程 鵬

（1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

我國(guó)工業(yè)鍋爐80%以上為燃煤鍋爐，年消耗標(biāo)準(zhǔn)煤超6億t，其中容量在20 t/h以下的鍋爐約占80%，大部分為傳統(tǒng)鏈條爐排鍋爐[1]。傳統(tǒng)燃煤鏈條鍋爐受技術(shù)、燃料及管理等多方面因素制約，普遍存在運(yùn)行效率低、污染物排放高、節(jié)能減排監(jiān)測(cè)及評(píng)價(jià)體系不健全等問(wèn)題，同時(shí)達(dá)到《工業(yè)鍋爐能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ級(jí)和《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的鍋爐不足5%。隨著國(guó)家對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐能效和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，該技術(shù)已難以滿(mǎn)足要求。針對(duì)鏈條鍋爐實(shí)施技術(shù)改造是目前多數(shù)企業(yè)面臨的問(wèn)題[2-5]。

作為一種先進(jìn)的燃燒方式，煤粉室燃技術(shù)自上世紀(jì)已在發(fā)達(dá)國(guó)家普遍應(yīng)用于工業(yè)鍋爐。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)日趨成熟[6]。將高效的煤粉室燃技術(shù)應(yīng)用于鏈條鍋爐改造是目前最為經(jīng)濟(jì)合理的選擇之一。國(guó)內(nèi)對(duì)此已進(jìn)行過(guò)許多探索性工作，并取得一些成果[7-8]。

但上述改造存在的主要問(wèn)題是：沒(méi)有將鍋爐裝備技術(shù)改造與爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒方式改造有機(jī)結(jié)合起來(lái)；沒(méi)有將燃燒效率提高、鍋爐結(jié)構(gòu)改進(jìn)與先進(jìn)燃燒技術(shù)應(yīng)用結(jié)合起來(lái)。本文對(duì)傳統(tǒng)燃煤鏈條鍋爐的室燃改造進(jìn)行研究，提出鍋爐結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)要求及燃燒系統(tǒng)匹配關(guān)系，形成較為完善的鏈條鍋爐室燃改造技術(shù)。

天津華苑供熱所現(xiàn)有4臺(tái)鏈條層燃鍋爐面臨改造，經(jīng)對(duì)比論證確定與煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司合作完成該項(xiàng)技術(shù)改造。本文通過(guò)將高效燃燒的煤粉室燃技術(shù)應(yīng)用于該鏈條鍋爐改造，結(jié)合先進(jìn)的煙氣凈化技術(shù)和智能運(yùn)行測(cè)控手段，形成傳統(tǒng)燃煤鍋爐節(jié)能改造升級(jí)關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)改造的煤粉鍋爐系統(tǒng)，通過(guò)采用低氮燃燒器，深度空氣分級(jí)優(yōu)化等技術(shù)手段[9-13]，實(shí)現(xiàn)較低的NOx初始排放，以減少爐內(nèi)脫硝氨水用量，并保證最終NOx達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。該方案形成了層燃鏈條鍋爐高效室燃改造成套技術(shù)，并建成示范工程，提高了鍋爐系統(tǒng)效率、實(shí)現(xiàn)了燃煤污染物經(jīng)濟(jì)的環(huán)保排放，提升了工業(yè)鍋爐自動(dòng)化管理水平，解決了我國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐能效提升和污染物控制等重大需求問(wèn)題，促進(jìn)了工業(yè)鍋爐行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

1 系統(tǒng)改造方案

鏈條爐改造為室燃煤粉鍋爐，由于受場(chǎng)地等條件限制，爐膛結(jié)構(gòu)形式需進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化；相應(yīng)配套的低氮燃燒器也需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)配合深度空氣分級(jí)和煙氣再循環(huán)等低氮燃燒技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鏈條爐的改造工作，達(dá)到鍋爐系統(tǒng)熱效率>92%，NOx初始排放<300 mg/m3的目標(biāo)。

1.1 燃燒系統(tǒng)集成優(yōu)化研究

1.1.1 燃燒器優(yōu)化

改造鍋爐采用煤科院自主開(kāi)發(fā)的風(fēng)冷燃燒器前墻布置方式，單臺(tái)鍋爐前墻并排布置兩臺(tái)29 MW燃燒器。燃燒器采用風(fēng)冷低氮燃燒器，包括燃燒器機(jī)頭、燃燒室及點(diǎn)火、助燃、火焰監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)視等附屬設(shè)施，如圖1所示。該燃燒器通過(guò)燃燒組織的優(yōu)化，使用部分空氣冷卻燃燒器壁面，具有優(yōu)異的煤粉著火、燃盡和低氮排放的性能。

