切圆燃烧锅炉炉渣可燃物高的原因分析及解决措施.pdf

第5 期2 0 0 9 年9 月锅炉制造b o i l e rm a n u f a c t u r i n gn o 5s e p 2 0 0 9文章编号：c n 2 3 1 2 4 9 ( 2 0 0 9 ) 0 5 0 0 0 1 0 4切圆燃烧锅炉炉渣可燃物高的原因分析及解决措施王春昌( 西安热工研究院有限公司，陕西西安7 1 0 0 3 2 )摘要：采用理论分析和现场实例验证的方法分析了部分大容量切圆燃烧锅炉炉渣可燃物含量偏高的原因，并提出了相应的具有操作性的解决措施。关键词：切圆燃烧锅炉；最下层喷口；二次风动量；高度；携带能力中图分类号：t k 2 2 9文献标识码：ac a u s ea n a l y s i sa n dr e s o l i n gm e a s u r eo fh i g hs l a g g i n gc o m b u s t i b l em a t t e ri nt a n g e n t i a lf i r i n gb o i l e rw a n gc h u n c h a n g( x i a nt h e r m a lp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t ec o l t d ，x i a n7 1 0 0 3 2 ，c h i n a )a b s t r a c t ：t h ec a u s eo fh i g hs l a g g i n gc o m b u s t i b l em a t t e ri ns o m et a n g e n t i a lf i r i n gb o i l e r si sa n a l y s e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i t ei l l u s t r a t i o n ，a n dr e l a t i v er e s o l i n gm e a s u r e sa r ep r o v i d e d k e yw o r d s ：t a n g e n t i a lf i r i n gb o i l e r ；b o t t o mn l z z l e ；s e c o n d a r ya i rm o m e n t u m ；h e i g h t ；c a r r y i n gc a p a b i l i -t y0引言在正常情况下，锅炉炉渣的含碳量和飞灰含碳量比较接近，在此条件下，由炉渣造成的固体未完全燃烧热损失通常很小，在0 1 以下。但在非正常情况下，特别是部分燃用难燃煤种的切圆燃烧锅炉，其炉渣含碳量可高达2 0 左右，比飞灰可燃物含量高出4 5 倍，由此导致锅炉热效率降低1 左右，影响供电煤耗达3g k w h 左右，对机组经济性的影响不可低估。造成上述难燃煤种切圆燃烧锅炉炉渣含碳量偏高的原因很多，其中最为重要的一个原因往往是此类锅炉燃烧器的最下层二次风喷口或最下层一次风喷口等设计不合理，本文将对此进行分析与论证，并试图探讨相应的解决措施，以期彻底解决燃煤锅炉炉渣可燃物含量偏高的问题。1颗粒下落的数学模型圆球体颗粒在流体中受重力作用而垂直下落，决定颗粒运动的力是重力、浮力和流体对颗粒运动的阻力这三者的矢量和。通常把颗粒所受重力与浮力之差称为颗粒的相对重量g ，即g = ( p t - p i ) 7 r d 3 g 6( 1 )式中p 。