燃料分析與爐膛設計技術規(guī)范

燃料分析與爐膛設計技術規(guī)范鍋爐燃料的燃燒特性是鍋爐設計的基礎，本專題首先對電廠600MW超臨界本生直流鍋爐提供的燃料特性作了詳細的分析和考慮，然后根據(jù)燃料特性采用的日立-巴布科克公司(BHK)成熟的爐膛布置方式和燃燒器型式，結合東方鍋爐與日立-巴布科克公司的技術優(yōu)勢，通過對爐膛、燃燒器的優(yōu)化設計，實現(xiàn)防止爐膛的結渣，保證鍋爐高效穩(wěn)定燃燒、低NOx排放和較小的爐膛出口左右兩側煙溫偏差。日立-巴布科克公司(BHK)為本工程提供的鍋爐爐膛和燃燒器設計上具有如下特點：較大的爐膛斷面和爐膛容積水冷壁采用下部（包括冷灰斗）螺旋膜式管圈和上部垂直膜式壁結構螺旋膜式管圈全部采用內螺紋管，流速低，阻力小采用日立-巴布科克公司成熟、先進的HT-NR3低NOx旋流燃燒器采用分級燃燒，爐膛上部布置有AAP風口較小的爐膛出口左右兩側煙溫偏差電廠600MW超臨界本生直流鍋爐燃用燃料特性分析和考慮大型鍋爐設計時，最重要的考慮項目是鍋爐燃料的燃燒特性。由于燃燒室（爐膛）尺寸、燃燒設備和制粉系統(tǒng)、受熱面布置、鍋爐的型式都與燃料特性密切相關。為了能夠設計出性能好、可靠性高的燃煤鍋爐，對鍋爐中可能出現(xiàn)的結渣、粘污、磨損、NOX的生成和燃料的充分燃盡都是十分重視的問題。因此認真分析和認識本工程所燃用煤種的特性是設計的基礎。1.1結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列出燃煤結渣特性判別指數(shù)，表2列出燃煤粘污特性判別指數(shù)，其中的燃煤結渣、粘污特性判別指數(shù)均是日立·巴布科克公司通過現(xiàn)場試驗制定和許多經驗證實的結渣和粘污的分級。表3列出了電廠600MW超臨界本生直流鍋爐燃用的設計煤種和校核煤種結渣和粘污特性的分析計算結果。表中的煤灰類型按下述方法進行分類：煙煤型灰份：Fe2O3＞CaO+MgO；褐煤型灰份：Fe2O3＜CaO+MgO。表1結渣特性判別指數(shù)：結渣分類結渣指數(shù)煤灰類型煙煤型灰份（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嚴重>2.6<1150Rs和Rs*定義如下：Fe2O3,CaO,MgO,Na2O,SiO2,Al2O3,和TiO2是這些氧化物在煤灰中的總量百分比，S是干燥基的總量百分比。其中：HT=半球軟化溫度；IT=初始變形溫度(oC)表2粘污特性判別指數(shù)粘污分類粘污指數(shù)煤灰類型煙煤型煤灰(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嚴重>1.06<Na2O3<Na2O表3設計煤種和校核煤種結渣和粘污特性的分析計算結果：項目單位設計煤種校核煤種一校核煤種二灰成份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總合%100100100收到基硫分%0.35330.47440.4948初始變形溫度IT℃145013251450軟化溫度HT℃＞15001390＞1500流動溫度℃＞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結渣指數(shù)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）粘污指數(shù)Rf=B/A×Na2O0.080.1050.08CaO+MgO+Fe2O311.8613.0412.71Na2O(對褐煤型灰)0.53(中等)0.55(中等)0.44(中等)1.2灰份的磨損指數(shù)和防磨措施應用具有很高的可信度的由普華燃煤技術開發(fā)中心、西安熱工研究院等單位在對國內幾十臺大型電站鍋爐進行調研和分析及一系列試驗基礎上，總結的一套依據(jù)燃煤的性能指數(shù)判別方法進行判斷，對煤灰磨損特性進行分析計算：磨損指數(shù)計算公式：Hm=(SiO2+0.8Fe2O3+1.35Al2O3)×Aar/100設計煤種：Hm=(44.98+0.8×4.07+1.35×36.29)×22.22/100=21.6校核煤種一：Hm=(41.1+0.8×4.12+1.35×33.86)×21.92/100=19.75校核煤種二：Hm=(45.55+0.8×4.65+1.35×35.41)×19.34/100=18.77表4磨損指數(shù)判別準則磨損指數(shù)HM判別準則<10輕微10<Hm<20中等>20嚴重應用上述的判別準則，可以看出，本工程所燃用的設計煤種和校核煤種其灰份均具有較嚴重的磨損性。