低挥发分煤锅炉燃烧设备

收稿日期：2010-10-27；修回日期：2010-01-17

：李卫东（1968—），男，山西曲沃人，博士，高级工程师，从事动力工程多相流动与传热研究。E -mail:lwdzj@https://www.360docs.net/doc/331370553.html,

化燃烧和燃尽的技术措施。讨论了低挥发分煤的制粉系统特点，研究了不同挥发分条件下，锅炉选型和制粉系统的匹配问题。在研究国内大量燃用低挥发分煤锅炉的主要设计参数基础上，提出了锅炉的炉膛热力参数推荐值。

1低挥发分煤的特性

按我国煤粉锅炉用煤质量标准，干燥无灰基挥

发分V daf 小于20%者为低挥发分煤，其中小于6.5%者为特低挥发分煤。煤的着火与挥发分有关。随着煤化程度的提高，挥发分质量分数减少，煤发热量中挥发分的发热量比率降低，使煤的着火变得困难；煤化作用的加深使其岩相结构紧密而稳定，孔隙率小，使煤的磨碎性能减弱，反应性降低，燃尽变差。因此，低挥发分煤的特点是着火与燃尽都比较困难，需较高的着火与燃尽温度，以及较长的燃尽时间。研究表明［1］：无烟煤的着火发生在颗粒上，挥发分是在进一步燃烧过程中析出的，挥发分对着火的影响不大。为

着火煤。在我国诸多的低挥发分煤中，最难燃烧的是福建加福无烟煤和河北万年无烟煤，V daf 均为4％左右，IT 分别为970℃和1100℃，极难着火；燃尽指数R J 分别为2.94和2.32，极难燃尽。加福无烟煤同时又为低灰熔融温度的中等易结渣煤。韶关地区的曲仁无烟煤V daf 为6%～10%，w （A ar ）高达40%以上，发热量Q net ，ar 低到11MJ/kg ，也是极难烧的煤。对同种煤掺烧，混煤的着火和燃尽性能与单煤种判别方法差别不大。除加福和芙蓉无烟煤的灰熔点低，结渣性强以外，一般无烟煤的灰熔融温度均较高，结渣性不强，但混煤的结渣性变化较大。

2

低挥发分煤燃烧的组织

2.1

基本要求

（1）为保证着火与燃烧的稳定性，其首要任务是

必须采取有效的措施确保煤粉气流的及时着火。

（2）需有较高的炉膛火焰温度和足够的煤粉颗粒停留时间，同时在炉膛内必须风粉混合及时而均

李卫东等：低挥发分煤锅炉燃烧设备选型

第4期发电

匀，保证煤粉的充分燃尽。

（3）对一些低灰熔融温度的低挥发分煤，要在保证稳定燃烧的前提下，应同时采取措施防止炉内严重结渣。

（4）对于高硫煤种，应特别注意炉内水冷壁管的高温腐蚀与尾部受热面的低温腐蚀和堵灰问题。

（5）燃用低挥发分煤时，NO x的排放质量浓度较高（800～1300mg/m3，最高达2000mg/m3，w（O2）为6%），应采取低NO x燃烧技术措施。

2.2强化着火与燃尽的措施

（1）提高热风温度与减少一次风量，以提高一次风粉混合物温度的方法减少所需着火热，使其尽快达到着火温度，例如：采用贮仓式热风送粉系统、双进双出钢球磨煤机半直吹式制粉系统，应用一次风热风置换的方式：将淡相的一次风分离出来单独送进炉膛，同时将高温热风送入一次风内，以提高一次风粉混合物的温度。

此外，应适当推迟二次风与一次风气流的混合。过早地混合将影响一次风气流的着火稳定性。如在四角切圆燃烧锅炉的直流燃烧器设计中，燃用低挥发分煤时采用一次风喷口集中布置方式，而不采用一、二次风喷口间隔布置的均等配风方式。

（2）提高一次风粉的煤粉质量浓度，可使一次风粉气流的着火温度降低，所需的着火热减少，使其着火提前。

采用各种煤粉浓缩装置，如在一次风煤粉管道内设置格栅、挡块、导流叶片等；利用一次风粉气流通过弯头时产生的煤粉偏析获得浓淡分离；在一次风置换的燃烧器中，将分离出来的淡相一次风单独进入炉膛燃烧，同时不再把高温热风掺入一次风粉气流内，从而获得适当高煤粉质量浓度的一次风，这样既减少了一次风量，同时又提高了煤粉质量浓度，使其更易于着火，稳燃效果也更好。

