2 080 t/h煤粉炉燃烧不稳原因分析及对策

蔡新春，王 兴，高 佳

（1.格盟国际能源有限公司，山西 太原 030002；2.山西大学，山西 太原 030013；3.山西大唐国际运城发电责任有限公司，山西 运城 044602）

2 080 t/h煤粉炉燃烧不稳原因分析及对策

蔡新春1，王 兴2，高 佳3

（1.格盟国际能源有限公司，山西 太原 030002；2.山西大学，山西 太原 030013；3.山西大唐国际运城发电责任有限公司，山西 运城 044602）

指出煤粉气流的着火和稳定燃烧是影响锅炉燃烧稳定性的最主要因素，对锅炉运行的安全性和经济性具有重要影响。结合某锅炉的具体情况，对燃烧不稳定的原因进行了分析，并提出了可行的调整措施。

锅炉；稳定燃烧；着火热

0 引言

锅炉的稳定燃烧对锅炉机组运行的安全性、可靠性和经济性至关重要。然而随着电力工业的发展，越来越多的大机组开始承担电网调峰的任务，而机组在低负荷下运行时，由于炉内温度偏低，往往容易造成锅炉燃烧不稳定。另外，虽然我国煤炭资源相对丰富，但煤炭品种繁多，加之我国的能源政策鼓励动力用煤燃用劣质燃料，使得这一问题更加突出。

1 设备概述

山西某火力发电厂安装2台哈尔滨锅炉有限责任公司引进美国ABB-CE燃烧工程公司技术设计制造的亚临界、一次中间再热、单炉膛、正压直吹、四角切圆、平衡通风、干排渣、型半露天布置、全钢构架、悬吊结构、控制循环汽包锅炉，型号为：HG-2080/17.5-YM9。锅炉采用冷一次风，正压直吹式制粉系统，每台机组配置6台ZGM113G型中速磨煤机。

锅炉投运以来，1号锅炉存在燃烧稳定性差、热经济效率低、可靠性低、运行方式不合理等一系列问题。本文对影响燃烧稳定性的原因做了必要分析，并结合本实验锅炉特征，提出一些改善锅炉燃烧稳定性的调整措施。

2 影响锅炉稳燃的原因分析

锅炉燃烧稳定性既反映了锅炉着火的难易程度，又体现了着火后的燃烧状况。理想的燃烧状况应该是燃料迅速地着火、快速地火焰传播、强烈的燃烧强度和充分地燃烬。而着火阶段是整个燃烧阶段的关键，是保证稳定燃烧的前提。在锅炉的燃烧过程中，一般希望煤粉气流在离开燃烧器喷口不远处就能够稳定地着火。如果着火过早，可能会使得燃烧器喷口过热烧坏、燃烧器喷口结渣；而着火太迟，又会推迟整个燃烧过程，造成煤粉在炉内燃烧时间缩短而烧不尽，还会造成炉内燃烧不稳定，甚至锅炉熄火的发生，因此煤粉气流稳定的着火燃烧直接影响锅炉运行的经济性和安全性。而煤粉气流的着火过程又决定于煤粉气流的着火热和着火温度，着火热越小、着火温度越低，煤粉气流越容易着火和稳定燃烧。煤粉气流的着火热[1]可通过式（1）来计算，由式（1）可见，煤粉气流的着火热随燃料性质和运行工况的变化而变化。

式中：V1——一次风量，Nm3/kg；

ck——空气的比热容，kJ/（Nm3·℃）；

cgr——干燥基的比热容，kJ/（kg·℃）；

cq——水蒸气的比热容，kJ/（kg·℃）；

Mar——原煤水分，%；

ΔM——原煤在制粉系统中蒸发的水分，kJ/ kg；

t1——一次风煤粉混合物的初温，℃；

tzh——着火温度，℃。

在实际运行过程中影响锅炉稳定燃烧的因素有很多，影响炉内的燃烧状况的因素也比较复杂。这些因素大致包括：设计因素、煤质特性和运行工况等。设计因素又包括燃烧方式的选择是否采用卫燃带稳燃技术、是否采用新型燃烧器等。本文仅对影响本实验锅炉稳定燃烧的煤质特性和运行工况做具体分析。

