直吹式墙式燃烧锅炉运行及油助燃分析

直吹式墙式燃烧锅炉运行及油助燃分析

中国（500.600）mw机组配备10台墙式燃烧锅炉，（300.350）mw机组20台，200mw机组10台。随着新建机组不断投入营运,配置墙式燃烧锅炉大容量机组的数量还将增加。这些墙式燃烧锅炉的80%左右采用直吹式制粉系统。或出于安全考虑,或习惯使然,或受现行规程制约,在直吹式制粉系统墙式燃烧锅炉(直吹式墙式锅炉)的每只燃烧器中都布置了点火油枪(出力250kg/h左右),并要求在日常磨煤机启停过程中投入点火油枪,以保证该磨煤机对应燃烧器的及时着火与稳定燃烧。我国火电机组昼夜运行负荷变化较大,通常每台锅炉24h内就要启停一台/次磨煤机。直吹式墙式锅炉每台/次磨煤机启停过程中消耗的点火油约(0.5~1.0)t,以平均耗油0.5t计算,每年消耗点火油180t,40台锅炉一年消耗点火油7000t左右。以每吨点火油3000元人民币计算,每年仅磨煤机日常的启停就消耗点火油达2000多万元人民币。目前,我国直吹式墙式锅炉磨煤机启停时,其机组运行负荷一般都在50%额定负荷以上。在此条件下,采取一定的措施,即可达到在磨煤机启停过程中其对应燃烧器可以不投或少投点火油枪,至少可以少投半数点火油枪。这样其点火油至少可节约一半,经济效益非常可观。由于直吹式墙式锅炉运行规程要求采用磨煤机启停投油方式,大部分电厂在运行中都遵守着这一规程,仅有少数电厂在运行中采用了磨煤机启停不投油方式,而运行中并未出现安全问题。对此,有必要研究墙式燃烧锅炉磨煤机启停过程中煤粉汽流的着火过程,探讨磨煤机启停过程不投油或少投油的可能性与安全性,以便修改相关规程。1磨损机的启动和停止条件下的油藏1.1燃烧及燃烧方向对煤粉气流的影响墙式燃烧锅炉均采用旋流燃烧器。无论是哪一种旋流燃烧器,都是利用旋转气流来形成有利于着火的回流区,其显著特点是气流初期混合强烈。旋流燃烧器在其出口形成的回流区有两种物理模型,一种是封闭气流,回流区在离开喷口一定距离处结束;一种是开放气流,在气流的根部形成所谓的外回流区,而燃烧器出口则形成较大的回流区。回流区的大小,特别是回流量的大小对煤粉气流的着火和火焰稳定性有着极为重要的作用。旋流燃烧器煤粉气流的着火主要靠每个燃烧器本身组织气流,在其出口中心形成一个回流区,同时在气流四周也抽吸引射大量的高温烟气。因此,每个燃烧器出口的火焰像是单个燃烧的“小火炬”,具有较强的独立性。影响单个燃烧器煤粉气流着火稳定性最主要的因素是燃烧器自身的旋流强度及高温烟气品质(即温度高低),其次为煤粉气流的浓度。前者决定着不同品质高温烟气回流量的大小,从而决定着煤粉气流着火前通过混质换热过程所吸收热量的大小;后者除对辐射换热过程有一定的影响外,对煤粉气流自身的着火温度也有一定的影响。此外,各个燃烧器煤粉气流之间也会相互干扰,对煤粉气流的着火过程造成一定的影响。各个旋流燃烧器间的相互影响与燃烧器间气流的旋转方向有关,当两个燃烧器的旋转方向相反时,两个燃烧器之间中心处切向速度升高,并发生一定量的热、质交换。当两个燃烧器的旋转方向相同时,两个燃烧器之间中心处切向速度很小,但速度梯度却很大,热、质交换很强烈。