超超臨界塔式鍋爐燃燒優(yōu)化試驗(yàn)研究

顧 偉

（徐州華潤(rùn)電力有限公司，江蘇徐州 221000）

0 引言

隨著我國(guó)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(jī)組已經(jīng)成為發(fā)電生產(chǎn)的主力軍[1]。與此同時(shí)，燃煤機(jī)組的運(yùn)行方式?jīng)Q定了發(fā)電過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量污染物，對(duì)此國(guó)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(jī)組的燃燒運(yùn)行效率，成為目前燃煤發(fā)電行業(yè)亟需解決的重要問(wèn)題。

針對(duì)大型高參數(shù)機(jī)組鍋爐的燃燒優(yōu)化問(wèn)題，許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬或者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)其進(jìn)行了研究。應(yīng)明良等[2]以及袁宏偉等[3]對(duì)于600 MW 超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器的改造以及運(yùn)行調(diào)整研究，有效降低了其NOx的排放濃度并優(yōu)化了運(yùn)行參數(shù)；鄒磊等[4]對(duì)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(yàn)，能夠降低NOx排放濃度的同時(shí)兼顧減少CO 排放和飛灰含碳量導(dǎo)致的運(yùn)行損失；張曉宇[5]對(duì)某600 MW 超臨界四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)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(duì)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(jī)組鍋爐的燃燒優(yōu)化缺乏一定技術(shù)參考。

通過(guò)對(duì)某1000 MW 超超臨界塔式鍋爐開(kāi)展燃燒優(yōu)化試驗(yàn)，考慮了運(yùn)行氧量、配風(fēng)方式、CCOFA（緊湊燃盡風(fēng)）風(fēng)門(mén)開(kāi)度和SOFA（分離燃盡風(fēng)）風(fēng)門(mén)開(kāi)度等運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(yùn)行的優(yōu)化參數(shù)。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介及存在問(wèn)題

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

以某1000 MW 超超臨界直流塔式鍋爐為試驗(yàn)研究對(duì)象，鍋爐型號(hào)為SG-3050/27.46-M53X，變壓運(yùn)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(tái)ZGM133 中速輥式磨煤機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)，5 臺(tái)磨運(yùn)行帶鍋爐BMCR（鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量）工況，1 臺(tái)磨備用。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 鍋爐燃燒存在問(wèn)題

為了對(duì)對(duì)象鍋爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，首先進(jìn)行了1000 MW 負(fù)荷下的摸底試驗(yàn)。在摸底試驗(yàn)工況中，A 磨～F 磨運(yùn)行，表盤(pán)運(yùn)行氧量顯示為3.75%，SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度為95%，CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)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(yàn)中可以看出，對(duì)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(guò)了設(shè)計(jì)值；③鍋爐效率不高，低于設(shè)計(jì)值93.77%。

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

2 試驗(yàn)方法

針對(duì)以上對(duì)象鍋爐燃燒中存在的問(wèn)題，筆者開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)行燃燒運(yùn)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(yùn)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(kāi)展了變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格遵從電廠熱工試驗(yàn)規(guī)程[7-9]。

整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，NOx計(jì)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(jì)算方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC4 執(zhí)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 變氧量特性試驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，鍋爐運(yùn)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(jī)械未完全燃燒熱損失q4三者之和較小的同時(shí)，也要保證較低的NOx濃度濃度和較高的安全運(yùn)行水平。

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

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著運(yùn)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(yùn)行氧量低于3%時(shí)的灰渣含碳量較高。

如圖1 所示，運(yùn)行氧量為2.5%、3.0%、3.5%時(shí)，鍋爐熱效率分別為93.63%、93.57%、93.31%，呈先緩后急的下降趨勢(shì)；NOx排放濃度呈顯著升高趨勢(shì)，分別為136 mg/m3、167 mg/m3、183 mg/m3。NOx排放濃度升高是由于運(yùn)行氧量是由總風(fēng)量來(lái)控制的，而總風(fēng)量變化一般不改變各級(jí)燃燒空氣的比例，所以增加運(yùn)行氧量也就增加了燃料型NOx的生成量，運(yùn)行氧量的增加也會(huì)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(yùn)行氧量升高而顯著增加。

圖1 氧量對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響

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

因此，綜合考慮鍋爐運(yùn)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(yùn)行氧量控制在3.0%～3.2%。此時(shí)，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(yàn)

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(duì)鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響也不同，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。

