0 设备概述

　　某厂410t/h锅炉炉膛截面为10.32×9.04m，小切角正方形炉膛。炉室净高34.1m，炉膛截面积为93.3m2，炉膛容积2325m3，上层一次风至屏底距离13.2m，下层一次风喷口至灰斗拐角距离2.52m。炉膛截面热负荷为3.38MW/m2，容积热负荷为135.64Kw/m3，炉膛出口温度940℃。

　　项目名称符号单位原设计煤质改造设计煤质改造校核煤质

　　工业与元素分析收到基低位热值Qnet.arekj/kg194901825016990

　　收到基水份War%15.3126.817.80

　　干燥无灰基挥发份Vdaf%26.6436.8537.97

　　收到基灰份Aar%18.769.5422.93

　　收到基碳Car%51.2150.2344.91

　　收到基氢Har%3.732.822.19

　　收到基氧Oar%9.378.849.159

　　收到基氮Nar%0.80.550.91

　　收到基硫Sar%0.821.221.28

　　可磨系数HGI 598672

　　变形温度DT℃109011301290

　　软化温度ST℃116811401320

　　熔化温度FT℃118911601350

　　煤灰中矿物组成二氧化硅SiO2%46.0330.1844.57

　　三氧化二铝AL2O3%28.128.6626.14

　　三氧化二铁Fe2O3%5.8814.517.37

　　氧化钙CaO%8.0218.287.71

　　二氧化钛TiO2%0.740.581.28

　　氧化钾K2O%1.10.720.98

　　氧化镁MgO%0.707.951.51

　　氧化钠Na2O%0.620.510.50

　　三氧化硫SO3%7.6818.107.25

　　二氧化锰MnO% 0.0860.092

　　1 锅炉增容存在的问题

　　锅炉蒸发量有MCR和BMCR两种工况，当锅炉负荷高于BMCR工况时称为超出力运行，超出力运行可能会出现如下问题：

　　1.1由于燃料量增加，炉膛容积热负荷相应增大，炉内及炉膛出口烟温均升高，会导致过热汽温、过热器管壁温度升高。对于燃煤锅炉，由于炉膛容积热负荷的增大，使炉内结焦的可能性增大;

　　1.2锅炉蒸发系统内工质流速升高、流动阻力增大，对水循环不利，应特别注意监视水循环较差的部位;

　　1.3过热器内工质流量增加、流动阻力升高，汽包至过热器出口间的压差增大，使汽包及联箱的承受力升高，必须考虑承压部件的强度问题;

　　1.4汽包的蒸发空间容积负荷、蒸发面负荷均增大，饱和蒸汽带水量将增多，从而影响蒸汽品质;

　　1.5锅炉安全门的总排汽量是按BMCR工况设计的，超出力运行时若机组甩负荷，安全门虽全部开启也难保证汽压能迅速下降，这时必须借助开启对空排汽门来保证锅炉安全;

　　1.6由于燃烧所需的空气量及产生的烟气量增加，一旦引送风机均在最大出力下运行仍不能保证风量时，将影响燃烧工况及增加结焦的风险;另外由于烟气流速升高，受热面的飞灰磨损程度将加剧;

　　1.7超出力运行时，排烟温度将升高、排烟损失增加;燃料在炉内的停留时间缩短，导致机械不完全燃烧损失增加，从而导致锅炉效率降低。

　　2 锅炉增容8%的可行性分析

　　锅炉从410t/h增容至442t/h运行时，锅炉的风量、烟气量、燃煤量、给水量等都会相应增加，锅炉对负荷变化的适应情况分析如下：

　　2.1煤质指数分析

　　锅炉设计都是建立在原设计煤质的基础之上，若煤质发生较大变化，一般而言对锅炉的运行都会带来较大的影响。本次改造为了准确判断煤质变化对锅炉的影响，首先对煤质进行分析，以作为增容可行性分析的基础。根据煤质资料可得出如下结论：