和p ，分别表示颗粒的真实密度与流体密度，k g m 3 ，d 为颗粒直径，m ，g 为重力加速度，m 2 s ，颗粒自由沉降速度达到极限降落速度埘m 时收稿日期：2 0 0 9 0 7 1 5作者简介：王春昌( 1 9 5 5 一) ，男，陕西蓝田人，研究员，从事煤粉燃烧、煤质特性、低n o ，燃烧技术等方面的研究工作。 万方数据 2 锅炉制造总第2 1 7 期的阻力f 为：f = fx p fx 埘加2 仃d 2 4( 2 )此时，作用力平衡，即g = f ，由此得：w 加= 4 3 ( p - p a p ，x g d ( 2 ( 3 )上2 式中f 为阻力系数，与颗粒运动的雷诺数相关。在运动流体中，颗粒的运动速度w 根据矢量合成原理可表示如下：w = w k 0 + 吁( 4 )式中埘，是气流速度，m s ，w 加的方向向下。上述规律同样适应于非球形颗粒，因此适应于煤粉颗粒及其燃烧残骸( 包括焦碳颗粒或灰粒，下同) ，煤粉颗粒及其燃烧残骸特性尺寸为其当量直径d 。对于炉内燃烧而言，对于具体的煤粉颗粒及其燃烧残骸，其与高温烟气或空气的密度是一定的，煤粉颗粒及其燃烧残骸沉降的极限速度 0 加主要取决于这些颗粒的粒经d 。，而颗粒的运动轨迹( 由颗粒矢量速度 1 1 3 决定) 与气流的流速w ，有关。2落入渣池的颗粒在切圆燃烧锅炉的特定环境中，一次风粉和二次风平行喷射进入炉内，在离开喷口后的某段距离内，其流动主方向是水平方向；此后，受引风机作用，气流流动方向由水平方向转向螺旋上升，最后，气流( 即其燃烧产物) 的流动主方向是垂直向上。为了分析方便起见，以最下层一次风喷口和最下层二次风喷口作为研究对象，并假定一、二次风射入角度相同。分析其煤粉颗粒及其燃烧残骸落人渣池的原因。煤粉气流喷射进人炉内前，由于煤粉颗粒自身重力的缘故，喷口下部煤粉较浓，且其当量直径d 。较大。在进入炉膛大空间后，由于气流扩散等原因，水平向前的速度大大降低，即叫，降低，部分粗大颗粒将受训加的作用而脱离一次风气流向下沉降，并汇人下二次风空气流中，下二次风出口速度通常是一次风粉出口速度的2 倍左右，尽管进入炉内也有扩散，但其水平方向上的速度衰减小于一次风粉，距离燃烧器出口相同距离处的水平方向上的速度矢量大于一次风粉，因此，从一次风粉中脱落的颗粒将受二次风速度的影响而改变运行轨迹。由式4 及速度合成原理可知，在二次风以水平方向的流动为主时，如果二次风的厚度比较薄，部分颗粒将以一定的速度和角度向下斜穿二次风气流层，如果穿越则落人渣池，否则被二次风气流携带出炉膛；在二次风气流以水平流动为主转为上升流动为主时，部分颗粒将因惯性和矢量速度w 的共同作用而脱离二次风气流，并落人渣池，在其转为上升螺旋气流后，由于底部的烟气量少，其上升速度w ，也比较小，部分颗粒仍然有可能因iw 加i i 可i 而落入渣池。由切圆燃烧锅炉的燃烧器布置方式可知，一次风粉和二次风沿炉膛高度分层加入炉内，因此，在燃烧器底部，炉内气流的上升速度最小，且气流上升分速度沿炉膛高度逐步增加。由此可见，燃烧器位置越高，由其喷口喷射进入炉内的煤粉颗粒及其燃烧残骸落入渣池所穿越的气流层越厚，其气流上升的分速度也越大，因此落入渣池的颗粒越少。即便有颗粒落人渣池，由于这些颗粒穿越燃烧器区域需要一定的时间，因而其燃尽程度相对也最高。相反，由底部燃烧器送人炉内的颗粒，落人渣池所穿越的气流层最薄，其气流上升的分速度也最小，因而落人渣池的颗粒最多。且这些颗粒不经过燃烧器区域，其燃尽程度相对也最差。在锅炉设计中，上述落人渣池的颗粒被设计为可携带出炉膛的飞灰，很显然，这部分落人渣池的颗粒属于非正常落人渣池的渣量，是导致炉渣含碳量与炉渣量增加的主要原因。