表2 試驗(yàn)工況下二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度設(shè)置 %

表2 為試驗(yàn)工況下二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度設(shè)置。試驗(yàn)通過(guò)改變各燃燒器層直吹風(fēng)、偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)配風(fēng)方式的改變。3 個(gè)試驗(yàn)工況的配風(fēng)方式依次為均布、束腰、正塔。試驗(yàn)期間，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度均為70%，CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度均為55%左右，運(yùn)行氧量為3.0%，保持其他運(yùn)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(yàn)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(duì)該區(qū)域內(nèi)分級(jí)燃燒效果影響顯著，而本對(duì)象鍋爐的燃燒器設(shè)計(jì)又體現(xiàn)了較為突出的分級(jí)配風(fēng)機(jī)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(jí)配風(fēng)進(jìn)行了柔性對(duì)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(duì)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(yàn)

燃盡風(fēng)的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒，抑制燃燒過(guò)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(duì)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(mén)開(kāi)度試驗(yàn)

變緊湊燃盡風(fēng)試驗(yàn)期間，將CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度由80%降低至65%。兩個(gè)工況下運(yùn)行氧量控制在3.2%，SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度為95%，其余運(yùn)行參數(shù)均保持基本一致。

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

圖3 CCOFA 對(duì)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(shí)，CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)大，主燃燒器區(qū)域內(nèi)運(yùn)行氧量增加，燃燒加強(qiáng)，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(duì)減少，該區(qū)域內(nèi)分級(jí)燃燒效果加強(qiáng)，而CCOFA 又距離SOFA 風(fēng)較遠(yuǎn)，對(duì)SOFA 風(fēng)的分級(jí)燃燒效果幾乎沒(méi)有減弱的影響，因此NOx排放濃度下降。

因此，1000 MW 負(fù)荷時(shí)CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度應(yīng)盡可能開(kāi)大，宜設(shè)置在80%開(kāi)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(mén)開(kāi)度試驗(yàn)

變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度試驗(yàn)共3 個(gè)工況，各工況SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度依次為各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%。試驗(yàn)期間，維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定，運(yùn)行氧量控制在3.2%左右，保持其他運(yùn)行參數(shù)基本一致。

如圖4 所示，SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%三個(gè)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(mén)開(kāi)度上兩層50%其余層80%時(shí)鍋爐熱效率最高，其次是各層100%。對(duì)于NOx排放濃度則是SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度越大，NOx排放濃度越低。

圖4 SOFA 對(duì)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(shí)，SOFA 風(fēng)量增加后，主燃燒區(qū)域風(fēng)量相對(duì)減少，從而加強(qiáng)了爐內(nèi)分級(jí)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(mén)同步調(diào)整，在開(kāi)大SOFA 風(fēng)門(mén)的同時(shí)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(shí)，建議控制SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度在80%以上。

3.4 1000 MW 負(fù)荷綜合優(yōu)化試驗(yàn)

根據(jù)上述變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)結(jié)果，綜合調(diào)配試驗(yàn)獲得的燃燒運(yùn)行參數(shù)，對(duì)本文對(duì)象鍋爐進(jìn)行1000 MW 負(fù)荷綜合優(yōu)化試驗(yàn)。優(yōu)化工況中，控制運(yùn)行氧量在3.2%左右，SOFA、CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度分別設(shè)置在95%左右，采用均布配風(fēng)方式，對(duì)于制粉系統(tǒng)則采取了開(kāi)大熱風(fēng)門(mén)關(guān)小冷風(fēng)門(mén)操作。優(yōu)化試驗(yàn)和摸底試驗(yàn)工況對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化試驗(yàn)和摸底試驗(yàn)工況對(duì)比

通過(guò)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(guò)了鍋爐設(shè)計(jì)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(jì)排煙溫度。

綜上所述，按照筆者開(kāi)展的變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)所提出的燃燒運(yùn)行優(yōu)化參數(shù)，所進(jìn)行燃燒優(yōu)化綜合試驗(yàn)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(jī)組鍋爐運(yùn)行氧量控制在3.0%～3.2%，此時(shí)的NOx排放濃度較低，能夠符合環(huán)保要求。

（2）對(duì)于本文對(duì)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(lái)說(shuō)，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(mén)開(kāi)度設(shè)置在80%～100%之間，SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)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(kāi)展的運(yùn)行氧量、配風(fēng)方式、CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)所獲得燃燒運(yùn)行優(yōu)化參數(shù)，所進(jìn)行的燃燒優(yōu)化綜合試驗(yàn)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(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的1000 MW 塔式爐燃燒運(yùn)行參數(shù)能夠?yàn)樵擃愋湾仩t的運(yùn)行和設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。