（3）降低煤粉细度R90可使单位质量煤粉具有更大的表面积，有利于煤粉的着火燃尽。

提高煤粉均匀性指数n，煤粉中粗颗粒质量分数减少，从而减少固体不完全燃烧热损失。有研究表明煤粉均匀性指数提高0.1，将使锅炉热效率提高约0.2个百分点。与此同时，还可加深炉膛内整体空气分级的深度，减少NO

x

的排放，甚至不造成热效率的降低（通常情况下，加深空气分级的深度，即增加OFA（燃尽风），或增加燃尽风至上排一次风中心的距离时，可能使飞灰可燃物质量分数增加）。

（4）通过炉膛结构与燃烧器的设计布置保证足够高的炉膛温度，延长煤粉在炉内的运动路径及停留时间，加速着火与燃尽。通常采用具有较低容积放热强度和较高的断面放热强度的瘦高型炉膛，提高单只燃烧器的热功率以及设计较高的燃烧器区域壁面放热强度等;必要时在炉膛水冷壁上敷设带销钉的耐火涂料（卫燃带），减少水冷壁的吸热，以提高炉内火焰温度；也常采用燃烧低挥发分煤的特殊炉型和燃烧方式，例如：“U”/“W”型火焰拱式燃烧炉膛锅炉等。

（5）利用燃烧器射流的特性，强化一次风粉气流对炉膛内高温烟气的对流卷吸，加热一次风粉气流，并迅速着火。例如：缩放型一次风喷口、带钝体一次风喷口、旋流一次风喷口、旋流二次风等。

（6）组织合理的炉内空气动力场，促进一、二次风适时而充分地混合。

3适用炉型的特点

3.1四角切向燃烧与墙式切向燃烧

（1）切圆燃烧锅炉中一次风粉流除了自身卷吸高温烟气及吸收高温火焰辐射热以外，还依赖于上邻角火焰的点燃作用而着火燃烧，并由直流射流的特性所决定，其与二次风的早期混合较弱，而由于炉膛内火焰的强烈旋转使其后期的混合十分强烈，有利于组织低挥发分煤的燃烧。

（2）切圆燃烧方式在炉膛内组成一个整体燃烧单元，各角射流之间可较好地混合，某个角多余空气量可供其他角燃烧，相互间有互补作用，故对各燃烧器间的风粉分配均匀性要求较低。

（3）由于炉内混合较好，燃烧强化，飞灰含碳质量分数及NO

x

的排放较低。

（4）墙式切向燃烧因燃烧器轴线垂直于炉墙，有利于风粉气流吸收炉内高温辐射热，射流两侧补气均衡，也有利于高温烟气的回流卷吸，对低挥发分煤的燃烧更加有利。

（5）四角燃烧锅炉再热蒸汽温度调整一般靠燃烧器的摆动，对低挥发分煤锅炉，燃烧器上摆有可能导致火焰中心上移，飞灰可燃物增大；对易结渣性煤种，燃烧器摆动还可能导致受热面结渣。因此，采用烟气挡板进行再热蒸汽的调温较好。

（6）燃烧器在炉膛水平截面上射流方向的设计，对炉内水冷壁的结渣与腐蚀有重要影响。

（7）炉膛上部气流的残余旋转，容易造成水平烟道左右两侧烟气的能量偏差。

3.2墙式对冲燃烧

（1）墙式燃烧方式采用旋流燃烧器，每个燃烧器为一个独立燃烧单元，对每只燃烧器的风粉分配均匀性要求高，要对每一个燃烧器进行调整，燃烧器之间的风粉分配不能在炉内过程中进行互补，对热损

失及NO

x

控制不利。

（2）旋转射流使一次风粉流主要依靠强烈的卷吸高温烟气而着火燃烧，

第44卷

中国电力发电

性的影响，必须控制好一、二次风的混合，过早的混合不利于低挥发分煤的着火与燃尽。

（3）与直流燃烧器切向燃烧相反，旋流燃烧器一、二次风粉流的前期混合较强，且由于旋转射流的衰减比较快，后期混合较弱，在前墙燃烧锅炉中更为突出，对低挥发分煤的燃烧很不利。

（4）锅炉后竖井多为双烟道布置，再热汽温用烟气挡板调节方式。

（5）墙式燃烧锅炉炉膛结渣严重程度与选用的燃烧器及其在炉膛内的布置有关。

（6）墙式燃烧锅炉水平烟道烟气能量偏差较小，但仍可能存在前后墙中心与两侧的能量不平衡问题，当停用部分燃烧器时也可能产生水平烟道较大的烟气能量偏差。

3.3“W ”型火焰双拱燃烧

（1）采用直流缝隙式、套筒式或弱旋流式燃烧器

成排布置在炉膛前后墙的炉拱上，煤粉火焰向下射入炉膛后，少量射流火焰沿前墙后墙回流向上，穿过并加热燃烧器出口射流根部后，进入上炉膛。前后墙射流火焰在中心碰撞后转折向上形成“W ”形火炬。