為了防止和減輕灰粒對受熱面的磨損，須在煙溫較低的受熱面上加裝防磨蓋板。并控制各對流受熱面處的煙氣流速。根據(jù)BHK在燃煤爐中煙速選取的設計經驗（如下圖所示），煙氣速度控制在11～15m/s范圍內是合適的。而本工程的煙氣平均速度控制在低限水平。通過以上措施能有效防止灰粒對受熱面的磨損。通過上面的分析計算表明：本工程燃用的設計煤種和校核煤種均具有中等結渣傾向，著火穩(wěn)定性、燃盡特性較難，灰中等粘污，煤灰的磨損性較嚴重。根據(jù)以上分析，在爐膛設計中將要充分考慮煤粉的著火、燃燒的穩(wěn)定、高效，同時在擴大對煤種變化和煤質變差趨勢的適應能力、負荷調節(jié)能力、爐內結渣和水冷壁高溫腐蝕、低NOX排放、低負荷穩(wěn)燃等方面，也將采取切實有效的措施。另外還須重視飛灰對尾部對流受熱面的磨損問題。電廠600MW超臨界本生直流鍋爐爐膛設計特點2.1爐膛容積選取合理電廠600MW超臨界本生直流鍋爐爐膛尺寸大小，是依據(jù)所其燃用煤質的著火特性、結渣特性、燃盡特性、粘污特性等種種特性，以及要滿足所規(guī)定的燃燒效率和控制NOX產生量，選定與燃燒器、容量、配置和其它各項相一致的各種部份尺寸。爐膛的幾何尺寸以及其計算數(shù)據(jù)(包括爐膛容積熱負荷，爐膛斷面熱負荷，燃燒器區(qū)域熱負荷等)以及爐膛布置將根據(jù)上述煤和灰的特性進行設計和選取的，當在所有工況下燃用特定的設計和校核煤種的時候，爐膛的設計和燃燒器的布置能確保水冷壁管屏的任何一部分，過熱器和再熱器不會被火焰沖刷，燃燒器之間也不相互影響。爐膛的設計能保證燃燒完全，并且在爐膛內不發(fā)生不可控制的結渣。當鍋爐的出力為BMCR的時候，爐膛出口的平均煙氣溫度將大大低于灰的初始變形溫度。沿爐膛寬度方向的對稱點上，爐膛出口煙氣溫度的偏差不大于50°C。另一方面在設計負荷改變時熱容量改變劇烈的超臨界變壓鍋爐的時候，要能夠適應負荷的高速變化、啟動和停止等要求，以達到合理地確定爐膛尺寸、提高效率。下圖表示了爐膛容積熱負荷在遵守90～95kW/m3的前題下，我們依據(jù)BHK本生爐多年來的業(yè)績經驗，決定采用爐膛容積熱負荷為91kW/m3。爐膛容積熱釋放率（FurnaceVolumetricHeatReleaseRate）2.2爐膛截面積選取合理根據(jù)BHK設計經驗，燃煤鍋爐的爐膛截面大小要依據(jù)所燃用煤的結渣性來選定。下圖表示的是BHK關于煤的結渣性和爐膛截面熱負荷之間的關系曲線圖。電廠600MW超臨界工程計劃燃用煤（包括設計煤種和校核煤種）都屬于中等結渣性煤種。再考慮到燃料將可能發(fā)生變化，故在設計時，決定選取爐膛截面熱負荷為5.1MW/m2，以滿足燃用劣質煤機組的要求。由圖可見，在燃用設計和校核那樣的中等結渣的煤種的時候，我們?yōu)殡姀S600MW超臨界鍋爐設計的爐膛可以保證不會發(fā)生不可控制的結渣。2.3電廠600MW超臨界鍋爐爐膛參數(shù)根據(jù)上述按BHK設計經驗做的分析，對于電廠600MW超臨界本生直流鍋爐，所確定的爐膛主要幾何尺寸和熱力指標如下：

爐膛寬度×深度19419×15456mm×mm爐膛斷面積300m2爐膛容積16880m3上排燃燒器中心線到屏底距離28459mm爐膛斷面熱負荷51MW/m2爐膛容積熱負荷91KW/m3燃燒器區(qū)域壁面熱負荷1.08MW/m22.4電廠600MW超臨界鍋爐爐膛參數(shù)選取合理性 臺數(shù)爐膛容積熱負荷對比表爐膛斷面熱負荷對比表爐膛燃燒器區(qū)域壁面熱負荷對比表從上面各對比表我們可以看出：電廠600MW超臨界本生直流鍋爐爐膛容積熱負荷、斷面熱負荷以及燃燒器區(qū)域壁面熱負荷選取相對較低，也就是說鍋爐爐膛容積、斷面積以及燃燒器區(qū)域壁面面積選取相對較大，鍋爐對煤種具有較強的適應性，對防止爐膛結渣更為有利。2.5電廠600MW超臨界鍋爐燃燒性能的合理性在設計爐膛的時候，同時考慮鍋爐具有高的燃燒性能以及低的NOX排放量。