超超臨界鍋爐燃燒系統設計

鄒縣處理廠改造期間，第一次生產能力為2200mw。2006年12月4日，通過168h運行，正式轉移至發電廠進行試驗生產工藝。3030t/h鍋爐是東方鍋爐(集團)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計、聯合制造。鍋爐為超超臨界壓力變壓運行直流爐、一次再熱、平衡通風、運轉層以上露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構П型鍋爐。1燃燒系統結構鍋爐燃燒器采用按BHK技術設計的新型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折點約3.38m,最外側燃燒器中心與側墻距離為4096.2mm。燃燒器配風分為一次風、內二次風和外二次風,分別通過一次風管,燃燒器內同心的內二次風、外二次風環形通道在燃燒的不同階段分別送入爐膛。燃燒系統還布置有20只燃盡風噴口(也稱調風器),布置在前、后墻頂層燃燒器上方標高38588.4mm和35124.2mm處,燃盡風噴口距最上層燃燒器中心7150.1mm。二次風采用大風箱配風,大風箱被分隔成多層風室,每層燃燒器1個風室。大風箱對稱布置于前、后墻,設計入口風速較低,風箱內風量的分配取決于燃燒器自身結構及其風門開度,保證燃燒器在相同狀態下得到相同風量,使燃燒器配風均勻。配套安裝6臺BBD4360型雙進雙出鋼球式磨煤機。采用正壓直吹式制粉系統,磨制后的煤粉從磨煤機的兩端空心軸出來經過分離器分離后,合格的煤粉又通過8條一次風管道進入燃燒器形成獨立的火焰。從各磨煤機驅動端引出的4條一次風管道為1號、2號、7號、8號,從非驅動端引出的4條一次風管道為3號、4號、5號、6號,與對應的8只燃燒器連接。燃燒器自甲側向乙側排列順序為1號~8號。每只燃燒器的中心管內布置1只點火油槍,油槍采用機械霧化型,單只點火油槍出力為1350kg/h。鍋爐設計煤種、校核煤種均為兗礦煤和濟北礦煤的混煤。2燃料性能2.1旋轉二次燃燒的優勢該圓型燃燒器調節靈活,穩燃性能好,一、二次風混合強烈,彌補了一般旋流燃燒器風、粉氣流混合弱的不足,在防結焦方面有較大的靈活性。另外還有結構簡單,結構尺寸和阻力較小,占用爐膛面積較小,對水循環和水冷壁的布置影響較小等特點。特別是對煤種的適應性較強,并且能抑制NOx的產生。旋流式燃燒器又可根據二次風的可調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,一次風為直流,也稱軸向引入。2.2次風分級配風在分級燃燒方式中,提供給燃燒器的風量少于其正常燃燒所需要的風量。燃燒所需要的其余風量通過燃燒器上方的燃盡風噴口來提供。這種布置方式對于減少NOx生成是非常有效的。燃盡風進入爐膛以前的區域都是燃料富集區,燃料在此區域的駐留時間較長,有助于已經存在的NO分解,實現了煤粉氣流的“三高”燃燒。通過二次風分級配風,極大地限制了在燃燒器區域NOx的生成。NOx的控制調節是通過調節燃燒器和燃盡風之間的風量比例來實現的。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荷穩燃能力,防止結渣及降低NOx排放,采用了煤粉濃縮器、火焰穩焰環及穩燃齒。一次風、粉氣流的濃、淡分離是靠安裝于一次風管中的錐形煤粉濃縮器來實現的,并使氣流在火焰穩焰環附近形成一定濃度的煤粉氣流。采用穩焰齒、穩燃環和濃縮器,在燃燒時會在穩焰齒、穩燃環附近形成一個環形回流區域,提供足夠的著火熱能,同時防止二次風過早混入,使煤粉能及時著火,穩定燃燒;在燃燒中心區域也會形成一個回流區,保證煤粉的進一步燃盡。穩焰齒、穩燃環還會增加煤粉氣流的湍動,提高煤粉的著火速度,因此這種燃燒器的低負荷穩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和合理的燃燒器布置,防止局部溫度過高,特別是各燃燒器的排列是按照外二次風不同的旋轉方向,在離開制造廠前就按編號設計好的,使下層2只燃燒器形成相互(左、右)對旋,中間層與下層旋轉方向相反,上層又與中間層相反,燃盡風則與上層旋向相反,兩股側燃盡風形成相互對旋,有效地避免運行中各燃燒器的火焰相互干擾和飛邊沖刷兩側爐墻。