPa
  額定蒸汽溫度／℃
    給水溫度／℃
    排污率／%
  冷空氣溫度／℃
    熱風(fēng)溫度／℃
    排煙溫度／℃
  鍋爐熱效率／%
鍋爐本體排放煙量／。，
1.4校核煤質(zhì)
    該廠動力車間鍋爐原煤供應(yīng)商比較多，煤質(zhì)參差不齊，主要使用的為山西晉城煤和河南密縣煤，所用煤粉的煤質(zhì)成分分析結(jié)果見表3。表3校核煤種煤質(zhì)分析
2鍋爐燃燒調(diào)試的基本參數(shù)
2.1  各層風(fēng)參數(shù)介紹
    爐膛布置為自下而上為下二次風(fēng)，下一次風(fēng)，上一次風(fēng)，中上二次風(fēng)，上二次風(fēng)，三次風(fēng)，改造后在三次風(fēng)的上面增加兩層SOFA風(fēng)噴口，各層風(fēng)的參數(shù)見表4。
2.2低氮改造措施
2.2.1  燃燒器介紹
    該廠原有的燃燒器為雙通道煤粉燃燒器，長時間使用發(fā)現(xiàn)燃燒器噴口變形、燒壞嚴(yán)重，尤其是靠后墻的表4參數(shù)介紹1#、4#噴口出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龤В呀?jīng)不能正常的發(fā)揮雙通道
燃燒器的優(yōu)點，同時氮氧化物的排放值較高，氮氧化物為750～880 mg/m3，基于燃燒穩(wěn)定及環(huán)保的需求，對該臺鍋爐做出改造。
    改造后該廠采用華中科技大學(xué)研制的開縫鈍體直流煤粉燃燒器f見圖11，開繾鈍體燃燒器是在以往的鈍體燃燒器上進行鈍體開縫，使少量的煤粉經(jīng)過鈍體開縫射入爐膛，在鈍體出口處形成回流區(qū)，回流區(qū)卷吸周圍的高溫?zé)煔猓乖搮^(qū)域具有高溫、低速、煤粉聚集的特點，有利于煤粉的著火，尤其對于低負(fù)荷穩(wěn)然效果更為突出，同時在燃燒器背火側(cè)設(shè)置側(cè)邊風(fēng)，形成風(fēng)包粉的效果，有利于降低氮氧化物，并且起到冷卻燃燒器的作用。引入少許二次風(fēng)作為中心風(fēng)經(jīng)燃燒器一側(cè)通入鈍體內(nèi)，一方面可以冷卻鈍體，防止鈍體燒壞，同時可以調(diào)整著火距離，保護燃燒器，提高燃燒器的使用壽命。采用該燃燒器之后成功解決了低負(fù)荷不投油穩(wěn)焰，爐膛結(jié)渣，高溫腐蝕，高效低排放，燃燒器使用壽命短、易燒壞、變形等問題。
2.2.2  二次風(fēng)改造及SOFA風(fēng)的增設(shè)
    研究表明，鍋爐排放的氮氧化物主要為NO和NO，，其中主要為NO，約占總量的900A，剩余的少部分NO，也是由NO轉(zhuǎn)化形成的。NO根據(jù)其生成的機理的不同大致可以分為快速型NO、熱力型NO、燃料型NO。快速型NO-般生成迅速，量少對此不作考慮。熱力型NO主要受氧量和溫度的影響，控制合理的過量空氣系數(shù)和燃燒溫度可以對此進行相應(yīng)控制。燃料型NO主要是由揮發(fā)分中的N相焦炭中的N燃燒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，其中由于揮發(fā)分中N的氧化產(chǎn)生的NO約占總量的60%～80%，焦炭中的N部分被氧化為NO，但是由于焦炭中放熱N主要以HCN、NH，等氮的化合物組成，這些具有還原性的氮的化合物又可以將部分生成的NO還原成N，。燃料型NO在煤粉燃燒后0.5 s內(nèi)大量生成，因此控制燃燒初期的0，含量對降低NO，顯得尤為重要。空氣分級燃燒通過控制燃燒初期的0，含量從源頭減少氮氧化物生成，在還原區(qū)灼熱的焦炭，CH，，CO與已生成的NO發(fā)生還原反應(yīng)，使已生成的NO轉(zhuǎn)化為N，。所以，綜上可以看出控制燃燒區(qū)的氧量至關(guān)重要。
