660 MW超超臨界鍋爐燃燒器改造及優(yōu)化調(diào)整研究

蔡泓銘

(廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600)

660 MW超超臨界鍋爐燃燒器改造及優(yōu)化調(diào)整研究

蔡泓銘

(廣東紅海灣發(fā)電有限公司，廣東 汕尾 516600)

某660 MW超超臨界鍋爐燃燒器運行一段時間后出現(xiàn)嚴重?zé)龘p，通過對燃燒器改造方法分析得到改善側(cè)墻還原性氣氛減少腐蝕及避免燃燒器燒損方法，并通過改造后進行熱態(tài)燃燒優(yōu)化調(diào)整研究，降低運行含氧量，有效降低NOx質(zhì)量濃度和保證燃燒完全，提高鍋爐效率，對同類型鍋爐燃燒調(diào)整研究有指導(dǎo)意義。

超超臨界鍋爐；燃燒器改造；燃燒；優(yōu)化調(diào)整

圖1 燃燒器燒損嚴重

0 引言

某660 MW超超臨界鍋爐采用東方鍋爐廠旋流燃燒器，運行一段時間后，發(fā)現(xiàn)燃燒器中心套筒及一次風(fēng)噴口燒損嚴重，且鍋爐兩側(cè)墻均出現(xiàn)較嚴重的高溫腐蝕。同時選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)(SCR)入口NOx質(zhì)量濃度較高。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐兩側(cè)墻含氧量較低，形成了還原性氣氛，不利于鍋爐水冷壁面的安全，且原來燃燒器一次風(fēng)、二次風(fēng)擴流錐角度較大，容易造成一次風(fēng)噴口穩(wěn)定環(huán)燒損。為了保證燃燒器運行的安全性和煤種適應(yīng)性，以及提高燃燒效率、降低NOx排放，進行了燃燒器改造，本文通過燃燒器改造后的優(yōu)化調(diào)整，分析燃燒器改造的經(jīng)濟性。

1 燃燒器改造方法研究

此鍋爐為超超臨界參數(shù)變壓直流爐，燃燒器采用東方鍋爐廠改進設(shè)計的外濃內(nèi)淡型低 NOx旋流煤粉燃燒器。前后墻布置6層燃燒器，主燃區(qū)上部一定距離處前后墻布置1層燃燼風(fēng)(OFA)。在滿負荷時，SCR進口NOx質(zhì)量濃度達到450 mg/m3(標態(tài))，而且停爐檢查時發(fā)現(xiàn)有燃燒器噴口燒損嚴重，如圖1所示。

根據(jù)氮氧化合物生成機理，影響氮氧化合物生成量的因素主要有火焰溫度、燃燒器區(qū)段含氧量、燃燒產(chǎn)物在高溫區(qū)停留時間和煤的特性[1-2]，而降低氮氧化合物生成量的途徑主要有2方面：降低火焰溫度，防止局部高溫；降低過量空氣系數(shù)和含氧量，使煤粉在缺氧的條件下燃燒。

但如果缺氧的話，鍋爐飛灰增加，鍋爐效率將會受到影響。既要低氮，又要保證降低飛灰、提高鍋爐效率，這對鍋爐實際運行調(diào)整增加了不小的難度。通常，有一個最佳的運行含氧量和合適的燃燼風(fēng)率，使得排煙損失和氣體、固體未燃燼損失之和最低，鍋爐效率最高。

