大比例摻燒超低揮發(fā)分碳基燃料在300 MW電站煤粉鍋爐上的實(shí)踐

杜進(jìn)，王志超，黎海平

(1.長(zhǎng)安石門(mén)發(fā)電有限公司，湖南常德415300；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安710000)

根據(jù)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 “超低揮發(fā)分碳基燃料清潔燃燒關(guān)鍵技術(shù)”的子課題 “大比例摻燒超低揮發(fā)分碳基燃料電站煤粉鍋爐關(guān)鍵技術(shù)工程試驗(yàn)及示范”研究安排，在開(kāi)展前期實(shí)驗(yàn)室燃料特性研究的基礎(chǔ)上，選定代表性電站煤粉鍋爐，開(kāi)展不同比例半焦及氣化殘?zhí)?(超低揮發(fā)分碳基燃料)燃用試驗(yàn)，通過(guò)制粉系統(tǒng)調(diào)整、煤粉細(xì)度控制、燃燒優(yōu)化運(yùn)行、摻混方式調(diào)整等技術(shù)手段，形成完善的電站煤粉鍋爐燃用半焦及氣化殘?zhí)考夹g(shù)體系，以達(dá)到電站煤粉鍋爐安全穩(wěn)定摻燒45%以上比例的半焦及氣化殘?zhí)康哪繕?biāo)。

該課題選定某電廠3號(hào)鍋爐作為試驗(yàn)對(duì)象。為此，對(duì)該電廠3號(hào)鍋爐進(jìn)行了相關(guān)適應(yīng)性改造，使其具備摻燒半焦及氣化殘?zhí)康臈l件，開(kāi)展了超低揮發(fā)分碳基燃料摻燒數(shù)值模擬，第三方測(cè)試機(jī)構(gòu)在摻燒45%以上比例半焦及氣化殘?zhí)康臈l件下開(kāi)展性能測(cè)試。

1 設(shè)備簡(jiǎn)介

某電廠3號(hào)鍋爐裝機(jī)容量300 MW，采用亞臨界中間再熱自然循環(huán)汽包爐，鍋爐燃燒器采用四角布置；制粉系統(tǒng)為中間儲(chǔ)倉(cāng)式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)[1]，配鋼球磨煤機(jī)4臺(tái)，磨煤機(jī)配備動(dòng)態(tài) (動(dòng)靜結(jié)合旋轉(zhuǎn)式)分離器。

2 摻燒半焦及氣化殘?zhí)窟m應(yīng)性改造情況

1)3號(hào)鍋爐原粉倉(cāng)為分角燃燒布置，即1號(hào)粉倉(cāng)對(duì)應(yīng)鍋爐的五層1號(hào)、2號(hào)角燃燒器，2號(hào)粉倉(cāng)對(duì)應(yīng)鍋爐的五層3號(hào)、4號(hào)角燃燒器。為了實(shí)現(xiàn)燃燒特性不同的高低揮發(fā)分燃料摻燒，對(duì)一次風(fēng)管布置進(jìn)行了改進(jìn)，使A、D層及E層1號(hào)、3號(hào)角燃燒器對(duì)應(yīng)1號(hào)粉倉(cāng)，C、D層和及E層2號(hào)、4號(hào)角燃燒器對(duì)應(yīng)2號(hào)粉倉(cāng)[2]。達(dá)到了主燃區(qū)同一層火嘴對(duì)應(yīng)同一粉倉(cāng)要求，實(shí)現(xiàn)了主燃區(qū)同一層火嘴對(duì)應(yīng)同一粉倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)了分倉(cāng)上煤、分磨制粉、分層送粉、爐內(nèi)混燒，提高了煤種適應(yīng)性的同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

2)將A、C、D、E層一次風(fēng)煤粉燃燒器改為高濃縮比、低阻力的低氮燃燒器，如圖1所示。在濃一次風(fēng)向火側(cè)噴口內(nèi)側(cè)采用穩(wěn)燃齒和波形水平鈍體技術(shù)，在淡側(cè)產(chǎn)生高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，形成穩(wěn)定點(diǎn)火源，引燃濃側(cè)煤粉。

圖1 改造后的低氮燃燒器

3)對(duì)噴口面積進(jìn)行相應(yīng)縮小和密封并重新布置，減少二次風(fēng)門(mén)的漏風(fēng)，提高了二層風(fēng)箱壓力和二次風(fēng)噴口風(fēng)速，使二次風(fēng)風(fēng)速滿足摻燒超低揮發(fā)分碳基燃料的需要。

