超超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超超臨界鍋爐燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄒縣處理廠改造期間，第一次生產(chǎn)能力為2200mw。2006年12月4日，通過(guò)168h運(yùn)行，正式轉(zhuǎn)移至發(fā)電廠進(jìn)行試驗(yàn)生產(chǎn)工藝。3030t/h鍋爐是東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司與日本巴布科克-日立公司及東方-日立鍋爐有限公司合作設(shè)計(jì)、聯(lián)合制造。鍋爐為超超臨界壓力變壓運(yùn)行直流爐、一次再熱、平衡通風(fēng)、運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)П型鍋爐。1燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鍋爐燃燒器采用按BHK技術(shù)設(shè)計(jì)的新型HT-NR3低NOx旋流式煤粉燃燒器。48只燃燒器組成前后墻對(duì)沖燃燒方式。燃燒器按3層8列布置(見圖1),前墻自上而下為E、C、D3層,后墻自上而下為F、A、B3層。燃燒器層間距5819.8mm,橫向間距3683mm。上層燃燒器中心距屏底約23.5m,下層燃燒器中心距冷灰斗轉(zhuǎn)折點(diǎn)約3.38m,最外側(cè)燃燒器中心與側(cè)墻距離為4096.2mm。燃燒器配風(fēng)分為一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng),分別通過(guò)一次風(fēng)管,燃燒器內(nèi)同心的內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)環(huán)形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛。燃燒系統(tǒng)還布置有20只燃盡風(fēng)噴口(也稱調(diào)風(fēng)器),布置在前、后墻頂層燃燒器上方標(biāo)高38588.4mm和35124.2mm處,燃盡風(fēng)噴口距最上層燃燒器中心7150.1mm。二次風(fēng)采用大風(fēng)箱配風(fēng),大風(fēng)箱被分隔成多層風(fēng)室,每層燃燒器1個(gè)風(fēng)室。大風(fēng)箱對(duì)稱布置于前、后墻,設(shè)計(jì)入口風(fēng)速較低,風(fēng)箱內(nèi)風(fēng)量的分配取決于燃燒器自身結(jié)構(gòu)及其風(fēng)門開度,保證燃燒器在相同狀態(tài)下得到相同風(fēng)量,使燃燒器配風(fēng)均勻。配套安裝6臺(tái)BBD4360型雙進(jìn)雙出鋼球式磨煤機(jī)。采用正壓直吹式制粉系統(tǒng),磨制后的煤粉從磨煤機(jī)的兩端空心軸出來(lái)經(jīng)過(guò)分離器分離后,合格的煤粉又通過(guò)8條一次風(fēng)管道進(jìn)入燃燒器形成獨(dú)立的火焰。從各磨煤機(jī)驅(qū)動(dòng)端引出的4條一次風(fēng)管道為1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)、8號(hào),從非驅(qū)動(dòng)端引出的4條一次風(fēng)管道為3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào),與對(duì)應(yīng)的8只燃燒器連接。燃燒器自甲側(cè)向乙側(cè)排列順序?yàn)?號(hào)~8號(hào)。每只燃燒器的中心管內(nèi)布置1只點(diǎn)火油槍,油槍采用機(jī)械霧化型,單只點(diǎn)火油槍出力為1350kg/h。