超超臨界塔式鍋爐燃燒優(yōu)化試驗研究

顧 偉

（徐州華潤電力有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

隨著我國電力行業(yè)的飛速發(fā)展，燃煤鍋爐的發(fā)電容量不斷增大，在現(xiàn)階段超臨界與超超臨界大型高參數(shù)機組已經(jīng)成為發(fā)電生產(chǎn)的主力軍[1]。與此同時，燃煤機組的運行方式?jīng)Q定了發(fā)電過程中不可避免地會產(chǎn)生大量污染物，對此國家也制定了新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此，如何在達(dá)到嚴(yán)格環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上不斷保持高參數(shù)機組的燃燒運行效率，成為目前燃煤發(fā)電行業(yè)亟需解決的重要問題。

針對大型高參數(shù)機組鍋爐的燃燒優(yōu)化問題，許多學(xué)者通過數(shù)值模擬或者現(xiàn)場試驗的方式對其進(jìn)行了研究。應(yīng)明良等[2]以及袁宏偉等[3]對于600 MW 超臨界對沖燃燒鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器的改造以及運行調(diào)整研究，有效降低了其NOx的排放濃度并優(yōu)化了運行參數(shù)；鄒磊等[4]對于某1000 MW 超超臨界Π 型鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造并進(jìn)行了性能優(yōu)化試驗，能夠降低NOx排放濃度的同時兼顧減少CO 排放和飛灰含碳量導(dǎo)致的運行損失；張曉宇[5]對某600 MW 超臨界四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)分析，并采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化燃燒器工況。然而，以上學(xué)者對于1000 MW 超超臨界塔式鍋爐的燃燒優(yōu)化研究較少，故當(dāng)前此類型機組鍋爐的燃燒優(yōu)化缺乏一定技術(shù)參考。

通過對某1000 MW 超超臨界塔式鍋爐開展燃燒優(yōu)化試驗，考慮了運行氧量、配風(fēng)方式、CCOFA（緊湊燃盡風(fēng)）風(fēng)門開度和SOFA（分離燃盡風(fēng)）風(fēng)門開度等運行參數(shù)對于鍋爐熱效率以及NOx排放濃度的影響，研究尋找出適合于超超臨界塔式鍋爐燃燒運行的優(yōu)化參數(shù)。

1 設(shè)備簡介及存在問題

1.1 試驗對象

以某1000 MW 超超臨界直流塔式鍋爐為試驗研究對象，鍋爐型號為SG-3050/27.46-M53X，變壓運行、螺旋管圈，采用單爐膛塔式布置形式、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊構(gòu)造、露天布置。采用6 臺ZGM133 中速輥式磨煤機、正壓直吹式制粉系統(tǒng)，5 臺磨運行帶鍋爐BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況，1 臺磨備用。主要設(shè)計參數(shù)如表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

1.2 鍋爐燃燒存在問題

為了對對象鍋爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗，首先進(jìn)行了1000 MW 負(fù)荷下的摸底試驗。在摸底試驗工況中，A 磨～F 磨運行，表盤運行氧量顯示為3.75%，SOFA 風(fēng)門開度為95%，CCOFA 風(fēng)門開度為85%，NOx排放濃度為271 mg/m3，排煙溫度為132.0 ℃，排煙熱損失為5.98%，底渣含碳量為0.5%，飛灰含碳量為1%，鍋爐熱效率為93.14%。

從摸底試驗中可以看出，對象鍋爐的燃燒情況并不理想，主要表現(xiàn)在：①NOx排放濃度較高，為271 mg/m3；②排煙溫度和排煙熱損失較高，均超過了設(shè)計值；③鍋爐效率不高，低于設(shè)計值93.77%。

因此，為提高機組的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益，對象鍋爐的燃燒過程需要進(jìn)行優(yōu)化。

2 試驗方法

針對以上對象鍋爐燃燒中存在的問題，筆者開展現(xiàn)場試驗，進(jìn)行燃燒運行參數(shù)的調(diào)整與合理搭配，從而改善鍋爐的NOx排放濃度以及鍋爐熱效率，尋找出鍋爐燃燒優(yōu)化運行方式。

