燃料分析與爐膛設(shè)計技術(shù)規(guī)范

燃料分析與爐膛設(shè)計技術(shù)規(guī)范鍋爐燃料的燃燒特性是鍋爐設(shè)計的基礎(chǔ)，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(xì)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(jié)合東方鍋爐與日立-巴布科克公司的技術(shù)優(yōu)勢，通過對爐膛、燃燒器的優(yōu)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)防止?fàn)t膛的結(jié)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(cè)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(shè)計上具有如下特點(diǎn)：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(jié)構(gòu)螺旋膜式管圈全部采用內(nèi)螺紋管，流速低，阻力小采用日立-巴布科克公司成熟、先進(jìn)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(fēng)口較小的爐膛出口左右兩側(cè)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(shè)計時，最重要的考慮項(xiàng)目是鍋爐燃料的燃燒特性。由于燃燒室（爐膛）尺寸、燃燒設(shè)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(guān)。為了能夠設(shè)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(jié)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(rèn)真分析和認(rèn)識本工程所燃用煤種的特性是設(shè)計的基礎(chǔ)。1.1結(jié)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(jié)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(jié)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(yàn)制定和許多經(jīng)驗(yàn)證實(shí)的結(jié)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(shè)計煤種和校核煤種結(jié)渣和粘污特性的分析計算結(jié)果。表中的煤灰類型按下述方法進(jìn)行分類：煙煤型灰份：Fe2O3＞CaO+MgO；褐煤型灰份：Fe2O3＜CaO+MgO。表1結(jié)渣特性判別指數(shù)：結(jié)渣分類結(jié)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(yán)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(yán)重>1.06<Na2O3<Na2O表3設(shè)計煤種和校核煤種結(jié)渣和粘污特性的分析計算結(jié)果：項(xiàng)目單位設(shè)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(jié)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(yīng)用具有很高的可信度的由普華燃煤技術(shù)開發(fā)中心、西安熱工研究院等單位在對國內(nèi)幾十臺大型電站鍋爐進(jìn)行調(diào)研和分析及一系列試驗(yàn)基礎(chǔ)上，總結(jié)的一套依據(jù)燃煤的性能指數(shù)判別方法進(jìn)行判斷，對煤灰磨損特性進(jìn)行分析計算：磨損指數(shù)計算公式：Hm=(SiO2+0.8Fe2O3+1.35Al2O3)×Aar/100設(shè)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(zhǔn)則磨損指數(shù)HM判別準(zhǔn)則<10輕微10<Hm<20中等>20嚴(yán)重應(yīng)用上述的判別準(zhǔn)則，可以看出，本工程所燃用的設(shè)計煤種和校核煤種其灰份均具有較嚴(yán)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(shè)計經(jīng)驗(yàn)（如下圖所示），煙氣速度控制在11～15m/s范圍內(nèi)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(shè)計煤種和校核煤種均具有中等結(jié)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(yán)重。根據(jù)以上分析，在爐膛設(shè)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(kuò)大對煤種變化和煤質(zhì)變差趨勢的適應(yīng)能力、負(fù)荷調(diào)節(jié)能力、爐內(nèi)結(jié)渣和水冷壁高溫腐蝕、低NOX排放、低負(fù)荷穩(wěn)燃等方面，也將采取切實(shí)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(shè)計特點(diǎn)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(zhì)的著火特性、結(jié)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(chǎn)生量，選定與燃燒器、容量、配置和其它各項(xiàng)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(fù)荷，爐膛斷面熱負(fù)荷，燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷等)以及爐膛布置將根據(jù)上述煤和灰的特性進(jìn)行設(shè)計和選取的，當(dāng)在所有工況下燃用特定的設(shè)計和校核煤種的時候，爐膛的設(shè)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(shè)計能保證燃燒完全，并且在爐膛內(nèi)不發(fā)生不可控制的結(jié)渣。當(dāng)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(diǎn)上，爐膛出口煙氣溫度的偏差不大于50°C。另一方面在設(shè)計負(fù)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(yīng)負(fù)荷的高速變化、啟動和停止等要求，以達(dá)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(fù)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(jīng)驗(yàn)，決定采用爐膛容積熱負(fù)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(shè)計經(jīng)驗(yàn)，燃煤鍋爐的爐膛截面大小要依據(jù)所燃用煤的結(jié)渣性來選定。