W型火焰燃煤锅炉基于CO监测的燃烧优化调整

W型火焰燃煤锅炉基于 CO监测的燃烧优化调整

温宇馨 晁晓波 王大志

贵州大方发电有限公司 贵州 大方 551600

摘要：W型火焰燃煤锅炉是一种针对无烟煤着火难、稳燃难和燃烬难的特性而设计的燃煤锅炉，虽具有良好的低负荷稳燃性能，但在实际运行中，因实际煤种和设计煤种存在较大偏差，原有氧量监测无法实现燃烧的精准调节，使得现役W型火焰燃煤锅炉普遍存在燃烧不稳定、灰渣可燃物含量偏高、炉内结渣、火焰偏烧、NOx排放过高等问题。本文提出了一种基于利用烟气中的一氧化碳成分含量进行燃烧优化的技术。依据烟气中的一氧化碳成分含量进行的燃烧调整的实例和研究，解决了一些如火焰中心偏斜和高过、高再管壁温度超温的问题，保证了锅炉燃烧的可靠性和提高了经济性。

关键词：W型火焰燃煤锅炉，CO监测，燃烧优化

0. 前言

W型火焰燃煤锅炉是一款主要用于燃烧低反应能力的无烟煤的产品，因火焰行程较长，炉内布满度好，延长了煤粉在炉内的停留时间，合适无烟煤燃烧速度较慢的特点，有益于煤粉的燃尽。但该类型锅炉对煤种和配风要求极高，如若运行煤种与设计煤种偏差较大，配风不当，空气和煤粉的后期混合较差，极易出现炉膛火焰中心偏斜、结焦结渣、高温腐蚀、炉膛出口和空预器出口烟温偏差大和过热器及再热器管壁超温等影响机组运行的问题^[1]-[3]。

0. CO监测与氧量监测

1.1 高温腐蚀和结渣

大于1%的高C0成份，是产生高温腐蚀的必要条件。会在热水锅炉水冷壁附近形成还原性气氛和含量很高的H₂S气体，造成水冷壁腐蚀。同时灰分在还原性气体中熔融温度将大幅度降低，容易引起炉内结渣。炉膛内煤粉燃烬一般仅2-3s，燃烧非常迅速，通常仅生成小于0.1%的C0，但是在炉膛的局部区域，当烟气的过剩氧量低于0.5%时，就会产生大量的一氧化碳。大于1%的C0成份表征了炉膛局部区域的还原性气氛。

氧量仅能提供过量空气系数，无法直观表征炉内空气和煤粉混合状况的好坏以及炉膛内还原性气氛，有效控制烟气中CO含量120PPm以下，是防止高温腐蚀和减少炉内结渣的重要检测指标。^[7]

1.2 锅炉燃烧稳定性

煤粉射流主要是通过卷吸炉内高温烟气使自身温度达到着火温度后开始燃烧反应，运行中如若氧量过高，煤粉气流的辐射换热还是卷吸对流换热都将减弱，煤粉气流着火条件恶化，燃烧稳定性下降。对于燃烧状况，可依据CO浓度和火焰温度的正比关系，通过检测贴壁的烟气成份来判断局部火焰中心的偏斜和燃烧稳定性。^[8]-[9]

1.3 锅炉运行经济性

合理的风煤比是锅炉运行经济性的重要措施。在一定范围内，运行氧量增加，可以改善燃料与空气的接触和混合，有利于完全燃烧，使不完全燃烧热损失降低。^[10]-[12]但氧量增加，会使锅炉的烟气量增加，增大排烟热损失和风机电耗。煤粉锅炉烟气的CO浓度，随着风量下降而上升。当风量下降至某一临界值时，CO会急剧上升。合理的运行氧量应使各项热损失之和为最小，锅炉热效率最高。氧量的控制应在CO含量骤然升高的拐点右侧，即锅炉热损失最小的区域。燃烧中监测CO的缺点是在大风量下CO浓度很低且CO浓度变化非常平稳和缓慢，使得不容易监测。另外，漏风对于氧量和CO测量的影响，CO含量受到的影响比氧量要小得多。

2. 基于CO监测的燃烧优化调整

2.1 设备概况

由于锅炉燃烧受到煤种、负荷等众多因素影响，仅靠对炉膛出口氧量的监测，无法准确反映炉内各区域燃烧状况的好坏，而通过测量CO浓度则可显示出煤粉不完全燃烧程度，且不受煤种、负荷等因素的影响。

