基于先进飞灰取样技术的飞灰含碳量试验研究

侯凡军 ，刘 辉 ，刘 科 ，张 帆 ，张利孟

（1.山东电力研究院，山东 济南 250003；2.大唐鲁北发电有限责任公司，山东 滨州 251909）

1 设备概况

某厂1号机组锅炉为哈尔滨锅炉厂有限公司根据美国ABB-CE燃烧工程公司设计制造的HG-1020／18.58-YM23型锅炉，该锅炉为亚临界参数、一次中间再热、单炉膛自然循环汽包锅炉。设计燃用烟煤，采用平衡通风、中速磨煤机组成的直吹式制粉系统、摆动燃烧器四角切圆燃烧方式，固态排渣煤粉炉，锅炉为全钢构架，紧身封闭，炉顶为大罩壳，整体呈倒U型布置。锅炉主要设计参数见表1，设计煤质特性见表2。

为满足日益严格的污染物排放要求，1号炉进行了低氮燃烧器改造和脱硝系统改造，主要改造内容如下。

表1 锅炉主要设计参数

表2 燃用煤质特性

1）一次风仍旧为逆时针方向，其假想切圆适当减小；调整二次风射流方向，二次风改为与一次风小角度偏置，顺时针反向切入，形成横向空气分级。主燃烧器区整体下移，风量重新合理分配，通过调整主燃烧器区一二次风喷口面积，使一次风速满足入炉煤种的燃烧特性要求，主燃烧器区的二次风量适当减小，形成纵向空气分级。主燃烧器装有摆动机构，可以上下摆动以调节再热汽温。改造后的切圆布置见图1。

2）拆除原来E层一次风上部的二次风喷口，在原主燃烧器上方约6 m处重新布置4层分离SOFA喷口，分配足量的SOFA燃尽风量，SOFA喷口可同时做上下左右摆动。改造后的燃烧器布置见图2。

3）在省煤器出口和空气预热器入口之间安装了SCR脱硝装置。

图1 燃烧器切圆

图2 燃烧器布置

1号锅炉在脱硝系统投入运行后，飞灰含碳量一直比2号锅炉高1%左右，而且在满负荷时，1号锅炉空气预热器入口氧量存在较大偏差，实测表明，氧量低的一侧烟气中的CO体积分数高达2 000～5 000 μL／L。飞灰含碳量过大和CO体积分数过高，对锅炉的安全经济运行带来严重影响。

2 燃煤锅炉先进飞灰取样技术开发

2.1 开发先进飞灰取样技术的必要性

火力发电厂燃煤锅炉在进行燃烧调整试验时，机组会受到外部扰动和内部扰动的影响。外部扰动主要是投入AGC后的电负荷变化，内部扰动主要是入炉煤质的变化。外扰和内扰严重影响了锅炉运行参数的稳定进而影响飞灰取样的准确性［1］。

为了克服内外扰动的影响，可以考虑采取以下措施：

1）当负荷基本稳定时，飞灰含碳量调整试验只与锅炉内部燃烧过程有关，而与炉内受热面的换热过程基本无关。煤粉进入炉膛后着火后很快就通过炉膛出口进入尾部烟道，因此当进行飞灰含碳量调整试验时，每个工况用时 10～15 min［2］。

2）应尽量选择在调度负荷曲线比较平稳的时段内进行试验。

3）每次试验都选择一个基准工况，然后进行快速取样，要求在10～15 min内就能取到足够数量的飞灰样。

4）由于可以进行快速取样，每天可以进行10～15个工况。得到试验结果后，可以进行重复性试验，以检验试验结果的可靠性。

电厂现有的固定式飞灰取样装置一般为撞击式飞灰取样装置和自吸式飞灰取样装置［3］，这些取样装置取灰代表性差，而且取灰量不可控，很难在短时间内取到足够数量的飞灰样，不能满足快速准确取样的要求。因此研制新型固定式飞灰取样装置，满足快速飞灰取样是进行飞灰含碳量调整试验的前提。

2.2 新型飞灰取样装置的结构和工作原理

新型飞灰取样装置结构如图3所示。主要由取样枪、旋风分离器、取灰罐、法兰座、保温箱、吹扫阀、取样阀、射气抽气器、控制器、控制箱等组成。其工作原理为：控制器发出指令，取样阀打开，压缩空气进入射气抽气器，产生负压。在负压作用下，携带飞灰的烟气进入取样枪，在旋风分离器内发生气固分离，飞灰落入存灰罐，烟气进入射气抽气器与空气混合后重新又排入烟道。当取样一段时间后，控制器发出指令，取样阀关闭，吹扫阀打开，取样装置处于反吹状态，压缩空气通过取样枪反吹进入烟道，装置不再取样。若连续取灰，飞灰取样量过大，因此采用间断取灰方式，即取样和反吹交替进行，取样和反吹的时间间隔可人为设定［4］。