日立?巴布科克公司(BHK)為本工程推出新的煤粉燃燒技術，旨在實現(xiàn)低NOX燃燒，減少飛灰中未燃盡碳的損失，達到高效燃燒提高鍋爐效率和滿足環(huán)保對鍋爐排放的要求。在鍋爐設計中采用爐膛優(yōu)化設計和新型高效低NOX的燃燒器是實現(xiàn)上述要求所必需的條件。除了爐膛設計選取合適的容積熱負荷、爐膛截面熱負荷外，鍋爐采用對沖燃燒方式，將24只高效低NOX旋流燃燒器各分3層布置在前后墻上。這種燃燒器就是火焰內NOX還原的日立HT-NR3燃燒器。它利用這樣一個原理，即在燃料富余的火焰中，燃燒產物集中過量，將加快產物中氮氧化物（NOX）的分解。具體來說經濃縮了的煤粉氣流送入爐膛后，迅速著火，在燃燒器中心區(qū)保持燃料富余的還原火焰的區(qū)域并維持其高溫。它能夠在不降低燃燒效率的同時促進初級燃燒火焰中NOX的分解。最大限度地降低初級燃燒中NOX的生成。此外，還應用分級燃燒降低爐膛NOX生成的概念，將部分二次風（AAP）在離開燃燒器上方適當距離處送入，這樣，就在AAP下方主燃燒區(qū)域形成低氧量甚至微還原性的燃燒氣氛，抑制NOX的生成，在燃燒后期再送入燃盡所需的部分空氣，這部分空氣（AAP）又采用旋流和直流相結合的雙流式二次風口，促進了空氣和可燃物粒子的混合。這種組合的煤粉燃燒技術不僅使爐膛NOX排放達到很低的水平，還使飛灰中未燃盡碳減少，達到高效燃燒。下圖分別為BHK在電廠600MW超臨界鍋爐設計中降低NOx排放和完全燃燒的設計指導思想以及鍋爐燃燒效率和爐內煤粉滯留時間曲線。降低NOx排放的詳細措施詳見“專題說明3燃燒設備及其布置”。

燃燒效率和滯留時間曲線圖注：上述的燃燒效率基于下列的煤粉細度：200P:>85%；100P:>97%電廠600MW超臨界鍋爐防止爐膛出口煙溫偏差的設計特點首先，電廠600MW超臨界本生直流鍋爐燃燒器采用的是前后墻對沖燃燒方式，確保沿爐膛左右兩側有均衡的燃燒性能，使爐膛出口左右兩側煙溫偏差達到較小水平。下圖展示了前后墻對沖與四角切向兩種燃燒方式的對照圖，從圖上我們可以容易地看出，在減少爐膛出口左右兩側煙溫偏差方面，前后墻對沖燃燒方式具有明顯的優(yōu)勢。另外，采用了足夠大的爐膛容積，在爐膛上部布置大節(jié)距的分隔屏，使煙氣在爐膛內有足夠的燃燒停留時間，同時又能使煙氣在爐膛出口部分混合較好。通過以上分析，在鍋爐在B-MCR工況時，在控制爐膛出口煙氣溫度低于煤灰的初始變形溫度、有效防止爐膛內水冷壁產生結渣現(xiàn)象基礎上，我們可以確保爐膛出口左右兩側煙溫偏差不超過50°C。前后墻對沖燃燒方式前后墻對沖燃燒方式FrontSideFlow四角切向燃燒方式煙氣熱流HEATFLUX水冷壁出口介質溫度煙氣溫度.Flow電廠600MW超臨界鍋爐防止鍋爐結渣的設計特點顯然，除了了解燃煤的結渣特性以外，控制結渣還需了解燃燒器、爐膛和輻射過熱器出現(xiàn)結渣問題（不能吹灰排除）的設計特點。此外，爐膛熱負荷和出口溫度的正確選擇也十分重要，即保證燃燒器燃料和空氣的正確分布而實現(xiàn)控制燃燒。本工程燃用的煤種并不具有十分嚴重的結焦趨向，但是在設計方案中還是采用了上述的所有的防止結渣的措施，以最大限度地減少結渣的可能性。另外，由于燃煤的揮發(fā)分較低，為保證燃盡和降低NOx排放，爐膛的設計得較大，爐膛的熱負荷較低，這些都對防止結渣十分有利。爐膛的設計能保證燃燒完全，并且在爐膛內不發(fā)生不可控制的結渣。當鍋爐的出力為BMCR的時候，爐膛出口的平均煙氣溫度將充分地低于灰的初始變形溫度。沿爐膛寬度方向的對稱點上，爐膛出口煙氣溫度的偏差不大于50°C。下圖展示了過熱器和再熱器管屏的橫向節(jié)距，屏式過熱器管屏橫向節(jié)距的設計值為1371.6mm(54英寸)以防止掛焦產生阻塞，獲得穩(wěn)定的吸熱。末級過熱器，垂直再熱器和水平再熱器受熱面橫向節(jié)距分別為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況下，發(fā)生受熱面的過度粘污。管屏的橫向節(jié)距

電廠600MW超臨界鍋爐的設計方案就防止結渣而言具有以下特點：選取較小的爐膛熱負荷，以滿足NOx排放要求，避免火焰沖刷受熱面，同時降低整個爐膛溫度，以便減小結渣的可能性；選取合理的燃燒器區(qū)域化學反應當量比，滿足N