燃料分析与炉膛设计技术规范

燃料分析与炉膛设计技术规范锅炉燃料的燃烧特性是锅炉设计的基础，本专题首先对电厂600MW超临界本生直流锅炉提供的燃料特性作了详细的分析和考虑，然后根据燃料特性采用的日立-巴布科克公司(BHK)成熟的炉膛布置方式和燃烧器型式，结合东方锅炉与日立-巴布科克公司的技术优势，通过对炉膛、燃烧器的优化设计，实现防止炉膛的结渣，保证锅炉高效稳定燃烧、低NOx排放和较小的炉膛出口左右两侧烟温偏差。日立-巴布科克公司(BHK)为本工程提供的锅炉炉膛和燃烧器设计上具有如下特点：较大的炉膛断面和炉膛容积水冷壁采用下部（包括冷灰斗）螺旋膜式管圈和上部垂直膜式壁结构螺旋膜式管圈全部采用内螺纹管，流速低，阻力小采用日立-巴布科克公司成熟、先进的HT-NR3低NOx旋流燃烧器采用分级燃烧，炉膛上部布置有AAP风口较小的炉膛出口左右两侧烟温偏差电厂600MW超临界本生直流锅炉燃用燃料特性分析和考虑大型锅炉设计时，最重要的考虑项目是锅炉燃料的燃烧特性。由于燃烧室（炉膛）尺寸、燃烧设备和制粉系统、受热面布置、锅炉的型式都与燃料特性密切相关。为了能够设计出性能好、可靠性高的燃煤锅炉，对锅炉中可能出现的结渣、粘污、磨损、NOX的生成和燃料的充分燃尽都是十分重视的问题。因此认真分析和认识本工程所燃用煤种的特性是设计的基础。1.1结渣和粘污特性按日立·巴布科克公司（BHK）的燃料特性分析方法，表1列出燃煤结渣特性判别指数，表2列出燃煤粘污特性判别指数，其中的燃煤结渣、粘污特性判别指数均是日立·巴布科克公司通过现场试验制定和许多经验证实的结渣和粘污的分级。表3列出了电厂600MW超临界本生直流锅炉燃用的设计煤种和校核煤种结渣和粘污特性的分析计算结果。表中的煤灰类型按下述方法进行分类：烟煤型灰份：Fe2O3＞CaO+MgO；褐煤型灰份：Fe2O3＜CaO+MgO。表1结渣特性判别指数：结渣分类结渣指数煤灰类型烟煤型灰份（RS）褐煤型灰份（RS*）低<0.6>1340中0.6<RS<2.01230<RS*<1340高2.0<RS<2.61150<RS*<1230严重>2.6<1150Rs和Rs*定义如下：Fe2O3,CaO,MgO,Na2O,SiO2,Al2O3,和TiO2是这些氧化物在煤灰中的总量百分比，S是干燥基的总量百分比。其中：HT=半球软化温度；IT=初始变形温度(ºC)表2粘污特性判别指数粘污分类粘污指数煤灰类型烟煤型煤灰(Rf)褐煤型煤灰CaO+MgO+Fe2O3>20%CaO+MgO+Fe2O3<20%低<0.2——中0.2<Rf<0.5Na2O<3Na2O<1.2高0.5<Rf<1.03<Na2O<61.2<Na2O<3严重>1.06<Na2O3<Na2O表3设计煤种和校核煤种结渣和粘污特性的分析计算结果：项目单位设计煤种校核煤种一校核煤种二灰成份SiO2%44.9841.1045.55Al2O3%36.2933.8635.41Fe2O3%4.074.124.65CaO%6.66.736.1TiO2%1.972.720.21K2O%0.201.281.12Na2O%0.530.550.44MgO%1.192.191.96SO3%3.335.263.05P2O5%0.191.330.15其它%0.650.861.36总合%100100100收到基硫分%0.35330.47440.4948初始变形温度IT℃145013251450软化温度HT℃＞15001390＞1500流动温度℃＞15001465＞1500CaO+MgO%7.798.928.06Fe2O3%4.074.124.65灰型褐煤型褐煤型褐煤型B/A值0.150.190.18结渣指数Rs=B/A×S0.05(中等)0.09(中等)0.09(中等)Rs*=(HT+4IT)/51460(中等低)1338(中等)1460（中等低）粘污指数Rf=B/A×Na2O0.080.1050.08CaO+MgO+Fe2O311.8613.0412.71Na2O(对褐煤型灰)0.53(中等)0.55(中等)0.44(中等)1.2灰份的磨损指数和防磨措施应用具有很高的可信度的由普华燃煤技术开发中心、西安热工研究院等单位在对国内几十台大型电站锅炉进行调研和分析及一系列试验基础上，总结的一套依据燃煤的性能指数判别方法