（2）直吹式制粉系统所带燃烧器除个别外，均有一次风煤粉浓淡分离装置。

（3）特定的“W ”形火炬流动轨迹使煤粉颗粒在高温区停留的时间加长。

（4）下炉膛水冷壁均敷设较大面积的卫燃带，以强化煤粉气流的着火与燃烧。

（5）双拱燃烧是大容量锅炉燃烧难于着火煤种（无烟煤、低挥发分贫煤）常采用的一种燃烧方式。

（6）低负荷稳燃性能优于切向与墙式燃烧，但结构复杂，投资成本高。

4制粉系统的选型

（1）除燃用较高挥发分（V daf ＞16%）的贫煤可考

虑采用中速磨煤机外，均采用钢球磨煤机、双进双出钢球磨煤机为宜。中速磨煤机的磨煤电耗低，系统简单，但煤种适应性差，不宜磨制哈氏可磨系数HGI 小于等于40或冲刷磨损指数K e 大于等于5.0的煤。钢球磨煤机具有煤种适应性强、对原煤中矸石等杂物的敏感性小、维修工作量少的优点，其缺点是磨煤电耗高。

（2）双进双出钢球磨煤机两端可同时进煤和出粉，也可单侧给煤，两侧出粉，给出口部分的管道布置带来方便；同时因为用于直吹式系统，磨煤机的出力和煤粉细度随负荷而变，低负荷时煤粉细度细，高负荷时粗。

（3）优先采用钢球磨煤机贮仓式热风送粉系统级）或双进双出钢球磨煤机半直吹式制粉

系统，后者既有热风送粉的优点又能简化系统便于布置（特别是600MW 级）。

（4）无论中速磨还是钢球磨，应尽可能采用动静式煤粉分离器。不仅煤粉细度调节方便，还可提高煤粉均匀性指数n （径向/轴向挡板分离器n 为0.8～

1.1；单旋转叶轮分离器n 为1.1～1.3；动静式旋转分

离器n 为1.3～1.5）。

5不同燃烧设备的运行业绩

不同燃烧方式的部分锅炉主要设计参数如表

1、2所示。

（1）到目前为止，我国电厂锅炉中几乎包括了所有各种低挥发分煤的燃烧方式，其中特别是：a.自意大利引进的320MW 机组燃用阳泉无烟煤、采用双进双出钢球磨煤机半直吹式制粉系统的切圆燃烧锅炉，于1991年5月在大港电厂投产，体现了半直吹制粉系统对低挥发分煤燃烧良好的适用性；b.邯峰电厂660MW 机组“W ”型火焰锅炉中选用双进双出钢球磨煤机直吹式制粉系统，并在每端设置2套相应的原煤仓和给煤机，以便很好地混烧贫煤和无烟煤，其运行良好，在国内尚属首次；c.自德国Babcock 公司引进的660MW 机组燃用低挥发分贫煤、采用双进双出钢球磨煤机直吹式制粉系统的墙式燃烧锅炉于2002年6月在德州电厂投产，虽因炉膛水冷壁敷设的卫燃带过多而引起十分严重的结渣，不得不先后3次打掉大部分卫燃带，但仍显示了其对低挥发分煤燃烧的良好性能。

华能南京电厂300MW 机组的墙式燃烧锅炉，

采用钢球磨煤机贮仓热风送粉系统，可在50%BMCR 负荷下稳定燃烧V daf 为12%的阳泉煤，额定负荷时的效率η为91%；马鞍山电厂300MW 机组切圆燃烧锅炉也可较好地燃用V daf 为11.6%～12.5%的低挥发分贫煤，额定负荷时的热效率已达到设计值η为

91.3%，最低不投油稳燃负荷达60%～65%BMCR ；燃

用低挥发分贫煤和无烟煤、采用贮仓热风送粉切圆燃烧的国产300MW 机组锅炉4台，于2003年4月至2004年9月在纳雍一电厂全部投产，且运行良好，与纳雍二电厂的“W ”型火焰锅炉相比，其运行性能还要好一些。

（2）采用直流燃烧器四角布置的切圆燃烧锅炉与采用旋流燃烧器前墙或前后墙对冲燃烧锅炉是应用最早最普遍的电厂锅炉。由于切圆燃烧方式的特点有利于低挥发分燃烧，故在较早时期，低挥发分煤的燃烧大多采用四角切圆燃烧锅炉，随着燃烧技术的进步，现在也采用墙式对冲燃烧锅炉，例如，沁北电厂600MW 机组墙式燃烧锅炉，1、2号炉采用中速磨煤机直吹式制粉系统，3、4号炉及上安电厂5、6