鍋爐設(shè)計(jì)煤種、校核煤種均為兗礦煤和濟(jì)北礦煤的混煤。2燃料性能2.1旋轉(zhuǎn)二次燃燒的優(yōu)勢(shì)該圓型燃燒器調(diào)節(jié)靈活,穩(wěn)燃性能好,一、二次風(fēng)混合強(qiáng)烈,彌補(bǔ)了一般旋流燃燒器風(fēng)、粉氣流混合弱的不足,在防結(jié)焦方面有較大的靈活性。另外還有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,結(jié)構(gòu)尺寸和阻力較小,占用爐膛面積較小,對(duì)水循環(huán)和水冷壁的布置影響較小等特點(diǎn)。特別是對(duì)煤種的適應(yīng)性較強(qiáng),并且能抑制NOx的產(chǎn)生。旋流式燃燒器又可根據(jù)二次風(fēng)的可調(diào)葉片布置方式分為徑向葉片旋流式和軸向葉片旋流式2種。該超超臨界壓力鍋爐采用的是徑向葉片旋流式燃燒器,一次風(fēng)為直流,也稱軸向引入。2.2次風(fēng)分級(jí)配風(fēng)在分級(jí)燃燒方式中,提供給燃燒器的風(fēng)量少于其正常燃燒所需要的風(fēng)量。燃燒所需要的其余風(fēng)量通過(guò)燃燒器上方的燃盡風(fēng)噴口來(lái)提供。這種布置方式對(duì)于減少NOx生成是非常有效的。燃盡風(fēng)進(jìn)入爐膛以前的區(qū)域都是燃料富集區(qū),燃料在此區(qū)域的駐留時(shí)間較長(zhǎng),有助于已經(jīng)存在的NO分解,實(shí)現(xiàn)了煤粉氣流的“三高”燃燒。通過(guò)二次風(fēng)分級(jí)配風(fēng),極大地限制了在燃燒器區(qū)域NOx的生成。NOx的控制調(diào)節(jié)是通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒器和燃盡風(fēng)之間的風(fēng)量比例來(lái)實(shí)現(xiàn)的。2.3并在燃燒污水中形成最重要的燃燒煤粉為了提高燃燒器的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力,防止結(jié)渣及降低NOx排放,采用了煤粉濃縮器、火焰穩(wěn)焰環(huán)及穩(wěn)燃齒。一次風(fēng)、粉氣流的濃、淡分離是靠安裝于一次風(fēng)管中的錐形煤粉濃縮器來(lái)實(shí)現(xiàn)的,并使氣流在火焰穩(wěn)焰環(huán)附近形成一定濃度的煤粉氣流。采用穩(wěn)焰齒、穩(wěn)燃環(huán)和濃縮器,在燃燒時(shí)會(huì)在穩(wěn)焰齒、穩(wěn)燃環(huán)附近形成一個(gè)環(huán)形回流區(qū)域,提供足夠的著火熱能,同時(shí)防止二次風(fēng)過(guò)早混入,使煤粉能及時(shí)著火,穩(wěn)定燃燒;在燃燒中心區(qū)域也會(huì)形成一個(gè)回流區(qū),保證煤粉的進(jìn)一步燃盡。穩(wěn)焰齒、穩(wěn)燃環(huán)還會(huì)增加煤粉氣流的湍動(dòng),提高煤粉的著火速度,因此這種燃燒器的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能得到了極大的提高。2.4防止火焰沖刷和飛邊沖刷選取合適的爐膛熱力參數(shù)和合理的燃燒器布置,防止局部溫度過(guò)高,特別是各燃燒器的排列是按照外二次風(fēng)不同的旋轉(zhuǎn)方向,在離開制造廠前就按編號(hào)設(shè)計(jì)好的,使下層2只燃燒器形成相互(左、右)對(duì)旋,中間層與下層旋轉(zhuǎn)方向相反,上層又與中間層相反,燃盡風(fēng)則與上層旋向相反,兩股側(cè)燃盡風(fēng)形成相互對(duì)旋,有效地避免運(yùn)行中各燃燒器的火焰相互干擾和飛邊沖刷兩側(cè)爐墻。