為了增加兩側(cè)墻的含氧量，降低CO質(zhì)量濃度，降低還原性氣氛下由于S離子單獨存在而對鍋爐兩側(cè)墻高溫腐蝕的危險，同時為降低脫硝進口的NOx質(zhì)量濃度，降低燃燒器燒損的風(fēng)險，對燃燒器進行了下列改動：采用先進的新型OPCC低氮旋流煤粉燃燒器組件替換原旋流煤粉燃燒器(共30只)相應(yīng)結(jié)構(gòu)；燃燒器一次風(fēng)擴錐角度由45°改為25°，二次風(fēng)擴錐角度由45°改為30°；增加1層燃燼風(fēng)，提高燃燼風(fēng)率；對新設(shè)計的每只煤粉燃燒器增加空氣冷卻風(fēng)系統(tǒng)，保證燃燒器在停運狀態(tài)時有可靠的冷卻措施。煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為4部分：即一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和中心風(fēng)。更換后新型OPCC旋流煤粉燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燃燒器改造后結(jié)構(gòu)

2 燃燒器改造前后NOx質(zhì)量濃度對比

經(jīng)過改造前后的實際測量，在滿負荷660 MW工況正常運行下，NOx質(zhì)量濃度排放值從 450 mg/m3(標態(tài))左右降低到250 mg/m3(標態(tài))左右，低負荷時甚至達到了150 mg/m3(標態(tài))的水平。這表明，燃燒器改造后，降低NOx排放效果十分明顯。

燃燒器改造后整個排放水平大幅下降，主要是以下幾方面原因。

(1)加裝1層OFA風(fēng)后，提高了燃燼風(fēng)率，強化了沿爐膛高度方向的煤粉分級燃燒，降低了主燃區(qū)的爐溫，有效控制了熱力型和燃料型NOx的生成[3]。

(2)一、二次風(fēng)擴流錐改變后，一方面使煤粉在燃燒器出口提高濃淡分離的程度，另一方面擴大了煙氣回流區(qū)，強化了燃燒。

3 熱態(tài)試驗優(yōu)化調(diào)整研究

雖然更換燃燒器后，整個NOx排放呈現(xiàn)大幅下降。為了進一步降低NOx排放及探討更換后燃燒器各風(fēng)門及層燃風(fēng)對燃燒的影響特性，選擇在鍋爐熱態(tài)時，進行優(yōu)化調(diào)整研究。由于NOx質(zhì)量濃度在50%額定負荷工況(660 MW)以上基本是線性關(guān)系[4]，因此在高負荷調(diào)試更有意義。在額定負荷660 MW基礎(chǔ)上進行試驗，通過燃燒器內(nèi)外二次風(fēng)和含氧量的調(diào)整，分析對NOx質(zhì)量濃度、飛灰含碳量等參數(shù)的影響。

3.1基礎(chǔ)調(diào)整分析

為了摸底分析改造后含氧量及NOx，CO排放的情況，進行燃燒器初步調(diào)整，同時初步改善含氧量沿爐寬方向的分布情況，減少鍋爐側(cè)墻的腐蝕。

(1)調(diào)整前基礎(chǔ)工況(工況1：更換燃燒器后，在負荷660 MW下，保持風(fēng)量2 200 t/h左右)分析。此工況下，上層OFA開度為50%，下層OFA開度為100%，A/C/D/E/F制粉系統(tǒng)運行，A/C/D/E/F燃燒器層風(fēng)門開度為88%，B層燃燒器層風(fēng)門開度為20%。在脫硝進口截面，沿爐寬方向，由爐右至爐左取等距離10個測點，測量煙氣成分分布，即運行含氧量、NOx質(zhì)量濃度、飛灰含碳量。該工況下脫硝進口實測煙氣成分如圖3所示，折合NOx質(zhì)量濃度為254 mg/m3(標態(tài))。

圖3 工況1脫硝進口煙氣成分

從基礎(chǔ)工況的測試數(shù)據(jù)看，爐寬含氧量分布呈現(xiàn)出爐膛中間含氧量高、靠側(cè)墻含氧量低的規(guī)律，對應(yīng)側(cè)墻CO質(zhì)量濃度較中間稍高，在低含氧量狀態(tài)下CO質(zhì)量濃度的分布規(guī)律將更為明顯。下層OFA擋板左右側(cè)開度有偏差的狀態(tài)下，右側(cè)含氧量最低為3.00%，左側(cè)含氧量高為4.60%。單從左、右側(cè)含氧量追求平衡的角度講，左、右側(cè)OFA開度最好一致。由于需要對汽溫偏差進行修正，下層OFA開度經(jīng)常偏差較大。運行含氧量偏大，平均為4.37%，總風(fēng)量為2 228 t/h，排煙損失大且風(fēng)機電耗大。