4)對(duì)制粉系統(tǒng)的三次風(fēng)攜帶的超細(xì)煤粉進(jìn)行濃縮分離后送入爐膛，如圖2所示。對(duì)制粉系統(tǒng)的每根三次風(fēng)管道增加一套三次風(fēng)濃淡分離系統(tǒng)，分別引出一路濃三次風(fēng)和淡三次風(fēng)，濃三次風(fēng)布置在鍋爐的主燃區(qū)，淡三次風(fēng)由鍋爐的高位燃盡風(fēng)下部進(jìn)入爐膛。

圖2 三次風(fēng)濃淡分離

5)在距離最上層一次風(fēng)約8 000 mm處重新布置三層高位燃盡風(fēng)系統(tǒng)及兩層淡三次風(fēng)，風(fēng)量占總空氣量25%～30%，供風(fēng)形式采用側(cè)墻整體大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，減小供風(fēng)阻力，保證各角供風(fēng)均勻性。燃盡風(fēng)噴口均可以垂直和水平方向擺動(dòng)，垂直擺動(dòng)±15°， 水平擺動(dòng)±10°[3]。

3 半焦及氣化殘?zhí)繐綗齕4]數(shù)值模擬

3.1 摻燒半焦試驗(yàn)煤種情況

對(duì)摻配的主要煤種 (彬長(zhǎng)煤)和半焦取樣進(jìn)行工業(yè)元素分析，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)摻燒試驗(yàn)煤質(zhì)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

3.2 摻燒比例研究

在爐內(nèi)分層摻燒情況下，對(duì)不同半焦摻燒比例進(jìn)行研究。45%摻燒比條件下，半焦布置于B、C兩層，底層布置煙煤，這相比于40%與60%摻燒比，底層煙煤布置略少，B、C層布置半焦略多。因此，此工況下的45%摻燒比，主燃區(qū)下部溫度相對(duì)較低，半焦燃燒進(jìn)程相對(duì)減緩，因此相比于各層均勻噴入燃料，45%摻燒比的工況下NO生成量較高。不同半焦摻燒比例時(shí)NOx分布如圖3所示，爐膛出口參數(shù)見(jiàn)表2。

為保證一定的燃燒效率和降低NOx排放量，半焦摻燒比例不宜過(guò)高，為達(dá)到項(xiàng)目要求的45%摻燒比例下的燃燒效率以及污染物排放指標(biāo)，宜進(jìn)行適用于半焦與煙煤混燃的運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)半焦摻燒比45%，并兼顧燃燒與減排。

圖3 不同半焦摻燒比例的NOx分布云圖

表2 不同半焦摻燒比例時(shí)爐膛出口參數(shù)

3.3 半焦送入位置研究

燃燒器共分為 A、B、C、D、E共 5層，對(duì)摻燒45%比例半焦情況分別從 B、C層、A、D層、A、B、C、D、E層噴入爐膛三種工況進(jìn)行了研究。

半焦從 B、C層噴入，出口 NOx濃度最??；半焦從A、D層噴入，飛灰含碳量最低，出口溫度與燃燒效率最高；半焦從A、B、C、D、E層噴入時(shí)，污染物生成量高且燃燒效率低?？梢?jiàn)半焦不適宜全爐膛摻混，而半焦的噴入位置越向下，NOx生成量越低。而將半焦與煙煤間隔布置后，整體燃燒效率會(huì)有所提升。因此，選擇將半焦由A、D層噴入。不同半焦摻入位置時(shí)爐膛出口參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 不同半焦摻入位置時(shí)爐膛出口參數(shù)

3.4 摻燒方式研究

對(duì)于中間儲(chǔ)存式制粉系統(tǒng)，可供選擇的摻燒方式有三種方式:①入爐煤摻配、爐內(nèi)混燒；②分磨制粉、倉(cāng)內(nèi)混合、爐內(nèi)混燒 (對(duì)應(yīng)爐外摻燒)；③分磨制粉、分倉(cāng)儲(chǔ)存、爐內(nèi)摻燒 (對(duì)應(yīng)爐內(nèi)摻燒)[2]。

