1、前言
    大唐湘潭發電有限責任公司（以下簡稱“湘潭電廠”）二期工程為2 x600 MW機組超臨界對沖燃燒直流鍋爐，已于2006年投產。近幾年還將有一批超臨界鍋爐投產，這些鍋爐盡管設計燃用優質貧煤或煙煤，但實際上已燃用或將要燃用本省低揮發分無煙煤或劣質混煤，因此有必要全面系統地研究600 MW機組超臨界對沖燃燒鍋爐對低揮發分無煙煤或劣質混煤的適應性及燃燒優化技術，從而提高其對低揮發分無煙煤或劣質煤以及煤質大幅度波動的適應性，保證湖南省600MW超臨界對沖燃燒鍋爐安全穩定經濟運行。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
2、超臨界直流鍋爐燃燒方式比較
    因燃用煙煤、貧煤的超臨界機組主要采用切圓燃燒與對沖燃燒2種方式，以下對這2種燃燒方式進行比較：
2.1著火穩燃條件分析
    切圓燃燒是直流射流本身的卷吸和依靠鄰角上游火焰對下游煤粉射流的引燃著火，又可控制二次風與一次風粉混合的時機來適應不同燃料的著火性能，可以采用煙氣內回流和煤粉濃淡分離來強化著火；旋流燃燒器對沖燃燒則是依靠燃燒器本身回流卷吸高溫煙氣，有較好的著火穩燃能力，并通過濃淡分離來強化著火。從實際運行情況看，這2種燃燒方式著火穩定性基本相同，若煤種變化和煤質下降時，切圓燃燒方式的適應能力要強一些。
2.2燃料燃盡度和燃燒效率
    雖然切圓燃燒的后期混合較對沖燃燒強烈，對貧煤燃燒有利，這2種燃燒方式對煙煤來說影響不大。由于大型鍋爐爐膛容積大、煤粉停留時間長，若煤粉細度得到保證，兩者燃燒效率均高于gg%。
2.3結渣與腐蝕
    切圓燃燒易產生氣流貼墻，因而比對沖燃燒容易結渣和腐蝕，特別是燃用貧煤時由于燃燒延遲和二次風與一次風的動量流率比大，使得火焰刷墻，導致結渣與腐蝕。
2.4NOx排放
    切圓燃燒中的空氣與煤粉是逐漸混合，溫度峰值低，熱力NOx濃度低，并在大型鍋爐上可以采用低NOx措施。而對沖燃燒不僅存在局部高溫，又由于后期混合差存在局部高氧區，加上各燃燒器之間風粉分配不均，故NOx排放偏大。
2.5熱偏差
    切圓燃燒由于爐膛出口氣流的殘余旋轉造成過熱器與再熱器左右兩側的熱偏差，但可以通過煙氣側和蒸汽側采取措施來解決。而對沖燃燒爐膛出口煙溫比較均勻。
2.6綜合分析
    綜上所述，從煤種適應性和NOx的排放來看，切圓燃燒優于對沖燃燒。從結渣與腐蝕和熱偏差來看，對沖燃燒優于切圓燃燒。
3、湘潭電廠超臨界鍋爐簡介
    湘潭電廠2 x 600 MW機組超臨界鍋爐系東方鍋爐（集團）有限公司生產的DG1900/25.4 -Ⅱl型超臨界參數變壓直流本生鍋爐，前后墻對沖燃燒，配正壓直吹式制粉系統。每臺爐共配有24個BHDB公司生產的HT-NR3型旋流煤粉燃燒器，與之配套的是6臺沈陽重型機械廠生產的BBD4060雙進雙出磨煤機。設計燃用貧煤與煙煤的混煤，但實際上主要燃用低揮發分無煙煤和劣質貧煤。
3.1HT-NR3燃燒器性能
    鍋爐采用HT-NR燃燒器，該燃燒器應用NOx焰內還原技術，在不降低火焰溫度的同時使得NOx的排放急劇減少，較好地解決了NOx排放與未燃盡碳損失這一對矛盾，達到高效率、低NOx排放燃燒。
3.2利用火焰中NOx還原技術
    在HT - NR燃燒器中，旋流燃燒器能夠單獨控制火焰結構，用于加速火焰內的NOx還原。在含有固有氮化物的煤中，這個還原方法是很有效的，因為煤中固有氮化物可快速轉變成氣相，使得這種化學反應過程更容易。通過控制燃燒進程，產生還原性媒介質與生成的NO反應化合，在火焰內完成了NO的還原，同時火焰被維持在一個高溫下，避免發生延遲燃燒。
3.3煤粉濃縮器和穩燃環
    煤粉濃縮器安裝在煤粉燃燒器的中心，煤粉燃燒器末端的斷面是逐漸擴展的。煤粉粒子具有相對高的動量，具有沿直線運動的特性。空氣具有較低的動量，運動中趨于進入噴口中心。通過煤粉粒子和空氣的動量的差異，煤粉粒子聚集在穩燃環附近。高煤粉濃度實現了快速點燃，提高了火焰的穩定能力。
