空气分级燃烧技术在六角切圆燃烧锅炉中的应用
摘要：通过对某电厂一台六角切圆燃烧锅炉采用空气分级燃烧技术改造后的空气动力场分布情况以及该炉改造前后热态运行情况的介绍，说明燃用褐煤的六角切圆燃烧锅炉采用空气分级燃烧技术可以有效抑制炉内结渣，减少NOx的生成，实现低负荷稳定燃烧。
关键词：空气分级；六角切圆燃烧；低NOx；稳定燃烧
中国煤炭资源丰富，能源的生产和消费历来以煤为主，在中国电力工业中燃煤发电约占总发电量的75%。
某电厂6号炉为200MW六角切圆燃烧锅炉，燃用褐煤。该锅炉自投用以来，经运行调整已取得了较好的经济效益，但结渣问题一直困扰着厂方。近年来，随着国家对环境保护的日渐关注，减少煤在燃烧过程中NOx生成量也已成燃煤锅炉燃烧器设计改造过程中必须考虑的问题。因此，为了解决困扰多年的结渣问题，降低燃烧过程中NOx的生成量，对该锅炉在现有燃烧器的基础上进行了空气分级燃烧技术改造。本文着重介绍了该炉空气分级改造后的冷态模化实验及运行结果，为燃用褐煤的六角切圆燃烧锅炉减少结渣，降低NOx排放量提供一定的参考。
1 空气分级燃烧技术
空气分级燃烧技术是目前中国使用较为广泛的低NOx燃烧技术。分级燃烧技术是通过改变送风方式，控制炉内空气的分布，使煤在着火阶段缺氧，降低NOx的生成量，未燃烬的碳粒在炉膛上部的燃烬区与燃尽风混合并燃烧完全。
炉内空气分级燃烧的实现形式主要有2种，即轴向空气分级燃烧和径向空气分级燃烧。轴向空气分级燃烧将燃烧所需的空气分两部分送入炉膛：一部分为主二次风，约占总二次风量的70%-85%；另一部分为燃尽风（OFA Over Fire Air），约占总二次风量的15%-30%。因此，炉膛内的燃烧分成3个区域，即热解区、贫氧区和富氧区。径向空气分级燃烧是在与烟气流垂直的炉膛断面上组织分级燃烧，它是通过将二次风射流部分偏向炉墙来实现的。径向分级燃烧不仅可以使主燃区处于还原性气氛从而降低NOx的排放量，还可使炉墙附近处于氧化性气氛，从而可以避免水冷壁的高温腐蚀以及因还原性气氛使灰熔点下降而导致的燃烧器附近的结渣。
2 锅炉原型
所改造锅炉为六角墙式布置切圆燃烧，锅炉炉膛结构尺寸的高、宽、深分别为43.7m、13.66m、11.66m，如图1 所示。根据其在运行过程产生的问题，具体改造如下：
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（1）将每组燃烧器的三层一次风全部改为百叶窗式水平浓淡燃烧器；
（2）将每组燃烧器的两层中部二次风关掉，以降低煤粉燃烧初期的氧量，减少中部二次风供风量，减少的风量经上部的燃尽风喷口送入炉膛；
（3）为减少燃烧初期氧量，将原中二次风口偏转二层，偏离原燃烧器切圆中心线约7°，加大切圆直径；
（4）在燃烧器上方约1m左右的位置增设一层燃烬风口，流通截面占原有二次风口流通截面的15%左右，气流方向和偏转后的二次风气流相同。燃烧器改造前后的结构如图2所示，该炉配风情况见表1。
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3 改造结果分析
3.1 冷态模化实验结果分析
表2中给出了根据相似模化理论所计算的各喷口冷态模化速度。
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图3中所示的是冷态模化试验时炉内流场烟花示踪情况。
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从图3可以看出，在100%ECR时停用5号磨煤机，气流在炉膛内部旋转形成椭圆型切圆，炉膛内气流分布均匀，切圆圆心没有发生严重偏移。对比图3中的照片1、照片2和照片3可以观察到，一次风气流形成的实际切圆与二次风相比较小，中一次风由于上下两层二次风均发生偏转，切圆较下一次风大，但从照片1和照片2可以看出，中一次风的切圆小于偏转二次风切圆，所以能够在主燃区形成了空气在外，煤粉在内的“ 风包粉” 结构，有效减少一次风粉气流对炉膛壁面的直接冲刷，减少燃烧区域的结渣现象。二次风改造偏转后，由于二次风切圆的增大，使一次风背火侧的补气条件有所改善，能够减缓一次风射流发生偏转时间，从而使大量煤粉颗粒直接进入炉膛中心主燃区，有利于提高燃烧效率。
3.2 改造前后锅炉运行情况
锅炉燃烧器改造前后热态运行情况详见表3。通过对比表3中改造前后锅炉运行情况，可以看到燃烧器改造前后，锅炉总体情况得到改善，锅炉的机械未完全燃烧损失降低，排烟温度降低，排烟热损失减少，煤粉燃烧情况好转，飞灰可燃物含量大大降低，燃烧效率提高，特别是NOx排放量由改造前的598.5Mg/m3减少到359Mg/m3，充分说明合理采用分级燃烧可以有效地降低燃烧过程中NOx的生成量，使NOx排放量低于国家标准。因此，对大容量褐煤锅炉进行炉内分级燃烧技术改造可以提高锅炉的热效率，降低NOx排放量，减轻炉内结渣。
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4 结论
根据对某电厂6号炉在运行过程中结渣、NOx排放量较高的现象，采用炉内空气分级燃烧技术进行改造，利用偏转二次风和水平浓淡燃烧器实现炉内空气径向分级，增设顶部燃烬风（OFA）实现炉内空气的轴向分级，在改造后的锅炉上进行了冷态模化试验，试验表明：
（1）炉内空气分级改造后，炉内仍具有分布较好的空气动力场，切圆未发生严重偏移。
（2）将两层中二次风偏转7°，燃烧器改为水平浓淡燃烧器后，炉内主燃区二次风气流的切圆直径大于一次风切圆直径，形成了空气在外，煤粉在内的“风包粉” 结构，有利于在靠近水冷壁处形成氧化性气氛，防止结渣。
（3）将主燃区一部分空气从新增设的顶部燃烬风（OFA）喷口喷入，可以使主燃区进行贫氧燃烧，有效减少NOx生成量，未燃尽的的煤粉颗粒可利用顶部燃烬风来进一步燃尽，保持燃烧效率。
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