(2)在工況1下，將未全開的OFA擋板全開，增加燃燼風(fēng)率，并調(diào)整上層OFA偏轉(zhuǎn)角及下層OFA的旋流風(fēng)，上層OFA#1和#2燃燒器向左偏轉(zhuǎn)15°，上層OFA#5和#6燃燒器向右偏轉(zhuǎn)15°，并提高兩側(cè)下層OFA旋流風(fēng)開度，此工況為工況2，期望提升兩側(cè)煙氣中含氧量。實測煙氣折算NOx質(zhì)量濃度為259 mg/m3(標態(tài))。爐寬方向含氧量及CO質(zhì)量濃度如圖4所示。

調(diào)整后，上層燃盡風(fēng)偏轉(zhuǎn)15°對側(cè)墻的還原性氣氛改善不明顯，兩側(cè)含氧量依然偏低，雖然整體CO質(zhì)量濃度不高，但含氧量低的位置CO 質(zhì)量濃度較高，存在局部燃燒不完全的問題，飛灰也較工況1高，NOx沒有明顯變化。說明上層燃燼風(fēng)在50%～100%開度對NOx排放的控制不敏感。

圖4 工況2脫硝進口煙氣成分分布

(3)降低總風(fēng)量工況(工況3)分析。工況1和工況2運行含氧量偏大，為追求更好的經(jīng)濟效益及NOx排放要求，將總風(fēng)量由2 200 t/h降為2 000 t/h左右，配風(fēng)方式不變，此為工況3。降低含氧量后，雖然風(fēng)機電耗下降了，而且降低總風(fēng)量后NOx質(zhì)量濃度有所下降，折合NOx質(zhì)量濃度為247 mg/m3(標態(tài))，含氧量下降后CO生成量明顯上升，特別是在兩側(cè)墻還原性氣氛下，CO質(zhì)量濃度上升幅度較大，兩側(cè)墻的CO質(zhì)量濃度平均達到了400 mg/m3(標態(tài))，個別測點達到1 000 mg/m3(標態(tài))。飛灰含量也增大了很多，對鍋爐效率影響很大，明顯不經(jīng)濟，也驗證了鍋爐燃燒NOx排放和CO質(zhì)量濃度之間的矛盾關(guān)系[5]。

3.2強化燃燒調(diào)整

本節(jié)討論利用調(diào)整主燃燒器區(qū)域的內(nèi)外二次風(fēng)，進行強化燃燒，研究在減低總風(fēng)量，減低風(fēng)機電耗的情況下，如何進行強化燃燒調(diào)整，減低CO質(zhì)量濃度的排放，保證經(jīng)濟性。

(1)調(diào)整外二次風(fēng)(工況4)。由于工況3的CO質(zhì)量濃度上升幅度大，針對CO做了燃燒器外二次風(fēng)的調(diào)整，以期降低CO質(zhì)量濃度，為整體進一步降低總風(fēng)量和配平煙量分布打基礎(chǔ)。燃燒器外二次風(fēng)調(diào)整后開度見表1(#1～#6表示每層6個燃燒器，下同)。

表1 工況4 燃燒器外二次風(fēng)旋流角度 (°)

