超超临界锅炉燃烧系统设计

超超临界锅炉燃烧系统设计

邹县处理厂改造期间，第一次生产能力为2200mw。2006年12月4日，通过168h运行，正式转移至发电厂进行试验生产工艺。3030t/h锅炉是东方锅炉(集团)股份有限公司与日本巴布科克-日立公司及东方-日立锅炉有限公司合作设计、联合制造。锅炉为超超临界压力变压运行直流炉、一次再热、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构П型锅炉。1燃烧系统结构锅炉燃烧器采用按BHK技术设计的新型HT-NR3低NOx旋流式煤粉燃烧器。48只燃烧器组成前后墙对冲燃烧方式。燃烧器按3层8列布置(见图1),前墙自上而下为E、C、D3层,后墙自上而下为F、A、B3层。燃烧器层间距5819.8mm,横向间距3683mm。上层燃烧器中心距屏底约23.5m,下层燃烧器中心距冷灰斗转折点约3.38m,最外侧燃烧器中心与侧墙距离为4096.2mm。燃烧器配风分为一次风、内二次风和外二次风,分别通过一次风管,燃烧器内同心的内二次风、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段分别送入炉膛。燃烧系统还布置有20只燃尽风喷口(也称调风器),布置在前、后墙顶层燃烧器上方标高38588.4mm和35124.2mm处,燃尽风喷口距最上层燃烧器中心7150.1mm。二次风采用大风箱配风,大风箱被分隔成多层风室,每层燃烧器1个风室。大风箱对称布置于前、后墙,设计入口风速较低,风箱内风量的分配取决于燃烧器自身结构及其风门开度,保证燃烧器在相同状态下得到相同风量,使燃烧器配风均匀。配套安装6台BBD4360型双进双出钢球式磨煤机。采用正压直吹式制粉系统,磨制后的煤粉从磨煤机的两端空心轴出来经过分离器分离后,合格的煤粉又通过8条一次风管道进入燃烧器形成独立的火焰。从各磨煤机驱动端引出的4条一次风管道为1号、2号、7号、8号,从非驱动端引出的4条一次风管道为3号、4号、5号、6号,与对应的8只燃烧器连接。燃烧器自甲侧向乙侧排列顺序为1号~8号。每只燃烧器的中心管内布置1只点火油枪,油枪采用机械雾化型,单只点火油枪出力为1350kg/h。锅炉设计煤种、校核煤种均为兖矿煤和济北矿煤的混煤。2燃料性能2.1旋转二次燃烧的优势该圆型燃烧器调节灵活,稳燃性能好,一、二次风混合强烈,弥补了一般旋流燃烧器风、粉气流混合弱的不足,在防结焦方面有较大的灵活性。另外还有结构简单,结构尺寸和阻力较小,占用炉膛面积较小,对水循环和水冷壁的布置影响较小等特点。特别是对煤种的适应性较强,并且能抑制NOx的产生。旋流式燃烧器又可根据二次风的可调叶片布置方式分为径向叶片旋流式和轴向叶片旋流式2种。该超超临界压力锅炉采用的是径向叶片旋流式燃烧器,一次风为直流,也称轴向引入。2.2次风分级配风在分级燃烧方式中,提供给燃烧器的风量少于其正常燃烧所需要的风量。燃烧所需要的其余风量通过燃烧器上方的燃尽风喷口来提供。这种布置方式对于减少NOx生成是非常有效的。燃尽风进入炉膛以前的区域都是燃料富集区,燃料在此区域的驻留时间较长,有助于已经存在的NO分解,实现了煤粉气流的“三高”燃烧。通过二次风分级配风,极大地限制了在燃烧器区域NOx的生成。