夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)在電站鍋爐上的試驗研究及應(yīng)用
開封火電廠2號爐系武漢鍋爐廠制造的WG2-230170-2型次高壓煤粉爐。由于生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)缶缺陷等原因，燃燒不穩(wěn)定，鍋爐呈正壓運行，鍋爐熱效率偏低．為改善燃燒，提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性以及低負(fù)荷運行時的穩(wěn)定性，河南省電力試驗研究所、開封火電廠、西安交通大學(xué)、武漢鍋爐廠共同進(jìn)行了試驗研究，于1986年5月將2號爐生物質(zhì)燃燒機(jī)改為“一次風(fēng)不對稱夾心風(fēng)式生物質(zhì)燃燒機(jī)”。該爐經(jīng)過以夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)為主的綜合技術(shù)改造后，實現(xiàn)了負(fù)壓運行；鍋爐熱效率比改造前平均提高4%，鍋爐調(diào)峰性能得到了提高，在60%以上負(fù)荷時能實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒．
一、鍋爐存在的問題
該爐額定蒸發(fā)量為230t／h，過熱蒸汽壓力為7 0kgf/cm2，過熱蒸汽溫度為485℃。原設(shè)計配sOMW汽輪發(fā)電機(jī)組，后因汽輪機(jī)經(jīng)常發(fā)生斷葉片等事故，只得降至出力40MW運行。
該爐原設(shè)計燃用新密貧煤，實際燃用以新密貧煤為主的新密貧煤和義馬煙煤的混煤。由于煤場設(shè)備等問題，不能做到按比例摻燃，甚至出現(xiàn)全燒新密貧煤或義馬煙煤的情況。該爐生物質(zhì)燃燒機(jī)采用均等布風(fēng)方式(見圖1)，一次風(fēng)與二次風(fēng)交錯布置，不適應(yīng)新密貧煤的燃燒。投運韌期，燃燒很不穩(wěn)定，經(jīng)常滅火，后來經(jīng)過調(diào)整，情況有所改善，但因鍋爐常在較低負(fù)荷下運行，燃燒仍不穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)荷降至35MW及以下時，燃燒惡化，需投油助燃。此外，由于低溫段空氣預(yù)熱器磨損、腐蝕嚴(yán)重，以及除塵器積灰多，煙道阻力大，運行時爐膛呈正壓，一般為5mn7H：O，有時甚至高達(dá)lOmmH：O。由于送風(fēng)加不上，爐內(nèi)缺氧燃燒，爐膛出口過?？諝庀禂?shù)僅為1.1左右(設(shè)計值為1.25)，加之一、二次風(fēng)配風(fēng)不合理，使得飛灰可燃物偏高，一般在10～15%。煙道漏風(fēng)嚴(yán)重，排煙熱損失很大，約高達(dá)8%左右。因此，鍋爐運行經(jīng)濟(jì)性較薹。該爐汽溫不易控制，特別是當(dāng)一臺制粉系統(tǒng)運行，再啟動另一臺制粉系統(tǒng)時，汽溫極易偏高，控制不好，就造成汽溫急劇變化，多次因汽溫超限引起汽機(jī)打閘，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運行。
二、燃煤特性試驗研究
根據(jù)該爐燃用的煤種，為了確定夾心風(fēng)燃燒器的合理結(jié)構(gòu)和空氣動力參數(shù)，通過示差熱天平研究了燃煤的燃燒特性，并在煤粉燃燒試驗臺上進(jìn)行了試驗。圖2為燃煤的微分熱失重分析曲線。
從圖2可以得到如下主要結(jié)果：揮發(fā)分析出溫度<200℃；最大失重率0.62mg/min；燃燒放熱高峰時的溫度7:400℃；單位重量固定碳燃燼時間4.6min/mg。從上述試驗結(jié)果可以看出：以新密貧煤為主的燃燒圖中，存在著明顯的揮發(fā)分析出區(qū)及焦碳燃燼區(qū)。揮發(fā)分的析出是在比較低的溫度區(qū)內(nèi)完成的，但是燃燼時間相對拖得較長，所以在組織燃燒時，要充分重視煤粉的后期燃燒工況的組織，以提高燃燼率．