在现代中大型墙式燃烧锅炉中,燃烧器旋转方向的布置尽管各不相同,但同一面墙布置的上下层燃烧器的旋转方向都相同,上下层燃烧器之间都有比较强烈的热、质交换发生;同层相临燃烧器的旋转方向多数相反,它们之间的热、质交换比上下层燃烧器差。当墙式燃烧锅炉的燃烧器采用对冲布置或非对冲布置时,对冲燃烧器之间和非对冲燃烧器之间也会有热、质交换发生。在现代中大型墙式燃烧锅炉中(200MW等级以上),其燃烧器布置方式主要有对冲布置、非对冲布置以及前墙布置3种。对冲与非对冲布置将旋流燃烧器分两层或三层布置在前后墙或两侧墙,每面墙每层4只;前墙布置将燃烧器分四层布置在前墙,每层4只燃烧器。同层燃烧器之间中心距离在(2.5~4.0)m范围内,上下层燃烧器之间中心距离在(3.5~5.0)m的范围内。燃烧器本身直径在(1.0~1.5)m的范围内,如此中心距离间隔难免使各个燃烧器的旋转气流在离开其喷口后因扩散而相交并相互引燃。这一点对煤粉气流的着火过程非常有利。1.2热、质交换过程磨煤机启停不投或少投油方式成立的重要条件是磨煤机启停过程中其对应燃烧器的煤粉气流在喷入炉内后能及时着火、稳定燃烧。依据赛门洛夫(Semenov)热着火理论,要做到这一点,最关键的是启停磨煤机对应燃烧器煤粉气流在喷入炉内后通过各种热、质交换过程能够快速达到或超过其着火温度。旋转煤粉气流在喷入炉内后,炉内气体可看作是由2个组分组成:一个是炉内高温烟气,一个是煤粉气流。这2个组分之间发生的热、质交换过程非常复杂,但主要归纳为3种类型:(1)辐射换热过程;(2)炉内2组分之间由煤粉气流旋转产生的紊乱扩散所形成的热量和质量相互交换过程;(3)燃烧放热过程。单股煤粉气流在喷入炉膛后到着火之前时段内与高温烟气发生的热、质交换过程有辐射换热和混质换热;发生的燃烧放热有点火油的燃烧放热或临近燃烧器的燃烧放热。由以上分析可见,高温烟气的品质对煤粉气流着火前吸热过程影响最大,决定着煤粉气流的着火距离。机组运行负荷越高,炉内的火焰温度水平就越高,煤粉气流单位时间通过辐射换热与混质换热吸收的热量就越多,获得的温升就越高,着火距离相对就越短;反之亦然。通常,机组运行负荷在不低于其最低不投油稳燃负荷时,炉内的火焰温度水平相对比较低。在此情况下,经过上述前两种热、质交换过程使正在运行的燃烧器煤粉气流及时着火燃烧,其着火距离一般在1m之内。按此及煤粉气流的着火温度反算,煤粉气流的加热速率达到了104℃/s数量级以上。考虑到启停磨煤机对应燃烧器煤粉气流的加热过程略逊于运行燃烧器,因此机组在高于某负荷点以上运行时,启停磨煤机对应燃烧器煤粉气流的加热速率将达到104℃/s数量级以上。按此计算,启停磨煤机对应燃烧器煤粉气流在进入炉膛0.1s后其温度迅速上升到1000℃以上,完全能够及时着火燃烧。2调整开度和运转过程直吹式墙式锅炉磨煤机启动过程实际上是一种非稳态过程,各个电厂的具体操作也不尽相同,但其过程涉及到的非稳态变化过程则大同小异,主要归纳为以下5个环节:(1)二次风量由冷却风开度调节到点火位;(2)一次风门开度由全关位置调整到全开位;(3)投点火油枪,定量少量给煤、给风,并持续一段时间;(4)将给煤量和二次风量调整到正常运行状况;(5)撤出点火油枪。一般在磨煤机启动过程中,为了不使启动过程时间拉长,节省点火用油,上述5个环节的间隔时间通常都控制得比较短,整个启动过程大约为30min左右。