410 t/h煤粉鍋爐冷熱態(tài)試驗(yàn)

王軍明 孫州岳 閻麗敏

(1中國石油化工股份有限公司齊魯分公司，山東 淄博 255410；2浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027)

隨著國家環(huán)保要求的進(jìn)一步提高，對煙氣排放的限制也越來越嚴(yán)格，尤其是電廠鍋爐NOx的排放限制更是達(dá)到了50 mg/m3的國際最嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)，因此NOx的控制成為各企業(yè)首要解決的問題。為了滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，電廠鍋爐普遍采用爐內(nèi)低NOx燃燒和煙氣脫硝技術(shù)相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)減排。近年來，中國石油化工股份有限公司齊魯分公司(以下簡稱齊魯石化)熱電廠4#爐經(jīng)過兩輪低氮燃燒器改造、煙氣脫硝改造，實(shí)現(xiàn)了NOx低于50 mg/m3的達(dá)標(biāo)排放。然而，由于煤炭市場波動大，煤質(zhì)變化頻繁，尤其是熱值和揮發(fā)分波動較大，原有的低氮燃燒器提供的操作配風(fēng)方式無法適應(yīng)，導(dǎo)致配風(fēng)方式頻繁調(diào)整，出現(xiàn)了NOx高、結(jié)焦、掉焦甚至滅火、減溫水量大的問題。因此，急需尋找一種燃燒效果良好、操作簡單、煤種適應(yīng)性廣的運(yùn)行方式。針對此類問題，早在20世紀(jì)80年代美國的通用電氣公司就已開發(fā)了一種燃燒系統(tǒng)—同心雙切圓燃燒系統(tǒng)(CFS)，該燃燒系統(tǒng)在國內(nèi)的大型四角燃燒電站鍋爐中得到了廣泛應(yīng)用[1]。其主要思路為將二次風(fēng)偏離一次風(fēng)，在水平方向上形成大小不等的雙切圓(一次風(fēng)在內(nèi)，二次風(fēng)在外)，利用大切圓的二次風(fēng)在一次風(fēng)和水冷壁之間形成一層風(fēng)膜，并形成風(fēng)包粉的氣流結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到防止結(jié)焦的目的[2]。從穩(wěn)燃性看，一次風(fēng)氣流受到大動量的二次風(fēng)牽引而被卷吸，但是由于煤粉的慣性要比氣流大，大量煤粉粒子在燃燒器噴口附近仍將保持原運(yùn)動方向，被上游沖刷過來的高溫?zé)煔饧訜釓亩?，因此具有良好的穩(wěn)燃性能。此外，由于推遲了一、二次風(fēng)混合，實(shí)現(xiàn)一、二次風(fēng)分級燃燒，降低了NOx生成量[3]。

文章主要參照此圓心雙切圓燃燒理念，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備情況，通過試驗(yàn)研究尋找適合該鍋爐的運(yùn)行方式。

1 設(shè)備概況

齊魯石化熱電廠4#爐為單爐膛、自然循環(huán)、集中下降管、冂型布置的固態(tài)排渣煤粉爐，型號為HG 410/100-11型。該鍋爐采用熱風(fēng)送粉、中間倉儲式、鋼球磨煤機(jī)，設(shè)計(jì)煤種為山西混合貧煤，四角切圓燃燒，設(shè)計(jì)了三層一次風(fēng)噴口、四層二次風(fēng)噴口、三層貼壁風(fēng)噴口、一層三次風(fēng)噴口、三層燃盡風(fēng)噴口，二次風(fēng)與一次風(fēng)間隔布置。燃燒器的假想切圓為?680 mm，逆時針旋轉(zhuǎn)。燃燒器布置如圖1所示，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。設(shè)計(jì)煤種為山西混合貧煤，校核煤種為山東、山西混合貧煤，主要參數(shù)如表2所示。

(a)假想切圓的布置 (b)軸向整體布置

圖1 燃燒器布置

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鍋爐設(shè)計(jì)和校核煤質(zhì)

2 摸底試驗(yàn)情況

為詳細(xì)了解習(xí)慣運(yùn)行方式下存在的問題，在360 t/h負(fù)荷下進(jìn)行了摸底試驗(yàn)，基本情況如下：(1)運(yùn)行氧體積分?jǐn)?shù)保持在3.8%左右，一次風(fēng)速經(jīng)過標(biāo)定后發(fā)現(xiàn)高達(dá)27.2 m/s，給粉機(jī)基本按下層轉(zhuǎn)速高，上、中兩層轉(zhuǎn)速低，12臺全投的方式運(yùn)行；(2)配風(fēng)方式基本為均等配風(fēng)，上層、中層、中下層二次風(fēng)開度在45%左右，下二次風(fēng)略高，上燃盡風(fēng)全關(guān)；(3)煤粉氣流著火偏遲，火焰中心位置偏高，減溫水量30～40 t/h；(4)水冷壁結(jié)焦嚴(yán)重，特別是三次風(fēng)與燃盡風(fēng)之間存在大面積結(jié)焦，存在掉焦滅火的風(fēng)險(xiǎn)；(5)選擇性催化還原技術(shù)(SCR)反應(yīng)器前NOx達(dá)到700 mg/m3左右，給脫硝系統(tǒng)帶來了巨大壓力；(6)隨著煤種、負(fù)荷、制粉投運(yùn)的變化，配風(fēng)方式要頻繁調(diào)整，操作非常繁瑣。