根據(jù)與NOx排放濃度及鍋爐熱效率相關(guān)的鍋爐燃燒參數(shù)[6]，主要開展了變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門開度、變SOFA 風(fēng)門開度特性試驗。試驗過程嚴(yán)格遵從電廠熱工試驗規(guī)程[7-9]。

整理試驗數(shù)據(jù)，NOx計算公式結(jié)果修正依據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行，而鍋爐熱效率的計算方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC4 執(zhí)行。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 變氧量特性試驗

一般來說，鍋爐運行氧量調(diào)整的目標(biāo)是使排煙熱損失q2、化學(xué)未完全燃燒熱損失q3、機械未完全燃燒熱損失q4三者之和較小的同時，也要保證較低的NOx濃度濃度和較高的安全運行水平。

變氧量試驗在對象鍋爐1000 MW 負(fù)荷下進(jìn)行，維持主要運行參數(shù)穩(wěn)定不變，分別控制運行氧量為2.5%、3.0%、3.5%。

試驗結(jié)果表明，隨著運行氧量的增加，排煙熱損失升高，分別為5.22%、5.28%、5.61%；飛灰可燃物含碳量為1.3%、1.1%、1.0%，底渣含碳量為1.7%、1.6%、0.5%，運行氧量低于3%時的灰渣含碳量較高。

如圖1 所示，運行氧量為2.5%、3.0%、3.5%時，鍋爐熱效率分別為93.63%、93.57%、93.31%，呈先緩后急的下降趨勢；NOx排放濃度呈顯著升高趨勢，分別為136 mg/m3、167 mg/m3、183 mg/m3。NOx排放濃度升高是由于運行氧量是由總風(fēng)量來控制的，而總風(fēng)量變化一般不改變各級燃燒空氣的比例，所以增加運行氧量也就增加了燃料型NOx的生成量，運行氧量的增加也會使燃燒區(qū)域的中心溫度增加，熱力型NOx生成量進(jìn)而增加，因此總的NOx排放濃度隨運行氧量升高而顯著增加。

圖1 氧量對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

從試驗結(jié)果分析，低運行氧量運行下排煙熱損失較小，抵消了飛灰、爐渣含碳量升高帶來的負(fù)面影響，其鍋爐熱效率也較高。從風(fēng)機電耗來看，送、引風(fēng)機電流隨著運行氧量的降低呈下降趨勢。低運行氧量時送引風(fēng)機電流較小時，輔機電耗也較小，但運行氧量過低容易在鍋爐水冷壁附近形成強烈的還原性環(huán)境[11]，加劇水冷壁高溫腐蝕，增加鍋爐運行風(fēng)險。運行氧量過低也容易導(dǎo)致爐內(nèi)還原性氣氛強烈，熔點較高的Fe2O3還原為熔點較低的FeO[12]，大大降低灰熔點，加重受熱面的結(jié)渣和積灰。

因此，綜合考慮鍋爐運行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性，在1000 MW 負(fù)荷，應(yīng)該將運行氧量控制在3.0%～3.2%。此時，NOx排放濃度在167 mg/m3左右，符合環(huán)保要求且能夠減少水冷壁高溫腐蝕影響。

3.2 變配風(fēng)方式試驗

燃煤鍋爐的主要二次風(fēng)配風(fēng)方式有均布、束腰、鼓腰、正塔式、倒塔式等。其中均布配風(fēng)能夠保證爐內(nèi)熱負(fù)荷均勻且燃燒穩(wěn)定，適用于燃燒穩(wěn)定的大負(fù)荷工況；束腰配風(fēng)有利于提高局部斷面熱負(fù)荷，適用于燃燒不穩(wěn)定或小負(fù)荷燃燒；而正塔配風(fēng)有利于煤粉和空氣充分混合，適用于多種工況[13]。但是不同方式的配風(fēng)對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響也不同，需要通過試驗來確定。

表2 試驗工況下二次風(fēng)風(fēng)門開度設(shè)置 %

表2 為試驗工況下二次風(fēng)風(fēng)門開度設(shè)置。試驗通過改變各燃燒器層直吹風(fēng)、偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)風(fēng)門開度來實現(xiàn)配風(fēng)方式的改變。3 個試驗工況的配風(fēng)方式依次為均布、束腰、正塔。試驗期間，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機運行工況穩(wěn)定，SOFA 風(fēng)門開度均為70%，CCOFA 風(fēng)門開度均為55%左右，運行氧量為3.0%，保持其他運行參數(shù)基本一致。

