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摘要：某发电厂1、2号锅炉均为东方锅炉厂生产的亚临界W火焰锅炉。为了进一步降低发电成本，进行本地劣质低热值无烟煤进行掺烧。根据本地煤热值低等特点，对制粉系统、燃烧系统进行调整、优化。首先选择在1号炉开展本地煤掺烧试验。
关键词：W火焰锅炉;制粉系统;燃烧系统;劣质无烟煤掺烧
1、锅炉概述：
某发电厂1号300MW机组配套东方锅炉股份有限公司生产的亚临界压力中间一次再热的自然循环锅炉，型号为DG1025/17.4-Ⅱ14，采用双拱形单炉膛，燃烧器布置于下炉膛前后拱上，“W”型火焰燃烧方式。制粉系统配套3台沈重BBD4060型双进双出球磨机，采用正压直吹式制粉系统。
燃烧系统：锅炉的燃烧系统主要由煤粉燃烧器、风箱、油点火器及风门控制挡板组成。
1号锅炉共配有24个按FW(福斯特·惠勒)技术设计制造的双旋风筒分离式煤粉燃烧器(其中四角燃烧器已停运隔离)，错列布置在锅炉下炉膛的前后墙拱上，向下喷燃形成“W”型火焰，在下炉膛部分区域敷设了卫燃带保证炉膛温度。
双旋风分离式煤粉燃烧器由煤粉进口管、煤粉均分器、双旋风筒壳体、煤粉喷口、乏气管、乏气挡板等组成，1号锅炉燃烧系统布置。
从磨煤机来的一次风和煤粉混合物由煤粉入口管道进入煤粉均分器，此时煤粉混合物被均分成两股，每股分别切向进入相应的旋风筒。旋风筒中心部位装有乏气管，可将煤粉分离后的部分一次风(乏气)引出。装在乏气管道上的乏气挡板可调节引出的乏气量，从而调节煤粉喷口的空气量，即煤粉浓度。减小乏气挡板的开度，则燃烧器喷口的煤粉气流浓度降低，出口速度增加，煤粉着火点将推后而远离拱部;增大乏气挡板的开度，则燃烧器喷口的煤粉浓度增大，同时使喷入炉膛的风粉速度减少，煤粉初始着火点将前移。
煤粉与空气混合物在进入燃烧器时，由于离心分离产生了旋转，为控制其离开喷口时的旋转强度，每个煤粉燃烧器有一个调节装置。升降调节杆的位置使叶片在喷口中的位置改变，即可影响混合物的旋流强度。当调节杆向喷口末端移动后，离开燃烧器喷口的煤粉气流旋流强度被减弱，气流将趋向于圆柱形，增加煤粉气流在炉膛内的贯穿深度;当调节杆向上提升时，离开燃烧器喷口的煤粉气流较早扩散，降低了贯穿深度，使煤粉气流着火提前。
燃烧所需要的二次风来自风箱，然后从拱上和拱下的风口进入炉膛。风箱用隔板分隔，使每个燃烧器各为一个单元，可实现单独调节。每一单元内布置6个二次风道及挡板，其中A、B、C挡板控制拱上部分的二次风量，D、E、F挡板控制拱下部分的二次风量。拱上部分二次风仅占二次风总量的30～35%，挡板A(手动)控制燃烧器乏气喷嘴及主火检孔的冷却风, 挡板B(手动)调节燃烧器煤粉喷口的周界风量，用于调整煤粉气流的穿透能力及冷却喷口，挡板C(电动)控制点火油枪及油火检的风量。其余的大量二次风(约65～70%)从拱下垂直墙上的风口进入炉膛，共分三层，分别由挡板D、E、F控制，风量呈阶梯形，挡板D、E为手动，挡板F为电动。
试验前制粉系统存在出力不均匀现象;拱上配风约30-35%，A风、B风挡板开度为50%，C挡板正常运行情况开度为5%保持冷却用风;供下D、E配风开度为20%，F风挡板由两侧向中间逐渐开大，为燃烧提供氧量;乏气挡板开度为45%、消旋叶片在第四个孔的位置。
2、本地劣质无烟煤质结构：
本地劣质无烟煤的主要特点：发热量低且波动较大、灰分偏大、挥发份偏低、杂物较多等。
3、制粉系统优化、调整：
由于劣质煤存在热值低、灰分高、难着火、难燃烧尽等特点，对于煤粉的细度和均匀性比常规煤种要求严格，所以制粉系统能够高效可靠地运行，制出合格的煤粉，对于劣质煤的燃烧尤为重要。
3.1、粉管一次风速调平