3 冷熱態(tài)試驗(yàn)

該鍋爐常用煤種均為貧煤，一、二次風(fēng)燃燒器的切圓為?680 mm，一次風(fēng)速高達(dá)27.2 m/s，導(dǎo)致燃燒器區(qū)域煤粉著火初期供風(fēng)過多，造成NOx大量生成、煤粉著火推遲、火焰中心位置偏高等問題。根據(jù)摸底試驗(yàn)的情況以及同心雙切圓燃燒系統(tǒng)的理念，燃燒優(yōu)化調(diào)整主要在于降低一次風(fēng)速，并利用大切圓的二次風(fēng)組織氣流結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)包粉，使煤粉氣流著火提前，防止結(jié)焦，降低NOx生成。因設(shè)備缺陷導(dǎo)致二次風(fēng)噴口無法左右擺動，可以考慮常年處于較小開度的貼壁風(fēng)，貼壁風(fēng)正切17°進(jìn)入爐膛，其切圓較大，故嘗試用貼壁風(fēng)來代替二次風(fēng)組織氣流。為驗(yàn)證其可行性，首先在冷態(tài)下采用以上理念對爐膛空氣動力場進(jìn)行了模擬，然后在熱態(tài)下保持360 t/h負(fù)荷，運(yùn)行氧體積分?jǐn)?shù)3.8%，進(jìn)行一次風(fēng)速及配風(fēng)方式的調(diào)整，最后把這種運(yùn)行方式推廣至不同負(fù)荷。

3.1 冷態(tài)空氣動力場試驗(yàn)

在爐內(nèi)下層一次風(fēng)燃燒器噴口標(biāo)高平臺，用鐵絲拉十字線，十字線與水冷壁構(gòu)成“田”字形，在十字線上每隔250 mm扎100 mm長的飄帶，小飄帶流動方向即為氣流流動方向。根據(jù)相似模擬的原理，按動量比不變的原則，進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)。試驗(yàn)中，貼壁風(fēng)保持全開，下層二次風(fēng)開度75%，其余二次風(fēng)全關(guān)，一次風(fēng)速22.5 m/s、二次風(fēng)32.7 m/s、三次風(fēng)52.5 m/s，空氣動力場切圓及貼壁風(fēng)速分布如圖2所示。圖2中十字線的橫坐標(biāo)表示測點(diǎn)離爐心的距離，縱坐標(biāo)表示該測點(diǎn)的風(fēng)速，連接速度最大點(diǎn)即為切圓。整個切圓略呈橢圓形，甲乙側(cè)墻方向直徑5 500 mm，前后墻方向直徑6 250 mm，切圓中心稍向1號角傾斜?？傮w而言，切圓大小合適，基本符合燃燒要求。圖2中4條折線代表貼壁風(fēng)速，每側(cè)墻各布置19個測點(diǎn)，折線上點(diǎn)與爐墻的距離表示其風(fēng)速大小，貼壁風(fēng)速基本在2～5 m/s，無明顯氣流沖刷水冷壁現(xiàn)象。從冷態(tài)空氣動力場切圓及貼壁風(fēng)速分布來看，這樣的運(yùn)行方式是可行的。

圖2 空氣動力場切圓及貼壁風(fēng)速分布

3.2 熱態(tài)一次風(fēng)速調(diào)整

對于貧煤，為了穩(wěn)定燃燒和燃盡，一次風(fēng)速應(yīng)遠(yuǎn)低于褐煤和煙煤。該鍋爐實(shí)際常用煤種均為貧煤，一次風(fēng)速高達(dá)27.2 m/s，一、二次風(fēng)燃燒器的切圓為?680 mm，很難形成風(fēng)包粉，這對于煤粉的著火、防止煤粉氣流刷墻及結(jié)焦都是極其不利的。試驗(yàn)中將一次風(fēng)速從27.2 m/s降至24.5 m/s，表3為調(diào)整前后的一次風(fēng)速，表4為調(diào)整前后的主要指標(biāo)。從表4的指標(biāo)看，減溫水從36.2 t/h下降至23.2 t/h，爐膛出口煙溫由1 090 ℃下降至1 070 ℃，NOx從700 mg/m3下降至632 mg/m3。另外，在燃燒器區(qū)域觀火孔觀測，習(xí)慣運(yùn)行方式1#、3#角一次風(fēng)噴嘴不透明火焰回流沖刷強(qiáng)烈，夾帶雜亂渣顆粒，水冷壁和一次風(fēng)氣流難以看到，2#、4#角也較混亂。一次風(fēng)速調(diào)整以后，1#、3#角火焰回流夾帶雜亂渣顆粒明顯減少，各角燃燒器噴口顏色逐漸透明，被不透明火焰擋住的水冷壁也顯現(xiàn)出來?？梢?，當(dāng)一次風(fēng)速下降后，一方面煤粉著火提前，有利于煤粉在爐內(nèi)燃盡，降低了爐膛出口煙溫及減溫水量；另一方面由于煤粉燃燒初期氧量低，抑制了NOx的生成。