NOx的控制调节是通过调节燃烧器和燃尽风之间的风量比例来实现的。2.3并在燃烧污水中形成最重要的燃烧煤粉为了提高燃烧器的低负荷稳燃能力,防止结渣及降低NOx排放,采用了煤粉浓缩器、火焰稳焰环及稳燃齿。一次风、粉气流的浓、淡分离是靠安装于一次风管中的锥形煤粉浓缩器来实现的,并使气流在火焰稳焰环附近形成一定浓度的煤粉气流。采用稳焰齿、稳燃环和浓缩器,在燃烧时会在稳焰齿、稳燃环附近形成一个环形回流区域,提供足够的着火热能,同时防止二次风过早混入,使煤粉能及时着火,稳定燃烧;在燃烧中心区域也会形成一个回流区,保证煤粉的进一步燃尽。稳焰齿、稳燃环还会增加煤粉气流的湍动,提高煤粉的着火速度,因此这种燃烧器的低负荷稳燃性能得到了极大的提高。2.4防止火焰冲刷和飞边冲刷选取合适的炉膛热力参数和合理的燃烧器布置,防止局部温度过高,特别是各燃烧器的排列是按照外二次风不同的旋转方向,在离开制造厂前就按编号设计好的,使下层2只燃烧器形成相互(左、右)对旋,中间层与下层旋转方向相反,上层又与中间层相反,燃尽风则与上层旋向相反,两股侧燃尽风形成相互对旋,有效地避免运行中各燃烧器的火焰相互干扰和飞边冲刷两侧炉墙。燃烧器离两侧水冷壁、冷灰斗转折点及屏底均有足够距离,防止火焰冲刷受热面。由于燃烧器结构的合理设计,以及燃烧器运行参数的合理选取,很好地控制燃料着火点和火焰形状,有效地防止燃烧器喷口及周围水冷壁结焦。2.5燃尽风系统的布置采用了先进的分级送风与浓淡燃烧技术。稳燃环可以对煤粉的分布作合理的调整,由于煤粉在自身惯性作用下,向中心运动形成负压区,而气流则由中心回流区向外侧偏转,这样将形成煤粉气流的二次浓缩,煤粉的绝大部分射入回流区内。因射流的中心区具有高温回流烟气,高的湍动度和高的煤粉浓度,从而促进了煤粉的着火,增大了燃烧器喷口附近的燃烧效率。外二次风的高速和旋流还可以防止煤粉从气流中分离,促进了火焰和外侧风的混合,可以获得高的燃烧效率。上一层风喷口至屏底有足够的距离,有足够的燃尽空间。燃尽风具有内直流、外旋流特性,使沿深度和宽度氧量分布均匀。燃尽风具有独特的布置方式,布置范围覆盖了整个燃烧器区域,有效地制止了煤粒的逃逸,降低了飞灰可燃物含量。煤粉燃烧器主要设计参数见表1(设计煤种,BMCR工况)。3燃料结构和原理3.1次风喷口与二次风阀煤粉燃烧器外部部件主要有一次风管道、中心风管、挡板、冷却风管、电动蝶阀、单向阀、油点火器以及调节机构等。内部部件主要有一次风外套筒、文丘里管、内二次风装置、外二次风装置、煤粉浓缩器、稳焰齿、稳燃环、燃烧器壳体等。一次风与二次风之间有一套筒,套筒内插入一文丘里管,套筒与一次风喷口前端用螺栓相连接。一次风喷口的前端内置装设一稳燃环。12只稳燃齿等距离地镶嵌在一次风喷口与稳燃环之间。在稳燃环外侧安装一导流筒(导流环),导流环内侧为内二次风通道,导流环外侧为外二次风通道。为了缓解热膨胀,稳燃环分成4段铸造,每段稳燃环用4只螺栓固定在一次风喷口上。稳燃环的外侧四周有36条导流槽,在导流槽端部形成扩散锥。3.2燃料生产的原则在HT-NR3低NOx旋流煤粉燃烧器中,燃烧用空气被分为4股,它们是一次风、内二次风、外二次风和中心风(见图2)。3.2.1过煤粉浓缩器的燃烧过程由一次风机提供。