一种前后墙燃烧方式锅炉燃烧控制方法与流程

本发明涉及前后墙燃烧锅炉燃用高灰分烟煤时的控制方法。

背景技术：

电站锅炉实际处在低氮燃烧、燃用经济煤种和中低负荷运行相互叠加的状态下运行，产生出许多相当严重的问题：飞灰、大渣含碳量增大，减温水量升高等经济问题；受热面结焦，炉膛高温腐蚀，低负荷稳燃等安全问题；nox生成量超标，喷氨过量，预热器堵塞等环保问题。上述问题的解决或缓解，技术关键都指向煤粉细度。更细的煤粉增加了固体颗粒比表面积，强化了析出、着火、稳燃、燃烬每个过程，对降低飞灰含碳有利，对低氮燃烧有利；相当于在主燃区更多的焦碳更快地接触到氧气，减弱了氮---氧反应生成nox和增强了将nox转化成n2的物理机率和化学动能，即进一步实现了在过剩空气系数不变条件下的缺氧燃烧，对降低nox有利；意味着煤粉颗粒更小的惯性，减弱了被旋转烟气抛向边界热解、燃烧的强度，改善了炉膛壁面还原性氛围，对减轻高温腐蚀有利。研究煤粉细度的合理选择，对解决燃烧存在的问题，有现实价值。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种用于指导前后墙燃烧锅炉在燃用高灰分烟煤时对煤粉细度的调整，降低煤粉细度，降低锅炉飞灰含碳量、省煤器出口nox浓度，提高锅炉效率和机组经济性。

为了达到上述目的，本发明提供了一种前后墙燃烧方式锅炉燃烧控制方法，该锅炉燃用高灰分烟煤，并控制煤粉细度r90为8％-15％，优选控制在10.8％-11.3％。

具体指导步骤为：

第一步：在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例、运行氧量、磨煤机运行台数等不变，通过数值模拟分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。

第二步：根据第一步的数值模拟结果开展现场试验研究，在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例、二次风配风方式、运行氧量、磨煤机运行台数等不变，通过试验分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。

第三步：根据数值模拟和试验研究结果确定最佳煤粉细度控制值。

通过以上的调整可以确定前后墙燃烧锅炉燃用高灰分烟煤最佳煤粉细度控制值，降低飞灰含碳量和省煤器出口nox浓度，提高锅炉效率和机组经济性。

更为具体的：

(1)在锅炉低氮燃烧状态下，维持机组负荷330mw和165mw负荷不变，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(330mw负荷时3.6％-3.75％、165mw负荷时4.5％-4.75％)、磨煤机运行台数(330mw负荷时abcd磨、165mw负荷时abd磨)等不变，通过数值模拟分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。运用fluent数值模拟软件建议模型、网格划分，开展煤粉细度r90分别为23％、15％、11％和8％的数值模拟计算；

(2)根据第一步的数值模拟结果开展现场试验研究，在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(330mw负荷时3.6％-3.75％、165mw负荷时4.5％-4.75％)、磨煤机运行台数(330mw负荷时abcd磨、165mw负荷时abd磨)等不变，通过试验分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。

根据以上指导步骤所得最终用于前后墙燃烧锅炉在燃用高灰分烟煤煤粉细度的控制方法如下：

在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(330mw负荷时3.6％-3.75％、165mw负荷时4.5％-4.75％)、磨煤机运行台数(330mw负荷时abcd磨、165mw负荷时abd磨)等不变，通过试验分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响：

330mw负荷时，a磨出力45t/h、加载力10mpa、磨进口一次风压6.1kpa、磨进口风温266℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率25hz、磨煤机进出口差压4.7kpa、煤粉细度r90为11％。b磨出力42t/h、加载力10mpa、磨进口一次风压6.1kpa、磨进口风温266℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率25hz、磨煤机进出口差压4.8kpa、煤粉细度r90为11.3％。c磨出力48t/h、加载力10.5mpa、磨进口一次风压6.1kpa、磨进口风温264℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率27hz、磨煤机进出口差压4.7kpa、煤粉细度r90为11.3％。