圖4是該電廠45%摻燒比例下，采用爐內(nèi)摻燒與爐外摻燒對(duì)爐膛截面溫度場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)和NOx濃度場(chǎng)的影響云圖。爐內(nèi)摻燒采用了半焦從A、B層噴入的方案。相同摻燒比例條件下，相對(duì)于爐外摻燒，爐內(nèi)摻燒的截面溫度較高[4-5]，氧濃度較低，且NOx濃度較低。爐內(nèi)爐外摻燒數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表4。

圖4 爐內(nèi)爐外摻燒截面參數(shù)對(duì)比云圖

表4 爐內(nèi)爐外數(shù)據(jù)摻燒對(duì)比

3.5 過(guò)量空氣系數(shù)研究

鍋爐運(yùn)行氧量對(duì)飛灰可燃物和氮氧化物有較大的影響，對(duì)于半焦與煙煤混燃體系而言，需要針對(duì)不同鍋爐的實(shí)際情況選擇合適的運(yùn)行氧量，定性的影響大致相似。模擬研究結(jié)果顯示，隨過(guò)量空氣系數(shù)的增大，飛灰可燃物降低，爐膛出口氧量和氮氧化物濃度持續(xù)增大，并且爐膛出口溫度有所降低。對(duì)于電站鍋爐，應(yīng)綜合考慮燃燒效率和污染物排放的變化，選擇適宜的過(guò)量空氣系數(shù)，根據(jù)某電廠的鍋爐實(shí)際前期燃燒情況，推薦過(guò)量空氣系數(shù)在1.167～1.25之間進(jìn)行優(yōu)化選擇。不同過(guò)量空氣系數(shù)下NOx分布如圖5所示，爐膛出口參數(shù)見(jiàn)表5。

圖5 不同過(guò)量空氣系數(shù)下NOx分布云圖

表5 爐膛出口參數(shù)對(duì)比表

3.6 鍋爐主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)研究

目前，空氣分級(jí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于電廠實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，實(shí)踐表明，降低主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)，對(duì)爐膛氮氧化物有明顯的減排效果，但也會(huì)增大爐膛燃料的不完全燃燒熱損失，對(duì)飛灰含碳量及底渣含碳量有明顯影響。主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)越小，燃料在主燃區(qū)燃燒時(shí)氧氣濃度越低，產(chǎn)生的NOx相應(yīng)較少。因此，在實(shí)際半焦與煙煤混燃燃燒組織中，需選取合適的主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)以保證更好的燃燒效果。

根據(jù)模擬研究結(jié)果顯示:當(dāng)摻燒半焦與煙煤時(shí)，應(yīng)選擇適宜的主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)，兼顧燃燒效率和NOx排放。根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)際調(diào)研該電廠鍋爐可選用主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.9左右。

3.7 鍋爐燃燒二次風(fēng)配風(fēng)方式

對(duì)鍋爐的污染物排放和燃燒效率來(lái)說(shuō)二次風(fēng)配風(fēng)方式較大的影響。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:

1)倒塔配風(fēng)為二次風(fēng)推遲給入，煙煤在低氧濃度下燃燒，而半焦燃燒器附近則風(fēng)量增加，溫度場(chǎng)顯示其爐膛溫度水平高于其他配風(fēng)方式，且氧濃度較低，創(chuàng)造了高溫還原性氣氛，使得NOx排放較低，并且燃燒效率較高。

2)二次風(fēng)采用均等和束腰型配風(fēng)方式，爐內(nèi)生成的氮氧化物較高，正塔型和鼓腰型配風(fēng)的生成量居中，采用倒塔型配風(fēng)后，爐內(nèi)生成的氮氧化物較低。

3)采用均等型的二次風(fēng)配風(fēng)方式時(shí)，溫度場(chǎng)最高溫度相對(duì)較低，同時(shí)高溫區(qū)比較貼壁，有可能會(huì)造成水冷壁的結(jié)渣，而由于半焦燃盡所需氧氣量高于煙煤，上部二次風(fēng)量較小，因此造成爐膛平均溫度變小。鼓腰配風(fēng)方式為中間二次風(fēng)量較高，而上下部二次風(fēng)量較低，束腰配風(fēng)方式則相反，因此造成兩種配風(fēng)方式下，溫度場(chǎng)有較大的差異。

4)不同二次風(fēng)配風(fēng)方式工況的爐膛出口煙溫有較小的差別，均等配風(fēng)工況爐膛出口煙溫最低，其余幾種配風(fēng)方式的出口煙溫差別不大，因此不同配風(fēng)方式對(duì)爐膛出口的之后換熱情況影響不大。