    改造方案：從二次風(fēng)總風(fēng)箱引出一路風(fēng)作為SOFA風(fēng)在三次風(fēng)上部，距離三次風(fēng)噴口中心處2 850 mm和3 450 mm處增加下SOFA和上SOFA，如圖2所示，以便減少氧量，實現(xiàn)空氣分級。并且為了進一步減少燃燒區(qū)的0，，將上、中、下二次風(fēng)增設(shè)耐高溫的導(dǎo)流板縮小噴口，控制燃燒初期的氧量，同時可以提高二次風(fēng)的風(fēng)速，增加其穿透能力有利于著火及燃燒，另外在中二次風(fēng)噴口采用貼壁風(fēng)，如圖3所示，中二次風(fēng)中間通道便于補充和調(diào)節(jié)氧量，兩側(cè)通道流進的風(fēng)，可以使水冷壁附近形成氧化性氛圍，防止噴口結(jié)焦。
3  冷態(tài)試驗基本情況
3.1動力場切圓
    為了了解燃燒器改造后的切圓的大小及位置，是否有貼壁、沖刷水冷壁、下傾，爐膛充滿度等，在爐膛內(nèi)兩層燃燒器中間，垂直于爐膛的竟和深的方向，拉兩條十字線，每隔300 mm系上長300 mm的飄帶，然后用風(fēng)速儀測量各點的風(fēng)速。在一次風(fēng)、二次風(fēng)同層調(diào)平并將一次風(fēng)風(fēng)速定在20～21  rri/s，二次風(fēng)風(fēng)速定在26～27m／s的條件下（有三次風(fēng)帶粉較多，為了冷態(tài)測試人員的安全將三次風(fēng)暫時停掉）得到了該切圓圖，
    結(jié)論：從圖4可以看出該動力場實際切圓直徑為2400 mm，爐膛充滿度較好，切圓中心與爐膛中心基本重合，貼壁風(fēng)速在1～3 m/s，對水冷壁影響不大，基本無偏斜，風(fēng)速較為均勻，達(dá)到了設(shè)計改造的基本要求。
3.2二次風(fēng)風(fēng)門特性曲線
    二次風(fēng)的風(fēng)速及風(fēng)門特性對鍋爐的運行及燃燒有著很重要的影響，在以往的試驗發(fā)現(xiàn)有的電廠鍋爐會出現(xiàn)風(fēng)門過開，開度不到位，開度大小與表盤顯示不對應(yīng)等問題。為了避免出現(xiàn)類似的問題，對該臺鍋爐進行了二次風(fēng)風(fēng)門特性試驗，風(fēng)門特性曲線如圖5～圖7所示。
    從圖5～圖7可以看出風(fēng)速的變化與風(fēng)門的開度基本對應(yīng)，沒有出現(xiàn)上述問題，上、中、下二次風(fēng)的曲線變化規(guī)律基本相似，風(fēng)速在開度30%～75%變化較快，之后孌化趨于平緩，增量不是很大，風(fēng)門特性曲線達(dá)到了預(yù)期的效果。
4 選擇了在點爐正常運行7天后進行氮氧化物調(diào)試，這是因為在點爐短期爐膛工況可能沒有穩(wěn)定，爐膛內(nèi)重新點爐后需要一段時間后達(dá)到一個平衡狀態(tài)，例如爐膛尾部煙道積灰，爐膛內(nèi)部水冷壁積灰平衡，工況穩(wěn)定等。同時，該廠在正常工作中由于在不同的季節(jié)需要不同的負(fù)荷運行，根據(jù)實際需求進行了三種工況下的熱態(tài)低氮調(diào)試，分別為75，63，46 t/h三個工況。