圖1 29 MW風(fēng)冷燃燒器外觀(guān)圖

風(fēng)冷燃燒器依靠?jī)?nèi)二次風(fēng)強(qiáng)旋射流、燃料中心回流逆噴和擴(kuò)散錐預(yù)燃室的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤粉在預(yù)燃室內(nèi)的穩(wěn)定著火。燃燒器火焰長(zhǎng)度和火焰形狀可通過(guò)內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)的配比和旋流強(qiáng)度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同型式的結(jié)構(gòu)。通過(guò)燃燒器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使燃燒器在達(dá)到煤粉穩(wěn)定著火的同時(shí)保持較低燃燒溫度，保證燃燒器壁面的安全運(yùn)行。工業(yè)鍋爐現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)燃燒器內(nèi)壁面最高溫度不超過(guò)600℃，燃燒器出口平均溫度低于1 100℃，低于煤粉中灰分的軟化溫度，不會(huì)出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)工業(yè)用戶(hù)的試燒，可實(shí)現(xiàn)30%～110%的鍋爐負(fù)荷下，飛灰殘?zhí)康陀?%的燃燒效果，結(jié)合深度空氣分級(jí)等低氮燃燒技術(shù)，NOx初始排放低于300 mg/m3（干基標(biāo)態(tài)，6%O2）。

1.1.2 燃燒配風(fēng)優(yōu)化

根據(jù)風(fēng)冷燃燒器內(nèi)部示意圖（見(jiàn)圖2），燃燒系統(tǒng)中所需風(fēng)量分為四部分進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)。燃燒系統(tǒng)助燃風(fēng)除一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)以外，在爐膛側(cè)墻布置了三次風(fēng)。三次風(fēng)入口在前墻布置4個(gè)，在側(cè)墻布置2個(gè)，共計(jì)6個(gè)φ250 mm噴管，每路配風(fēng)采用手動(dòng)蝶閥控制，單側(cè)配風(fēng)分支母管設(shè)流量計(jì)及電動(dòng)閥門(mén)控制。

圖2 風(fēng)冷燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

（1）一次風(fēng)占燃燒所需空氣量的5%，主要起輸送煤粉的作用，由燃燒器機(jī)頭經(jīng)回流帽處進(jìn)入燃燒器。

（2）內(nèi)二次風(fēng)占燃燒所需空氣量的40%，內(nèi)二次風(fēng)通過(guò)鍋爐空預(yù)器后，再經(jīng)過(guò)強(qiáng)旋流葉片進(jìn)入燃燒器內(nèi)，與一次風(fēng)在燃燒器內(nèi)混合，提供燃燒初期所需空氣，混合后燃燒的煙氣經(jīng)燃燒器出口以約15～20 m/s的速度噴入爐膛內(nèi)。

（3）外二次風(fēng)占燃燒所需空氣量的30%，外二次風(fēng)在燃燒器壁面處高速流過(guò)，以旋流的方式進(jìn)入爐膛內(nèi)，起到調(diào)節(jié)燃燒器出口火焰形狀的作用，保證燃燒器出口火焰不發(fā)生飛邊的同時(shí)有較低的軸向速度，起到保護(hù)爐膛四周壁面的作用。

（4）爐膛中部配有三次風(fēng)，保證主燃燒區(qū)處于還原性氣氛，有利于進(jìn)行深度空氣分級(jí)的低氮燃燒，達(dá)到降低鍋爐NOx初始排放的目的。

內(nèi)二次風(fēng)和三次風(fēng)采用預(yù)熱空氣，溫度為120℃，外二次風(fēng)采用空氣與再循環(huán)煙氣混合的方式供應(yīng)。內(nèi)二次風(fēng)機(jī)、外二次風(fēng)機(jī)、三次風(fēng)機(jī)分別為A、B側(cè)共用，通過(guò)各支路前閥門(mén)調(diào)節(jié)兩側(cè)風(fēng)量平衡。

