600 MW機組中心給粉旋流燃燒技術(shù)改造試驗研究

張 騫，徐有寧，關(guān)風(fēng)一

(沈陽工程學(xué)院a.研究生部;b.能源與動力學(xué)院，遼寧 沈陽110136)

1 中心給粉旋流燃燒技術(shù)

中心給粉旋流燃燒器結(jié)合了徑向空氣分級技術(shù)和濃淡燃燒技術(shù)的優(yōu)點，并與OFA系統(tǒng)相結(jié)合。利用中心給粉燃燒技術(shù)對某600 MW機組的鍋爐燃燒系統(tǒng)進行改造，改造后通過改變二次風(fēng)和燃盡風(fēng)量進行優(yōu)化試驗，得到最優(yōu)的NOx排放量和鍋爐效率。

2 鍋爐改造前的基本情況

機組裝機容量為600 MW，鍋爐為HG-1956/25.4-YM1型超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，雙進雙出鋼球磨冷一次風(fēng)機正壓直吹式制粉系統(tǒng)，32只低NOx軸向旋流煤粉燃燒器(LNASB)，分4層布置于前后墻，對沖燃燒，上層14只燃盡風(fēng)噴口對沖布置于前后墻。尾部布置雙煙道，利用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫，采用噴水減溫方式控制過熱汽溫，空氣預(yù)熱器為容克式三分倉回轉(zhuǎn)式，鍋爐一次再熱。鍋爐的設(shè)計煤種、校核煤種均為現(xiàn)場目前燃用的義馬、山西和陜西煤種的混煤。改前鍋爐的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.2 空氣分級燃燒技術(shù)

為了強化主燃區(qū)的還原性氣氛，在改造過程中，將布置在前、后墻燃燒器正上方的14只燃盡風(fēng)裝置進行更新，擴大燃盡風(fēng)噴口面積，將燃盡風(fēng)率增加到總風(fēng)量的23.82%。每個燃盡風(fēng)裝置的配風(fēng)均由直流二次風(fēng)和旋流二次風(fēng)組成。燃盡風(fēng)中心為直流二次風(fēng)，這部分氣流剛性大、擴散衰減速度慢，可以直接穿透上升煙氣直達(dá)爐膛中心部位，不會造成爐膛中央缺氧;外層為旋流二次風(fēng)，其擴散角大、衰減速度快、剛性弱，能夠與爐膛前、后水冷壁附近的上升煙氣迅速、均勻地混合，不會造成靠近壁面附近的部位缺氧。通過改變直流二次風(fēng)和旋流二次風(fēng)的比例及旋流強度，可達(dá)到使煤粉最大限度地燃盡并抑制NOx生成的效果。

表1 改前鍋爐BMCR工況主要參數(shù)

在主燃區(qū)除最下層4只燃燒器外，其余燃燒器改為中心給粉燃燒器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。中心給粉旋流燃燒器采用雙調(diào)風(fēng)形式，內(nèi)層為軸向彎曲葉片，葉片不可調(diào);外層為直葉片，葉片可調(diào);內(nèi)、外二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)方向相同。內(nèi)二次風(fēng)引燃煤粉，外二次風(fēng)補充空氣，實現(xiàn)軸向的空氣分級。煤粉噴入的位置正對中心回流區(qū)的中心部分，增加了穿過回流區(qū)的煤粉量，延長了煤粉在回流區(qū)的停留時間，增加了煤粉在還原性氣氛的停留時間，有效地減少NOx的生成。

圖1 中心給粉燃燒器結(jié)構(gòu)

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 冷態(tài)實驗及參數(shù)的確定

在現(xiàn)場冷態(tài)空氣動力場試驗中，利用熱線風(fēng)速儀和等溫?；夹g(shù)測量并得到燃燒器及微油燃燒器的一次風(fēng)速和內(nèi)、外二次風(fēng)速。利用燃燒器飄帶流場示蹤實驗和粉末示蹤試驗對燃燒器出口流場進行測量并觀察燃燒器的回流區(qū)特性。在外二次風(fēng)葉片角度分別為40°、35°和45°時，中心回流區(qū)的直徑和長度分別為1 200～1 600 mm。

通過粉末示蹤試驗，燃燒器?；淮物L(fēng)速為16 m/s時較為合理，可以攜帶粉末到達(dá)爐膛中心，燃燒器不存在刷墻現(xiàn)象，不會造成水冷壁結(jié)渣。

4.2 鍋爐熱態(tài)試驗結(jié)果及分析

熱態(tài)試驗除了探究不同工況下NOx的生產(chǎn)量以外，還將飛灰含碳量、爐渣含碳量及不同工況下?lián)圃鼨C運出的爐內(nèi)掉焦情況進行比對。

4.2.1 二次風(fēng)擋板開度的選取

1)二次風(fēng)量由二次風(fēng)擋板控制，在二次風(fēng)量達(dá)到設(shè)計值(即1 286 t/h)并保證射流強度的情況下，滿負(fù)荷時，二次風(fēng)擋板需全開。