如圖2 所示，均布、束腰、正塔方式下的鍋爐熱效率分別為93.86%、93.62%、93.38%，NOx排放濃度分別為122 mg/m3、96 mg/m3、136 mg/m3。三種配風(fēng)方式下，均布配風(fēng)方式的鍋爐熱效率最高。正塔方式下NOx排放濃度最高，束腰配風(fēng)方式下NOx排放濃度最低。從試驗結(jié)果分析，由于塔式切圓燃燒鍋爐主燃燒區(qū)高度較大，可以確保燃燒噴嘴之間有足夠的間距[14]，主燃燒區(qū)風(fēng)量分配的改變對該區(qū)域內(nèi)分級燃燒效果影響顯著，而本對象鍋爐的燃燒器設(shè)計又體現(xiàn)了較為突出的分級配風(fēng)機理，因此，均布配風(fēng)較為均勻的供風(fēng)方式與燃燒器的分級配風(fēng)進(jìn)行了柔性對接，可以兼顧較好的鍋爐熱效率和較低的NOx排放濃度。

圖2 配風(fēng)方式對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

因此，1000 MW 負(fù)荷下，建議采用均布配風(fēng)方式。

3.3 變?nèi)急M風(fēng)量試驗

燃盡風(fēng)的設(shè)計是為了實現(xiàn)空氣分級燃燒，抑制燃燒過程中的NOx的生成量，其中又分為緊湊燃盡風(fēng)（CCOFA）和分離燃盡風(fēng)（SOFA），兩者的風(fēng)量對于空預(yù)器出口的CO 體積濃度、鍋爐熱效率、NOx排放濃度有重要影響[15]。

3.3.1 CCOFA 風(fēng)門開度試驗

變緊湊燃盡風(fēng)試驗期間，將CCOFA 風(fēng)門開度由80%降低至65%。兩個工況下運行氧量控制在3.2%，SOFA 風(fēng)門開度為95%，其余運行參數(shù)均保持基本一致。

如圖3 所示，CCOFA 風(fēng)門開度80%和65%兩個工況下鍋爐熱效率分別為93.78%、93.54%，風(fēng)門開度為80%時的鍋爐熱效率較高；CCOFA 風(fēng)門開度為80%時NOx排放濃度為103 mg/m3，開度為65%時NOx排放濃度為126 mg/m3，CCOFA 風(fēng)門開度減小NOx排放濃度上升。

圖3 CCOFA 對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

隨著CCOFA 風(fēng)量的增加，鍋爐熱效率升高明顯，NOx排放濃度則下降顯著。主要原因是在此燃燒系統(tǒng)中CCOFA 位于主燃燒器區(qū)域，總風(fēng)量不變時，CCOFA 風(fēng)門開大，主燃燒器區(qū)域內(nèi)運行氧量增加，燃燒加強，鍋爐熱效率提高。由于CCOFA 位于主燃燒器區(qū)域的上部，CCOFA 風(fēng)量增加后，主燃燒器區(qū)域下部風(fēng)量相對減少，該區(qū)域內(nèi)分級燃燒效果加強，而CCOFA 又距離SOFA 風(fēng)較遠(yuǎn)，對SOFA 風(fēng)的分級燃燒效果幾乎沒有減弱的影響，因此NOx排放濃度下降。

因此，1000 MW 負(fù)荷時CCOFA 風(fēng)門開度應(yīng)盡可能開大，宜設(shè)置在80%開度以上，有利于進(jìn)一步提高鍋爐熱效率，并從一定程度上降低NOx 排放濃度。

3.3.2 SOFA 風(fēng)門開度試驗

變SOFA 風(fēng)門開度試驗共3 個工況，各工況SOFA 風(fēng)門開度依次為各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%。試驗期間，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機運行工況穩(wěn)定，運行氧量控制在3.2%左右，保持其他運行參數(shù)基本一致。