    火焰穩燃環裝在煤粉噴口的末端。在HT - NR燃燒器中，靠近燃燒器處有1個負壓區，熱煙氣回流促進著火并提高了燃燒效率。同時，在穩燃環中安裝了導流環，可使二次風和三次風向外擴展。因此，火焰還原區域擴大，火焰長度被縮短，擴大的還原區域提高了“焰內還原NOx”的能力。
4、鍋爐對煤種適應性的分析
以cl，CB，Cs分別表示鍋爐著火穩定性、燃盡性和結焦性常數。它綜合了燃料和結構的特性，是鍋爐在一定燃料和一定結構條件下的著火、燃盡和結焦特性的表征值。其范圍為：
  通過對比可以看出：湘潭電廠600 MW機組鍋爐C大于其他鍋爐，遠大于上限值2. 055，因此鍋爐的燃盡性相對其他鍋爐優勢明顯；由于未加衛燃帶，著火穩定性相對其他鍋爐沒有優勢；防結焦性在正常范圍內。
5、鍋爐爐內燃燒過程的數值模擬研究
5.1額定負荷鍋爐爐內速度場結果分析
  二次風進入爐膛后貼向水冷壁，一次風在爐膛中具有很強的剛性，但不會出現火焰直接沖擊對面水冷壁的情況，燃燒區域具有很大的回流區。中部氣流有擠向側墻的情況，且在爐膛四角出現漩渦。在OFA截面，燃盡風有很強的剛性，吹向爐膛中部。
5.2額定負荷鍋爐爐內溫度場結果分析
    圖2為額定負荷時鍋爐中層燃燒器區域的溫度圖。從圖中可以看出，由于旋流燃燒器是單只組織燃燒，因此爐膛內溫度總體上呈對稱分布。模擬計算結果表明：上、中、下層溫度分布特點相同，在燃燒器出口處的溫度變化梯度較大，溫升快，保證了煤粉氣流的及時著火，爐膛中心區域燃燒最為劇烈，最高點溫度達到1600℃，爐膛火焰充滿度良好；下層燃燒器區域爐膛溫度略顯偏低，由于在上一層燃燒器受到下層燃燒器火焰的支持，煙氣溫度要明顯高于下層，在燃盡風區域溫度達到最高，隨后煙氣溫度逐步降低。
5.3額定負荷NOx分布
    NOx濃度與過量空氣系數、燃燒溫度和煤的含氮量有關，NOx濃度與溫度變化趨勢一致。在燃燒器和燃盡風之間的還原區域NOx濃度達到最大，然后逐步降低，在爐膛出口NOx濃度達到最低值491mg/Nm3，與實驗值(510mg/Nm3)大致相符。
5.4結渣的部位和程度模擬結果
    結渣模擬表明，前后墻有輕微的結渣傾向，側墻結渣傾向更大一些，在側墻燃燒器高度，由于高溫煙氣回流帶動煤粉粒子刷墻造成結渣。
5.5增加衛燃帶模擬結果及對比
    圖3為在下層燃燒器高度和中層燃燒器高度增加350m2衛燃帶的溫度場模擬結果，通過與圖2的對比可以看出，增加衛燃帶后爐膛斷面高溫區增加，整體溫度水平有近100℃的上升，爐膛溫度偏低的狀況有明顯改善。因此，建議在燃燒器區域加裝衛燃帶。
6、燃燒優化試驗研究
    湘潭電廠超臨界鍋爐設計燃用煙煤和貧煤的混煤，實際燃用的煤種較雜，基本為少量煙煤及本省劣質貧煤和晉城無煙煤的混煤。試驗期間煤質工業分析數據見表3。由于無煙煤比例較大、燃盡特性差，燃燒優化調整試驗的重點是針對無煙煤的特性解決鍋爐運行經濟性問題。
6.1預備性試驗
    燃燒調整試驗前進行了預備性試驗，試驗在不做任何調整的情況下進行，試驗飛灰和爐渣可燃物含量分別為7.80%，11. 26%，排煙溫度149℃，鍋爐效率89.32%。
6.2變氧量試驗
  560 MW以上負荷下變氧量試驗工況。按氧量由小到大排列，省煤器出口氧量分別控制在2.5 %，3.0%，3.5%．4.0%，飛灰可燃物含量分別為7.55%．7.46%．4.72%，6.62%。隨氧量增大，飛灰可燃物含量降低，機械不完全燃燒損失q4減少。這是由于試驗煤種中無煙煤占有較大比例，煤粉較難燃盡，適當提高氧量有利于充分燃燒；但氧量過高（高于4.0%）不利于煤粉著火，飛灰可燃物反而升高。
6.3變外=次風（即三次風）葉片角度試驗
    燃燒器三次風為旋流風，三次風的作用主要是卷吸高溫熱煙氣并補充燃燒所需的空氣，它在燃燒器風量中占的比例最大，對煤粉燃燒起關鍵作用。
    三次風葉片角度分別為45%，55%，65%，飛灰可燃物含量分別為7. 88%，7.03%，7.83%，排煙溫度分別為150.6℃．148.5℃，149.8℃。可見三次風葉片角度變化對鍋爐經濟性有一定的影響。三次風葉片角度關小至45%，燃燒器風量減少，飛灰可燃物含量升高，鍋爐效率明顯降低；三次風葉片角度開大至65%，旋流強度降低，同樣飛灰可燃物含量升高。因此在試驗煤質情況下，三次風葉片角度的調整應綜合考慮燃燒器風量和旋流強度2個方面，在55%左右葉片角度下，煤粉燃盡效果較好。