　　项目符号判别标准数值结论

　　设计煤质校核煤质设计煤质校核煤质

　　着火稳定性指数RwRw<4.02极难着火5.585.73易着火极易着火

　　4.02≤Rw<4.67难着火

　　4.67≤Rw<5.00中等着火

　　5.00≤Rw<5.59易着火

　　Rw≥5.59极易着火

　　燃烬性指数RjRj<2.5极难燃烬5.275.58易燃烬极易燃烬

　　2.5≤Rj<3.0难燃烬

　　3.0≤Rj<4.4中等燃烬

　　4.4≤Rj<5.29易燃烬

　　Rj≥5.29极易燃烬

　　结焦性指数RzRz≤1.5轻微4.293.94严重严重

　　1.5

　　1.75≤Rz≤2.25中等

　　2.25

　　Rz≥2.5严重

　　灰的沾污指数HwHw<0.2轻微沾污0.540.41易沾污中等沾污

　　0.2≤Hw<0.5中等沾污

　　0.5≤Hw<1.0易沾污

　　Hw≥1.0严重沾污

　　灰的磨损指数HmHm<10轻微磨损5.19.01轻微磨损轻微磨损

　　10≤Hm≤20中等磨损

　　Hm>20严重磨损

　　综合上述煤质分析可见，现设计煤质与校核煤质都属于易着火、燃烬、轻微磨损的煤质，但灰的结焦和沾污指数偏高，属于易结焦沾污的煤种。由于原设计煤种没有灰成分数据，所以暂时无法判断有关特性，但从改造煤质的DT、ST、FT数据上可以初步判断和现有煤种一样为易结焦煤种。

　　2.2炉膛热力性能

　　2.2.1 锅炉负荷增加，导致耗煤量增加，炉膛热负荷灰相应上升。

　　容积热负荷qv：对于布置角置式直流燃烧器的煤粉锅炉炉膛容积热负荷的选用范围是：燃用无烟煤qv=120～150Kw/m³、贫煤qv=120～165Kw/m³、烟煤qv=140～200Kw/m³、褐煤qv=90～120Kw/m³。

　　改造煤质为高水分、高挥发份烟煤，410t/h负荷时qv=135.7 Kw/m³，442 t/h负荷时qv=148.7 Kw/m³.增容后炉膛容积热负荷处于范围内偏低，燃料在炉膛内停留时间较长，对燃料的燃烬无影响。

　　辐射受热面积热负荷qh ：由于负荷增加，燃煤发热量增加，辐射受热面积热负荷也会相应上升，如果没有足够的辐射受热面积，qh过大，会导致火焰和烟气得不到足够冷却，会在水冷壁和炉膛出口附近结焦。对于不同负荷炉膛辐射受热面积热负荷上限见下表：

　　锅炉容量(t/h)1302204106701000

　　Qh上限(Kw/m2)253262297336349

　　本锅炉410t/h负荷时，qh=140.5Kw/m2，442t/h负荷时，qh=149.3Kw/m2，均远小于410t/h锅炉qh上限。

　　燃烧器区域断面热负荷qr：由于燃料大部分集中在燃烧器区域燃烧，此处局部热负荷最大，火焰温度最高，及时整个炉膛内辐射受热面积足够，但在燃烧器区域水冷壁上仍然存在结焦危险。所以，锅炉负荷增加时要考虑到燃烧器附件局部特性，燃烧器区域断面热负荷越大，燃烧器区域水冷壁结焦风险越大。常规布置角置式燃烧器锅炉燃烧器区域断面热负荷上限值见下表：

　　锅炉容量(t/h)6575130240410670

　　qr上限

　　(MW/m2)ST≤1300℃1.771.842.132.793.653.91

　　ST≈1350℃2.092.122.563.373.494.65

　　ST≥1450℃2.372.442.953.915.125.44

　　本锅炉410t/h负荷时，qf=3.38MW/m2，增容后442t/h负荷时，qf=3.71MW/m2，锅炉燃用煤质灰熔点温度ST为1140℃，对于燃烧器区域断面热负荷上限值为3.65MW/m2。可见，当锅炉增容至442t/h时，断面热负荷略高于上限值，存在一定的结焦风险。

　　燃烧器区域壁面热负荷qR：qR也是影响燃烧器区域温度水平的主要参数，有时也用来考虑燃烧器区域水冷壁内产生膜态沸腾的可能性。Qr值越大说明火焰越集中，燃烧器区域温度水平就越高，这对于燃料稳定着火是有利的。但容易造成燃烧器区域的壁面结焦。

　　对于100MW级以上的机组配置煤粉锅炉，qr值推荐为：无烟煤及贫煤1.4～2.1MW/m2、烟煤1.28～1.40 MW/m2、褐煤0.93～1.16 MW/m2。本工程锅炉410t/h负荷时qr=1.408 MW/m2，增容至442t/h负荷时qr=1.542MW/m2。比对烟煤对应的qr推荐值，燃烧器区域壁面热负荷都处于较高的水平。为此，燃烧器在设计时已充分考虑燃烧器区域防止结焦的措施。

　　2.2.2 锅炉负荷的增加，炉膛出口烟温会相应发生变化。模拟锅炉目前运行410t/h负荷炉膛出口烟温为1007℃。当前锅炉负荷增加至442t/h运行时炉膛出口烟温升至1031℃，增幅较小。目前煤质灰的DT温度为1130℃，ST温度为1140℃，结焦风险较小。

