雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器W火焰鍋爐燃燒特性研究

1、雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器W火焰鍋爐燃燒特性試驗研究石 踐（貴州電力試驗研究院，貴州 貴陽 550002）摘 要：通過燃燒調(diào)整對某廠雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器W火焰鍋爐的燃燒特性進(jìn)行研究，找到了影響鍋爐穩(wěn)燃和燃盡的關(guān)鍵因素，大幅度提高了的鍋爐效率。關(guān)鍵詞：雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器；W型火焰鍋爐；燃燒特性；鍋爐效率1 引言我國是世界上少數(shù)無煙煤儲量豐富的國家之一，在我國煤炭儲量中無煙煤占相當(dāng)大的比例（約占19）1-3。由于具有穩(wěn)燃能力強(qiáng)，煤種適應(yīng)性廣，調(diào)峰范圍寬等優(yōu)點，我國燃用低揮發(fā)分無煙煤的主力爐型是W型火焰鍋爐1-4，目前投運及在建的W型火焰鍋爐逾百臺，美國巴布科克威爾科克斯公司（B&W）技術(shù)的W型火焰鍋爐是其

2、中的三種主要技術(shù)類型之一。某廠2號鍋爐為北京巴威公司按照美國B&W公司技術(shù)生產(chǎn)的雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器W火焰鍋爐，自投入運行以來，一直存在燃燒經(jīng)濟(jì)性差、鍋爐效率低的問題，本文通過現(xiàn)場燃燒調(diào)整對鍋爐燃燒特性進(jìn)行研究，找到了影響鍋爐穩(wěn)燃和燃盡的關(guān)鍵因素，大幅度提高了鍋爐效率。2研究對象本文的研究對象是北京巴威公司引進(jìn)美國B&W公司技術(shù)制造生產(chǎn)的B&WB-1025/17.4-M型W火焰鍋爐（圖1）。圖1 B&W技術(shù)W火焰鍋爐燃燒系統(tǒng)鍋爐采用雙進(jìn)雙出直吹式制粉系統(tǒng)，磨煤機(jī)與燃燒器的對應(yīng)關(guān)系見圖2。鍋爐設(shè)計燃用Vdaf為7.99%的無煙煤，收到基低位發(fā)熱量22.816 MJ/k

3、g，收到基灰分24.64%。后 墻B3B4A1A2D2D1C3C4C2C1D4D3A3A4B1B2前 墻12121212磨A磨B磨C磨D34343434圖2 磨煤機(jī)與燃燒器的對應(yīng)關(guān)系鍋爐配備16只B&W專門用于燃用低揮發(fā)份燃料的濃縮型EI-XCL雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器。燃燒器設(shè)計參數(shù)見表1。表1 燃燒器設(shè)計參數(shù)項目單位數(shù)值一次風(fēng)溫120二次風(fēng)溫349一次風(fēng)速m/s21.9二次風(fēng)速（內(nèi)環(huán)）m/s20.7二次風(fēng)速（外環(huán)）m/s38.8乏氣風(fēng)速m/s22.9分級風(fēng)速m/s37.7一次風(fēng)率（噴口處）%8.82煤粉細(xì)度%6燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。一次風(fēng)煤粉氣流在經(jīng)過燃燒器彎頭前，先通過一段偏心異徑管加

4、速，大多數(shù)煤粉由于離心力作用沿彎頭外側(cè)內(nèi)壁流動，在氣流進(jìn)入一次風(fēng)濃縮裝置之后，使50%一次風(fēng)和10%15%煤粉分離出來，經(jīng)過乏氣管垂直向下引到乏氣噴口直接噴入爐膛燃燒。燃燒器配有雙層強(qiáng)化著火的軸向調(diào)風(fēng)機(jī)構(gòu)，從風(fēng)箱來的二次風(fēng)分兩股分別進(jìn)入內(nèi)層和外層調(diào)風(fēng)器（鍋爐廠設(shè)計認(rèn)為內(nèi)層二次風(fēng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流可以卷吸高溫?zé)煔庖济悍?，外層二次風(fēng)用來補(bǔ)充煤粉進(jìn)一步燃燒所需的空氣），內(nèi)、外二次風(fēng)設(shè)有手動軸向可調(diào)葉片，用以改變內(nèi)、外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，內(nèi)、外二次風(fēng)的分配比例則通過手動調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)盤進(jìn)行；而進(jìn)入燃燒器的二次總風(fēng)量由調(diào)風(fēng)套筒調(diào)節(jié)。此外每個燃燒器下部有4個259×5分級風(fēng)管將分級風(fēng)從風(fēng)箱底部以45