4.1三個工況下的熱態(tài)低氮調(diào)試
    75 t/h的負(fù)荷為滿負(fù)荷用下，在這種情況下氮氧化物的產(chǎn)生會很多，所以嚴(yán)格的控制燃燒區(qū)的氧量及空氣的深度分級至關(guān)重要，63 t/h的負(fù)荷是廠里經(jīng)常使用的負(fù)荷，在此負(fù)荷下氮氧化物產(chǎn)生量相對較少，但是依然要控制燃燒區(qū)的氧量，以減少氮氧化物的生成，46 t/h的負(fù)荷屬于低負(fù)荷，低負(fù)荷工況以穩(wěn)定燃燒為主，合理的維持鍋爐的蒸汽溫度，蒸汽壓力f該廠主要用蒸汽，所以蒸汽為廠里的考核指標(biāo)），最后經(jīng)過反復(fù)的試驗及調(diào)整，得出了在這三種負(fù)荷下控制配風(fēng)方式達(dá)到控制氧量進而降低氮氧化物的措施。表5所示為調(diào)試期間的鍋爐員荷所對應(yīng)的氮氧化物排放值。從表5可以看出，在滿負(fù)荷的工況下，雖然氧量較低，但是產(chǎn)生的氮氧化物相對于其他的工況下較多，主要是由于在滿負(fù)荷的情況下燃燒區(qū)的溫度相對其他工況高。溫度高，使熱力型氮氧化物和燃燒型氮氧化物產(chǎn)生量相對較；低負(fù)荷的情況下，雖然氧量較高，但是由于鍋爐給粉相對偏少，占NO總排放量主要部分的燃料型NO產(chǎn)生的量相對較少。綜上可以看出，滿負(fù)荷的情況下控制氧量對控制氮氧化物的產(chǎn)生尤為重要。
    由于在低氮調(diào)試期間，該廠由于處于生產(chǎn)旺季，對蒸汽量要求較大，鍋爐負(fù)荷一直維持在滿負(fù)荷的情況下，無法進行調(diào)負(fù)荷，根據(jù)廠方要求只是對滿負(fù)荷的情況下進行了詳細(xì)的低氮及經(jīng)濟性調(diào)整。表6為鍋爐在滿負(fù)荷(75 t/h)的工況下的鍋爐主要參數(shù)及風(fēng)門配比。
    表6各層噴口參數(shù)
    爐膛內(nèi)各層二次風(fēng)風(fēng)量必須保持合理的配比，即保持適當(dāng)?shù)乃俣群惋L(fēng)率，才能在爐內(nèi)建立正常的空氣動力場，使風(fēng)粉混合均勻，保證燃料良好著火和穩(wěn)定燃燒。一方面，二次風(fēng)過高或過低都可能對熱態(tài)動力場產(chǎn)生負(fù)面影響，從而降低燃燒的穩(wěn)定性或引起水冷壁區(qū)域結(jié)焦；另一方面，各層二次風(fēng)量的分配直接決定了燃燒過程產(chǎn)生的NO,數(shù)量，合理的配風(fēng)不僅能夠伎鍋爐燃燒完全，而且使N0，保持在較低的水平。
    根據(jù)該廠鍋爐的運行情況及煤質(zhì)，采用了“束腰型”配風(fēng)，即上二次風(fēng)和下二次風(fēng)大，次上二次風(fēng)小的配風(fēng)方式，這樣的配風(fēng)可以使燃燒區(qū)相對氧量減少，從而抑制氮氧化物的產(chǎn)生，同時上下二次風(fēng)風(fēng)速較大，可以保證燃燒穩(wěn)定。2015年第44卷第6期
4.2改造與熱態(tài)調(diào)試后性能分析
4.2.1  飛灰與爐渣含碳量