燃燒器離兩側(cè)水冷壁、冷灰斗轉(zhuǎn)折點(diǎn)及屏底均有足夠距離,防止火焰沖刷受熱面。由于燃燒器結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì),以及燃燒器運(yùn)行參數(shù)的合理選取,很好地控制燃料著火點(diǎn)和火焰形狀,有效地防止燃燒器噴口及周圍水冷壁結(jié)焦。2.5燃盡風(fēng)系統(tǒng)的布置采用了先進(jìn)的分級(jí)送風(fēng)與濃淡燃燒技術(shù)。穩(wěn)燃環(huán)可以對(duì)煤粉的分布作合理的調(diào)整,由于煤粉在自身慣性作用下,向中心運(yùn)動(dòng)形成負(fù)壓區(qū),而氣流則由中心回流區(qū)向外側(cè)偏轉(zhuǎn),這樣將形成煤粉氣流的二次濃縮,煤粉的絕大部分射入回流區(qū)內(nèi)。因射流的中心區(qū)具有高溫回流煙氣,高的湍動(dòng)度和高的煤粉濃度,從而促進(jìn)了煤粉的著火,增大了燃燒器噴口附近的燃燒效率。外二次風(fēng)的高速和旋流還可以防止煤粉從氣流中分離,促進(jìn)了火焰和外側(cè)風(fēng)的混合,可以獲得高的燃燒效率。上一層風(fēng)噴口至屏底有足夠的距離,有足夠的燃盡空間。燃盡風(fēng)具有內(nèi)直流、外旋流特性,使沿深度和寬度氧量分布均勻。燃盡風(fēng)具有獨(dú)特的布置方式,布置范圍覆蓋了整個(gè)燃燒器區(qū)域,有效地制止了煤粒的逃逸,降低了飛灰可燃物含量。煤粉燃燒器主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1(設(shè)計(jì)煤種,BMCR工況)。3燃料結(jié)構(gòu)和原理3.1次風(fēng)噴口與二次風(fēng)閥煤粉燃燒器外部部件主要有一次風(fēng)管道、中心風(fēng)管、擋板、冷卻風(fēng)管、電動(dòng)蝶閥、單向閥、油點(diǎn)火器以及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等。內(nèi)部部件主要有一次風(fēng)外套筒、文丘里管、內(nèi)二次風(fēng)裝置、外二次風(fēng)裝置、煤粉濃縮器、穩(wěn)焰齒、穩(wěn)燃環(huán)、燃燒器殼體等。一次風(fēng)與二次風(fēng)之間有一套筒,套筒內(nèi)插入一文丘里管,套筒與一次風(fēng)噴口前端用螺栓相連接。一次風(fēng)噴口的前端內(nèi)置裝設(shè)一穩(wěn)燃環(huán)。12只穩(wěn)燃齒等距離地鑲嵌在一次風(fēng)噴口與穩(wěn)燃環(huán)之間。在穩(wěn)燃環(huán)外側(cè)安裝一導(dǎo)流筒(導(dǎo)流環(huán)),導(dǎo)流環(huán)內(nèi)側(cè)為內(nèi)二次風(fēng)通道,導(dǎo)流環(huán)外側(cè)為外二次風(fēng)通道。為了緩解熱膨脹,穩(wěn)燃環(huán)分成4段鑄造,每段穩(wěn)燃環(huán)用4只螺栓固定在一次風(fēng)噴口上。穩(wěn)燃環(huán)的外側(cè)四周有36條導(dǎo)流槽,在導(dǎo)流槽端部形成擴(kuò)散錐。3.2燃料生產(chǎn)的原則在HT-NR3低NOx旋流煤粉燃燒器中,燃燒用空氣被分為4股,它們是一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和中心風(fēng)(見圖2)。3.2.1過(guò)煤粉濃縮器的燃燒過(guò)程由一次風(fēng)機(jī)提供。它首先進(jìn)入磨煤機(jī),干燥原煤并攜帶磨制合格的煤粉通過(guò)燃燒器入口的一次風(fēng)彎頭后軸向進(jìn)入燃燒器中,經(jīng)過(guò)煤粉濃縮器使較濃的煤粉氣流從一次風(fēng)管圓周外側(cè),再經(jīng)過(guò)一次風(fēng)管出口處的穩(wěn)焰齒和穩(wěn)燃環(huán),最后進(jìn)入環(huán)形回流區(qū)著火燃燒。