在冷态通风条件下，将磨煤机出口各粉管缩孔全部开到100%，调整一次风机出力使得磨煤机入口风量分别对应100%额定出力(高风量)和80%额定出力(中风量)。用皮托管和微压计测量各台磨出口一次风管内的风速，对粉管风速进行标定。通过调整一次风管道上的可调缩孔开度将同一台磨出口一次风管风速相对偏差控制在±5%以内。测试结果显示，通过缩孔调整后各粉管一次风速偏差在±5%以内，一次风速调平，能满足锅炉正常运行需要。
3.2劣质煤煤粉细度及均匀性优化：
表征煤粉颗粒特性的主要因指标为煤粉的细度和均匀性。煤粉细度指一定质量的煤粉通过一定尺寸的筛孔进行筛分时，筛子上剩余的煤粉占筛分总煤粉量的百分比，国内电站常用90μm和200μm孔径的筛子进行筛分。
对于一定的磨煤设备，当x=600-200μm范围内时，可以认为nb为常数，则可根据公式(3-1)求得煤粉均匀性指数n和细度b的计算公式。煤粉均匀性指数越大，煤粉颗粒组成就越均匀，过粗和过细的煤粉就越少，对于燃烧初期的着火和后期的燃尽均有利。
4、燃烧系统优化、调整：
结合东锅FW技术W型火焰锅炉的结构特点和1号炉的运行实际情况，本次调整中试验研究对象主要包括A、B、C风挡板、D、E、F风挡板、乏气挡板、消旋叶片。
对掺烧低热值无烟煤来说，主要表现在提高锅炉稳燃能力、控制飞灰可燃物和氮氧化物等方面。提高稳燃能力的主要措施是提高一次风粉混合物的浓度、提高煤粉气流的温度、将高温烟气回流至着火区、采用卫燃带增强着火区的辐射热量;而解决煤粉燃尽的主要措施是提高煤粉细度、提高燃烧区温度、延长煤粉在燃烧区的停炉时间及适量增大过量空气系数等;控制氮氧化物主要措施是提高炉膛燃烧充满度，防止燃烧过于集中，保持合适的过量空气系数等方面。
具体采取以下措施：
1、拱上A风，为乏气风喷口的周界风，挡板B(手动)调节燃烧器煤粉喷口的周界风量，在燃用挥发份低的劣质煤时，首先考虑的是稳燃问题，拱上A、B风保留足够冷却风量即可。由此将A、B风开度有50%调整至25%，有利于增强燃烧稳定性。
2、挡板C(电动)控制点火油枪及油火检的风量，一般在启动投油点火时进行调整，正常运行时，保持5%的冷却风。
3、D、E、挡板在供下，为着火初期提供氧量，由于低挥发分劣质无烟煤着火滞后，不利于稳燃和氮氧化物的调整，因此将D、E挡板的开度由20%调整至5%，有利于提高燃烧区的温度。
4、大量的二次风通过F风口进入炉膛，为燃烧提高氧量，同时采用由两侧向中间逐渐依次增加开度的原则，对燃烧配风进行调整。
5、乏气挡板的调整：通过调节乏气可以改变主煤粉气流的浓度和速度。综合考虑燃烧稳定性和煤粉燃尽特性改善，将1号炉目前乏气挡板平均开度置于50%，中部4台燃烧器乏气挡板相对两侧关小15%(即35%)以缓解中部缺氧的情况。
6、消旋叶片的调整：消旋杆处于离喷口相对近的位置其旋流相对弱，而煤粉气流出射形态更趋近于圆柱形，有利于保持气流刚性和增加火焰下设深度，改善煤粉燃尽情况。无烟煤煤粉燃尽更为困难，此时煤粉的下冲能力对煤粉最终燃尽情况影响显著，将消旋叶片至于第二个孔。
5、试验工况：
5.1、300MW负荷本地煤掺烧比例调整试验
相关数据如下：
180MW负荷下分别按照本地煤占20%、30%、40%、45%、50%、55%、60%比例进行配煤开展试验。
(1)随着本地煤掺烧比例不断提高，混煤的燃尽特性随之变差。形成大渣的灰分中可燃物由于停留时间短、受温度影响大，对煤种变化比较敏感，在掺烧40%以上本地煤即出现大渣含碳量上升，掺烧比例大于45%时大渣含碳量上升显著。当掺烧本地煤比例大于50%以后，混煤的燃尽特性为无烟煤主导，飞灰中可燃物含量也出现显著上升，整体的煤粉燃尽特性变差。
(2)随着掺烧本地煤比例升高，氮氧化物整体平均值提高，但是受到混煤煤质波动影响单一工况下炉膛出口NOx浓度也在波动，从多个工况平均NOx指标看，180MW负荷下NOx浓度增加量小于100mg/m3。