图3 新型飞灰取样装置

2.3 新型飞灰取样装置的技术特点

1）自动化程度高，操作简单，使用方便。采用PLC控制，实现取样和反吹的自动切换。

2）飞灰取样量可控，10 min左右可取飞灰6～8 g，完全满足分析要求。

3）具有防堵功能。采用了特殊的工艺设计，确保烟气中水蒸气不会结露，彻底解决了飞灰取样器积灰堵塞的隐患，极大提高了装置运行的可靠性。

4）取样代表性好。取样位置和取样枪的长度都事先经过飞灰标定试验得到，保证了飞灰取样的代表性。

5）采用压缩空气作为抽吸动力，抽吸量可调，运行可靠性大大增强。

新型飞灰取样装置的成功研制为有效进行飞灰含碳量调整试验创造了条件。

3 锅炉主燃烧区调整试验

机组负荷 320MW 左右，A、B、C、D、E 5 台磨运行，进行了变周界风开度试验、主燃烧区两侧二次风门开度偏置试验、变主燃烧区二次风门开度和变磨煤机出力分配试验。

3.1 变周界风开度试验

周界风可以冷却一次风喷口，防止喷口过热变形；同时可以增强一次风刚性，防止气流偏斜；在煤粉气流着火后，能及时供改给少量二次风，有利于燃烧［5］。变周界风开度试验共进行了3个工况，周界风开度分别为30%、50%、70%，以工况1周界风开度为30%时为基准工况，试验结果见表3。

表3 变周界风开度试验结果

由试验结果可知，周界风开度为30%、50%、70%时，平均飞灰含碳量分别为3.84%、3.49%、3.94%，周界风开度为50%时，平均飞灰含碳量最小。在送风机出力不变的前提下，开大周界风开度，二次风箱压力会降低，整体二次风量会减少，不利于煤粉燃烧，但周界风量增大，可以在煤粉气流着火后及时供给少量二次风，又有利于燃烧。由于同时存在两种相反的作用，所以周界风存在最佳开度。

3.2 主燃烧区两侧二次风门开度偏置试验

在机组负荷320 MW时，A侧空气预热器入口氧量为0.4%，B侧为1.9%，而且平时运行时A侧飞灰含碳量也比B侧大1%左右，两侧氧量和飞灰含碳量存在明显偏差。氧量和飞灰含碳量偏差的存在表明炉内存在严重的风粉不均现象，因此试图通过主燃烧区两侧二次风门的偏置对炉膛出口氧量偏差和飞灰含碳量偏差进行调节。主燃烧区两侧二次风门开度偏置试验共进行了3个工况，以工况4两侧二次风门不偏置试验为基准工况，试验结果见表 4。

表4 主燃烧区两侧二次风门开度偏置试验结果

两侧二次风门完全相同不进行偏置时，两侧二次风门开度分别为100%、100%，两侧空气预热器入口氧量分别为1.0%、2.1%，两侧飞灰含碳量为3.57%、3.19%，两侧飞灰含碳量偏差为0.38%，平均飞灰含碳量为3.38%；A侧偏置开大时，两侧二次风门开度分别为100%、60%，两侧空气预热器入口氧量分别为0.4%、1.8%，两侧飞灰含碳量分别为5.39%、4.32%，平均飞灰含碳量为4.86%。与不进行偏置相比，空气预热器入口氧量偏差略有增大，平均飞灰含碳量增加了1.48%，两侧飞灰含碳偏差增大到1.07%；B侧偏置开大时，两侧二次风门开度分别为60%、100%，两侧空气预热器入口氧量分别为0.8%、1.9%，两侧飞灰含碳量分别为4.61%、3.39%，平均飞灰含碳量为4.0%，与不进行偏置相比，空气预热器入口氧量偏差基本没变，平均飞灰含碳量增加了0.62%，A和B侧飞灰含碳偏差增大到1.22%。

从试验结果可以看出，无论将A侧二次风门开度偏置开大还是将B侧二次风门开度偏置开大，对炉膛出口氧量偏差影响都很小，在二次风门开度偏置时飞灰含碳量都比两边开度均等时大，而且两侧飞灰含碳量的偏差也增大。这说明在两边二次风风门开度相同时，主燃烧区风粉配比基本是均衡的，对两侧二次风门开度进行偏置后，反而会造成局部风粉比例失调，局部严重缺氧，飞灰含碳量增大。因此在炉膛出口氧量存在较大偏差时，用主燃烧区二次风门开度偏置调节不但不会改善氧量偏差，还会造成飞灰含碳量偏差的进一步增大，应维持四角开度一致。

3.3 变主燃烧区二次风量试验

进行变主燃烧区二次风量验时，主燃烧区共有5层一次风运行，7层二次风运行。通过改变各层二次风门开度，改变主燃烧区二次风量，观察对飞灰含碳量的影响，以工况7为基准工况，试验结果见表5。

表5 主燃烧区二次风门开度

由试验结果可知，改变主燃烧区二次风门开度，对飞灰含碳量的影响并不大。由于二次风门开度过小时存在较大的节流损失，因此主燃烧区二次风门最好保持全开。

3.4 变磨煤机出力试验

进行变磨煤机出力试验时，共有5台磨运行，分别采用出力均等和下大上小2种运行方式，观察对飞灰含碳量的影响，以工况12时5台磨出力均等方式为基准工况，试验结果见表6。