穩(wěn)焰齒和穩(wěn)燃環(huán)還可以改變煤粉的空間分布,同時(shí)通過(guò)一次風(fēng)和二次風(fēng)擴(kuò)散錐的配合,控制二次風(fēng)的混入,進(jìn)一步提高燃燒器的穩(wěn)燃能力并降低燃燒中生成的NOx。由于在二次風(fēng)擴(kuò)散錐的上方開有2個(gè)引流孔,可進(jìn)一步提高其著火、穩(wěn)燃能力。3.2.2外二次風(fēng)旋流控制二次風(fēng)由送風(fēng)機(jī)經(jīng)三分倉(cāng)式預(yù)熱器加熱至343℃,經(jīng)熱風(fēng)管道送至前、后墻大風(fēng)箱后分級(jí)送入爐內(nèi)。在每排大風(fēng)箱兩端入口裝有風(fēng)量調(diào)節(jié)擋板。風(fēng)箱為每只燃燒器提供內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng),通過(guò)同心的內(nèi)、外二次風(fēng)環(huán)形通道在燃燒的不同階段分級(jí)送入爐膛。其中內(nèi)二次風(fēng)量可通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)套筒式擋板來(lái)分配,外二次風(fēng)旋流可通過(guò)葉輪式調(diào)節(jié)擋板來(lái)分配。內(nèi)二次風(fēng)為直流,通過(guò)2根手動(dòng)推桿帶動(dòng)調(diào)節(jié)套筒實(shí)現(xiàn)。內(nèi)二次風(fēng)經(jīng)過(guò)穩(wěn)燃環(huán)外側(cè)的若干分流槽成擴(kuò)散狀噴出。直流的方式可便于點(diǎn)燃煤粉,使燃燒器噴口附近風(fēng)粉混合物氣流較好地混合,可使高溫?zé)釤煔饣亓?還可以保持噴口附近較低的氧量。煤粉在低氧環(huán)境下燃燒,可以減少燃料型NOx的生成;同時(shí)低氧量降低了火焰溫度,從而減少熱NOx的生成。外二次風(fēng)以旋流的方式進(jìn)入爐膛,該二次風(fēng)量大,阻力損失小,所以對(duì)回流的影響不太大。外二次風(fēng)調(diào)節(jié)為葉輪式調(diào)風(fēng)擋板,調(diào)節(jié)18只調(diào)風(fēng)擋板開度,即可調(diào)節(jié)二次風(fēng)的風(fēng)量和旋流強(qiáng)度。外二次風(fēng)從內(nèi)、外二次風(fēng)筒體之間的通道通過(guò),經(jīng)出口導(dǎo)流環(huán)形成旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散,從而可調(diào)整燃燒器的火焰形狀,并影響NOx的生成及省煤器出口O2和CO的分布。擋板開度調(diào)整范圍0°~75°,所以外二次風(fēng)擋板開度一般保持在50%左右。隨著擋板的開啟,火焰形狀由短而粗變?yōu)榧?xì)而長(zhǎng)。油槍點(diǎn)火時(shí)葉輪擋板開度可以在80%左右,停爐則全部關(guān)閉。3.2.3中心回量無(wú)中心氣量燃燒器內(nèi)設(shè)有中心風(fēng)管,是油槍和中心風(fēng)的通道,可提供油槍燃燒所需風(fēng)量。中心風(fēng)為直流風(fēng),風(fēng)量雖然不大(約占總風(fēng)量1%),可以調(diào)整燃燒器中心回流區(qū)的軸向位置;不但可供點(diǎn)火時(shí)所需要的根部風(fēng),在正常運(yùn)行中起輔助燃燒的作用。