贵州大方发电有限公司（以下简称大方电厂）4×300MW机组锅炉是东方锅炉厂引进美国福斯特·惠勒能源公司“W”型火焰锅炉技术设计制造的亚临界压力中间一次再热自然循环汽包炉。缺氧燃烧现象严重，炉膛结焦严重的问题。为有效解决燃料的不完全燃烧，采取在现有的烟气测量装置增加CO测量模块对炉膛出口烟气中的CO含量进行实时监视，实现对锅炉燃烧情况进行监视分析，指导锅炉进行优化燃烧调整。

2.2 300MW工况测试

在机组负荷300MW工况下测试，一次风压大约7.8kPa，送风总量大约680t/h，瞬时煤量大约150t/h。锅炉的燃烧系统配风状态为A/B挡板开度30%、D/E挡板开度10%/15%、F风下倾45°，消旋叶片位于就地燃烧器零位、乏气挡板就地开度50%。在上述运行状态测试空预器进口处沿炉宽方向氧量分布，并观察燃烧情况和结焦情况。

试验过程中，燃烧稳定，未发现严重结焦情况，从测试结果可以看出，沿炉宽方向氧量分布为中间相较两边偏小，但中部不存在严重缺风，并且炉左氧量较炉右偏大。结合以上工况测试数据分析可得，在300MW负荷时，当中部燃烧器风箱风门挡板开度设置为80%、两侧燃烧器风箱风门挡板开度设置为80%、边角燃烧器风箱风门挡板开度设置为40%时，锅炉沿炉宽方面氧量分布相对均匀，且烟气CO含量偏差不大，燃烧相对充分。

2.3 270MW工况测试

在机组负荷270MW测试工况下，一次风压大约7.6kPa，送风总量大约610t/h，瞬时煤量大约140t/h。锅炉的燃烧系统配风状态为A/B挡板开度30%、D/E挡板10%/15%、F风下倾45°，消旋叶片位于就地燃烧器零位、乏气挡板就地开度50%。在上述运行状态测试空预器进口处沿炉宽方向氧量分布，并观察燃烧情况和结焦情况。

试验过程中，燃烧稳定，未发现严重结焦情况，从测试结果可以看出，在270MW负荷时，当中部燃烧器风箱风门挡板开度设置为80%、两侧燃烧器风箱风门挡板开度设置为80%、边角燃烧器风箱风门挡板开度设置为40%时，锅炉沿炉宽方面氧量分布相对均匀，且烟气CO含量偏差不大，燃烧相对充分。

3. 实施效果

通过在对大方电厂锅炉现有的烟气测量分析仪器上增加CO烟气测量装置，实时指导锅炉动态燃烧调整。对锅炉各负荷阶段、对不同制粉系统运行方式工况下，通过不断调整二次风量，各燃烧器布置方式，以及二次风A/B挡板开度、乏气风开度、消旋叶片高度等工况下对烟气中CO含量进行测量、统计，规范了在不同煤质、不同负荷工况下，锅炉燃烧调整方法，使炉膛各局部不缺氧，达到风粉完全混合充分燃烧，降低CO生成和排放，降低锅炉飞灰含碳率。目前可通过调整保证负荷280MW以下时，烟气中CO含量不大于120PPm。保证了锅炉的完全燃烧，降低飞灰大渣含量，减缓锅炉结焦严重问题，提高了锅炉效率。

通过探索基于CO监测的燃烧优化调整，大方电厂锅炉飞灰同比平均下降0.23%，大渣同比下降1.68%，空预器出口CO含量（同等电负荷区域）下降953.17 ppm。按锅炉飞灰、大渣每变化1%，分别影响煤耗1.2g/kw.h和0.19g/kw.h计算，同比煤耗降低0.5952g/kw.h。按2020年全年发电量44亿千瓦时计算，折合节约标煤2618.88吨，按标煤单价640元/吨计算，年节约发电成本167.61万元。

4. 结论

在实际生产中，燃煤锅炉有必要安装的烟气CO监控仪表，为运行人员提供运行调整参考依据。而探索基于CO监测的燃烧优化调整并加以实施，利用CO和氧量在锅炉不同区域的分析数据，可以分析研究W型火焰燃煤锅炉炉膛结渣、火焰偏斜、排烟温度高等原因，直观判断燃烧状态的优劣，根据不同的负荷和煤种，进行合理的配风和优化燃烧器布置方式，进行燃烧优化调整，以保证锅炉燃烧的安全性、可靠性和经济性。

参考文献：

[1] 韩才元，徐明厚，周怀春等著．煤粉燃烧[M]．北京：科学出版社，2001.

[2] 毕玉森．低挥发分煤种与w型火焰锅炉[J]．热力发电，2005年7月，第34卷第7期：7～10.

[3] 黄新元编著．电站锅炉运行与燃烧调整 [M]．北京：中国电力出版社，2002