燃燒器離兩側水冷壁、冷灰斗轉折點及屏底均有足夠距離,防止火焰沖刷受熱面。由于燃燒器結構的合理設計,以及燃燒器運行參數的合理選取,很好地控制燃料著火點和火焰形狀,有效地防止燃燒器噴口及周圍水冷壁結焦。2.5燃盡風系統的布置采用了先進的分級送風與濃淡燃燒技術。穩燃環可以對煤粉的分布作合理的調整,由于煤粉在自身慣性作用下,向中心運動形成負壓區,而氣流則由中心回流區向外側偏轉,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內。因射流的中心區具有高溫回流煙氣,高的湍動度和高的煤粉濃度,從而促進了煤粉的著火,增大了燃燒器噴口附近的燃燒效率。外二次風的高速和旋流還可以防止煤粉從氣流中分離,促進了火焰和外側風的混合,可以獲得高的燃燒效率。上一層風噴口至屏底有足夠的距離,有足夠的燃盡空間。燃盡風具有內直流、外旋流特性,使沿深度和寬度氧量分布均勻。燃盡風具有獨特的布置方式,布置范圍覆蓋了整個燃燒器區域,有效地制止了煤粒的逃逸,降低了飛灰可燃物含量。煤粉燃燒器主要設計參數見表1(設計煤種,BMCR工況)。3燃料結構和原理3.1次風噴口與二次風閥煤粉燃燒器外部部件主要有一次風管道、中心風管、擋板、冷卻風管、電動蝶閥、單向閥、油點火器以及調節機構等。內部部件主要有一次風外套筒、文丘里管、內二次風裝置、外二次風裝置、煤粉濃縮器、穩焰齒、穩燃環、燃燒器殼體等。一次風與二次風之間有一套筒,套筒內插入一文丘里管,套筒與一次風噴口前端用螺栓相連接。一次風噴口的前端內置裝設一穩燃環。12只穩燃齒等距離地鑲嵌在一次風噴口與穩燃環之間。在穩燃環外側安裝一導流筒(導流環),導流環內側為內二次風通道,導流環外側為外二次風通道。為了緩解熱膨脹,穩燃環分成4段鑄造,每段穩燃環用4只螺栓固定在一次風噴口上。穩燃環的外側四周有36條導流槽,在導流槽端部形成擴散錐。3.2燃料生產的原則在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、內二次風、外二次風和中心風(見圖2)。3.2.1過煤粉濃縮器的燃燒過程由一次風機提供。它首先進入磨煤機,干燥原煤并攜帶磨制合格的煤粉通過燃燒器入口的一次風彎頭后軸向進入燃燒器中,經過煤粉濃縮器使較濃的煤粉氣流從一次風管圓周外側,再經過一次風管出口處的穩焰齒和穩燃環,最后進入環形回流區著火燃燒。穩焰齒和穩燃環還可以改變煤粉的空間分布,同時通過一次風和二次風擴散錐的配合,控制二次風的混入,進一步提高燃燒器的穩燃能力并降低燃燒中生成的NOx。由于在二次風擴散錐的上方開有2個引流孔,可進一步提高其著火、穩燃能力。3.2.2外二次風旋流控制二次風由送風機經三分倉式預熱器加熱至343℃,經熱風管道送至前、后墻大風箱后分級送入爐內。在每排大風箱兩端入口裝有風量調節擋板。風箱為每只燃燒器提供內二次風和外二次風,通過同心的內、外二次風環形通道在燃燒的不同階段分級送入爐膛。其中內二次風量可通過調節內二次風套筒式擋板來分配,外二次風旋流可通過葉輪式調節擋板來分配。內二次風為直流,通過2根手動推桿帶動調節套筒實現。內二次風經過穩燃環外側的若干分流槽成擴散狀噴出。直流的方式可便于點燃煤粉,使燃燒器噴口附近風粉混合物氣流較好地混合,可使高溫熱煙氣回流,還可以保持噴口附近較低的氧量。煤粉在低氧環境下燃燒,可以減少燃料型NOx的生成;同時低氧量降低了火焰溫度,從而減少熱NOx的生成。外二次風以旋流的方式進入爐膛,該二次風量大,阻力損失小,所以對回流的影響不太大。外二次風調節為葉輪式調風擋板,調節18只調風擋板開度,即可調節二次風的風量和旋流強度。外二次風從內、外二次風筒體之間的通道通過,經出口導流環形成旋轉擴散,從而可調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。擋板開度調整范圍0°~75°,所以外二次風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為細而長。油槍點火時葉輪擋板開度可以在80%左右,停爐則全部關閉。3.2.3中心回量無中心氣量燃燒器內設有中心風管,是油槍和中心風的通道,可提供油槍燃燒所需風量。中心風為直流風,風量雖然不大(約占總風量1%),可以調整燃燒器中心回流區的軸向位置;不但可供點火時所需要的根部風,在正常運行中起輔助燃燒的作用。