調(diào)整中間4只燃燒器外二次風(fēng)后CO質(zhì)量濃度明顯下降，由1 000 mg/m3(標態(tài))降低為100 mg/m3(標態(tài))左右，表明旋流強度增大后卷吸增強，煤粉燃燒速度和強度更大，NOx質(zhì)量濃度有上升趨勢，折算NOx質(zhì)量濃度為276 mg/m3(標態(tài))，脫硝進口煙氣成分如圖5所示。研究表明，調(diào)整外二次風(fēng)后CO質(zhì)量濃度較工況3明顯下降，但NOx質(zhì)量濃度上升明顯，而且對側(cè)墻含氧量分布有所改善，但左側(cè)墻含氧量偏低，CO質(zhì)量濃度較大，外二次風(fēng)調(diào)小后強化了燃燒但不利于控制NOx，飛灰較工況3沒有明顯變化。

圖5 工況4脫硝進口煙氣成分

(2)調(diào)整燃燒器內(nèi)二次風(fēng)工況(工況5)分析。將燃燒器內(nèi)二次風(fēng)門調(diào)小以期望弱化初期燃燒降低NOx，本文通過調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)拉桿長度來調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)門開度，具體數(shù)據(jù)見表2，調(diào)整后CO質(zhì)量濃度回升，實測煙氣成分如圖6所示。

表2 調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)拉桿長度 mm

圖6 工況5脫硝進口煙氣成分

調(diào)整燃燒器內(nèi)二次風(fēng)后折合NOx質(zhì)量濃度回升到工況3水平，為249 mg/m3(標態(tài))。從變化趨勢看，CO質(zhì)量濃度有所上升，但幅度較小，且能保持工況3的鍋爐兩側(cè)含氧量及CO質(zhì)量濃度分布較均勻的效果。關(guān)小內(nèi)二次風(fēng)門后風(fēng)機出口壓力約上升30 Pa，表明有一定的節(jié)流效果。

關(guān)小了中間4個燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)后，降低了直流二次風(fēng)對火焰的穿透力，降低了火焰溫度，減少了熱力型NOx的生成，而且更進一步提高了旋流外二次風(fēng)量，保持燃燒的強化，CO質(zhì)量濃度提高幅度可忽略不計，飛灰含碳有所降低。

4 結(jié)論

(1)改造后NOx質(zhì)量濃度下降明顯，可以控制在240～260 mg/m3(標態(tài))之間，飛灰含碳量低(低于1.5%)。說明燃燒器的擴流錐改變，在增加回流區(qū)強化燃燒、提高燃燒效率的情況下，能進一步促進煤粉的濃淡分離和降低主燃區(qū)溫度，有效地抑制了NOx的生成。

(2)從工況1與工況3的對比看，含氧量對NOx的影響符合熱力型NOx生成規(guī)律，降低含氧量后NOx質(zhì)量濃度下降。

(3)根據(jù)工況4的結(jié)果看，燃燒器外二次風(fēng)的旋流強度對NOx和CO的質(zhì)量濃度影響明顯，燃燒器外二次風(fēng)角度減小，旋流強度增大，強化燃燒，CO質(zhì)量濃度趨于好轉(zhuǎn)，而NOx質(zhì)量濃度上升。

(4)從飛灰及CO測試結(jié)果看，日常運行含氧量稍大，660 MW時總風(fēng)量控制在2 100 t/h(含氧量3.0%左右)較合適，可減小排煙損失0.4%，且降低廠用電率。

(5)由于上層直流OFA偏轉(zhuǎn)角度以及主燃區(qū)外二次風(fēng)的調(diào)整，可以有效改善兩側(cè)墻的還原性氣氛，可以有效抑制側(cè)墻的腐蝕，但因為受上層OFA偏轉(zhuǎn)角度以及外二次風(fēng)調(diào)整幅度限制，難以做到使兩側(cè)墻保持與中心一致的含氧量分布，下一步可以考慮增加側(cè)墻燃燼風(fēng)。

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(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2017-04-24；

:2017-05-26

TK 222

：B

：1674-1951(2017)06-0037-04

蔡泓銘(1984—) ，男，廣東潮州人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事電廠熱力設(shè)備優(yōu)化運行研究(E-mail:caihm01@163.com)。