它首先进入磨煤机,干燥原煤并携带磨制合格的煤粉通过燃烧器入口的一次风弯头后轴向进入燃烧器中,经过煤粉浓缩器使较浓的煤粉气流从一次风管圆周外侧,再经过一次风管出口处的稳焰齿和稳燃环,最后进入环形回流区着火燃烧。稳焰齿和稳燃环还可以改变煤粉的空间分布,同时通过一次风和二次风扩散锥的配合,控制二次风的混入,进一步提高燃烧器的稳燃能力并降低燃烧中生成的NOx。由于在二次风扩散锥的上方开有2个引流孔,可进一步提高其着火、稳燃能力。3.2.2外二次风旋流控制二次风由送风机经三分仓式预热器加热至343℃,经热风管道送至前、后墙大风箱后分级送入炉内。在每排大风箱两端入口装有风量调节挡板。风箱为每只燃烧器提供内二次风和外二次风,通过同心的内、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段分级送入炉膛。其中内二次风量可通过调节内二次风套筒式挡板来分配,外二次风旋流可通过叶轮式调节挡板来分配。内二次风为直流,通过2根手动推杆带动调节套筒实现。内二次风经过稳燃环外侧的若干分流槽成扩散状喷出。直流的方式可便于点燃煤粉,使燃烧器喷口附近风粉混合物气流较好地混合,可使高温热烟气回流,还可以保持喷口附近较低的氧量。煤粉在低氧环境下燃烧,可以减少燃料型NOx的生成;同时低氧量降低了火焰温度,从而减少热NOx的生成。外二次风以旋流的方式进入炉膛,该二次风量大,阻力损失小,所以对回流的影响不太大。外二次风调节为叶轮式调风挡板,调节18只调风挡板开度,即可调节二次风的风量和旋流强度。外二次风从内、外二次风筒体之间的通道通过,经出口导流环形成旋转扩散,从而可调整燃烧器的火焰形状,并影响NOx的生成及省煤器出口O2和CO的分布。挡板开度调整范围0°~75°,所以外二次风挡板开度一般保持在50%左右。随着挡板的开启,火焰形状由短而粗变为细而长。油枪点火时叶轮挡板开度可以在80%左右,停炉则全部关闭。3.2.3中心回量无中心气量燃烧器内设有中心风管,是油枪和中心风的通道,可提供油枪燃烧所需风量。中心风为直流风,风量虽然不大(约占总风量1%),可以调整燃烧器中心回流区的轴向位置;不但可供点火时所需要的根部风,在正常运行中起辅助燃烧的作用。因为回流区是由旋流二次风带动一次风旋转,造成流场中心区负压而形成的,而中心风正好投入在这个负压区中,大大影响了中心区负压值,导致回流量大为下降。因此中心风量越大,对回流区的影响就越大。中心风通过手柄调节风门开度位置来进行风量的调节。3.3调节套管的开度布置在前、后墙顶层燃烧器上方的20只燃尽风喷口,分别为前、后墙各8只燃尽风(AAP)喷口和各2只侧燃尽风(SAP)喷口(见图1)。燃尽风(AAP)由中心风、内二次风和外二次风组成。中心风为直流风,用一调节套筒实现。内、外二次风为旋流,两股风的旋流方向相同,采用调风挡板外加调节套筒实现。内二次风16只调风挡板,外二次风20只调风挡板。侧燃尽风(SAP)由中心风和外二次风组成。中心风为直流风,采用一调节套筒实现,外二次风为旋流风,采用16只调风挡板实现(没有调节套筒)。燃尽风与侧燃尽风风量调节,均靠设在就地的各级风门挡板进行手动调节,或用2根手动推杆来调节套筒开度。各级燃尽风风门挡板、调节套筒的开度应根据锅炉各个阶段的运行工况来决定,并通过试验加以确定,确保油、煤火焰不被吹灭。