如圖4 所示，SOFA 風(fēng)門開度各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%三個工況的鍋爐熱效率分別為93.84%、93.32%、93.94%，NOx排放濃度分別為237 mg/m3、261 mg/m3、265 mg/m3。

SOFA 風(fēng)門開度上兩層50%其余層80%時鍋爐熱效率最高，其次是各層100%。對于NOx排放濃度則是SOFA 風(fēng)門開度越大，NOx排放濃度越低。

圖4 SOFA 對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

NOx排放濃度隨SOFA 風(fēng)比例的增加而下降，原因是總風(fēng)量不變時，SOFA 風(fēng)量增加后，主燃燒區(qū)域風(fēng)量相對減少，從而加強了爐內(nèi)分級燃燒的效果，燃料型NOx的生成受到限制，鍋爐熱效率的變化則正好相反。

綜合考慮，SOFA 風(fēng)可結(jié)合CCOFA 風(fēng)門同步調(diào)整，在開大SOFA 風(fēng)門的同時也應(yīng)提高CCOFA 風(fēng)量，從而兼顧鍋爐熱效率和NOx排放濃度的雙收益。1000 MW 負(fù)荷時，建議控制SOFA風(fēng)門開度在80%以上。

3.4 1000 MW 負(fù)荷綜合優(yōu)化試驗

根據(jù)上述變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門開度、變SOFA 風(fēng)門開度特性試驗結(jié)果，綜合調(diào)配試驗獲得的燃燒運行參數(shù)，對本文對象鍋爐進(jìn)行1000 MW 負(fù)荷綜合優(yōu)化試驗。優(yōu)化工況中，控制運行氧量在3.2%左右，SOFA、CCOFA 風(fēng)門開度分別設(shè)置在95%左右，采用均布配風(fēng)方式，對于制粉系統(tǒng)則采取了開大熱風(fēng)門關(guān)小冷風(fēng)門操作。優(yōu)化試驗和摸底試驗工況對比結(jié)果見表3。

表3 優(yōu)化試驗和摸底試驗工況對比

通過優(yōu)化，鍋爐熱效率為93.92%，較摸底工況熱效率提高0.78%，且超過了鍋爐設(shè)計熱效率；NOx排放濃度為216 mg/m3，較摸底工況下降55 mg/m3；排煙溫度為114.4 ℃，較摸底工況下降17.6 ℃，且小于鍋爐設(shè)計排煙溫度。

綜上所述，按照筆者開展的變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門開度、變SOFA 風(fēng)門開度特性試驗所提出的燃燒運行優(yōu)化參數(shù)，所進(jìn)行燃燒優(yōu)化綜合試驗的結(jié)果好于鍋爐原先工況，NOx排放濃度和排煙溫度大幅下降，鍋爐熱效率顯著提高。

4 結(jié)論

（1）在1000 MW 負(fù)荷，將機組鍋爐運行氧量控制在3.0%～3.2%，此時的NOx排放濃度較低，能夠符合環(huán)保要求。

（2）對于本文對象鍋爐而言，均布配風(fēng)方式的熱效率最高，正塔方式下NOx排放濃度最高，束腰配風(fēng)方式下NOx排放濃度最低?？傮w來說，1000 MW 負(fù)荷下采用均布配風(fēng)方式，可以兼顧鍋爐較好的熱效率、較低的NOx排放濃度。

（3）在1000 MW 負(fù)荷，將CCOFA 風(fēng)門開度設(shè)置在80%～100%之間，SOFA 風(fēng)門開度在80%以上，可保持較高的鍋爐熱效率和較低的NOx排放濃度。

（4）根據(jù)開展的運行氧量、配風(fēng)方式、CCOFA 風(fēng)門開度、SOFA 風(fēng)門開度特性試驗所獲得燃燒運行優(yōu)化參數(shù)，所進(jìn)行的燃燒優(yōu)化綜合試驗的結(jié)果好于鍋爐原先工況，NOx排放濃度和排煙溫度大幅下降，鍋爐熱效率顯著提高。因此，通過分析試驗數(shù)據(jù)提出的1000 MW 塔式爐燃燒運行參數(shù)能夠為該類型鍋爐的運行和設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)支撐。