5、76;（電廠已將其改為25°）傾角送入爐膛，形成分級燃燒。圖3 濃縮型EI-XCL雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器3熱態(tài)燃燒調(diào)整與特性分析共進(jìn)行了12個工況的熱態(tài)燃燒調(diào)整試驗，各工況燃燒器設(shè)置和主要試驗結(jié)果見表2（調(diào)整前工況燃燒器擋板設(shè)置比較混亂，開度平均值和工況1大致相當(dāng)，飛灰含碳量在10%以上，鍋爐效率為87.27%）。其中內(nèi)外二次風(fēng)葉片角度是指旋流葉片與風(fēng)管切向的夾角（即角度越大旋流強(qiáng)度越小）；而調(diào)風(fēng)盤開度范圍為0-200mm，200mm時內(nèi)二次比例最小。表2 各工況燃燒器設(shè)置和主要試驗結(jié)果工況內(nèi)二次風(fēng)葉片角度（度）外二次風(fēng)葉片角度（度）調(diào)風(fēng)盤開度(mm)收到基低位發(fā)熱量（kJ/kg）干燥無灰

6、基揮發(fā)分（%）飛灰含碳量（%）爐渣含碳量（%）鍋爐效率（%）T140651502021011.909.589.0687.65T230651501872012.589.7515.6585.52T350651502033011.359.2416.5386.84T440651801917013.117.4914.5387.45T540注11801998010.98.3914.5387.76T640注21802021013.185.745.0689.71T740651801971012.57.248.7688.51T830注31802039012.876.594.7489.38T950注3180186

7、9013.387.997.7487.6T1040注32002189013.825.956.3290.62T1130注32002011012.46.178.4789.59T1220注32001802014.66.57.588.15注1：前墻中間4個燃燒器55度，其余45度；后墻65度注2：前墻55度；后墻65度注3：前墻左側(cè)65度，右側(cè)55度；后墻65度3.1 內(nèi)外二次風(fēng)風(fēng)量比例的影響通過試驗發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外二次風(fēng)風(fēng)量的比例對鍋爐燃燒有重要影響。根據(jù)表2試驗結(jié)果，通過線性回歸分析的方法對鍋爐效率和飛灰含碳量與調(diào)風(fēng)盤開度的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖4。圖4 鍋爐效率和飛灰含碳量與調(diào)風(fēng)盤開度的關(guān)系由圖4可見

8、，隨著內(nèi)二次風(fēng)比例的減小，飛灰含碳量呈顯著直線下降趨勢（相關(guān)性系數(shù)R2 = 0.7826，呈很強(qiáng)強(qiáng)相關(guān)性）、鍋爐效率呈顯著直線上升趨勢（相關(guān)性系數(shù)R2 = 0.544，呈強(qiáng)相關(guān)性）。調(diào)風(fēng)盤開度由150mm調(diào)到200mm時，飛灰含碳量下降約3.5個百分點、鍋爐效率平均提高約2.8個百分點。3.2內(nèi)二次風(fēng)葉片角度的影響采用同樣的方法對鍋爐效率和飛灰含碳量與內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度的關(guān)系進(jìn)行分析的結(jié)果見圖5。圖5鍋爐效率和飛灰含碳量與內(nèi)二次風(fēng)葉片角度的關(guān)系由圖5可見，試驗數(shù)據(jù)的離散性較大、相關(guān)性不強(qiáng)（相關(guān)性系R2僅0.1左右），說明內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)葉片角度的變化對鍋爐效率和飛灰含碳量的影響不明顯，受其它其它干