因?yàn)榛亓鲄^(qū)是由旋流二次風(fēng)帶動(dòng)一次風(fēng)旋轉(zhuǎn),造成流場(chǎng)中心區(qū)負(fù)壓而形成的,而中心風(fēng)正好投入在這個(gè)負(fù)壓區(qū)中,大大影響了中心區(qū)負(fù)壓值,導(dǎo)致回流量大為下降。因此中心風(fēng)量越大,對(duì)回流區(qū)的影響就越大。中心風(fēng)通過(guò)手柄調(diào)節(jié)風(fēng)門開度位置來(lái)進(jìn)行風(fēng)量的調(diào)節(jié)。3.3調(diào)節(jié)套管的開度布置在前、后墻頂層燃燒器上方的20只燃盡風(fēng)噴口,分別為前、后墻各8只燃盡風(fēng)(AAP)噴口和各2只側(cè)燃盡風(fēng)(SAP)噴口(見圖1)。燃盡風(fēng)(AAP)由中心風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)組成。中心風(fēng)為直流風(fēng),用一調(diào)節(jié)套筒實(shí)現(xiàn)。內(nèi)、外二次風(fēng)為旋流,兩股風(fēng)的旋流方向相同,采用調(diào)風(fēng)擋板外加調(diào)節(jié)套筒實(shí)現(xiàn)。內(nèi)二次風(fēng)16只調(diào)風(fēng)擋板,外二次風(fēng)20只調(diào)風(fēng)擋板。側(cè)燃盡風(fēng)(SAP)由中心風(fēng)和外二次風(fēng)組成。中心風(fēng)為直流風(fēng),采用一調(diào)節(jié)套筒實(shí)現(xiàn),外二次風(fēng)為旋流風(fēng),采用16只調(diào)風(fēng)擋板實(shí)現(xiàn)(沒(méi)有調(diào)節(jié)套筒)。燃盡風(fēng)與側(cè)燃盡風(fēng)風(fēng)量調(diào)節(jié),均靠設(shè)在就地的各級(jí)風(fēng)門擋板進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié),或用2根手動(dòng)推桿來(lái)調(diào)節(jié)套筒開度。各級(jí)燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板、調(diào)節(jié)套筒的開度應(yīng)根據(jù)鍋爐各個(gè)階段的運(yùn)行工況來(lái)決定,并通過(guò)試驗(yàn)加以確定,確保油、煤火焰不被吹滅。燃盡風(fēng)總風(fēng)量通過(guò)風(fēng)箱入口風(fēng)門電動(dòng)執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。4次風(fēng)管道水平段積粉問(wèn)題(1)在鍋爐168h投產(chǎn)試運(yùn)7天過(guò)程中,就發(fā)生6次燃燒器前一次風(fēng)管道煤粉沉積現(xiàn)象。①2006年11月27日16:20發(fā)現(xiàn)該爐F1風(fēng)、粉管道出口溫度逐漸降低,開啟吹掃風(fēng)門吹掃無(wú)效,溫度最低降至19℃,強(qiáng)制關(guān)閉F1風(fēng)、粉管道出口門,打開吹掃風(fēng)門吹掃。②2006年11月30日發(fā)現(xiàn)該爐B4風(fēng)、粉管道出口溫度逐漸降低。③2006年12月1日2次發(fā)現(xiàn)該爐F5粉管溫度降至17℃,1次發(fā)現(xiàn)B1風(fēng)、粉管道出口溫度逐漸降低。④2006年12月3日發(fā)現(xiàn)該爐B4一次風(fēng)管溫度偏低。雖然試運(yùn)中積粉主要發(fā)生在B、F層燃燒器,但可能與爐后燃燒器入口一次風(fēng)水平管段較長(zhǎng)有關(guān)。但是168h試運(yùn)結(jié)束停爐后,檢查各燃燒器入口一次風(fēng)管道水平段,多處存在管道內(nèi)部積粉現(xiàn)象。