165mw负荷时，a磨出力48t/h、加载力10.5mpa、磨进口一次风压6.2kpa、磨进口风温268℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率28hz、磨煤机进出口差压4.8kpa、煤粉细度r90为10.8％。b磨出力46t/h、加载力10.5mpa、磨进口一次风压6.2kpa、磨进口风温270℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率28hz、磨煤机进出口差压4.8kpa、煤粉细度r90为11.2％。

本发明相比现有技术具有以下优点：

采用本发明控制方法对前后墙燃烧锅炉在燃用高灰分烟煤进行煤粉细度控制，能够有效降低煤粉细度，降低锅炉飞灰含碳量、省煤器出口nox浓度，提高锅炉效率和机组经济性。

附图说明

图1为本发明对国电石嘴山电厂1#炉数值模拟三维及网格图；

图2为330mw负荷不同煤粉细度下炉膛温度场分布的对比图；

图3为330mw负荷不同煤粉细度下燃烧器喷口挥发分分布对比图；

图4为330mw负荷不同煤粉细度下炉膛co浓度分布对比图；

图5为330mw负荷不同煤粉细度下炉膛nox浓度分布对比图；

图6为330mw负荷不同煤粉细度下煤粉在炉膛停留时间对比图；

图7为165mw负荷不同煤粉细度下炉膛温度场分布的对比图；

图8为165mw负荷不同煤粉细度下燃烧器喷口挥发分分布对比图；

图9为165mw负荷不同煤粉细度下炉膛co浓度分布对比图；

图10为165mw负荷不同煤粉细度下炉膛nox浓度分布对比图；

图11为165mw负荷不同煤粉细度下煤粉在炉膛停留时间对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明实施例以国电石嘴山发电有限公司1#锅炉型号为wgz1004-18.4-2，系武汉锅炉厂生产制造的亚临界自然循环汽包锅炉。锅炉采用中速磨直吹制粉系统，尾部双烟道，烟气挡板调节再热汽温，喷水减温调节过热汽温，中间一次再热，平衡通风，三分仓容克式空气预热器，刮板捞渣机连续固态排渣，全钢构架，悬吊结构，锅炉运转层以上为紧身封闭岛式布置，燃用高灰分烟煤。

炉膛前墙分三层布置18只双调风轴向旋流燃烧器，后墙布置6只双调风轴向旋流燃烧器，每层六只前墙自下而上依次a、b、c层，后墙d层与a层对冲布置，四台mps225中速磨煤机相对应，每台磨配备一台电子称重皮带式给煤机。实际运行中只有abc3台磨带煤粉运行，d磨只有中心风进行冷却不带煤粉运行。锅炉主要设计参数见表1。

锅炉主要设计参数见下表1。

表1锅炉主要参数表(设计煤种)

本发明前后墙燃烧锅炉燃用高灰分烟煤煤粉细度控制方法的数值模拟和试验研究中，煤种为电厂设计煤种，煤种见表2。

表2锅炉设计煤种数据

实施例1(330mw负荷)

本实施例具体投运的磨煤机为abcd4台磨煤机。

本发明前后墙燃烧方式锅炉燃用高灰分烟煤煤粉细度控制方法的具体步骤如下：

(1)在锅炉低氮燃烧状态下，维持机组负荷330mw负荷不变，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(3.6％-3.75％)、磨煤机运行台数(abcd磨)等不变，通过数值模拟分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。运用fluent数值模拟软件建议模型、网格划分，开展煤粉细度r90分别为23％、15％、11％和8％的数值模拟计算；

(2)根据第一步的数值模拟结果开展现场试验研究，在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(330mw负荷时3.6％-3.75％)、磨煤机运行台数(330mw负荷时abcd磨)等不变，通过试验分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。

330mw负荷时，a磨出力45t/h、加载力10mpa、磨进口一次风压6.1kpa、磨进口风温266℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率(15hz、20hz、25hz、28hz)、磨煤机进出口差压(4.0kpa、4.3kpa、4.7kpa、4.9kpa)、煤粉细度r90分别为(23.4％、15.5％、11％、8.2％)。b磨出力42t/h、加载力10mpa、磨进口一次风压6.1kpa、磨进口风温266℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率(15hz、19hz、25hz、29hz)、磨煤机进出口差压(4.2kpa、4.5kpa、4.8kpa、5.0kpa)、煤粉细度r90为(23.1％、15.0％、11.3％、8.3％)。c磨出力48t/h、加载力10.5mpa、磨进口一次风压6.1kpa、磨进口风温264℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率(17hz、21hz、27hz、30hz)、磨煤机进出口差压(4.0kpa、4.5kpa、4.7kpa、5.0kpa)、煤粉细度r90为(23.2％、15.2％、11.3％、8.0％)。