2)內(nèi)二次風(fēng)設(shè)有擋板，調(diào)節(jié)內(nèi)風(fēng)風(fēng)率配比。在改造過程中，保證二次風(fēng)擋板全開，內(nèi)、外二次風(fēng)葉片角度和燃盡風(fēng)噴口參數(shù)不變，考察內(nèi)二次風(fēng)擋板開度分別為60%、80%、100%時NOx的生成量，其結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)率增加時，內(nèi)二次風(fēng)與一次風(fēng)混合加快，一次風(fēng)粉加快向二次風(fēng)中的擴散，并且二次風(fēng)風(fēng)率的增加使射流的旋流強度和回流區(qū)的徑向尺寸增加，使更多煤粉有機會進入回流區(qū)，利于穩(wěn)燃和抑制NOx的產(chǎn)生。但是由于內(nèi)二次風(fēng)對一次風(fēng)的拉動作用使煤粉向外擴散的能力增強，使回流區(qū)內(nèi)的煤粉濃度減少，在還原性氣氛中燃燒的煤粉顆粒減少，使NOx的生成量相對增加，而且內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)量的增加也使氧量增加，減弱了還原性氣氛，進而增加NOx的生成量。由此可見，內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)率對NOx的影響不可能是上面兩種現(xiàn)象相互作用的結(jié)果。內(nèi)二次風(fēng)擋板開度的增加，使回流區(qū)起點位置前移，加劇燃燒器噴口的結(jié)渣問題，因此，內(nèi)二次風(fēng)擋板的最佳開度選擇為60%。

圖2 內(nèi)二次風(fēng)擋板開度對NOx生成率的影響

4.2.2 二次風(fēng)角度的選取

外二次風(fēng)葉片角度對燃燒器噴口射流的旋流強度、射流擴展角和回流區(qū)徑向大小等都有重要的影響。外二次風(fēng)葉片角度增大，回流區(qū)徑向范圍減小，射流擴展角也減小，不利于穩(wěn)燃;外二次風(fēng)葉片角度減小，利于穩(wěn)燃，但會增強二次風(fēng)對一次風(fēng)在徑向的拉動作用，使煤粉顆粒向外擴散，造成水冷壁結(jié)渣以及高溫腐蝕等問題。類似的內(nèi)二次風(fēng)葉片角度對燃燒器回流區(qū)的起點位置、燃燒器回流區(qū)的長度、一次風(fēng)與二次風(fēng)的前期混合也有一定影響。

內(nèi)二次風(fēng)葉片角度增大，回流區(qū)的起點隨之前移并且回流區(qū)的徑向范圍增大，利于穩(wěn)燃。但會使葉片間的通道變小，阻力變大，并且回流區(qū)起點位置的前移會導(dǎo)致著火點前移，容易引起燃燒器噴口結(jié)渣;內(nèi)二次風(fēng)葉片角度減小，則回流區(qū)起點隨之后移并且回流區(qū)的徑向范圍減小，不利于穩(wěn)燃。

在電廠實際改造中，內(nèi)二次風(fēng)葉片角度不可調(diào)，外二次風(fēng)葉片角度可調(diào)。因此，外二次風(fēng)葉片的參數(shù)作為控制回流區(qū)特性、射流強度、射流擴展角的唯一參數(shù)。結(jié)合冷態(tài)實驗結(jié)果，考察熱態(tài)情況下外二次風(fēng)葉片角度為40°和45°時燃燒器著火點的位置及NOx的生成量。每層選取一支前墻燃燒器(編號為1～4)和一支后墻燃燒器(編號為5～8)測量著火點，結(jié)果如表2所示。

外二次風(fēng)角度越大，回流區(qū)起點越后移，導(dǎo)致著火點位置越后移。隨著外二次風(fēng)角度增大，回流區(qū)徑向尺寸變小，導(dǎo)致NOx的生成量增加。外二次風(fēng)角度為40°時，燃燒器噴口結(jié)焦情況較嚴(yán)重，因此將著火點后移，選擇外二次風(fēng)角度為45°時，爐內(nèi)的結(jié)渣現(xiàn)象得到很好的緩解。

表2 變外二次風(fēng)葉片角度試驗結(jié)果

4.3 燃盡風(fēng)風(fēng)量試驗

燃盡風(fēng)風(fēng)量由燃盡風(fēng)擋板控制，燃盡風(fēng)主要使未燃碳粒子燃燒更完全，提高燃燒效率。燃盡風(fēng)風(fēng)量的增加可以強化主燃區(qū)的還原性氣氛，并且使火焰中心上移。在下層燃燒器參數(shù)及氧量不變的情況下，控制燃盡風(fēng)擋板開度分別為20%、40%、60%進行了試驗，并測出了相應(yīng)的爐膛出口NOx的含量、飛灰和大渣的含碳量，試驗結(jié)果圖3所示。