前墻燃燒器入口一次風(fēng)管道水平段也存在積粉,打開其中16根一次風(fēng)管道,發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)明顯大量積粉,最多的積粉厚度接近管道1/3。2006年12月19日鍋爐點(diǎn)火后用了近10h將A4、B1、B2、B3、B5、B6、B7、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D8、C6、D7等一次風(fēng)管道內(nèi)沉積煤粉吹掃干凈。一次風(fēng)流速低與煤粉濃度高則會(huì)導(dǎo)致積粉。燃燒器出口一次風(fēng)速直接影響燃燒的好壞,如果長(zhǎng)時(shí)間堵粉不但影響燃燒,還會(huì)導(dǎo)致燃燒器回火,燒壞燃燒器噴口。10m以上的一次風(fēng)管道水平段長(zhǎng)時(shí)間堵粉,還會(huì)降低一次風(fēng)流速,而流速低則會(huì)造成風(fēng)量減少,煤粉濃度升高。(2)二次風(fēng)的調(diào)風(fēng)擋板、一次風(fēng)的濃縮器調(diào)整不當(dāng)?shù)?都會(huì)引起燃燒器噴口結(jié)焦;油槍漏油能引起回火,導(dǎo)致燃燒器噴口燒毀,燃燒器與大風(fēng)箱之間結(jié)合處不嚴(yán)密,則會(huì)造成一次風(fēng)竄入二次風(fēng)通道,導(dǎo)致煤粉在燃燒器二次風(fēng)空間內(nèi)燃燒,燒毀各調(diào)節(jié)與監(jiān)測(cè)部件。因此燃燒器退出運(yùn)行前要徹底通風(fēng)吹掃一次風(fēng)通道,防止積附在中心筒上部的煤粉自燃、結(jié)焦造成燃燒器再次投運(yùn)時(shí)回火。(3)嚴(yán)格控制一、二次風(fēng)速比例和濃縮器行程,杜絕燃燒器內(nèi)部,特別是下(D、B)層一次風(fēng)彎頭底部積粉和結(jié)焦。沿爐膛寬度二次風(fēng)箱風(fēng)壓分布不均勻,則會(huì)致使兩側(cè)燃燒器二次風(fēng)量偏差較大,加上煤粉管道布置等因素的影響,會(huì)出現(xiàn)各燃燒器風(fēng)、粉量分配不均,直接影響燃燒狀況。因此在調(diào)整各燃燒器的負(fù)荷時(shí)盡量采用“橋形送風(fēng)”的原則,防止燃燒器燒毀首先應(yīng)避免回火。(4)在燃燒器入口的一次風(fēng)管道上接有一條冷卻風(fēng)管道,當(dāng)燃燒器退出運(yùn)行后,應(yīng)打開冷卻風(fēng)管道上的電動(dòng)蝶閥,在爐膛負(fù)壓的作用下,單向閥自動(dòng)開啟,吸入大氣,對(duì)燃燒器的一次風(fēng)通道,特別是中心筒襯的耐磨陶瓷片起到冷卻作用,而且還避免了再次投入燃燒器時(shí)會(huì)出現(xiàn)的“脈動(dòng)”現(xiàn)象。(5)在鍋爐每次小修期間,應(yīng)全面對(duì)燃燒設(shè)備各部件,特別是高溫易磨損件進(jìn)行檢查,及時(shí)修復(fù)脫落的穩(wěn)燃齒。如發(fā)現(xiàn)穩(wěn)燃環(huán)磨損、變形嚴(yán)重時(shí)應(yīng)及時(shí)更換。該燃燒器為組合式結(jié)構(gòu),一次風(fēng)通道內(nèi)部件可以整體抽出爐外。一次風(fēng)彎頭、文丘里管、導(dǎo)流筒、燃燒器噴嘴、穩(wěn)焰環(huán)等都可以解體分步更換。5噴口堵塞的預(yù)防(1)不論是軸向葉片旋流式燃燒器還是徑向葉片旋流式燃燒器在我省電廠已使用了三十多年,已經(jīng)有了一套成熟的管理維護(hù)經(jīng)驗(yàn)。由于該燃燒器沒(méi)有設(shè)計(jì)檢查孔,文丘里管前下部如有積粉或焦塊,不容易檢查發(fā)現(xiàn),無(wú)法及時(shí)吹掃干凈。當(dāng)噴口發(fā)生結(jié)焦堵塞,會(huì)造成一次風(fēng)從外套筒與