李卫东等：低挥发分煤锅炉燃烧设备选型

第4期

发电

表1部分切圆/墙式对冲燃烧锅炉主要设计数据

T a b .1

D e s i g n d a t a o f t a n g e n t i a l f i r i n g a n d w a l l f i r i n g b o i l e r s

表2部分双拱燃烧锅炉主要设计数据

T a b .D e s i g n d a t a o f d o u b l e a r c h f i r i n g b o i l e r s

第44卷

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Selection of combustion apparatus for low volatile coal fired power boiler

LI Wei -dong 1,ZHOU Hong -guang 2,XU Dang -qi 2,ZHANG Jing -wu 3,XU Chuan -kai 2

（1.Huaneng Power International,Inc.,Beijing 100031，China ；2.Xi ’an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xi ’an 710032,China ；

3.Northeast Power Science Institute ，Shenyang 110006,China

）Abstract ：The difficulty of ignition and burn -out of low volatile coal are priority topics for design and selection of combustion apparatus.The characteristics of ignition and burn -out of low volatile coal was analyzed.The technical measures of ignition and burn -out were discussed.The adaptability of internal tangential firing,wall firing and double -arch firing boilers to low volatile coal were researched.The statistical analysis of main design parameters of internal tangential firing,wall firing and double arch firing boilers with low volatile coal were carried out.The recommended thermodynamic characteristic parameters of furnaces were presented.The suitable combustion system and boiler types with different low volatile coal were recommended to solve the problem of matching of boiler types and combustion.：low volatile coal;combustion apparatus;selection

。采用双进双出钢球磨煤机时制粉电耗很高，厂用电率大增。

在这种锅炉炉膛的设计选型时，根据低挥发分煤的燃烧特性，宜选取较低的炉膛容积放热强度，较高的炉膛断面放热强度和燃烧器区域壁面放热强度，也就是设计相对瘦高的炉膛，使一次风粉流有良好的着火条件，其在高温区有较多的停留时间，煤粉颗粒在炉膛出口以前有较长的燃尽时间。曾有某电厂燃烧贫煤的600MW 机组锅炉炉膛选用了与燃用结渣性烟煤锅炉相近的热力参数，造成实际运行性能很差。

韩城二电厂1、2号锅炉采用中速磨煤机直吹式切圆燃烧方式，显示了对贫煤煤质变化的较好适应性。

（3）对“W ”型火焰拱式燃烧锅炉，可通过以下三方面的变化来满足不同煤种的着火与燃尽特性要求：a.上炉膛与下炉膛容积之比；b.敷设卫燃带的数量和位置；c.拱上风与下炉膛壁上风的相对比率、速度和位置。这些变化都会影响燃烧，近年来国内的实践经验证明炉膛内总的流动模型产生的变化十分重要，特别是前后墙上三次风的风量、风速及方向对其有重大影响。

此外，运行经济性稍差，侧墙及下炉膛出口处常易结渣，部分锅炉下炉膛水冷壁存在高温腐蚀，

NO x 的排放质量浓度比较高（少部分近年投运的

机组已有很大改善），最高达2000mg/m 3（w （O 2）为

6%）。设计中应适当增加外侧燃烧器与侧墙距离，注

，：

R 90=0.5nV daf 。

（4）根据调查研究及上述分析，低挥发分煤锅炉炉膛的热力特性参数推荐如表3所示。

6结语

（1）当V daf 大于15%时宜采用中速磨煤机直吹式

制粉系统的常规燃烧（切圆或墙式燃烧）方式锅炉；

V daf 在10%～15%时即可考虑采用钢球磨煤机贮仓热

风送粉（300MW 级）、双进双出钢球磨煤机直吹或半直吹制粉系统的常规燃烧方式锅炉；V daf 小于

10%时采用钢球磨煤机中间贮仓热风送粉（300MW

级）、双进双出钢球磨煤机直吹或半直吹制粉系统的“W ”型火焰双拱燃烧锅炉。

（2）对难着火燃烧的低挥发分煤采用常规燃烧方式时，必要时可局部敷设卫燃带，但必须注意敷设方法与面积。

（3）对各类锅炉炉膛热力特性参数文中给出了推荐值。

参考文献：

［1］姚斌.大型低挥发分煤锅炉燃烧运行问题的研究［M ］.武汉:华中

理工大学出版社,2005.

（责任编辑孙家振）

表3

低挥发分煤锅炉炉膛热力特性参数的推荐范围（BMCR ）

Tab.3Recommended range of furnaces thermodynamic characteristic parameters for

low volatile coal fired power boilers （BMCR ）