进行判断，对煤灰磨损特性进行分析计算：磨损指数计算公式：Hm=(SiO2+0.8Fe2O3+1.35Al2O3)×Aar/100设计煤种：Hm=(44.98+0.8×4.07+1.35×36.29)×22.22/100=21.6校核煤种一：Hm=(41.1+0.8×4.12+1.35×33.86)×21.92/100=19.75校核煤种二：Hm=(45.55+0.8×4.65+1.35×35.41)×19.34/100=18.77表4磨损指数判别准则磨损指数HM判别准则<10轻微10<Hm<20中等>20严重应用上述的判别准则，可以看出，本工程所燃用的设计煤种和校核煤种其灰份均具有较严重的磨损性。为了防止和减轻灰粒对受热面的磨损，须在烟温较低的受热面上加装防磨盖板。并控制各对流受热面处的烟气流速。根据BHK在燃煤炉中烟速选取的设计经验（如下图所示），烟气速度控制在11～15m/s范围内是合适的。而本工程的烟气平均速度控制在低限水平。通过以上措施能有效防止灰粒对受热面的磨损。通过上面的分析计算表明：本工程燃用的设计煤种和校核煤种均具有中等结渣倾向，着火稳定性、燃尽特性较难，灰中等粘污，煤灰的磨损性较严重。根据以上分析，在炉膛设计中将要充分考虑煤粉的着火、燃烧的稳定、高效，同时在扩大对煤种变化和煤质变差趋势的适应能力、负荷调节能力、炉内结渣和水冷壁高温腐蚀、低NOX排放、低负荷稳燃等方面，也将采取切实有效的措施。另外还须重视飞灰对尾部对流受热面的磨损问题。电厂600MW超临界本生直流锅炉炉膛设计特点2.1炉膛容积选取合理电厂600MW超临界本生直流锅炉炉膛尺寸大小，是依据所其燃用煤质的着火特性、结渣特性、燃尽特性、粘污特性等种种特性，以及要满足所规定的燃烧效率和控制NOX产生量，选定与燃烧器、容量、配置和其它各项相一致的各种部份尺寸。炉膛的几何尺寸以及其计算数据(包括炉膛容积热负荷，炉膛断面热负荷，燃烧器区域热负荷等)以及炉膛布置将根据上述煤和灰的特性进行设计和选取的，当在所有工况下燃用特定的设计和校核煤种的时候，炉膛的设计和燃烧器的布置能确保水冷壁管屏的任何一部分，过热器和再热器不会被火焰冲刷，燃烧器之间也不相互影响。炉膛的设计能保证燃烧完全，并且在炉膛内不发生不可控制的结渣。当锅炉的出力为BMCR的时候，炉膛出口的平均烟气温度将大大低于灰的初始变形温度。沿炉膛宽度方向的对称点上，炉膛出口烟气温度的偏差不大于50°C。另一方面在设计负荷改变时热容量改变剧烈的超临界变压锅炉的时候，要能够适应负荷的高速变化、启动和停止等要求，以达到合理地确定炉膛尺寸、提高效率。下图表示了炉膛容积热负荷在遵守90～95kW/m3的前题下，我们依据BHK本生炉多年来的业绩经验，决定采用炉膛容积热负荷为91kW/m3。炉膛容积热释放率（FurnaceVolumetricHeatReleaseRate）2.2炉膛截面积选取合理根据BHK设计经验，燃煤锅炉的炉膛截面大小要依据所燃用煤的结渣性来选定。下图表示的是BHK关于煤的结渣性和炉膛截面热负荷之间的关系曲线图。电厂600MW超临界工程计划燃用煤（包括设计煤种和校核煤种）都属于中等结渣性煤种。再考虑到燃料将可能发生变化，故在设计时，决定选取炉膛截面热负荷为5.1MW/m2，以满足燃用劣质煤机组的要求。由图可见，在燃用设计和校核那样的中等结渣的煤种的时候，我们为电厂600MW超临界锅炉设计的炉膛可以保证不会发生不可控制的结渣。2.3电厂600MW超临界锅炉炉膛参数根据上述按BHK设计经验做的分析，对于电厂600MW超临界本生直流锅炉，所确定的炉膛主要几何尺寸和热力指标如下：

炉膛宽度×深度19419×15456mm×mm炉膛断面积300m2炉膛容积16880m3上排燃烧器中心线到屏底距离28459mm炉膛断面热负荷51MW/m2炉膛容积热负荷91KW/m3燃烧器区域壁面热负荷1.08MW/m22.4电厂600MW超临界锅炉炉膛参数选取合理性 台数炉膛容积热负荷对比表炉膛断面热负荷对比表炉膛燃烧器区域壁面热负荷对比表从上面各对比表我们可以看出：电厂600MW超临界本生直流锅炉炉膛容积热负荷、断面热负荷以及燃烧器区域壁面热负荷选取相对较低，也就是说锅炉炉膛容积、断面积以及燃烧器区域壁面面积选取相对较大，锅炉对煤种具有较强的适应性，对防止炉膛结渣更为有利。