2.1 煤质的影响

燃料特性中对着火影响比较明显的因素有：挥发分、燃料水分、灰分和煤粉细度等。

燃料特性中对着火特性影响最为显著的是煤的挥发分Vdaf含量。挥发分是煤在热解过程中释放出的一种可燃气体，着火温度较低，容易着火。因此煤种的挥发分含量越高，煤粉气流越容易着火和燃尽，相反挥发分Vdaf降低时，由公式（1） 可见，煤粉气流的着火温度显著提高。因此，对于已投运的锅炉当燃用煤种挥发分比设计煤种偏低时，煤粉气流必须加热到更高的温度才能着火，使得煤粉气流着火推迟，从而造成燃烧中心上移，燃烧区炉温降低而引起着火不稳定，降低锅炉的燃烧效率。因此，煤质挥发分Vdaf含量是对燃烧稳定性判断的重要依据，通常可按照煤质挥发分Vdaf做如下判别[2]：Vdaf＜9%为极难稳定区；Vdaf=9%～19%为难稳定区；Vdaf=19%～27%为中等稳定区；Vdaf=27%～40%为易稳定区；Vdaf＞40%为褐煤区。

由式（1）可以看出，原煤的水分越高，煤粉气流的着火热越大，相应的着火温度越高。同时水分在炉内蒸发成蒸汽的加热、蒸发和过热过程都要吸收热量，致使炉内温度水平降低，这对煤粉气流的稳定着火和燃烬也是不利的。特别是在燃用劣质的高灰分煤种时，由于燃料热值较低，同等负荷下劣质燃料的消耗量较大，大量的灰分在燃烧过程中会吸收炉内的热量，降低炉内的温度水平，影响煤粉气流着火的稳定性。另外，灰分在燃烧过程中还会包覆在未燃烬的碳粒表面，降低了煤粉的燃烬程度，大量的灰随着炉渣排出炉外，增加了相应的排渣物理热损失，都使得锅炉热损失增加，降低了锅炉热效率。因此，原煤中的水分和灰分，不仅不利于煤粉燃烧的稳定性，还会降低锅炉的热经济性。

煤粉细度表示煤粉的粗细程度，煤粉越细煤粉气流的着火温度越低。因为煤粉的粒径越小，煤炭颗粒的反应表面积越大，这有利于减小煤炭颗粒的导热热阻，有利于煤粉吸收周围高温烟气热量，而尽快达到相应的着火温度。在煤粉气流的燃烧过程中，总是较细的煤粉先着火，进而加热、引燃相对较粗的煤粉。而较粗的煤粉增加了煤粉气流燃烧的不稳定性，增加了机械不完全燃烧热损失。

2.2 运行工况

2.2.1 锅炉负荷

运行工况中燃烧温度对煤粉气流的稳定燃烧至关重要，炉内平均温度越高，煤粉气流着火的稳定性越好。而炉内的温度水平又决定于锅炉负荷，高负荷对应的燃烧温度较高，当锅炉负荷降低时，送入炉内的燃料消耗量相应减少，水冷壁的吸热量虽然也减少一些，但减少的比例相对较小，相对于单位质量燃料的放热量来说，水冷壁的吸热量反而增加了，致使炉膛平均烟温降低，燃烧器区域的燃烧温度也有所降低，因而锅炉在低负荷运行时，对煤粉气流的着火和稳定燃烧是不利的[3]。因此锅炉负荷降低到一定程度时，将严重影响着火的稳定性，甚至引起锅炉的熄火。煤粉炉低负荷运行燃烧稳定性差的原因，从本质上分析是因为随着负荷下降，炉内燃料的放热量和炉膛水冷壁吸热量比例失调，造成炉内烟气平均温度较低所引起的，特别在燃烧器的停运方式不合理或者一次风率偏大时，燃烧过程受到稍大一点的扰动，就可能引起锅炉火焰熄火，严重影响锅炉运行的可靠性。

2.2.2 一次风量

一次风量越大，煤粉气流所需着火热越多，将使着火推迟，影响煤粉的稳燃和燃烬程度；但一次风量太小，在燃烧初期挥发分和细粉的燃烧得不到足够的助燃氧气，也会限制燃烧过程的发展，对煤粉气流的稳定燃烧也不利。因此，对于不同的煤种、不同的燃烧方式一次风量都有相应的最佳值。

2.2.3 煤粉气流的初温

提高煤粉气流的初温，可减少煤粉气流着火所需的着火热，从而加快了着火，有利于煤粉的稳定燃烧。在实践中为了改善煤粉的着火条件，通常的做法是用预热后的高温空气作为一次风来输送煤粉，特别是在燃用挥发分较低的劣质燃料时常采用提高一次风温度的方法来强化煤粉气流的着火条件。