內(nèi)二次風(fēng)機(jī)選型參數(shù)：流量39 000 m3/h（2×19 500 m3/h），全壓4 600 Pa。

外二次風(fēng)機(jī)選型參數(shù)：流量24 000 m3/h（2×12 000 m3/h），全壓4 700 Pa。

三次風(fēng)機(jī)選型參數(shù)：流量34 000 m3/h（2×17 000 m3/h），全壓7 000 Pa。

循環(huán)煙氣設(shè)計(jì)最大量為20%（15 000 m3/h）。

1.2 鍋爐結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1.2.1 鍋爐本體

鍋爐采用風(fēng)冷燃燒器前墻布置方式，單臺(tái)鍋爐前墻并排布置兩臺(tái)29 MW旋流風(fēng)冷燃燒器。熱水鍋爐本體為角管式設(shè)計(jì)，爐膛長(zhǎng)、寬、高尺寸分別為8 420 mm×5 820 mm×11 550 mm。鍋爐設(shè)計(jì)容積熱負(fù)荷為102 kW/m3（考慮冷灰斗94 kW/m3），鍋爐爐膛橫斷面面積為49 m2，斷面熱負(fù)荷為1.184 MW/m2，燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷（按照旋流燃燒器電站鍋爐計(jì)算方式）為0.389 MW/m2。

爐內(nèi)溫度場(chǎng)均勻，煙氣充滿(mǎn)度好，設(shè)計(jì)時(shí)選用較低的爐膛容積熱負(fù)荷，爐內(nèi)不易結(jié)焦。鍋爐采用鍋筒及大直徑下降管的角管結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好；鍋筒及大直徑下降管使鍋爐具備較大的水容積，爐水不易汽化，鍋爐安全性較高。鍋爐受熱面全部采用水管結(jié)構(gòu)，易于吹灰，同時(shí)由于加裝空預(yù)器，可有效避免省煤器積灰板結(jié)，確保鍋爐的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2 煤粉儲(chǔ)供系統(tǒng)

該鍋爐系統(tǒng)配置爐前煤粉儲(chǔ)供系統(tǒng)4套，包括改造原煤倉(cāng)、小粉罐、供料器以及檢修平臺(tái)。其中煤粉倉(cāng)是按照現(xiàn)有原煤倉(cāng)頂部開(kāi)口尺寸（11 550 mm×4 600 mm），針對(duì)煤粉特性將錐斗進(jìn)行適應(yīng)性改造，單個(gè)小粉罐規(guī)格為Φ1 500 mm×4 290 mm×3 mm，脈沖除塵器過(guò)濾面積78.7 m2，24 m層原煤倉(cāng)頂部鋪設(shè)“井”字形加強(qiáng)筋頂蓋，煤粉倉(cāng)通過(guò)輸粉管道送粉或罐車(chē)打粉。供料器采用雙鎖氣閥供料，由供料鎖氣閥、勻料鎖氣閥以及文丘里組件組成。其中，供料鎖氣閥采取變頻控制轉(zhuǎn)速，以控制供料量，勻料鎖氣閥為工頻轉(zhuǎn)速。煤粉從中間倉(cāng)出口進(jìn)入供料鎖氣閥，由轉(zhuǎn)速控制其供料量，之后經(jīng)由勻料鎖氣閥，將其進(jìn)一步打散、均勻化，之后隨一次風(fēng)進(jìn)入燃燒器。

煤粉儲(chǔ)供單元中SFG5型供料器為改進(jìn)型雙鎖氣閥供料器，屬煤科院節(jié)能技術(shù)公司的專(zhuān)利產(chǎn)品（見(jiàn)圖3），用于干煤粉穩(wěn)定連續(xù)輸送至煤粉燃燒器，通過(guò)文丘里部件的優(yōu)化，使供料精度≤±2%，確保燃燒穩(wěn)定；強(qiáng)化的密封結(jié)構(gòu)，隔絕開(kāi)進(jìn)料與送料單元，解決了卸料沖擊問(wèn)題；增加的耐磨涂層延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命2～3倍，工作環(huán)境溫度通常為-40～50℃，輸送物料的溫度一般為-20～40℃，可滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 雙鎖氣閥供料系統(tǒng)示意圖

1.2.3 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐設(shè)計(jì)及運(yùn)行條件符合表1的技術(shù)要求。

表1 鍋爐運(yùn)行參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

鍋爐給水品質(zhì)：按照GB/T 1576-2008《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)第4.1條的要求執(zhí)行，采用軟化水作為補(bǔ)給水時(shí)滿(mǎn)足表2給水品質(zhì)的要求。