燃尽风总风量通过风箱入口风门电动执行器来实现调节。4次风管道水平段积粉问题(1)在锅炉168h投产试运7天过程中,就发生6次燃烧器前一次风管道煤粉沉积现象。①2006年11月27日16:20发现该炉F1风、粉管道出口温度逐渐降低,开启吹扫风门吹扫无效,温度最低降至19℃,强制关闭F1风、粉管道出口门,打开吹扫风门吹扫。②2006年11月30日发现该炉B4风、粉管道出口温度逐渐降低。③2006年12月1日2次发现该炉F5粉管温度降至17℃,1次发现B1风、粉管道出口温度逐渐降低。④2006年12月3日发现该炉B4一次风管温度偏低。虽然试运中积粉主要发生在B、F层燃烧器,但可能与炉后燃烧器入口一次风水平管段较长有关。但是168h试运结束停炉后,检查各燃烧器入口一次风管道水平段,多处存在管道内部积粉现象。前墙燃烧器入口一次风管道水平段也存在积粉,打开其中16根一次风管道,发现管道内明显大量积粉,最多的积粉厚度接近管道1/3。2006年12月19日锅炉点火后用了近10h将A4、B1、B2、B3、B5、B6、B7、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D8、C6、D7等一次风管道内沉积煤粉吹扫干净。一次风流速低与煤粉浓度高则会导致积粉。燃烧器出口一次风速直接影响燃烧的好坏,如果长时间堵粉不但影响燃烧,还会导致燃烧器回火,烧坏燃烧器喷口。10m以上的一次风管道水平段长时间堵粉,还会降低一次风流速,而流速低则会造成风量减少,煤粉浓度升高。(2)二次风的调风挡板、一次风的浓缩器调整不当等,都会引起燃烧器喷口结焦;油枪漏油能引起回火,导致燃烧器喷口烧毁,燃烧器与大风箱之间结合处不严密,则会造成一次风窜入二次风通道,导致煤粉在燃烧器二次风空间内燃烧,烧毁各调节与监测部件。因此燃烧器退出运行前要彻底通风吹扫一次风通道,防止积附在中心筒上部的煤粉自燃、结焦造成燃烧器再次投运时回火。(3)严格控制一、二次风速比例和浓缩器行程,杜绝燃烧器内部,特别是下(D、B)层一次风弯头底部积粉和结焦。沿炉膛宽度二次风箱风压分布不均匀,则会致使两侧燃烧器二次风量偏差较大,加上煤粉管道布置等因素的影响,会出现各燃烧器风、粉量分配不均,直接影响燃烧状况。因此在调整各燃烧器的负荷时尽量采用“桥形送风”的原则,防止燃烧器烧毁首先应避免回火。(4)在燃烧器入口的一次风管道上接有一条冷却风管道,当燃烧器退出运行后,应打开冷却风管道上的电动蝶阀,在炉膛负压的作用下,单向阀自动开启,吸入大气,对燃烧器的一次风通道,特别是中心筒衬的耐磨陶瓷片起到冷却作用,而且还避免了再次投入燃烧器时会出现的“脉动”现象。(5)在锅炉每次小修期间,应全面对燃烧设备各部件,特别是高温易磨损件进行检查,及时修复脱落的稳燃齿。如发现稳燃环磨损、变形严重时应及时更换。该燃烧器为组合式结构,一次风通道内部件可以整体抽出炉外。一次风弯头、文丘里管、导流筒、燃烧器喷嘴、稳焰环等都可以解体分步更换。5喷口堵塞的预防(1)不论是轴向叶片旋流式燃烧器还是径向叶片旋流式燃烧器在我省电厂已使用了三十多年,已经有了一套成熟的管理维护经验。由于该燃烧器没有设计检查孔,文丘里管前下部如有积粉或焦块,不容易检查发现,无法及时吹扫干净。当喷口发生结焦堵塞,会造成一次风从外套筒与