2.2.4 煤粉浓度

煤粉浓度的改变显著影响着火温度和着火热量。随着煤粉浓度的增加，着火温度首先会显著降低，当着火温度降低到一定程度后不再继续下降，反而会有一定程度的升高。因此，对于某一特定工况下存在某一最佳的煤粉浓度[4]。煤粉浓度较低时，煤粉气流所需着火热量较少，且少于供给的热量，因此，足以迅速将煤粉气流加热至着火的临界状态，煤粉颗粒开始着火。但由于煤粉浓度低，放出的热量少，燃烧不够强烈，无法形成连续的火焰，温度水平较低，影响煤粉气流稳定燃烧。随着煤粉浓度的增加，所需着火热量亦增多，且不断接近供给的热量，燃烧放热逐渐强烈，温度水平不断提高。当增加到某一煤粉浓度时，着火热量恰好等于供给热量，此时放热量最大，温度水平相对最高，着火和燃烧最稳定，这一煤粉浓度即为该状态下的最佳煤粉浓度，如果煤粉浓度高于此值，则所需着火热大于着火区域所能提供的热量，煤粉气流着火推迟，温度水平下降，不利于煤粉气流的稳定燃烧。最佳煤粉浓度随煤质和运行工况的不同而不同，而煤质对最佳煤粉浓度的影响又最为重要，特别是对于低挥发分的贫煤和无烟煤其最佳煤粉浓度要高于常规的煤粉浓度。

3 调整措施及建议

3.1 煤质的调整

由上文的分析中不难看出，煤质条件对煤粉气流的着火和稳燃具有重要影响，因此在电厂燃煤采购中要尽量采用与设计煤种相近的煤质，但煤质的变化较难控制，特别是煤源紧张时，供煤中的各种成分不太稳定，经常发生波动。本实验锅炉设计煤种与实际燃用煤种的对比见表1。

表1 设计煤种与实际燃用煤种煤质成分%

设计煤种属于典型的烟煤，并且依据上文对燃烧的判别，该煤质属易稳定区，煤粉气流的稳燃性能较好，而由表1的对比可以看出，实际燃用煤种属于普通烟煤甚至是劣质烟煤，其燃烧处于中等稳燃区，燃烧稳定性较差。

由表1可以看出，实际燃用煤种的水分比设计煤种略小，对煤粉气流的着火热影响不大，属于有利的因素。而灰分比设计煤种高，挥发分比设计煤种低，这两点对煤粉气流稳定着火和燃烧是非常不利的，特别是实际燃用煤种的挥发分比设计值小得多，而挥发分对煤粉的着火和稳燃的影响又最为显著。因此，在改烧实际燃用煤种时，如果不做合理的调整势必会造成燃烧不稳定和燃不烬的问题。在实际运行中应通过对运行工况的调整来抵消其不利影响。

3.2 降低一次风率和增加煤粉浓度

目前燃用煤种的稳燃性能较差，因此对运行工况的调整应遵照降低煤粉气流着火热这一思路。由上文分析中可知，降低一次风量，采用合理煤粉浓度可有效降低煤粉气流的着火热和着火温度。通过调研了解到，制粉系统在运行中存在给煤不畅的问题，运行人员为了提高运行的可靠性往往多投一套制粉系统，造成的后果是一次风率远远高于设计值。尤其是在锅炉低负荷运行时，制粉系统出力随之降低，而为了保证输粉对风速的要求，一次风量不可按比例降低，使得一次风率远远大于设计值，造成燃烧的稳定性下降，灭火的可能性增大等问题。燃用优质烟煤一次风率可提高到40%，从目前实际煤质来看，煤质基本上属于普通烟煤或者劣质烟煤，因此一次风率应该取下限25%左右，而据目前运行情况来看，大部分运行时间一次风率在29%以上，在低负荷时甚至更高。为此，提出了降低制粉系统运行台套数这一调整方案，根据锅炉负荷和制粉系统承担出力的不同，原则上运行中要尽量减少磨煤机运行的台数。并且根据实际运行情况制定出如下规程：当机组负荷超过500MW时，如果总煤量不超过320 t/h时，应保持5台磨煤机运行；当断煤发生时，应优先加大其他磨煤机的出力，难以维持时可以再启动1台磨煤机运行。负荷低于500MW采用4台磨煤机运行。当采用这一方案运行，机组负荷500MW时，一次风率由原来6台磨运行的29.1%降低到5台磨运行的24.1%左右，改善了煤粉气流的着火和稳燃特性。