变磨煤机出力试验结果表明，采用磨煤机出力均等运行方式，磨煤机平均出力为31～32 t／h，平均飞灰含碳量为3.44%；采用磨煤机出力下大上小运行方式，平均飞灰含碳量为2.49%，与磨煤机出力均等运行方式相比，平均飞灰含碳量下降了0.95%。

表6 变磨煤机出力试验结果

4 锅炉燃尽区调整试验

本次试验机组负荷 320 MW，A、B、C、D 4 磨运行。在上一次试验的基础上，本次主要对燃尽风区域二次风进行了调整，进行了变燃尽风下倾角度试验、燃尽风两侧二次风偏置试验、四层燃尽风不同组合试验。本次试验采用了主燃烧区优化试验得到的一些对降低飞灰可燃物有效的措施，周界风开度保持在50%，主燃烧区四角二次风门开度保持相同，上下保持均等配风。由于是4磨运行，磨煤机出力无法采用下大上小方式，采用4磨出力均等方式。

4.1 变燃尽风下倾角度试验

锅炉共有4层燃尽风，试验时保持下三层全开，最上一层停运，燃尽风分别采用上下摆角水平和下倾5°两种方式，观察对飞灰含碳量的影响，试验结果见表7。

表7 变燃尽风下倾角度试验结果

从表中可以看出，燃尽风上下摆角水平时，平均飞灰含碳量为2.09%，燃尽风下倾5°时，平均飞灰含碳量为1.88%，与燃尽风上下摆角水平时相比，平均飞灰含碳量下降了0.21%。变燃尽风下倾角度试验结果表明，燃尽风摆角下倾，有利于降低飞灰含碳量。

4.2 燃尽风两侧二次风偏置试验

空气预热器入口氧量偏差的存在对炉内燃烧不利，因此有必要采取措施降低氧量偏差。既然主燃烧区二次风门开度对调整氧量偏差效果不大，可以考虑通过燃尽风两侧风门开度偏差进行调节。试验时燃尽风下倾5°，下三层燃尽风全开。燃尽风两侧风门开度偏置试验共进行了3个工况，两侧燃尽风门开度分别为 100%、40%，100%、100%，40%、100%，以两侧燃尽风门开度分别为100%、40%时试验为基准工况，试验结果见表8。

表8 燃尽区两侧风门开度偏置试验

从试验结果可以看出，燃尽区风门偏置试验与主燃烧区二次风风门偏置试验结果差异较大。在A侧燃尽风门开度保持100%、B侧燃尽风门开度保持40%工况下，两侧氧量偏差为0.4%，平均飞灰含碳量为1.88%，均为最小；当两侧燃尽风门开度均为100%时，两侧氧量偏差为0.8%，飞灰含碳量为2.22%，均有所增大；反向偏置，即A侧燃尽风门开度保持40%、B侧燃尽风门开度保持100%工况下，两侧氧量偏差为1.1%，飞灰可燃物含量为2.58%，均为最大。试验结果表明，燃尽区两侧燃尽风门开度正向偏置对减小空气预热器进口氧量偏差具有明显效果，两侧飞灰含碳量偏差也随之减小，平均飞灰含碳量也明显下降。

可见燃尽风两侧二次风正向偏置可有效调节炉膛出口氧量偏差，降低缺氧侧的飞灰可燃物含量。具体方法为：若A侧氧量偏低，应全开A侧3号、4号角各层燃尽风门，将B侧1号、2号角各层燃尽风门关至合适位置；反之，则相反操作。

4.3 四层燃尽风不同组合试验

锅炉低氮燃烧器共设有4层燃尽风，分别采用下三层全开上层停运、四层全开、上三层全开下层停运3种方式进行试验，试验时4磨等出力运行、燃尽风下倾5°，燃尽风门正向偏置运行，A侧燃尽风门开度保持100%、B侧燃尽风门开度保持40%，以下三层全开上层停运工况作为基准工况，试验结果见表9。

表9 四层燃尽风不同组合试验结果

试验结果表明，采用下三层全开方式，两侧氧量偏差为0.4%，平均飞灰含碳量为1.88%；采用四层全开方式，氧量偏差虽然减小至0.1%，但飞灰含碳量增大至2.48%，与采用下三层全开方式相比，增加了1.6%；采用上三层全开方式，氧量偏差和飞灰含碳量都居中，分别为0.5%和2.29%。在四层全开运行方式下，飞灰含碳量增大，应为燃尽风比例过大，主燃烧区缺氧加重造成。可见为降低飞灰含碳量，采用下三层全开方式最好。

5 结语

主燃烧区优化调整结果表明，周界风开度50%时飞灰含碳量最小；主燃烧区二次风偏置会造成飞灰含碳量升高；改变主燃烧区二次风门开度对飞灰含碳量影响不大；下大上小的磨煤机出力分配可明显降低飞灰含碳量。燃尽风区的优化调整结果表明，燃尽风适当下倾和燃尽区二次风正向偏置可降低飞灰含碳量；下三层SOFA全开时飞灰含碳量最小。与优化调整前相比，1号锅炉飞灰含碳量平均下降了1%，试验取得了良好的效果。