圖3 燃盡風(fēng)擋板開度與固體可燃物含碳量及NOx生成量的關(guān)系

試驗結(jié)果表明，燃盡風(fēng)擋板開度在20%到40%之間，隨著燃盡風(fēng)擋板開度的增加，NOx的生成量逐漸減小;但當(dāng)開度達(dá)到40%以后，對NOx的生成量影響并不大，因為主燃區(qū)生成的大量還原性組分(HCN、NH3、HCNO等)和未燃碳粒子已經(jīng)較充分的對NOx進行了還原分解。燃盡風(fēng)擋板開度大于40%以后，隨著燃盡風(fēng)量的增加，會加強燃盡區(qū)的富氧性而使NOx的生成量逐漸增加。燃盡風(fēng)擋板的開度對于煤粉的完全燃燒有影響，由圖3可以看出，當(dāng)燃盡風(fēng)擋板開度由20%增大到40%時，爐渣含碳量明顯減少，未完全燃燒就進入尾部煙道的煤粉顆粒逐漸減少，開度在40%時未完全燃燒的煤粉顆粒已經(jīng)較少，當(dāng)燃盡風(fēng)擋板開度增大到60%時飛灰含碳量無明顯增加。同時，由于火焰中心上移，內(nèi)二次風(fēng)擋板開度和外二次風(fēng)角度的優(yōu)化選取使著火點后移，使燃燒器噴口結(jié)焦情況基本消失。

4.4 變氧量試驗

保持其他因數(shù)不變，改變二次風(fēng)量來調(diào)整爐膛出口過量空氣系數(shù)。由于需要保證風(fēng)箱風(fēng)壓，爐膛出口氧量最低只能達(dá)到3.5%。設(shè)定爐膛出口氧量分別為3.72%、4.27%、4.6%、5.26%，觀察氧量變化對 NOx的排放量和鍋爐效率的影響，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 爐膛出口氧量與NOx生成量、鍋爐效率的關(guān)系

爐膛出口氧量為3.72%時，NOx的排放量最低為451 mg/m3，鍋爐效率為92.87%;爐膛出口氧量增加到4.27%時，NOx的排放量變?yōu)?08 mg/m3，效率為93.03%;氧 量 為 4.5% 時，NOx的 排 放 量 為485 mg/m3，效率為 93.5%;當(dāng)氧量增加到 5.26% 時，NOx的排放量增加到最高值為514 mg/m3，鍋爐效率升高到93.12%?？傮w而言，NOx的排放量隨氧量的增加而增加，效率隨氧量的增加而升高。氧量的增加使過量空氣系數(shù)增加，燃料燃燒更充分，飛灰含碳量降低，鍋爐效率隨之增加而NOx的生成量也增加。

由于電廠燃煤為取自多地的混煤，燃煤的揮發(fā)分含量在28%～41%之間波動。當(dāng)燃燒揮發(fā)分較高的煤時，氧量的降低并不會引起飛灰可燃物的增加;同時由于氧量的降低使排煙溫度降低，排煙熱損失降低，進而燃燒效率會相對增加。燃煤揮發(fā)分較高使得燃燒初期大量的揮發(fā)分會在低氧的情況下燃燒，強化了還原性氣氛，降低NOx的生成量。

氧量較低時，效率較小且易發(fā)生結(jié)焦，因此爐膛出口氧量選取4.5% ～5.5%較為合適。

5 結(jié)論

1)改前爐膛出口 NOx的排放量為650～750 mg/m3，改造之后實測的爐膛出口NOx的排放量可降到400～500 mg/m3，降低了30% ～40%。

2)鍋爐滿負(fù)荷運行時，二次風(fēng)擋板開度為100%，可保證射流強度和二次風(fēng)量的要求，將內(nèi)二次風(fēng)擋板開度減小到60%，NOx的排放量略有增加，對燃燒器噴口的結(jié)渣有所緩解。

3)燃燒器外二次風(fēng)葉片角度選取為45°時，NOx的生成量為477 mg/m3，略高于外二次風(fēng)葉片角度為40°時NOx的生成量459 mg/m3，但外二次風(fēng)葉片角度越高，越能有效緩解燃燒器噴口的結(jié)渣問題。

4)燃盡風(fēng)有效地實現(xiàn)了軸向的空氣分級，燃盡風(fēng)擋板開度在達(dá)到40%以后，主燃區(qū)的還原性和燃盡區(qū)的富氧性就達(dá)到平衡。當(dāng)燃盡風(fēng)擋板開度達(dá)到40%時，NOx的排放量為485 mg/m3，此時爐內(nèi)的可燃物燃燒較為完全，且燃盡區(qū)的強富氧性并未引起NOx的生成量增加。

5)考慮效率及鍋爐內(nèi)的結(jié)焦問題，氧量需控制在4.5% ～5.5%之間，此時NOx的生成量為500 mg/m3左右，與最低的NOx的生成量451 mg/m3相比，差距在可接受范圍內(nèi)，可根據(jù)NOx的排放量及飛灰含碳量進行調(diào)整。NOx的排放量較高時，可適當(dāng)降低氧量;反之，則適當(dāng)增大氧量。飛灰含碳量高時，可適當(dāng)增大氧量;反之，則適當(dāng)降低氧量。將氧量控制在4.5%左右，燃燒效率與改前基本持平。

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