磨煤机的停运过程也是一种非稳态过程,其主要环节如下:(1)停止给煤;(2)投入点火油枪;(3)二次风量由运行开度调节到冷却风位;(4)一次风在吹扫足够时间后点火油枪退出;(5)一次风关闭。在磨煤机停运的全过程中,一次风粉的煤粉浓度逐步由浓转淡,直至吹扫干净。在此过程中一次风煤粉浓度的变化情况和磨煤机启动过程恰好相反。3启停磨煤机对应燃烧煤粉的影响(1)墙式燃烧锅炉旋流燃烧器各个风门的开度通过试验确定,在运行中一般不做调整,因此启动磨煤机对应燃烧器和运行燃烧器的旋流强度应相同。(2)磨煤机启动过程中,启动磨煤机对应燃烧器一次风的煤粉浓度比较小,其二次风量控制得也比较小,因此认为启动磨煤机对应燃烧器与运行燃烧器空气系数相同。(3)考虑到较短时间内磨煤机的给煤量将加到正常煤量,同时为了减少磨煤机启动过程中的非稳态过程,因此一次风门在启动之初就由全关调整到全开,一次风量则根据给煤量按风煤比曲线供给。初始给煤量一般只有正常给煤量的1/4左右,煤粉浓度在(0.15~0.20)kg/m3范围内。通常情况下,运行燃烧器一次风粉浓度为(0.6~0.8)kg/m3。因此,启动磨煤机对应燃烧器一次风的煤粉浓度为运行燃烧器的1/4左右。(4)启动磨煤机对应燃烧器和运行燃烧器两者之间的引燃作用不同。运行燃烧器每层中间的2只,上下和同层与其相临的燃烧器最少有3只是运行燃烧器;运行燃烧器每层两边的2只,上下和同层与其相临的燃烧器最少有2只是运行燃烧器。而启动磨煤机对应燃烧器无论是中间2只,还是边上2只,上下和同层与其相临的燃烧器最多有2只运行燃烧器(启动层为中间层),多数情况下是1只(启动层多为上层)。因此,至少有一层运行燃烧器和启动磨煤机对应燃烧器仅相差同层燃烧器的引燃作用。(5)在实际锅炉中,运行燃烧器在机组最低不投油稳燃负荷下能够稳定着火燃烧。考虑到启停磨煤机过程对炉内有一定的扰动,因此磨煤机启停时机组运行负荷都高于其最低不投油稳燃负荷。由此可见,启停磨煤机对应燃烧器通常是在运行燃烧器已留有一定的稳燃保险系数的情况下投运的,其投运过程不会影响到运行燃烧器的燃烧稳定性。反过来,运行燃烧器的稳定燃烧能够促使启停磨煤机对应燃烧器的煤粉气流顺利着火。综上所述,启停磨煤机对应燃烧器与运行燃烧器中,影响煤粉气流着火过程的两个重要参数旋流强度和高温烟气的品质是相同的,由此推测,在其它差异影响作用甚微或通过技术措施将其消除或在更高的机组运行负荷下,启停磨煤机对应燃烧器在不投点火油枪或少投点火油枪时能够像运行燃烧器一样稳定着火燃烧。4停不投油、少投油通过研究直吹式墙式锅炉磨煤机启停过程中煤粉气流的着火过程,分析对比启停磨煤机对应燃烧器与运行燃烧器煤粉气流着火前吸热过程的异同,得出直吹式墙式锅炉在机组运行负荷低于某负荷点时,采用磨煤机启停投油方式是必要的,但在机组运行负荷高于某负荷点时,采用磨煤机启停不投油或少投油方式应该是可行的和安全的。采用此种运行方式可节省大量点火用油。西安热工研究院有限公司举行北京迁址西安40年纪念2005年10月15~17日,西安热工研究院有限公司举行北京迁址西安40年纪念。参加纪念活动的除部分同行单位的代表外,主要为几十年来先后在原燃料工业部电业总局中心试验所、电力工业部技术改进局、水利电力部