對(duì)沖燃煤鍋爐左右擺動(dòng)燃盡風(fēng)技術(shù)研究及應(yīng)用

李 強(qiáng),楊章寧通信作者

1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 611731 2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001

0 引言

目前,對(duì)電站鍋爐的NOx排放及鍋爐效率的要求越來(lái)越高,電站鍋爐NOx控制技術(shù)主要有空氣分級(jí)、燃料分級(jí)、低氧燃燒、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器、選擇性非催化還原、選擇性催化還原等[1-3]。結(jié)合對(duì)沖煤粉燃燒鍋爐的燃燒特點(diǎn),鍋爐一般采取超低NOx燃燒器、空氣深度分級(jí)、多級(jí)燃盡風(fēng)配風(fēng)等技術(shù)手段來(lái)解決NOx排放問(wèn)題,但隨之也給鍋爐高效運(yùn)行帶來(lái)一些問(wèn)題[3-7]。由于空氣深度分級(jí),爐膛主燃燒區(qū)域氧量不足,會(huì)產(chǎn)生大量的CO以及未燃盡的焦炭等可燃物,而后期通入的燃盡風(fēng)雖然可以大幅度降低未燃盡的可燃物,但噴入爐內(nèi)的空氣無(wú)法到達(dá)所有區(qū)域,還是有部分可燃物直接離開燃盡區(qū)域,未能充分燃盡。在大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),低NOx排放會(huì)導(dǎo)致高的未燃盡碳和低的燃燒效率,NOx排放控制得越低,帶來(lái)未燃盡碳將大大增加,特別是CO大幅上升,鍋爐效率會(huì)降低,這種以犧牲鍋爐效率來(lái)?yè)Q取NOx的低排放是不可取的,也是電廠難于接受的。

筆者設(shè)計(jì)了一種新型的左右擺動(dòng)燃盡風(fēng)技術(shù),可用于前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐,根據(jù)對(duì)沖燃燒鍋爐爐膛上部燃盡區(qū)域未燃盡可燃物的分布特點(diǎn),經(jīng)過(guò)燃燒調(diào)整,獲得較佳的燃燒效果。

1 圓形水平擺動(dòng)燃盡風(fēng)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的對(duì)沖爐燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器設(shè)計(jì)中,通常采用旋流風(fēng)和直流風(fēng)相結(jié)合的結(jié)構(gòu),將燃盡風(fēng)分為2股獨(dú)立的氣流送入爐膛。傳統(tǒng)燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器設(shè)計(jì)理念認(rèn)為,中央部位的氣流為直流氣流,速度高、剛性大可直接穿透上升煙氣進(jìn)入爐膛中心區(qū)域;外圈氣流是旋轉(zhuǎn)氣流,離開調(diào)風(fēng)器后向四周擴(kuò)散,用于與靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進(jìn)行混合。然而鍋爐在實(shí)際空氣深度分級(jí)運(yùn)行下,特別在大容量鍋爐上表現(xiàn)出爐膛中心區(qū)域和爐膛兩側(cè)墻明顯缺風(fēng)現(xiàn)象,且沿爐膛寬度方向風(fēng)、粉混合均勻性不佳,不利于鍋爐高效燃燒和低NOx控制。其原因一方面是燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器中旋流風(fēng)量太大,燃盡風(fēng)的直流風(fēng)穿透力不足,達(dá)不到預(yù)期;另一方面是燃盡風(fēng)的直流風(fēng)采用了“定向直流”模式,爐膛寬度方向氧量調(diào)節(jié)手段相對(duì)有限;其他方面還有燃燒器煤粉分配不均等。

結(jié)合大量實(shí)際工程的運(yùn)行情況,筆者提出一種新型的左右擺動(dòng)燃盡風(fēng)技術(shù),該燃盡風(fēng)關(guān)鍵技術(shù)在于旋流風(fēng)和直流風(fēng)風(fēng)量配比的合理選取、旋流風(fēng)和直流風(fēng)的速度的合理選取、噴口擺動(dòng)裝置的合理設(shè)計(jì)以及噴口擺動(dòng)角度的合理選取等,解決了圓形噴口難于擺動(dòng)的技術(shù)難題。燃盡風(fēng)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃盡風(fēng)擺動(dòng)結(jié)構(gòu)Fig.1 structure of Sway-OFA