6.4變燃盡風門開度試驗
    不同燃盡風門開度可改變燃盡風量和燃燒器風量的分配比例。試驗分100%，50%，40%3個工況，飛灰可燃物含量分別為6.12%，7.26%，7.06%。燃盡風門全開工況的飛灰可燃物含量明顯低于其它2個工況，這主要是對試驗煤質來說，燃盡風比例增大可降低燃燒器區域風量，有利于煤粉著火和穩燃效果，同時后期風量充足有利于燃盡。
6.5變燃盡風門葉片角度試驗
    改變燃盡風噴口二次風和三次風調風器角度可改變燃盡風量和旋流強度。2個工況燃盡風調風器角度分別在25%，50%，飛灰可燃物含量分別為6.12%．6.30%。2個工況飛灰可燃物含量沒有明顯變化，排煙損失也接近。
6.6變二次風套簡位置試驗
    二次風套筒主要調節燃燒器內外二次風的比例，起到控制燃燒初期氧量供應的作用。變二次風套筒位置試驗工況開度分別在1OO%，65%，飛灰可燃物含量分別為5.02%，4.93%，爐渣可燃物含量分別為4.00%．6.34%，排煙溫度分別為133.47℃．136.15℃；2個工況飛灰可燃物含量接近，100%開度下爐渣可燃物含量和排煙溫度略低。
6.7變煤粉細度對比試驗
    2個工況煤質、配風工況基本相同，煤粉細度R90分別為17.6%和12.4%，飛灰可燃物含量分別為7. 46%5.61%，爐渣可燃物含量分別為18.ll%．8.10%，試驗結果表明煤粉細度提高后煤粉的燃盡效果好，灰渣可燃物含量明顯降低。
6.8優化調整試驗
    針對前一階段試驗結果，試驗人員進行了分析和優化調整，并進行了3個工況的優化調整試驗。3個工況鍋爐效率平均91.4%，比預備性試驗約提高了2%。
    經過優化調整飛灰可燃物含量在4.0%一5.0%范圍內，達到設計要求。煤粉細度R90盡量控制在12%左右較好，氧量適當提高飛灰可燃物含量明顯降低（省煤器出口氧量應控制在3.5%左右），三次風葉片角度在中間位置飛灰可燃物含量有所降低，燃盡風擋板開度應大于60%。各調整工況對排煙溫度的影響不太明顯。
6.9存在的問題和建議
    對灰渣可燃物化驗結果表明，爐渣可燃物含量明顯偏高（平均在10%左右）。主要原因有2個方面：a．混煤中無煙煤（如晉城煤和志城煤）較難研磨，爐渣中無煙煤粗顆粒較多；鑒于目前人爐煤中無煙煤比例不斷加大，要保證鍋爐經濟性必須進一步控制煤粉細度，煤粉細度R90必須控制在12%以下。b．下爐膛溫度偏低，煤粉粗顆粒燃盡困難。試驗測得3層燃燒器區域溫度平均約1100℃左右，燃盡風區域I 350℃左右，明顯偏低，通過燃燒調整手段提高爐膛溫度效果不明顯，建議在燃燒器區域適當敷設衛燃帶。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
7、技術(改造）措施
7.1油槍霧化片更換：在機組調試初期，通過將啟動油槍霧化片更換為3 200 kg/h和2400 kg/h這樣2種規格，達到了省油和保證霧化效果的目的；將下排點火油槍霧化片更換為500 kg/h，提高了煤粉著火和穩燃性能。
7.2鍋爐啟動超溫問題的解決：首次采用修改鍋爐啟動控制曲線、增大高低壓旁路開度、增加主蒸汽流量、投入減溫水的方法，成功解決了該類型超臨界鍋爐啟動超溫的問題，該方法的有效性、經濟性和安全性明顯。
7.3鍋爐制粉系統設備改造：雙進雙出磨煤機直吹式制粉系統普遍存在分離器和回粉管易堵塞、煤粉細度無法調整等問題，通過對磨煤機分離器和回粉管進行定期清理，同時對分離器進行2級分離改造，煤粉細度得到有效控制，從而保證了鍋爐燃用無煙煤時燃燒穩定性和經濟性。
8、結論
    通過對湘潭電廠國產600MW超臨界鍋爐燃燒特性的理論研究和燃燒優化試驗研究，找出了在燃用劣質煤條件下鍋爐的經濟運行方式，解決了湘潭電廠600 MW超臨界鍋爐由于煤質嚴重偏離設計要求出現的帶負荷能力差、飛灰可燃物含量高等難題，鍋爐效率提高了2.08%；提出并實施的技術（改造）措施簡單可行，解決了生產實際問題，為鍋爐安全穩定經濟運行創造了有利條件。