9、擾因素的影響較大。但通過回歸分析得出的趨勢線仍可看出，內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度大約在30度時鍋爐效率最高，但飛灰含碳量趨勢線較平緩，特別是30度以下變化趨勢不明顯。為了盡量排除其它干擾因素的影響（煤質(zhì)變化帶來的干擾仍無法避免），特地分別對調(diào)風(fēng)盤150mm和200mm（外二次風(fēng)葉片調(diào)整方式不變）時鍋爐效率和飛灰含碳量與內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)葉片角度時的關(guān)系進(jìn)行了分析，詳見圖6和圖7。圖6 調(diào)風(fēng)盤開度200mm時鍋爐效率和飛灰含碳量與內(nèi)二次風(fēng)葉片角度的關(guān)系圖7 調(diào)風(fēng)盤開度150mm時鍋爐效率和飛灰含碳量與內(nèi)二次風(fēng)葉片角度的關(guān)系圖6和圖7中，飛灰含碳量變化很小，但受煤質(zhì)變化的影響，鍋爐效率變化較大。圖7中，雖然在由

10、于內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)葉片角度50度時飛灰含碳量最低，但此時爐渣含碳量較高，因而鍋爐效率較低。由圖6和圖7可見，鍋爐效率大約在內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)葉片角度40度時達(dá)到最大值、但內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)葉片角度越大飛灰含碳量越低。3.3外二次風(fēng)葉片角度的影響煤粉燃盡需要的空氣主要由外二次風(fēng)提供，外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度（由外二次風(fēng)旋流葉片角度控制）對煤粉火焰的行程、穩(wěn)燃和燃盡都有重要影響，特別是在內(nèi)二次風(fēng)量較小時更是如此。隨著內(nèi)二次風(fēng)量的減小，雖然著火情況明顯改善，但火焰的下沖行程也明顯減弱，此時就需要減小外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度來增強(qiáng)煤粉火焰的下沖能力。根據(jù)經(jīng)驗和數(shù)值模擬計算，在內(nèi)二次風(fēng)量較小時，外二次風(fēng)旋流葉片角度在65度左右比較合適（

11、在70度時對穩(wěn)燃影響較大），因此熱態(tài)燃燒調(diào)整時也是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的。并且為了避免其它因素的干擾，在進(jìn)行外二次風(fēng)旋流葉片角度調(diào)整時，調(diào)風(fēng)盤都保持在180mm，內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度基本都保持在40度。因為所有外二次風(fēng)旋流葉片角度在65度時，從下爐膛溫度測試情況看，后墻燃燒明顯好于前墻，因此主要根據(jù)下爐膛溫度分布情況對前墻二次風(fēng)旋流葉片角度進(jìn)行了調(diào)整，而后墻外二次風(fēng)旋流葉片角度一直保持在65度（爐膛溫度變化情況見圖8）。圖8 外二次風(fēng)旋流葉片角度調(diào)整對下爐膛溫度分布的影響關(guān)于圖8的說明：（1）各工況前墻外二次風(fēng)旋流葉片調(diào)整方式見表2。（2）圖中每個工況下爐膛溫度數(shù)據(jù)為下爐膛看火孔測試而得，從下至上分

12、別為第一、二、三層看火孔數(shù)據(jù)（看火孔具體位置詳見圖1）。由圖8可見，在前墻外二次風(fēng)旋流葉片角度全部為65度時前后墻溫度偏差很大，前墻溫度很低，由表2可知，此時鍋爐效率也較低。在前墻外二次風(fēng)旋流葉片角度采用中間大兩邊小的方式（工況5）進(jìn)行調(diào)整時，雖然前墻爐膛溫度明顯改善但鍋爐效率確基本沒有提高，飛灰含碳量反而有所升高，說明這種方式并不成功，可能和火焰下沖能力降低較多有關(guān)（模擬計算發(fā)現(xiàn)，就算旋流強(qiáng)度一樣，邊上燃燒器火焰下沖能力都明顯比中間燃燒器弱）。當(dāng)前墻外二次風(fēng)旋流葉片角度全部為55度（T6）和采用左側(cè)角度大右側(cè)角度小的方式進(jìn)行調(diào)整（T8）時，下爐膛溫度分別進(jìn)一步改善，并且鍋爐效率都比較高。對鍋