(3)结合数值模拟和试验研究，前后墙燃烧方式锅炉低氮燃烧状态时燃用高灰分烟煤煤粉细度(r90)最佳控制值为11％左右。

1、数值模拟分析过程及结果

本模拟通过对全炉膛进行建模和模拟。图1为锅炉模型的网格划分情况，为了更准确的反应主燃烧区域的燃烧情况，对主燃烧区域各燃烧器位置的网格采取加密处理。

本次模拟主要研究改造前后的炉膛燃烧火焰中心及温度变化，因此在本次模拟中不对受热面的吸热情况进行详细研究。

在330mw负荷下，abcd磨运行，低氮燃烧器改造后实际运行时只有abc磨带煤粉、d磨不带煤粉只通中心风进行冷却的运行。考虑锅炉低氮燃烧改造后，维持燃尽风比例约30％、二次风配风方式、运行氧量、磨煤机运行台数等不变，改变煤粉细度(r90分别为23％、15％、11％和8％)，分析煤粉细度变化对燃烧的影响。其中r90为23％是根据2012年版《火力发电厂制粉系统设计计算技术规定》---dl/t5145-2012中推荐计算公式计算得到，r90＝0.5nvdaf，其中n为煤粉均匀性指数，vdaf为煤种干燥无灰基挥发分。数值模拟工况见表3。模拟结果见表4，图2-图6。

表3330mw下不同煤粉细度数值模拟工况

表4330mw下不同煤粉细度数值模拟结果

由表3-表4、图2-图6可以看出，330mw负荷、燃尽风比例30％左右、机组低氮燃烧方式下，改变煤粉细度对燃烧影响较明显。

(1)随着煤粉变细的降低，单位质量的煤粉与氧气及炉内热烟气接触的比表面积变大，着火更早，燃尽更彻底，相同煤粉量的情况下放热更多，因此炉膛整体温度水平均较原始工况稍高。

(2)降低煤粉粒度有利于燃尽，飞灰含碳量由工况1至工况4逐渐降低。煤粉细度由23％降低至11％时，飞灰含碳量由4.41％下降至1.5％，降低约2.9个百分点。

(3)减小煤粉粒径有利于煤粉颗粒进入炉膛早期其内部的挥发分更快更彻底的析出参与燃烧反应，因此炉膛主燃区的挥发分浓度与co浓度随煤粉粒径的降低而增大。

(4)随着煤粉粒径的降低，炉膛出口的nox浓度逐渐减小。工况2、3、4较工况1下的炉膛出口nox浓度分别降低约17.41％、22.67％和24.34％。

2、试验过程及结果

保持总煤量、运行氧量、sofa风比例、磨煤机出力、加载力、入口一次风压等不变，开展了4个变动态分离器频率工况。

在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(330mw负荷时3.6％-3.75％、165mw负荷时4.5％-4.75％)、磨煤机运行台数(330mw负荷时abcd磨、165mw负荷时abd磨)等不变，通过试验分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。

在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(330mw负荷时3.6％-3.75％、165mw负荷时4.5％-4.75％)、磨煤机运行台数(330mw负荷时abcd磨、165mw负荷时abd磨)等不变，通过试验分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。

不同工况下测试锅炉热效率、辅机耗电。机组运行方式见表5。各工况下炉效计算参数见表6。

表5330mw负荷变动态分离器转速机组运行方式

表6330mw负荷不同分离器转速工况锅炉热效率试验结果表

3、确定最佳煤粉细度

由表5-表6可以看出，330mw负荷、燃尽风比例30％左右、机组低氮燃烧方式下，改变煤粉细度，通过试验发现对燃烧影响较明显。

(1)降低煤粉粒度有利于燃尽，飞灰含碳量由工况1至工况4逐渐降低。煤粉细度由23％降低至11％时，飞灰含碳量由4.58％下降至1.35％，降低约3.23个百分点，大渣含碳量由4.1％降低至3％，降低1.1个百分点，锅炉效率由90.9％提高至93.2％，提高2.3个百分点。