由上述分析反推可见，在同一锅炉中，炉渣中的含碳量较低，说明由下部燃烧器直接落人渣池的煤粉颗粒及其燃烧残骸比较少，因此，落人渣池的总渣量也相对较少；反之，炉渣含碳量越高，炉渣的总量也越大。由此可见，炉渣份额在锅炉中并非固定不变的值，其份额( 即炉渣量) 随着炉渣含碳量的增加而增加，在固体未完全燃烧热损失的计算中，煤粉锅炉的炉渣份额统统按1 0 取值，很显然，这一数值并不能准确地反映出炉渣的真实份额。当炉渣含碳量高出飞灰含碳量的2 3 倍以上时，按1 0 份额计算的锅炉固体未完全燃烧热损失将极有可能小于实际的固体未完全燃烧热损失。3炉渣含碳量偏高的原因分析由上节分析可知，影响非正常落入渣池的煤粉颗粒及其燃烧残骸的主要因素除了下部燃烧器的风速外，煤粉颗粒的直径及其分布是另一个非 万方数据 第5 期王春昌：切圆燃烧锅炉炉渣可燃物高的原因分析及解决措施3 常重要的因素。具体到切圆燃烧锅炉，主要影响因素如下。3 1 最下层二次风动量偏小最下层二次风出口气流动量( 即w ，和气流层厚度) 越大，其携带煤粉的能力就越强落，落人渣池的颗粒就越少。二次风的动量与其出口速度和气流质量相关。中小型难燃煤种锅炉，出于稳燃考虑，其燃烧器多采用贫煤型布置方式( 一次风喷口集中布置) ，因此，其最下层二次风喷口的高度相对比较高( 即下二次风气流层相对较厚) ，其携带煤粉颗粒的能力也较强。大容量锅炉则不同，其配风方式均采用平衡配风方式，即其燃烧器全部为烟煤型布置方式( 一、二次风喷口间隔布置) ，对于难燃煤种锅炉，出于稳燃考虑，其二次风的高度( 包括最下层二次风喷口) 均比较小，气流层薄，从而制约了其携带固体颗粒的能力。由此可见，大容量锅炉最下层二次风喷v i 高度偏低、气流层薄才是导致其二次风动量偏小的主要原因，也是导致部分难燃煤锅炉炉渣含碳量偏高的原因之一。3 2 煤粉细度及均匀性的影响由式3 与式4 可知，气流携带固体颗粒的能力是相对颗粒大小而言的。在气流出口动量一定的条件下，其能携带的最大颗粒直径也随之而定。因此，固体颗粒的直径越小、密度越小则越容易被气流携带。对于煤粉锅炉而言，煤粉颗粒直径按一定的规律分布，其中，粗大颗粒的比例与煤粉细度及其均匀性系数相关。煤粉细度值越大，均匀性指数越小，大颗粒的比例就越大，超出气流携带能力而落人渣池的颗粒就越多，炉渣含碳量和份额就越大。3 3 燃煤特性的影响影响炉渣含碳量与渣量的燃煤特性主要包括颗粒密度与燃尽特性。煤粉颗粒的密度越小，落入渣池的煤粉颗粒及其燃烧残骸越少，炉渣含碳量与渣量也随之减少。煤种的着火速度与燃尽速度越快，颗粒燃烧残骸的密度或直径减小速度越快( 与燃烧模型有关) ，落入渣池的燃烧残骸及其含碳量也越小。这是燃用难燃煤种锅炉容易出现炉渣含碳量偏高的主要原因。对于具体锅炉而言，燃煤特性是确定的，是无法改变的一个因素，可控制的因素实际是只有煤粉细度及其均匀性指数。3 4 切布置方式的影响切圆布置方式有两层含义，一是切圆大小，二是一次风和二次风射流是否采用水平分级燃烧技术。切圆大小仅对炉内结渣及炉渣份额有一定的影响，对炉渣可燃物含量则基本无影响。一次风和二次风射流无水平分级时，一、二次风同角度喷射进入炉内，煤粉颗粒及其燃烧残骸在其下落过程必须穿越二次风气流层，因此，二次风气流层可以起到“拖粉”作用；当一次风和二次风射流有水平分级时，一、二次风不同角度喷射进入炉内，部分煤粉气流底部出现无二次风气流层“拖粉”的现象，部分颗粒在脱离一次风后直接落入渣池，使落人渣池的煤粉颗粒及其残骸数量增多。部分大容量切圆燃烧锅炉，由于控制n o ，的需要，采用了水平分级燃烧技术，这是部分大容量难燃煤种锅炉炉渣含碳量升高的一个不可忽视的因素。