13、爐效率和飛灰含碳量與前墻外二次風(fēng)旋流葉片角度平均值的關(guān)系進(jìn)行線性回歸分析的結(jié)果見圖9。說明1：中間4個燃燒器55度，其余45度，平均50度說明2：左側(cè)65度，右側(cè)55度，平均60度圖9鍋爐效率和飛灰含碳量與前墻外二次風(fēng)葉片角度的關(guān)系由于圖9中包含了所有調(diào)風(fēng)盤180mm時（T4-T9）的試驗數(shù)據(jù)，而T9工況由于燃煤發(fā)熱量明顯偏低，對分析結(jié)果造成一定干擾，因此圖9中飛灰含碳量和鍋爐效率對于前墻外二次風(fēng)旋流葉片角度平均值的相關(guān)性不是很高（相關(guān)性系數(shù)R2分別為0.403和0.3213），但在排除工況9數(shù)據(jù)后則表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性（如圖10所示），飛灰含碳量和鍋爐效率對于前墻外二次風(fēng)旋流葉片角度平均值的相

14、關(guān)性系數(shù)R2分別達(dá)到0.8239和0.8354。圖10排除煤質(zhì)影響后鍋爐效率和飛灰含碳量與前墻外二次風(fēng)葉片角度的關(guān)系由圖9和圖10可見，前墻外二次風(fēng)葉片角度平均值大概在55-60度之間時飛灰含碳量最低、鍋爐效率最高。3.4 煤質(zhì)的影響在燃燒調(diào)整試驗過程中，煤質(zhì)的變化較大，對試驗結(jié)果造成了較大影響，甚至有時影響試驗的正常進(jìn)行。而該型雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器W火焰鍋爐也表現(xiàn)出對煤質(zhì)變化較高的敏感性。煤質(zhì)變化主要表現(xiàn)在發(fā)熱量和揮發(fā)分兩個方面，其中發(fā)熱量的變化更為明顯。在完成測試的12個工況的調(diào)整試驗中，收到基低位發(fā)熱量的變化在18000-22000kJ/kg之間，干燥無灰基揮發(fā)分的變化在10.9%-14.6

15、%之間。為了解煤質(zhì)變化對鍋爐燃燒的影響程度，特利用線性回歸分析的方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果見圖11和圖12。其中圖11為收到基低位發(fā)熱量對鍋爐效率和飛灰含碳量的影響，圖12為干燥無灰基揮發(fā)分對鍋爐效率和飛灰含碳量的影響。圖11 收到基低位發(fā)熱量對鍋爐效率和飛灰含碳量的影響圖12 干燥無灰基揮發(fā)分對鍋爐效率和飛灰含碳量的影響總體上看，發(fā)熱量的影響要大與揮發(fā)分的影響。其中發(fā)熱量變化對鍋爐效率的影響較為顯著（相關(guān)性系數(shù)R2達(dá)到0.4428），隨著燃煤發(fā)熱量的降低（灰分升高）鍋爐效率呈明顯下降趨勢，而發(fā)熱量變化對飛灰含碳量的影響規(guī)律性不強(qiáng)（相關(guān)性系數(shù)R2僅為0.1596），隨著燃煤發(fā)熱量的升高