(2)随着煤粉粒径的降低，过热减温水量渐减小。煤粉细度由23％降低至11％时，过热减温水量由16t/h下降至10t/h，降低幅度37.5％。

(3)随着煤粉粒径的降低，磨煤机耗电量呈增加趋势。煤粉细度由23％降低至11％时，磨煤机耗电量增加152kw.h，增幅约11.7％。

(4)随着煤粉粒径的降低，炉膛出口的nox浓度逐渐减小。工况2、3、4较工况1下的炉膛出口nox浓度分别降低约15.21％、23.91％和26.95％。

通过试验发现，330mw负荷下，不同煤粉细度工况下数值模拟的飞灰大渣含碳量、省煤器出口氮氧化物浓度和实际现场试验结果均相差不大，说明数值模拟较准确。煤粉细度r90由23％下降至11％时，飞灰、大渣含碳量均降低较多，锅炉效率提高2.3个百分点，氮氧化物均降低、过热减温水量降低，机组经济性和环保性明显提高。

煤粉细度r90降低至8％时，飞灰含碳量虽然降低至0.85％，大渣含碳量降低至2.4％，锅炉效率较细度11％时提高约0.3个百分点，同时磨煤机耗电量也增加约200kw.h，煤粉细度降低越多，试验过程中发现磨煤机差压也越大，磨煤机安全稳定运行也存在风险，煤粉细度降低至8％时，煤粉燃烧更提前，存在烧损燃烧器喷口的风险。综合分析，燃烧高灰分烟煤时，煤粉细度r90选择11％左右较合理。

实施例2(165mw负荷)

本实施例具体投运的磨煤机为abd3台磨煤机。

本发明前后墙燃烧方式锅炉燃用高灰分烟煤煤粉细度控制方法的具体步骤如下：

(1)在锅炉低氮燃烧状态下，维持机组负荷165mw负荷不变，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(4.5％-4.75％)、磨煤机运行台数(abd磨)等不变，通过数值模拟分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。运用fluent数值模拟软件建议模型、网格划分，开展煤粉细度r90分别为23％、15％、11％和8％的数值模拟计算；

(2)根据第一步的数值模拟结果开展现场试验研究，在锅炉低氮燃烧状态下，维持燃尽风比例(30％)、运行氧量(4.5％-4.75％)、磨煤机运行台数(abd磨)等不变，通过试验分析不同煤粉细度对锅炉燃烧的影响。

165mw负荷时，a磨出力48t/h、加载力10.5mpa、磨进口一次风压6.2kpa、磨进口风温268℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率28hz、磨煤机进出口差压4.8kpa、煤粉细度r90为10.8％。b磨出力46t/h、加载力10.5mpa、磨进口一次风压6.2kpa、磨进口风温270℃、热风门开度100％、冷风门开度0％、动态分离器频率28hz、磨煤机进出口差压4.8kpa、煤粉细度r90为11.2％。

(3)结合数值模拟和试验研究，前后墙燃烧方式锅炉低氮燃烧状态时燃用高灰分烟煤煤粉细度(r90)最佳控制值为11％。

1、数值模拟分析过程及结果

在165mw负荷下，abd磨运行，低氮燃烧器改造后实际运行时只有ab磨带煤粉、d磨不带煤粉只通中心风进行冷却的运行。考虑锅炉低氮燃烧改造后，维持燃尽风比例约30％、二次风配风方式、运行氧量、磨煤机运行台数等不变，改变煤粉细度(r90分别为23％、15％、11％和8％)，分析煤粉细度变化对燃烧的影响。数值模拟工况见表7。模拟结果见表8，图7-图11。

表7165mw下不同煤粉细度数值模拟工况

表8165mw下不同煤粉细度数值模拟结果

由表7-表8、图7-图11可以看出，165mw负荷、燃尽风比例30％左右、机组低氮燃烧方式下，改变煤粉细度对燃烧影响较明显。

(1)随着煤粉变细的降低，单位质量的煤粉与氧气及炉内热烟气接触的比表面积变大，着火更早，燃尽更彻底，相同煤粉量的情况下放热更多，因此炉膛整体温度水平均较原始工况稍高。