在水平分级燃烧技术时，实际上可考虑将最下层二次风与一次风采用同切圆布置这样，在基本不影响水平分级燃烧技术效果的基础上，可有效降低炉渣可燃物含量。3 5 一次风速的影响一次风速的选取主要依据燃煤特性，不同煤种的风速选取有一定的差异，高挥发分煤种锅炉一次风速通常高于低挥发分煤种。很显然，较高的一次风速有利减小落人渣池的煤粉颗粒及其燃烧残骸的量，这也是难燃煤种锅炉炉渣含碳量高的原因之一。需要强调的是：部分大容量难燃煤锅炉采用了新型燃烧器，某些新型燃烧器喷口过大、一次风出口速度过低，使其气流刚性较弱，造成一次风粉射流扩散角过大而导致煤粉颗粒及其燃烧残骸无需穿越二次风气流层而直接落入渣池。综上分析可见，影响炉渣含碳量偏高的原因虽然很多，比如煤质特性、切圆布置方式等。但就目前煤炭市场和燃烧技术水平而言，可掌控的因素并不多，具有可操作性的技术措施主要有：最下层二次风动量( 实际为燃烧喷口高度) 及喷人角度、煤粉细度及其均匀性指数，最下层一次风速等。4实际例证与解决措施下面结合实际例证探讨几种可行的解决措 万方数据 - 4 锅炉制造总第2 1 7 期施。4 1 增加下二次风喷口高度x f 电厂4 台10 2 5t h 锅炉设计煤种的无灰干燥基挥发分( k d ) 为2 2 ，校核煤种1 的k d 为1 4 左右，校核煤种2 的。，为3 5 左右，切圆燃烧锅炉，一次风喷口燃烧器与相邻水冷壁的安装角度为4 5 0 ，属于对冲燃烧方式，最下三层二次风喷口a a 、a s 、b c l 的安装角度较一次风喷口中心线顺时针偏转8 0 ，最下层二次风喷口a a 的高度只有3 0 0m m 左右，与纯烟煤锅炉相比，其喷口高度降低约一半。通常情况下，锅炉飞灰与炉渣的含碳量基本上处于同一水平，有时炉渣可燃物含量比飞灰可燃物含量还低一些。这4 台锅炉却不同，炉渣可含碳量均高达1 0 以上，有时超过2 0 ，且明显高出飞灰可燃物。2 0 0 1 年，西安热工研究院向x f 电厂提出了加大下二次风喷口a a 高度的建议，随后电厂对下二次风喷口实施了改进，喷口高度比原来增加了2 5 左右，使最下层二次风气流层厚度和动量都有很大的提高，使其携带颗粒的能力大大增强。改进后3 4 年的运行实践表明，4 台锅炉的炉渣含碳量大都在5 左右，最大不高于1 0 ，和飞灰含碳量处于同一水平。上述实例说明，增加最下二次风气流层的厚度与动量可提高其携带固体颗粒的能力，使煤粉颗粒或燃程度低的焦碳颗粒落入渣池的数量减少，并由此使炉渣份额和含碳量大大降低。由此可见，增加最下层二次风喷口的高度( 宽度不变)是减少炉渣份额及其含碳量的非常有效的一种技术措施。4 2 提高下一次风喷口出口速度d z h 电厂1 4 号锅炉的蒸发量为10 2 5t h ，贫煤切圆燃烧锅炉，9 0 年代，出于稳燃考虑，最下层燃烧器采用了一次风粉出口速度低于正常值的所谓新型强稳燃燃烧器，炉渣可燃物含量在2 0 左右，最高达2 8 ，最低在1 6 以上，仅此一项就影响锅炉热效率近1 ( 在采用相同燃烧器的其它电厂也有此问题，有一定的普遍性) 。同时，水冷壁存在着严重的高温腐蚀。2 0 0 0 年左右，该电厂用普通浓淡燃烧器替换了该层燃烧器，炉渣的含碳量降低到1 0 以下，略高于飞灰含碳量。上述实例说明，过低的一次风出口速度是炉渣含碳量和份额增加。或者说，保持其合理的出口速度是减少炉渣份额及其含碳量的一种有效措施。需要说明的是：这种措施并不具备普遍性，只适应于一次风出口速度低于正常值的部分锅炉。4 3 降低煤粉细度h d 电厂的1 2 号炉为4 0 0t h 切圆燃烧锅炉，燃用难燃贫煤，9 0 年