    為了更準(zhǔn)確、直觀地對鍋爐改造后的性能進行分析，在調(diào)試階段對鍋爐的飛灰及爐渣進行取樣分析。在空預(yù)器出口利用等速飛灰取樣器裝置采集飛灰，試驗開始到結(jié)束連續(xù)取樣，分析化驗可燃物含量。試驗中自爐渣出口傳送帶進行取樣，每15 min取樣一次，取得的試樣經(jīng)混合、縮分后作為分析樣品，分析化驗可燃物含量。
這是因為前幾天在對配風(fēng)方式進行調(diào)整，同時在這期間鍋爐的煤質(zhì)由于混煤在摻混時導(dǎo)致不均勻，之后廠里進行了改進，要求進行多次循環(huán)摻混，在第6天以后可以看到改造后的鍋爐飛灰含碳量比同期的含量有所下降，最低為3.2%，改造后對鍋爐的經(jīng)濟性基本沒有影響，還略有提高，改造取得了一定的成效。
    圖9為鍋爐爐渣含碳量同期對比圖，圖9顯示在調(diào)試初期爐渣含碳量略高于去年同期，這是孌配風(fēng)方式及煤質(zhì)所導(dǎo)致，在調(diào)試試驗中找到合適的配風(fēng)方式后爐渣的含量略低于去年同期的爐渣含碳量，調(diào)試穩(wěn)定后在爐渣含碳量平均值在4.40A～5.OoA，含碳量最低為3.90A，最高為6.2%左右，從數(shù)據(jù)可以直接看出改造后鍋爐的爐渣含碳量有所降低，這對提升鍋爐效率有一定的作用。
4.2.2爐膛出口左右煙溫
    該臺鍋爐在改造前爐膛出口附近煙溫偏差較大，最大偏差有100℃，經(jīng)過配風(fēng)方式的調(diào)整爐膛出口的煙溫偏差有所降低，降幅約為33。C，但是偏差依然較大，煙溫偏差較大對鍋爐的過熱器安全運行會有很大的影響。原因主要是鍋爐的切圓偏大，同時配風(fēng)方式不太合理，導(dǎo)致鍋爐的切圓不正，另外由于切圓較大，在鍋爐出口存在殘余旋轉(zhuǎn)，容易導(dǎo)致鍋爐煙溫偏差較大。
    改造后對鍋爐進行了冷態(tài)實驗，準(zhǔn)確地掌握了鍋爐的性能，對各噴口的風(fēng)速、切圓的大小、位置有了了解，鍋爐運行后通過根據(jù)冷態(tài)實驗數(shù)據(jù)結(jié)合熱態(tài)調(diào)試，將鍋爐的各角配風(fēng)進行了調(diào)整，保證鍋爐的四角配風(fēng)基本均衡，消除了因為切囡不正導(dǎo)致的影響。同時改造后增設(shè)的燃盡風(fēng)，采用的是與主燃燒區(qū)反切的切圓。燃盡風(fēng)的反切有效消除了由于主燃燒區(qū)的主氣流旋轉(zhuǎn)過于強烈在爐膛出口產(chǎn)生的殘余旋轉(zhuǎn)。改造后，經(jīng)過讕試鍋爐的爐膛出口處煙溫偏差降低到20～30℃，相比改造初期降幅接近70～80℃，說明改造后鍋爐的燃燒性能有所改善。
4.2.3  鍋爐的排煙溫度與排煙量
    改造后的鍋爐采用的是開縫鈍體燃燒器，該燃燒器在鈍體后可以形成一個回流區(qū)，該回流區(qū)具有高溫、低速、煤粉聚集的特點，使著火提前，增加了煤粉在爐膛的停留時間。同時由于采用低氮燃燒技術(shù)，在一次風(fēng)不堵粉、滿足正常燃燒的情況下盡可能地降低一次風(fēng)的風(fēng)速，使得鍋爐的氧量相對減少，送風(fēng)量減少。上述幾方面綜合作用下使得鍋爐的排煙溫度同比改造前有所降低，降幅約2～3℃。該鍋爐主要的熱損失來自排煙熱損失，排煙溫度的降低對該鍋爐的效率的提高具有很大的貢獻。