下圖表示的是BHK關(guān)于煤的結(jié)渣性和爐膛截面熱負(fù)荷之間的關(guān)系曲線圖。電廠600MW超臨界工程計劃燃用煤（包括設(shè)計煤種和校核煤種）都屬于中等結(jié)渣性煤種。再考慮到燃料將可能發(fā)生變化，故在設(shè)計時，決定選取爐膛截面熱負(fù)荷為5.1MW/m2，以滿足燃用劣質(zhì)煤機(jī)組的要求。由圖可見，在燃用設(shè)計和校核那樣的中等結(jié)渣的煤種的時候，我們?yōu)殡姀S600MW超臨界鍋爐設(shè)計的爐膛可以保證不會發(fā)生不可控制的結(jié)渣。2.3電廠600MW超臨界鍋爐爐膛參數(shù)根據(jù)上述按BHK設(shè)計經(jīng)驗(yàn)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(biāo)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(fù)荷51MW/m2爐膛容積熱負(fù)荷91KW/m3燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)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(fù)荷對比表爐膛斷面熱負(fù)荷對比表爐膛燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)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(fù)荷、斷面熱負(fù)荷以及燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)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(qiáng)的適應(yīng)性，對防止?fàn)t膛結(jié)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(shè)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(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)低NOX燃燒，減少飛灰中未燃盡碳的損失，達(dá)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(shè)計中采用爐膛優(yōu)化設(shè)計和新型高效低NOX的燃燒器是實(shí)現(xiàn)上述要求所必需的條件。除了爐膛設(shè)計選取合適的容積熱負(fù)荷、爐膛截面熱負(fù)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(nèi)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(chǎn)物集中過量，將加快產(chǎn)物中氮氧化物（NOX）的分解。具體來說經(jīng)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(jìn)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(yīng)用分級燃燒降低爐膛NOX生成的概念，將部分二次風(fēng)（AAP）在離開燃燒器上方適當(dāng)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(jié)合的雙流式二次風(fēng)口，促進(jìn)了空氣和可燃物粒子的混合。這種組合的煤粉燃燒技術(shù)不僅使?fàn)t膛NOX排放達(dá)到很低的水平，還使飛灰中未燃盡碳減少，達(dá)到高效燃燒。下圖分別為BHK在電廠600MW超臨界鍋爐設(shè)計中降低NOx排放和完全燃燒的設(shè)計指導(dǎo)思想以及鍋爐燃燒效率和爐內(nèi)煤粉滯留時間曲線。降低NOx排放的詳細(xì)措施詳見“專題說明3燃燒設(shè)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(xì)度：200P:>85%；100P:>97%電廠600MW超臨界鍋爐防止?fàn)t膛出口煙溫偏差的設(shè)計特點(diǎn)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(cè)有均衡的燃燒性能，使?fàn)t膛出口左右兩側(cè)煙溫偏差達(dá)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(cè)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(nèi)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?fàn)t膛內(nèi)水冷壁產(chǎn)生結(jié)渣現(xiàn)象基礎(chǔ)上，我們可以確保爐膛出口左右兩側(cè)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(zhì)溫度煙氣溫度.Flow電廠600MW超臨界鍋爐防止鍋爐結(jié)渣的設(shè)計特點(diǎn)顯然，除了了解燃煤的結(jié)渣特性以外，控制結(jié)渣還需了解燃燒器、爐膛和輻射過熱器出現(xiàn)結(jié)渣問題（不能吹灰排除）的設(shè)計特點(diǎn)。此外，爐膛熱負(fù)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(shí)現(xiàn)控制燃燒。本工程燃用的煤種并不具有十分嚴(yán)重的結(jié)焦趨向，但是在設(shè)計方案中還是采用了上述的所有的防止結(jié)渣的措施，以最大限度地減少結(jié)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(shè)計得較大，爐膛的熱負(fù)荷較低，這些都對防止結(jié)渣十分有利。爐膛的設(shè)計能保證燃燒完全，并且在爐膛內(nèi)不發(fā)生不可控制的結(jié)渣。當(dāng)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(diǎn)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(shè)計值為1371.6mm(54英寸)以防止掛焦產(chǎn)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(shè)計方案就防止結(jié)渣而言具有以下特點(diǎn)：選取較小的爐膛熱負(fù)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(jié)渣的可能性；選取合理的燃燒器區(qū)域化學(xué)反應(yīng)當(dāng)量比，滿足N