(3)根据试验期间调取炉膛负压曲线，本地煤掺烧比例从20%变化到 55%的各个运行工况下，炉膛负压曲线均较为平稳，未出现异常波动现象;本地煤比例提高到60%时，炉膛压力曲线会偶尔出现不规律的高正负值波动，峰值约200Pa左右，有时会引起油枪动作。
综合锅炉运行经济指标和燃烧稳定性来看，180MW负荷本地低热值无烟煤的安全经济掺配比例约为50%~55%，对掺配比例达到60%时锅炉安全运行稳定性有所下降。
5.2、300MW负荷本地煤掺烧比例调整试验
300MW负荷下分别按照本地煤占50%、55%和60%比例进行配煤开展试验，结合各工况试验结果，高负荷下掺烧本地煤后NOx排放最高浓度为1100mg/m3左右，在高负荷下以55%以上比例掺烧本地煤后混煤挥发分低且磨出力大细度偏粗，整体飞灰和大渣含碳量显著升高，煤粉燃尽特性变差。
掺烧本地煤比例提高后，混煤中挥发分相对高的煤质 “抢风”的现象(部分贫煤折算Vdaf在16%)，实际上炉膛中间约四支燃烧器对应范围内的燃烧工况是比较差的。
这种局部欠氧的情况体现在炉膛负压波动上，当负荷由180MW升至270MW及以上，无烟煤掺烧比例在55%左右时，炉膛负压波动幅度由±30Pa左右增加至±90Pa左右(偶尔100Pa以上)。这种负压波动幅度增加是规律性的，与180MW负荷60%本地煤掺烧比例工况下无规律波动不同，它是煤质波动引起的燃烧状况脉动，在降负荷或入炉煤质发热量提高后会回复正常。
综合锅炉运行经济指标和燃烧稳定性来看，300MW负荷本地低热值无烟煤的安全掺配比例可达到约60%，入炉煤质发热量达到4200cal/g左右时则无需降负荷，但是在掺配比例超过55%时飞灰炉渣含碳量显著增加，未燃碳损失增大。
针对中部燃烧器风量不足的情况，对中部四支燃烧器乏气风挡板进行偏置，使其比两侧燃烧器乏气挡板开度小15°，增大这四支燃烧器阻力，将部分煤粉转移到两侧，缓解中部缺氧。由于本次试验中中部缺氧情况较严重，氧量已低于0.5%，在出力允许情况下选择直接退出了中间两支燃烧器以调整煤粉出力分配的非常规方式。
采用上述“中部配风优先”的配风调整策略后，炉膛出口氧量分布情况有所改善。调整前位于炉膛中间两个氧量测点显示值小于0.5%，调整后中部两个氧量测点显示值平均达到2.4%左右。
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6、结论和建议
本次试验内容主要包括冷态空气动力场试验和热态燃烧调整试验，主要结论和建议如下：通过风速标定和缩孔调整后各粉管一次风速偏差均在±5%以内，一次风速调平，能满足锅炉正常运行需要。
180MW负荷下本地煤安全经济掺烧比例为50%~55%;210MW负荷下本地煤安全经济掺烧比例为60%;300MW负荷下本地煤安全经济掺烧比例为60%，大比例掺烧本地煤需综合燃料成本考虑掺配经济性，同时需要根据高灰分煤对汽水系统和炉膛积灰的影响及时调整掺配比例。
在大比例燃用本地无烟煤时推荐的配风方式：拱上A、B风开度关小至25%、D、E风开度关小至5%;消旋杆位置设定在第2个定位孔高度;乏气挡板平均开度置于45°;C风挡板仍然保持在冷却开度。
高负荷下改善炉膛中部缺氧的推荐配风方式：对F风采用中部配风正偏置;中部4支燃烧器乏气挡板相对两侧关小15°;酌情退出中间两支燃烧器。
本地煤比例50%以上时，为了控制煤粉细度和均匀性，单台磨煤机出力控制在47t/h以下。为了提高机组带负荷能力，建议入炉煤质发热量保持在4200cal/g左右，在进行燃煤掺配时，尽量掺烧相近的煤种，有利于提高煤粉细度和均匀性。
作者：崔炎召 张海金
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