表3 調(diào)整前后的一次風(fēng)速 m/s

表4 一次風(fēng)速調(diào)整前后主要指標(biāo)對比

3.3 配風(fēng)方式調(diào)整

習(xí)慣運(yùn)行方式下，貼壁風(fēng)開度45%左右，二次風(fēng)壓1.85 kPa，導(dǎo)致貼壁風(fēng)速低、剛性不夠，很難起到組織氣流的效果。試驗(yàn)中，一次風(fēng)速保持在24.5 m/s，燃盡風(fēng)、下層二次風(fēng)開度不變，上層、中上、中下二次風(fēng)全關(guān)，貼壁風(fēng)全開，把二次風(fēng)壓提高至2.26 kPa。表5為調(diào)整前后的配風(fēng)方式對比，表6為調(diào)整前后的主要指標(biāo)對比。從表6指標(biāo)可以看出：減溫水從19.5 t/h下降至13.6 t/h，爐膛出口煙溫從1 060 ℃下降至1 050 ℃，NOx從643 mg/m3下降至498 mg/m3。對水冷壁進(jìn)行了連續(xù)幾天的觀測，發(fā)現(xiàn)水冷壁干凈程度有很大改善。但是，由于沒有改變一次風(fēng)率，也沒有改變一次風(fēng)速，在燃燒器區(qū)域觀火孔觀測，煤粉著火變化不明顯。采用貼壁風(fēng)代替二次風(fēng)組織氣流的影響主要體現(xiàn)在兩方面：(1)形成了風(fēng)包粉的氣流結(jié)構(gòu)，貼壁風(fēng)將水冷壁與煤粉氣流阻隔開，大幅減輕了水冷壁結(jié)焦；(2)爐膛水平方向和垂直方向都形成分級燃燒，使煤粉燃燒初期處于低氧氣氛，大幅降低了NOx生成。

發(fā)現(xiàn)水冷壁干凈程度有很大改

表6 配風(fēng)方式調(diào)整前后主要指標(biāo)對比

3.4 不同負(fù)荷的推廣試驗(yàn)

通過前期試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)降低一次風(fēng)速，并采用貼壁風(fēng)擴(kuò)大切圓，可以使煤粉氣流著火提前，降低減溫水量和NOx，減輕結(jié)焦。為研究前期試驗(yàn)得到的運(yùn)行方式是否在不同負(fù)荷下適用，進(jìn)行了不同負(fù)荷的推廣試驗(yàn)。試驗(yàn)條件如下：(1)運(yùn)行氧體積分?jǐn)?shù)保持在3.8%，一次風(fēng)速24.5 m/s，給粉機(jī)基本按下層轉(zhuǎn)速高，上、中兩層轉(zhuǎn)速低，運(yùn)行臺數(shù)根據(jù)負(fù)荷適當(dāng)增減；(2)配風(fēng)方式按下二次風(fēng)75%，其余二次風(fēng)全關(guān)，貼壁風(fēng)全開，燃盡風(fēng)只開中層、下層。

表7是運(yùn)行方式及主要指標(biāo)。從表7中可以發(fā)現(xiàn)：不同負(fù)荷下，減溫水為18.5～25.2 t/h，爐膛溫度為1 040～1 061 ℃，SCR入口NOx為445～490 mg/m3，各大指標(biāo)都較好且比較穩(wěn)定。為防止發(fā)生煤粉氣流著火太近而燒壞燃燒器噴嘴，連續(xù)幾天對燃燒器區(qū)域觀火孔進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)各角燃燒器噴口顏色較透明，煤粉著火較早但噴口不帶火。此外，水冷壁結(jié)焦也較輕。因此325～390 t/h負(fù)荷下，這樣的運(yùn)行方式都是適用的，負(fù)荷較低時，可適當(dāng)減少給粉機(jī)運(yùn)行臺數(shù)，減少一次風(fēng)對燃燒的擾動，促進(jìn)燃燒穩(wěn)定性。

表7 不同負(fù)荷下的運(yùn)行方式及主要指標(biāo)

4 結(jié)語

通過降低一次風(fēng)速，并突破常規(guī)采用貼壁風(fēng)代替二次風(fēng)擴(kuò)大切圓，形成了“風(fēng)包粉”的氣流結(jié)構(gòu)，在提升著火穩(wěn)定性、減輕結(jié)焦、降低NOx等方面都取得了不錯的效果。按照調(diào)整后的運(yùn)行方式，根據(jù)負(fù)荷適當(dāng)調(diào)整給粉機(jī)運(yùn)性臺數(shù)，極大地減少了運(yùn)行操作次數(shù)，操作由繁變簡，鍋爐運(yùn)行的安全性、環(huán)保性都大幅提升，對同類型鍋爐的燃燒調(diào)整有一定的指導(dǎo)意義。