在每小時耗煤量為lsOkg的煤粉燃燒試驗臺上，采用一次風(fēng)不對稱布置的夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了模擬試驗。結(jié)果表明，夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)能夠較好地適應(yīng)以新密貧煤為主的燃燒，并有較好的燃燼率。當(dāng)夾心風(fēng)與一次風(fēng)的動壓比從0增至1.89時，飛灰可燃物從3.04%降到2.07%，這說明夾心風(fēng)在煤粉氣流著火后，從一次風(fēng)內(nèi)部適時地補氧，并加強了后期湍動，較好地組織了煤粉的后期燃燒工況，取得了顯著效果。因此，對這種燃燒特性的煤種，夾心風(fēng)與一次風(fēng)動壓的比值可以采用1.5～2．O。同時，從試驗爐的生物質(zhì)燃燒機(jī)區(qū)觀察孔可以看到，在煤粉氣流著火前，向火側(cè)與背火側(cè)一次風(fēng)射流之間存在一個明顯的未混合三角區(qū)。射流出口后，無因次距離I／B =1.0時（B為噴口寬度，Z為距噴口之距離），火焰溫度已達(dá)到893.5℃，因而當(dāng)戈對距離Z／B≥1.0時，燃煤能實現(xiàn)穩(wěn)定著火和然燒。
三、生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計與改進(jìn)．，
根據(jù)對燃煤特性的試驗研究，并考慮到實際燃煤情況，在設(shè)計夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)時，應(yīng)使其在燃用新密貧煤時燃燒穩(wěn)定，燃用義馬煙煤時爐膛不結(jié)大焦，為此，確定采用一次風(fēng)不對稱布置的夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)，這樣可以充分發(fā)揮向火側(cè)一次風(fēng)的著火優(yōu)勢，并在一次風(fēng)著火后從內(nèi)部及時供氧，加強湍流混合，強化燃燒，提高爐內(nèi)溫度及煤粉燃燼度。一次風(fēng)采用集中布置，每個生物質(zhì)燃燒機(jī)有2個一次風(fēng)口，其間分別不對稱布置一個夾心風(fēng)口；4個二次風(fēng)口，其中上二次風(fēng)口向下傾斜3。；三次風(fēng)放在最上層，向下傾斜5。。每個二次風(fēng)管上都有調(diào)節(jié)擋板。圖3為改造后的夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)布置示意圖。
改造設(shè)計時，鍋爐蒸發(fā)量按200t／h，熱風(fēng)溫度為340℃，燃用貧煤時的鍋爐效率按88%計算，生物質(zhì)燃燒機(jī)的特性如，附表，
生物質(zhì)燃燒機(jī)的特性
該夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)計以燃用貧煤為主，同時也考慮到燃用混煤和全燒義馬煤的情況。義馬煙煤雖然容易著火，但由于灰熔點低．煤的結(jié)焦性強，因此在設(shè)計中又作了如下考慮：
( 1)縮小假想切圓直徑，即由原來的+700mm改為+540mm;(2)在兩個一次風(fēng)口之
11間增加1個中二次風(fēng)；(3)適當(dāng)加大兩個一次風(fēng)口的距離。與此同時，還更換了低溫段空氣預(yù)熱器，除塵器進(jìn)口加裝斜棒柵，其出口由切向引出改為蝸殼引出，除塵器進(jìn)、出口煙道作了適當(dāng)改造，并對爐頂及四周爐墻密封進(jìn)行了改進(jìn)。
四、鍋爐冷態(tài)試驗
2號爐作了以夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)為主的改進(jìn)后，進(jìn)行了冷態(tài)空氣動力場試驗。試驗時，啟動送、引風(fēng)機(jī)，將各股射流的噴口速度按冷熱態(tài)相似原理調(diào)整到冷態(tài)?；担⒕S持一定的膛負(fù)壓，然后按投、停夾心風(fēng)工況分別在爐內(nèi)下一次風(fēng)口中心平面的縱橫十字座標(biāo)點上，用DF-VG型多通道電子風(fēng)速儀進(jìn)行速度場測量，并藉此描繪出爐內(nèi)氣流所形成的切圓狀況。