2.5电厂600MW超临界锅炉燃烧性能的合理性在设计炉膛的时候，同时考虑锅炉具有高的燃烧性能以及低的NOX排放量。日立•巴布科克公司(BHK)为本工程推出新的煤粉燃烧技术，旨在实现低NOX燃烧，减少飞灰中未燃尽碳的损失，达到高效燃烧提高锅炉效率和满足环保对锅炉排放的要求。在锅炉设计中采用炉膛优化设计和新型高效低NOX的燃烧器是实现上述要求所必需的条件。除了炉膛设计选取合适的容积热负荷、炉膛截面热负荷外，锅炉采用对冲燃烧方式，将24只高效低NOX旋流燃烧器各分3层布置在前后墙上。这种燃烧器就是火焰内NOX还原的日立HT-NR3燃烧器。它利用这样一个原理，即在燃料富余的火焰中，燃烧产物集中过量，将加快产物中氮氧化物（NOX）的分解。具体来说经浓缩了的煤粉气流送入炉膛后，迅速着火，在燃烧器中心区保持燃料富余的还原火焰的区域并维持其高温。它能够在不降低燃烧效率的同时促进初级燃烧火焰中NOX的分解。最大限度地降低初级燃烧中NOX的生成。此外，还应用分级燃烧降低炉膛NOX生成的概念，将部分二次风（AAP）在离开燃烧器上方适当距离处送入，这样，就在AAP下方主燃烧区域形成低氧量甚至微还原性的燃烧气氛，抑制NOX的生成，在燃烧后期再送入燃尽所需的部分空气，这部分空气（AAP）又采用旋流和直流相结合的双流式二次风口，促进了空气和可燃物粒子的混合。这种组合的煤粉燃烧技术不仅使炉膛NOX排放达到很低的水平，还使飞灰中未燃尽碳减少，达到高效燃烧。下图分别为BHK在电厂600MW超临界锅炉设计中降低NOx排放和完全燃烧的设计指导思想以及锅炉燃烧效率和炉内煤粉滞留时间曲线。降低NOx排放的详细措施详见“专题说明3燃烧设备及其布置”。

燃烧效率和滞留时间曲线图注：上述的燃烧效率基于下列的煤粉细度：200P:>85%；100P:>97%电厂600MW超临界锅炉防止炉膛出口烟温偏差的设计特点首先，电厂600MW超临界本生直流锅炉燃烧器采用的是前后墙对冲燃烧方式，确保沿炉膛左右两侧有均衡的燃烧性能，使炉膛出口左右两侧烟温偏差达到较小水平。下图展示了前后墙对冲与四角切向两种燃烧方式的对照图，从图上我们可以容易地看出，在减少炉膛出口左右两侧烟温偏差方面，前后墙对冲燃烧方式具有明显的优势。另外，采用了足够大的炉膛容积，在炉膛上部布置大节距的分隔屏，使烟气在炉膛内有足够的燃烧停留时间，同时又能使烟气在炉膛出口部分混合较好。通过以上分析，在锅炉在B-MCR工况时，在控制炉膛出口烟气温度低于煤灰的初始变形温度、有效防止炉膛内水冷壁产生结渣现象基础上，我们可以确保炉膛出口左右两侧烟温偏差不超过50°C。前后墙对冲燃烧方式前后墙对冲燃烧方式FrontSideFlow四角切向燃烧方式烟气热流HEATFLUX水冷壁出口介质温度烟气温度.Flow电厂600MW超临界锅炉防止锅炉结渣的设计特点显然，除了了解燃煤的结渣特性以外，控制结渣还需了解燃烧器、炉膛和辐射过热器出现结渣问题（不能吹灰排除）的设计特点。此外，炉膛热负荷和出口温度的正确选择也十分重要，即保证燃烧器燃料和空气的正确分布而实现控制燃烧。本工程燃用的煤种并不具有十分严重的结焦趋向，但是在设计方案中还是采用了上述的所有的防止结渣的措施，以最大限度地减少结渣的可能性。另外，由于燃煤的挥发分较低，为保证燃尽和降低NOx排放，炉膛的设计得较大，炉膛的热负荷较低，这些都对防止结渣十分有利。炉膛的设计能保证燃烧完全，并且在炉膛内不发生不可控制的结渣。当锅炉的出力为BMCR的时候，炉膛出口的平均烟气温度将充分地低于灰的初始变形温度。沿炉膛宽度方向的对称点上，炉膛出口烟气温度的偏差不大于50°C。下图展示了过热器和再热器管屏的横向节距，屏式过热器管屏横向节距的设计值为1371.6mm(54英寸)以防止挂焦产生阻塞，获得稳定的吸热。末级过热器，垂直再热器和水平再热器受热面横向节距分别为609.6mm(24英寸),228.6mm(9英寸)和114.3mm(4.5英寸)，以防止在有效的吹灰的情况下，发生受热面的过度粘污。管屏的横向节距

电厂600MW超临界锅炉的设计方案就防止结渣而言具有以下特点：选取较小的炉膛热负荷，以满足NOx排放要求，避免火焰冲刷受热面，同时降低整个炉膛温度，以便减小结渣的可能性；选取合理的燃烧器区域化学反应当量比，满足N