綜合考慮各方面因素的影響，對(duì)于采用A、D層燃燒器噴入半焦時(shí)，推薦采用半焦燃燒器附近二次風(fēng)量增加的倒塔配風(fēng)方式。

4 爐內(nèi)摻燒半焦及氣化殘?zhí)啃阅茉囼?yàn)結(jié)果

1)連續(xù)≥24 h考核試驗(yàn)。

為確定半焦及殘?zhí)繝t內(nèi)摻燒比例，進(jìn)行了連續(xù)≥24 h考核試驗(yàn)，期間總?cè)剂狭繛? 449.14 t，半焦及殘?zhí)咳加昧繛? 244.08 t，半焦及殘?zhí)繐綗壤秊?0.80%，達(dá)到了摻燒比例≥45%的目標(biāo)；試驗(yàn)期間氣化殘?zhí)咳加昧繛?9.63 t，氣化殘?zhí)繐綗壤秊?.21%，達(dá)到了摻燒比例≥0.5%的目標(biāo)。

2)鍋爐效率、燃燒效率測(cè)試結(jié)果。

四個(gè)工況的測(cè)試:工況 1(負(fù)荷300 MW、ABCD磨運(yùn)行)鍋爐效率達(dá)到91.82%，鍋爐燃燒效率達(dá)到98.48%；工況2(負(fù)荷300 MW、ACD磨運(yùn)行)鍋爐效率達(dá)到92.98%，鍋爐燃燒效率達(dá)到99.43%；工況3(負(fù)荷240 MW、CD磨運(yùn)行)鍋爐效率達(dá)到93.07%，鍋爐燃燒效率達(dá)到99.49%；工況4(負(fù)荷240 MW、ACD磨運(yùn)行)鍋爐效率達(dá)到92.67%，鍋爐燃燒效率達(dá)到99.65%。

3)鍋爐NOx排放濃度測(cè)定。

摻燒試驗(yàn)前鍋爐NOx放濃度為:300 MW工況下493.74 mg/Nm3， 240 MW工況下533.00 mg/Nm3。

在大比例摻燒半焦及殘?zhí)?(試驗(yàn)期間達(dá)50.80%)后，鍋爐 NOx放濃度為:工況 1為462.61 mg/Nm3；工況2為442.33 mg/Nm3[1]；工況3為463.87 mg/Nm3； 工況4為454.31 mg/Nm3。鍋爐NOx排放濃度在300 MW、240 MW工況下均低于摻燒前水平。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)改造、數(shù)值理論模擬計(jì)算和實(shí)爐摻燒實(shí)踐，在該鍋爐上超低揮發(fā)分碳基燃料(半焦、氣化殘?zhí)?的摻燒比例達(dá)到了50.8%，氣化殘?zhí)繐綗壤_(dá)到1.21%，鍋爐燃燒效率達(dá)到了99.2%，且鍋爐氮氧化物生成濃度低于摻燒前水平。達(dá)到了所要求的超低揮發(fā)分碳基燃料摻燒比例不低于45%、摻燒后鍋爐燃燒效率不低于98%的目標(biāo)，完成了現(xiàn)役300 MW等級(jí)電站煤粉鍋爐摻燒50%比例的超低揮發(fā)分碳基燃料 (半焦、氣化殘?zhí)?的工業(yè)示范。

大比例摻燒半焦及氣化殘?zhí)吭诂F(xiàn)役300 MW機(jī)組電站煤粉鍋爐示范研究的成功，為煤炭清潔高效分質(zhì)利用的主要副產(chǎn)品半焦及氣化殘?zhí)空业搅撕侠淼膽?yīng)用途經(jīng)，有利于從長(zhǎng)遠(yuǎn)上推動(dòng)煤的梯級(jí)利用技術(shù)健康發(fā)展，將我國(guó)煤炭資源的分質(zhì)分級(jí)梯級(jí)轉(zhuǎn)化利用真正落到實(shí)處，并能培育培養(yǎng)出新的經(jīng)濟(jì)及就業(yè)增長(zhǎng)點(diǎn)，具有顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。此外，由于在半焦生產(chǎn)過(guò)程中已率先除去了煤中的大部分污染物，將其作為鍋爐燃料會(huì)有助于后續(xù)利用環(huán)節(jié)的清潔化，具有顯著的生態(tài)效益。