降低一次风率的同时还起到了提高煤粉浓度的效果。锅炉原设计煤种挥发分较高，因此对应的最佳煤粉浓度低，而目前燃用煤质挥发分较低，所对应的最佳煤粉浓度较高，因此提高煤粉的浓度也可改善煤粉气流的稳燃条件。

3.3 提高磨煤机出口温度

磨煤机出口温度控制范围应根据锅炉运行的经济安全情况综合而定，此范围不宜过高也不宜过低，过低会增加煤粉气流的着火热、降低磨煤出力、增大磨煤电耗，经济性差；过高则会增加制粉系统及管道自燃和着火爆炸的可能性，还会造成磨辊轴承超温，安全性差。在保证安全运行的原则下，一般规程对烟煤的磨煤机出口温度推荐值为70～80℃，本文综合考虑煤质及设备的具体情况后，将磨煤机入口温度从200℃提高到260℃，磨煤机的出口温度从80℃提高到85℃，部分工况甚至达到90℃。这不仅改善了煤粉气流着火的稳定性，而且由于磨煤机内的平均温度升高，原煤的破损特性增强，因而磨煤机的制粉能耗降低。试验发现调整后在磨煤机出力为60 t/h时，磨煤电流比调整前约降低5 A，提高了制粉系统运行的经济性。

提高磨煤机出口温度的另一个作用就是降低了磨煤机冷风的使用量。磨煤机出口温度主要受进入磨煤机冷风和热风比例影响，要提高磨煤机的出口温度，就要加大进入磨煤机热风的比例，减少冷风的比例。减少进入炉膛的冷风量，不仅可以提高燃烧区的平均温度，还可以降低炉膛火焰中心，对强化和改善燃烧区煤粉气流的着火和稳燃非常有利。

4 结论及建议

煤质特性特别是挥发分的含量对煤粉气流的着火和稳定燃烧具有重要影响，是判断煤粉气流燃烧稳定性的重要依据。

对于燃用烟煤的锅炉，一次风率r1的推荐范围25%～40%偏高，特别是在燃用热值较低的劣质烟煤时，应适当降低到25%以下。

现今规程对燃用烟煤磨煤机出口温度推荐值70～80℃偏于保守，当燃用劣质烟煤时，可以适当提高到90℃左右。

［1］ 叶江明.电厂锅炉原理及设备［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］ 姚文达，姜凡.火电厂锅炉运行及事故处理［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［3］ 闫顺林，王冬生，李永华，等.锅炉燃烧稳定性影响因素分析［J］.电站系统工程，2005，25（1）：29-30.

［4］ 阎维平，徐通模，许晋源.煤粉气流着火存在最佳煤粉浓度的试验研究［J］.动力工程，1994，14（4）：28-32.

Causal Analysis and Countermeasures for 2 080 t/h Boiler Unstable Combustion

CAIXinchun1，WANG Xing2，GAO Jia3
（1.Gemeng International Energy Co.，Ltd.，Taiyuan，Shanxi 030002，China；2.Shanxi University，Taiyuan，Shanxi 030013，China；3.Shanxi Datang International Yuncheng Power Generation Co.，Ltd.，Yuncheng，Shanxi 044602，China）

The ignition and stable combustion ofpulverized coalair flow are the key factors to the combustion stability ofboiler，for that they determine the security and economy of boiler.This paper analyses the unstable combustion ofa boiler，and gives some feasible adjustmentmeasures.

boiler；stable combustion；ignition heat

TK224.1

B

1671-0320（2015）01-0046-04

2014-12-12，

2015-01-08

蔡新春（1963），男，山西介休人，1985年毕业于太原理工大学电力分院热能工程专业，高级工程师，从事电厂锅炉优化运行与燃烧调整技术的试验研究；

王 兴（1983），男，山西大同人，2011年毕业于太原理工大学热能工程专业，硕士,讲师，从事火电厂安全、经济运行的教学和研究；

高 佳（1986），男，山西运城人，2008年毕业于太原理工大学热能与动力工程专业，助理工程师，从事火电厂机组的安全、经济运行工作。