　　因锅炉以屏式过热器出口作为炉膛出口，由于屏式过热器的间距为720mm，屏式过热器不易发生结焦现象，而屏式过热器出口烟温都低于950℃，屏式过热器后的高温过热器发生结焦的可能性不大。

　　2.3 烟气流速

　　烟气流速的选择受到安全性和经济性的影响。烟气流速过低，对流传热系数低，受热面利用率低，且灰粒易于沉积在受热面上，加重受热面污染。一般锅炉在额定负荷下，对于横向冲刷的对流受热面，烟气速度应大于6m/s。但是，烟气流速的上限受到飞灰磨损的限制，由于管壁的磨损速度与烟气流速的三次方成正比。因此，在烟温小于700℃，灰粒相对较硬的区域，对于一般煤种烟速取为9～10m/s，对于多灰燃料烟速取为7～8m/s。

　　锅炉增容442t/h后由于烟气量增加，烟气流速会相应升高，高温过热器区域烟速9.37m/s(原设计8.9m/s)，低温过热器区域烟速9.89m/s(原设计9.2m/s)，二级省煤器8.13 m/s(原设计7.4m/s)，一级省煤器7.55 m/s(原设计6.8m/s)。由于燃用煤质属于高水分、低灰分煤种，锅炉增容后烟速的提高对受热面的磨损影响较小。

　　2.4 工质速度

　　受热面中水和蒸汽的质量流速对受热面运行的安全性和经济性有很多影响。以过热器为例，如果蒸汽流速过低，蒸汽的对流传热系数下降，过热器的管壁温度升高，存在爆管的危险;反之，如果流速过高，则蒸汽的流动阻力很大，压力损失增大。对于对流式过热器内工质质量流速一般取为500～1000Kg/(m2s) ，屏式过热器800～1000Kg/(m2s)，辐射式过热器1000～1500Kg/(m2s)。

　　锅炉增容至442t/h后，屏过蒸汽流速998Kg/(m2s)、高过683Kg/(m2s)、低过734Kg/(m2s)。

　　2.5 磨煤机

　　目前锅炉在410t/h运行时，模拟计算的燃煤消耗量为62.42t/h。当负荷增加至442t/h时，计算燃煤消耗量为68.07t/h，煤耗量增加约9.1%，在磨煤机负荷裕度允许范围之内。

　　2.6 送、引风机

　　锅炉负荷增加至442t/h后，烟气侧阻力为2184Pa，较锅炉原设计增加326Pa，空气侧阻力1060Pa、比锅炉原设计增加154Pa，增幅较小。风机选型时均考虑有储备系数，出力不受影响。

　　3 改造方案

　　3.1本锅炉设计容积热负荷为135Kw/m³，低于极限增容热负荷150Kw/m³，理论上具有增容10%的潜力;

　　3.2重新设计燃烧器，采用双尺度低NOx燃烧技术。一次风采用煤粉风室百叶窗分离垂直浓淡式燃烧器，一次风喷口加装波纹形稳燃钝体，加大烟气回流量。

　　在水平断面上，一次风射流夹角进行微调, AA、DD层二次风、SOFA燃尽风与一次风射流方向一致，在炉内形成Φ792mm的逆时针切圆。AB、BC、CD层二次风与一次风射流呈4°夹角、顺时针反向切入，形成横向空气分级;

　　在主燃烧器上方4.7m处布置3层分离SOFA喷口、角式布置。SOFA燃尽风的取风口位于炉膛四角大风箱上，保证分配足量的燃尽风量，SOFA喷口可同时作上下左右摆动;

　　重新风量分配，总体上一、二次风率及风速仍与原燃烧器设计参数相近。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;

　　降低燃烧器标高，充分腾出燃烧器区域辐射吸热空间。将A层燃烧器中心线距冷灰斗拐点距离由2.52m降至2.27m、并对燃烧器喷口间距进行压缩，以降低燃烧器整体高度，改造后A～D层一次风燃烧器分别降低0.25m、0.35m、0.45m和0.55m。

　　4结论

　　综上分析，本锅炉具备增容8%的能力，锅炉负荷由410t/h增容至442t/h运行时，锅炉各运行参数基本满足设计要求，不影响锅炉安全稳定运行，燃烧器改造后，已充分考虑通过燃烧器布置和结构设计，降低燃烧器区域水冷壁结焦的风险。

　　由于烟气量的增加，锅炉各级烟温都略有上升，排烟温度也有相应升高，锅炉设计效率略微降低。同时由于煤种结焦性强，除燃烧器采用了必要措施外，实际运行中应视结焦情况对炉膛水冷壁进行吹灰，以减轻结焦和控制炉膛出口烟温在安全运行范围内。