因為回流區是由旋流二次風帶動一次風旋轉,造成流場中心區負壓而形成的,而中心風正好投入在這個負壓區中,大大影響了中心區負壓值,導致回流量大為下降。因此中心風量越大,對回流區的影響就越大。中心風通過手柄調節風門開度位置來進行風量的調節。3.3調節套管的開度布置在前、后墻頂層燃燒器上方的20只燃盡風噴口,分別為前、后墻各8只燃盡風(AAP)噴口和各2只側燃盡風(SAP)噴口(見圖1)。燃盡風(AAP)由中心風、內二次風和外二次風組成。中心風為直流風,用一調節套筒實現。內、外二次風為旋流,兩股風的旋流方向相同,采用調風擋板外加調節套筒實現。內二次風16只調風擋板,外二次風20只調風擋板。側燃盡風(SAP)由中心風和外二次風組成。中心風為直流風,采用一調節套筒實現,外二次風為旋流風,采用16只調風擋板實現(沒有調節套筒)。燃盡風與側燃盡風風量調節,均靠設在就地的各級風門擋板進行手動調節,或用2根手動推桿來調節套筒開度。各級燃盡風風門擋板、調節套筒的開度應根據鍋爐各個階段的運行工況來決定,并通過試驗加以確定,確保油、煤火焰不被吹滅。燃盡風總風量通過風箱入口風門電動執行器來實現調節。4次風管道水平段積粉問題(1)在鍋爐168h投產試運7天過程中,就發生6次燃燒器前一次風管道煤粉沉積現象。①2006年11月27日16:20發現該爐F1風、粉管道出口溫度逐漸降低,開啟吹掃風門吹掃無效,溫度最低降至19℃,強制關閉F1風、粉管道出口門,打開吹掃風門吹掃。②2006年11月30日發現該爐B4風、粉管道出口溫度逐漸降低。③2006年12月1日2次發現該爐F5粉管溫度降至17℃,1次發現B1風、粉管道出口溫度逐漸降低。④2006年12月3日發現該爐B4一次風管溫度偏低。雖然試運中積粉主要發生在B、F層燃燒器,但可能與爐后燃燒器入口一次風水平管段較長有關。但是168h試運結束停爐后,檢查各燃燒器入口一次風管道水平段,多處存在管道內部積粉現象。前墻燃燒器入口一次風管道水平段也存在積粉,打開其中16根一次風管道,發現管道內明顯大量積粉,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等一次風管道內沉積煤粉吹掃干凈。一次風流速低與煤粉濃度高則會導致積粉。燃燒器出口一次風速直接影響燃燒的好壞,如果長時間堵粉不但影響燃燒,還會導致燃燒器回火,燒壞燃燒器噴口。10m以上的一次風管道水平段長時間堵粉,還會降低一次風流速,而流速低則會造成風量減少,煤粉濃度升高。(2)二次風的調風擋板、一次風的濃縮器調整不當等,都會引起燃燒器噴口結焦;油槍漏油能引起回火,導致燃燒器噴口燒毀,燃燒器與大風箱之間結合處不嚴密,則會造成一次風竄入二次風通道,導致煤粉在燃燒器二次風空間內燃燒,燒毀各調節與監測部件。因此燃燒器退出運行前要徹底通風吹掃一次風通道,防止積附在中心筒上部的煤粉自燃、結焦造成燃燒器再次投運時回火。(3)嚴格控制一、二次風速比例和濃縮器行程,杜絕燃燒器內部,特別是下(D、B)層一次風彎頭底部積粉和結焦。沿爐膛寬度二次風箱風壓分布不均勻,則會致使兩側燃燒器二次風量偏差較大,加上煤粉管道布置等因素的影響,會出現各燃燒器風、粉量分配不均,直接影響燃燒狀況。因此在調整各燃燒器的負荷時盡量采用“橋形送風”的原則,防止燃燒器燒毀首先應避免回火。(4)在燃燒器入口的一次風管道上接有一條冷卻風管道,當燃燒器退出運行后,應打開冷卻風管道上的電動蝶閥,在爐膛負壓的作用下,單向閥自動開啟,吸入大氣,對燃燒器的一次風通道,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會出現的“脈動”現象。(5)在鍋爐每次小修期間,應全面對燃燒設備各部件,特別是高溫易磨損件進行檢查,及時修復脫落的穩燃齒。如發現穩燃環磨損、變形嚴重時應及時更換。該燃燒器為組合式結構,一次風通道內部件可以整體抽出爐外。一次風彎頭、文丘里管、導流筒、燃燒器噴嘴、穩焰環等都可以解體分步更換。5噴口堵塞的預防(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,已經有了一套成熟的管理維護經驗。由于該燃燒器沒有設計檢查孔,文丘里管前下部如有積粉或焦塊,不容易檢查發現,無法及時吹掃干凈。當噴口發生結焦堵塞,會造成一次風從外套筒與