    改造前，鍋爐的燃燒是在氧氣較為充足的情況下進行的，氧量的充足是基于送風(fēng)所給予的保證，但是過多的氧量會導(dǎo)致鍋爐排煙量的增加、熱損失變大，同時風(fēng)機的電耗也會增加。改造后，降低了鍋爐的過量空氣系數(shù)。為了達(dá)到合理的控制氧量，通過降低送、引風(fēng)機的電流實現(xiàn)。上述措施不僅減少了風(fēng)機的電耗，節(jié)約了成本，另外減少了鍋爐的排煙量，降低了鍋爐的排煙熱損失，提高了該鍋爐的經(jīng)濟效益。
4.2.4穩(wěn)燃效果
    該鍋爐在未改造前，在450x)～50%的奐荷的情況下，經(jīng)常出現(xiàn)滅火、打炮、燃燒不穩(wěn)定的情況，有時為了滿足生產(chǎn)的需求往往需要進行投油助燃，能源消費量大、經(jīng)濟效益低，鍋爐正常運行操作困難。經(jīng)過改造后進行了燃燒穩(wěn)定性試驗，在鍋爐35 t/h (470/3的負(fù)荷)下燃燒依然穩(wěn)定，不需要投油助燃，改造后取得了很好地效果，得到的廠方的高度認(rèn)可。
4.2.5  氮氧化物排放
    改造前鍋爐的氮氧化物排放值在750～880 mg/m3(標(biāo)態(tài)、干基、6cX)O．)，改造后經(jīng)過冷態(tài)試驗和熱態(tài)調(diào)試，在下層空預(yù)器溫度測點處采用等速采樣槍進行煙氣取樣，使用OPTIMA7便攜式煙氣分析儀進行煙氣成分測試，每隔兩個小時進行一次測量，每次10 min，每隔30 s進行數(shù)據(jù)錄入，經(jīng)過連續(xù)一周的測量，改造后的氮氧化物平均排放值為351mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6V00，）<400 mg/m3降幅約530A～60%，說明低氮改造取得了很好的敖果。
4.2.6  燃燒器安全性與壽命
    改造前該臺鍋爐采用的是雙通道燃燒器，雙通道燃燒器是依靠上下一次風(fēng)射流的抽吸作用在預(yù)燃室形成強烈的回流區(qū)，利用回流區(qū)的高溫?zé)煔鈦砑訜崦悍郏?br /> 達(dá)到穩(wěn)定燃燒的效果。回流量越大，燃燒穩(wěn)定性越好，但是回流區(qū)越大，一次風(fēng)衰減的速度越快，會出現(xiàn)著火提前，使煤粉在噴口處就急劇的燃燒，長時間如此使噴口的壽命縮短，從而出現(xiàn)燃燒器嚴(yán)重變形，損壞的現(xiàn)象。
    改造后，使用開縫鈍體燃燒器，提高了鍋爐的穩(wěn)燃效果，實現(xiàn)了低負(fù)荷不投油穩(wěn)定燃燒的同時，由于側(cè)邊風(fēng)的引入，能夠使燃燒器噴口得到及時的冷卻，保護噴口不被燒壞。中心風(fēng)可以根據(jù)煤質(zhì)的變化，合理的調(diào)整煤粉的著火距離，過短的著火距離會使燃燒器損壞嚴(yán)重，較長的著火距離，在燃用熱值低的差煤時會出現(xiàn)著火不穩(wěn)定，容易脫火、滅火的現(xiàn)象。改造后的燃燒器實現(xiàn)了低負(fù)荷穩(wěn)燃，噴口壽命延長，著火距離可調(diào)的多重功效。
5  結(jié)  語

    該廠的低氮改造過程進展順利，改造取得了很好的效果，解決了鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃效果差，煙溫偏差大，燃燒器壽命短、損壞嚴(yán)重，氮氧化物排放值高等問題，氮氧化物改在后降低幅度很大，為該廠在環(huán)保方面做出了很大的貢獻，改造效果得到了廠方的認(rèn)同。

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