表2 鍋爐水質(zhì)數(shù)據(jù)要求

鍋爐房所用的燃料煤粉由鍋爐房外的制粉車(chē)間通過(guò)輸粉管道或者罐車(chē)專(zhuān)供。詳細(xì)煤粉要求見(jiàn)表3。

表3 煤粉指標(biāo)要求

項(xiàng)目建成后室外及室內(nèi)圖片如圖4所示。

圖4 工業(yè)示范項(xiàng)目照片

2 運(yùn)行效果分析

天津華苑4×58 MW鍋爐項(xiàng)目自2019年10月29日點(diǎn)煤粉以來(lái)，4臺(tái)鍋爐陸續(xù)投入使用，4臺(tái)鍋爐均可達(dá)到滿(mǎn)負(fù)荷的運(yùn)行工況。根據(jù)供暖的實(shí)際需要，鍋爐一般在40~58 MW的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)運(yùn)行。鍋爐運(yùn)行負(fù)壓穩(wěn)定，在燃料供應(yīng)較穩(wěn)定時(shí)，鍋爐爐膛負(fù)壓波動(dòng)（最高和最低之差）可控制在150 Pa左右，十分穩(wěn)定，燃燒器區(qū)域溫度較高，鍋爐整體熱效率超過(guò)92%。目前已完成整個(gè)采暖季的運(yùn)行任務(wù)。鍋爐運(yùn)行過(guò)程中初始NOx排放<300 mg/m3，運(yùn)行穩(wěn)定工況，鍋爐飛灰殘?zhí)柯士?5%。

2.1 運(yùn)行時(shí)間

自10月30日開(kāi)始并網(wǎng)運(yùn)行后，各鍋爐運(yùn)行情況匯總?cè)鐖D5所示。本采暖季，1#爐累計(jì)運(yùn)行40 d，2#爐累計(jì)運(yùn)行35 d，3#爐累計(jì)運(yùn)行54 d，4#爐累計(jì)運(yùn)行32 d。各鍋爐均可達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行的效果，1#爐1月30日至2月14日連續(xù)運(yùn)行超過(guò)15 d，2#爐1月25日至2月6日連續(xù)運(yùn)行超過(guò)12 d，3#爐2月17日至3月5日連續(xù)運(yùn)行超過(guò)17 d，4#爐12月21日至12月26日連續(xù)運(yùn)行超過(guò)5 d。整個(gè)運(yùn)行期間，鍋爐大部分啟停爐為按計(jì)劃操作。

圖5 各臺(tái)鍋爐運(yùn)行時(shí)間匯總圖

2.2 飛灰燒失量

當(dāng)NOx初始排放<300 mg/m3條件下，飛灰燒失量隨鍋爐負(fù)荷的變化如圖6所示。結(jié)果表明，當(dāng)鍋爐在高負(fù)荷運(yùn)行（46～53 MW）時(shí)，飛灰殘?zhí)柯实陀?%，鍋爐燃燒效率很高。隨著鍋爐負(fù)荷的增加，飛灰殘?zhí)柯食尸F(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，最低達(dá)到1.1%。當(dāng)鍋爐負(fù)荷約為49 MW時(shí)，鍋爐飛灰燒失量最高，約為4.7%。

圖6 飛灰燒失量隨鍋爐負(fù)荷的變化圖

2.3 NOx初始排放量

表4和表5分別是鍋爐負(fù)荷為40 MW時(shí)不同配風(fēng)比例NOx初始排放的情況。內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)配風(fēng)比例的降低均可降低NOx初始排放，同時(shí)，三次風(fēng)比例的增加也會(huì)使NOx初始排放量降低。數(shù)據(jù)表明，3#爐在內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和三次風(fēng)配風(fēng)比例分別為34%、28%和38%時(shí)，NOx初始排放可降低至249 mg/m3；4#爐在內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和三次風(fēng)配風(fēng)比例分別為33%、26%和41%時(shí)，NOx初始排放可降低至294 mg/m3，可達(dá)到初始NOx排放<300 mg/m3的要求。

表4 3#爐40 MW不同配風(fēng)方式NOx初始排放情況

表5 4#爐40 MW不同配風(fēng)方式NOx初始排放情況

3 結(jié)論

（1）天津華苑4臺(tái)58 MW鏈條爐改造為煤粉鍋爐，采用風(fēng)冷燃燒器結(jié)合深度空氣分級(jí)技術(shù)，運(yùn)行中負(fù)壓穩(wěn)定，負(fù)壓波動(dòng)可控制在150 Pa左右，鍋爐整體熱效率大于92%，且均可達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行。

（2）鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行（46～53 MW）時(shí)，飛灰殘?zhí)柯实陀?%。隨著鍋爐負(fù)荷的增加，飛灰殘?zhí)柯食尸F(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，最低達(dá)到1.1%，最高約為4.7%。

（3）配風(fēng)比例不同，NOx初始排放不同。內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)配風(fēng)比例的降低、三次風(fēng)比例的增加均可降低NOx初始排放。4臺(tái)爐均可達(dá)到初始NOx排放<300 mg/m3的要求。