16、，飛灰含碳量大致呈下降趨勢。相比較而言，揮發(fā)分對飛灰含碳量的影響較為明顯（相關(guān)性系數(shù)R2達(dá)到0.3642），而對鍋爐效率影響則不明顯（相關(guān)性系數(shù)R2僅為0.1349），隨著揮發(fā)分的升高，鍋爐效率隨之提高而飛灰含碳量也大致呈下降趨勢。4 結(jié)論綜上所述，通過燃燒調(diào)整大幅度提高了雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器W火焰鍋爐的效率（鍋爐效率提高3個百分點左右），并且通過對試驗結(jié)果的分析和研究得到如下結(jié)論：（1）內(nèi)二次風(fēng)量的大小對鍋爐燃燒有顯著影響，較小的內(nèi)二次風(fēng)量對鍋爐穩(wěn)燃和燃盡都十分有利，但同時需要較小的外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度來保證煤粉的燃盡。（2）在較小的內(nèi)二次風(fēng)量下，內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對鍋爐燃燒影響不大，鍋爐效率和飛灰含

17、碳量測試結(jié)果與內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度的相關(guān)性不強(qiáng)，但仍可大致看出，內(nèi)二次風(fēng)旋流葉片角度控制40度左右比較合適。（3）外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的大小對鍋爐穩(wěn)燃和燃盡都有重要影響。外二次風(fēng)旋流葉片角度控制在55-65度之間比較合適，角度過小（旋流強(qiáng)度大）對燃盡不利，而角度過大則對穩(wěn)燃不利。在實際的燃燒調(diào)整工作中，還需要根據(jù)爐膛溫度分布情況對各燃燒器外二次風(fēng)旋流葉片角度進(jìn)行細(xì)調(diào)，一般爐膛溫度較低的一側(cè)外二次風(fēng)旋流葉片角度應(yīng)小一些。此外，考慮到爐膛兩側(cè)靠邊上的燃燒器下沖能力相對較弱同時穩(wěn)燃條件也較差，因此外二次風(fēng)旋流葉片角度的調(diào)整不宜采用中部燃燒器角度大、邊上燃燒器角度小的方式。角度均等或邊上燃燒器角度略大的調(diào)

18、整方式效果會比較好。（4）鍋爐燃燒對煤質(zhì)變化比較敏感，特別是燃煤收到基低位發(fā)熱量降到18000kJ/kg以下時鍋爐燃燒顯著惡化。在燃煤收到基低位發(fā)熱量18000kJ/kg以上時，燃煤發(fā)熱量的變化對鍋爐效率影響較顯著，但對飛灰含碳量影響不明顯；而燃煤干燥無灰基揮發(fā)分對飛灰含碳量地影響較明顯，但對鍋爐效率的影響不明顯。參考文獻(xiàn)1 任楓，F(xiàn)W型W火焰鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)研究D. 博士學(xué)位論文，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.2 許傳凱. 低揮發(fā)分煤的燃燒與“W”型火焰鍋爐若干問題研究J. 中國電力. 2004, (7): 37-403 畢玉森, 陳國輝. 低揮發(fā)分煤種與W型火焰鍋爐J. 熱力發(fā)電. 2

19、005, (7): 7-114 車剛, 郝衛(wèi)東, 郭玉泉. W型火焰鍋爐及其應(yīng)用現(xiàn)狀J. 電站系統(tǒng)工程. 2004, 20(1): 38-405 方慶艷, 姚斌, 江瑞寶, 周懷春. W型火焰鍋爐爐內(nèi)燃燒過程檢測實驗研究J. 熱能動力工程. 2005, 20(4): 361-3646 雷聲輝，孫奉仲，史月濤，等.W型火焰鍋爐技術(shù)特點及其對煤種的適應(yīng)J.江西電力，2004，28(3)：3-4，77 高正陽，孫小柱，等.W火焰鍋爐結(jié)構(gòu)效應(yīng)對火焰影響的數(shù)值模擬J.中國電機(jī)工程學(xué)報，2009，29(29)：13-18.8 王篤奎，曾漢才.W型火焰鍋爐冷態(tài)試驗及最佳配風(fēng)方式的研究J.華中電力，2001，