試驗結(jié)果表明：四角氣流在爐內(nèi)形成逆時針旋轉(zhuǎn)的切圓，形狀呈橢圓形，長軸在爐膛寬度方向。投夾心風(fēng)時，氣流切圓直徑約2018mm;停夾心風(fēng)時，氣流切圓直徑約2623mm，分析認(rèn)為，投夾心風(fēng)后，由于夾心風(fēng)氣流的引射作用，加強了一次風(fēng)射流的剛性，因而氣流切圓直徑較停夾心風(fēng)時要小些，這不僅增加了燒調(diào)節(jié)的手段，而且對于減輕或避免氣流的貼壁都是有利的。
五、鍋爐熱態(tài)試驗
熱態(tài)試驗的重點在于：(1)研究夾心風(fēng)對鍋爐燃燒經(jīng)濟(jì)性的影響；(2)研究夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能。熟態(tài)試驗時，在一次風(fēng)率調(diào)整試驗、二次風(fēng)配風(fēng)方式試驗及過量空氣系數(shù)試驗之后，確定了較好的二次風(fēng)配風(fēng)方式，一次風(fēng)速及過量空氣系數(shù)數(shù)值，并進(jìn)行了夾心風(fēng)與一次風(fēng)不同動壓比情況下的鍋爐效率試驗。試驗結(jié)果表明：
。1．通過以夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)為主的綜合技術(shù)改造后，鍋爐最高效率可達(dá)91.46%，平均效率在91%左右，較改造前效率提高約4%。隨著夾心風(fēng)與一次風(fēng)動壓比的增加，熱效率是增加的，但夾心風(fēng)過大，對鍋爐效率也有一定影響。試驗表明，投夾心風(fēng)比停夾心風(fēng)鍋爐效率約提高1.0%。
鍋爐在40MW負(fù)荷時，當(dāng)夾心風(fēng)與一次風(fēng)動壓比（噴口處）在1.16～2.26的范圍時，鍋爐效率均可達(dá)到91%左右。當(dāng)動壓比過大時，效率又略有降低，這主要是由于夾心風(fēng)速的增加，對一次風(fēng)的引射作用增加，使著火點距噴口的距離略有增加，致使離開爐膛的未燃成份有所回升。鑒于夾心風(fēng)與一次風(fēng)動壓比在較大范圍內(nèi)均能保持較高的鍋爐熱效率，這對于運行調(diào)整是很方便的。
2．在夾心風(fēng)與一次風(fēng)動壓比的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，投、停夾心風(fēng)對爐膛溫度水平有一定影響，即投夾心風(fēng)可使?fàn)t膛溫度上升約50℃。分析其主要原因在于：當(dāng)射流著火后，夾心風(fēng)能迅速地向已著火的煤粉氣流擴(kuò)散，使燃燒逮度增加，從而也使?fàn)t膛溫度提高。一般情況下，燃燒速度與燃盡率相一致，從而表現(xiàn)為飛灰可燃物下降，鍋爐效率明顯提高。
3．該爐原來在35MW時，常需投油助燃，且汽溫、汽壓不穩(wěn)；本次試驗，當(dāng)負(fù)荷降至30MW時，不需投油助燃，汽溫、汽壓穩(wěn)定。采用夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)后具有良好的低負(fù)荷穩(wěn)燃性能。
六、改進(jìn)后的效果
1．通過以夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)為主的綜合技術(shù)改造后，由于燃燒穩(wěn)定并減少了煙道漏風(fēng)和煙道阻力，在引風(fēng)機(jī)擋板僅開so06左右的條件下，保證了爐膛負(fù)壓在- 2～- 5mrrjIzO間變化，實現(xiàn)了鍋爐負(fù)壓運行。
2．夾心風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)改造后，一、二次風(fēng)配風(fēng)合理，夾心風(fēng)及時補氧，特別是后期擾動大，燃燒比較強烈，飛灰可燃物明顯下降，一般為
6～9%。加之煙道漏風(fēng)減少，排煙熱損失降低，鍋爐效率由改前的87%提高到91%，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約5880t。
3．低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定。改造前，當(dāng)負(fù)荷降至35MW或當(dāng)兩臺給粉機(jī)跳閘時，燃燒惡化，必須投油助燃。
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