(2)降低煤粉粒度有利于燃尽，飞灰含碳量由工况5至工况8逐渐降低。煤粉细度由23％降低至11％时，飞灰含碳量由2.60％下降至0.4％，降低约2.2个百分点。

(3)减小煤粉粒径有利于煤粉颗粒进入炉膛早期其内部的挥发分更快更彻底的析出参与燃烧反应，因此炉膛主燃区的挥发分浓度与co浓度随煤粉粒径的降低而增大。

(4)随着煤粉粒径的降低，炉膛出口的nox浓度逐渐减小。工况6、7、8较工况5下的炉膛出口nox浓度分别降低约16.5％、24.6％和30.8％。

电站锅炉在深度低氮燃烧状态、燃用高灰分烟煤时，煤粉细度的变化对锅炉飞灰含碳量、省煤器出口nox浓度、炉膛温度场和炉膛co浓度影响较明显。煤粉细度由23％下降至11％时，飞灰含碳量降低2.2-2.9个百分点，省煤器出口nox浓度下降约25％。电站锅炉深度低氮燃烧状态、燃用高灰分烟煤时，为了达到机组经济性和环保性最佳，在制粉系统运行安全容许的前提下尽量降低煤粉细度运行。为了保证制粉系统长期安全和燃烧器喷口安全性，通过数值模拟确定前后期燃烧锅炉燃用高灰分烟煤时煤粉细度r90控制在11％左右较好

2、试验研究过程及结果

保持总煤量、运行氧量、sofa风比例、磨煤机出力、加载力、入口一次风压等不变，开展了4个变动态分离器频率工况。

不同工况下测试锅炉热效率、辅机耗电。机组运行方式见表9。各工况下炉效计算参数见表10。

表9165mw负荷变动态分离器转速机组运行方式

表10165mw负荷不同分离器转速工况锅炉热效率试验结果表

3、确定最佳煤粉细度

由表9-表10可以看出，165mw负荷、燃尽风比例30％左右、机组低氮燃烧方式下，改变煤粉细度，通过试验发现对燃烧影响较明显。

(1)降低煤粉粒度有利于燃尽，飞灰含碳量由工况5至工况8逐渐降低。煤粉细度由23％降低至11％时，飞灰含碳量由2.85％下降至0.6％，降低约2.25个百分点，大渣含碳量由3.8％降低至2.4％，降低1.4个百分点，锅炉效率由90.02％提高至93.65％，提高3.63个百分点。

(2)随着煤粉粒径的降低，过热减温水量渐减小。煤粉细度由23％降低至11％时，过热减温水量由9t/h下降至5t/h，降低幅度44.4％。

(3)随着煤粉粒径的降低，磨煤机耗电量呈增加趋势。煤粉细度由23％降低至11％时，磨煤机耗电量增加100kw.h，增幅约10％。

(4)随着煤粉粒径的降低，炉膛出口的nox浓度逐渐减小。工况6、7、8较工况5下的炉膛出口nox浓度分别降低约11.01％、18.42％和23.68％。

通过试验发现，165mw负荷下，不同煤粉细度工况下数值模拟的飞灰大渣含碳量、省煤器出口氮氧化物浓度和实际现场试验结果均相差不大，说明数值模拟较准确。煤粉细度r90由23％下降至11％时，飞灰、大渣含碳量均降低较多，锅炉效率提高3.63个百分点，氮氧化物均降低、过热减温水量降低，机组经济性和环保性明显提高。

煤粉细度r90降低至8％时，飞灰含碳量虽然降低至0.60％，大渣含碳量降低至2.0％，锅炉效率较细度11％时提高约0.06个百分点，同时磨煤机耗电量也增加约200kw.h，煤粉细度降低越多，试验过程中发现磨煤机差压也越大，磨煤机安全稳定运行也存在风险，煤粉细度降低至8％时，煤粉燃烧更提前，存在烧损燃烧器喷口的风险。综合分析，燃烧高灰分烟煤时，煤粉细度r90选择11％左右较合理。