結(jié)合圖1,對(duì)圓形左右擺動(dòng)設(shè)計(jì)理念說(shuō)明如下。

位于圓形風(fēng)管前端的圓形噴口,其外徑略小于風(fēng)管的內(nèi)徑。噴口與位于其垂直中心線上的轉(zhuǎn)軸之間固接,轉(zhuǎn)軸的下端為球面、支撐在軸承座中并能在其中轉(zhuǎn)動(dòng),軸承座固定在風(fēng)管的外側(cè)。轉(zhuǎn)軸上固接內(nèi)擺臂,內(nèi)擺臂通過(guò)傳動(dòng)桿與外擺臂連接,并組成平行四邊形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

傳動(dòng)桿穿過(guò)燃燒器面板及保溫盒。外擺臂與主動(dòng)傳動(dòng)軸固接,主動(dòng)傳動(dòng)軸支撐在軸承座中,軸承座固定在密封盒的外側(cè),密封盒用于實(shí)現(xiàn)整套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的密封,防止燃燒器內(nèi)的熱風(fēng)外泄。密封盒固定在燃燒器保溫盒的面板上。主動(dòng)傳動(dòng)臂與主動(dòng)傳動(dòng)軸的外端固接,通過(guò)擺動(dòng)主動(dòng)傳動(dòng)臂可最終帶動(dòng)圓形噴口產(chǎn)生同步擺動(dòng)。主動(dòng)傳動(dòng)臂可通過(guò)鎖緊裝置進(jìn)行位置固定,防止燃燒器運(yùn)行中噴口的擺角位置因振動(dòng)等發(fā)生自行變化。主動(dòng)傳動(dòng)臂上固定有指針,鎖緊裝置上固定有圓弧形的刻度架,指針及刻度架用于指示內(nèi)部噴口的實(shí)際擺動(dòng)角度。為防止過(guò)多的風(fēng)從風(fēng)管和噴口之間的擺動(dòng)間隙流出,在風(fēng)管內(nèi)靠近噴口處設(shè)置了擋環(huán),使風(fēng)管中的絕大部分風(fēng)能夠從噴口流出。

2 應(yīng)用研究對(duì)象概況

2.1 研究對(duì)象一概況

研究對(duì)象一是某350 MW超臨界鍋爐,該鍋爐為單爐膛、1次中間再熱、采用前后墻對(duì)沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐,其設(shè)計(jì)煤的元素分析和工業(yè)分析如表1所示。

表1 煤的元素分析和工業(yè)分析Tab.1 Elemental analysis and industrial analysis of coal

該鍋爐的燃燒器布置為前墻3層后墻2層,全爐共20只旋流煤粉燃燒器,每層4只。燃燒器層間距為3 885 mm,燃燒器列間距為2 844.8 mm,最外側(cè)燃燒器中心線與側(cè)墻距離為3 283.4 mm。燃盡風(fēng)布置為前墻2層后墻2層,全爐共16只燃盡風(fēng)噴口,最上層燃盡風(fēng)采用擺動(dòng)燃盡風(fēng),同時(shí)布置有1層側(cè)燃盡風(fēng),全爐共4只。

2.2 研究對(duì)象二概況

研究對(duì)象二是某660 MW超臨界鍋爐,該鍋爐為單爐膛、1次中間再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、前后墻對(duì)沖燃燒、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)п型鍋爐,其設(shè)計(jì)煤的元素和工業(yè)分析如表2所示。

表2 煤的元素分析和工業(yè)分析Tab.2 Elemental analysis and industrial analysis of coal

該鍋爐原設(shè)計(jì)燃燒器布置為前墻2層后墻3層,全爐共30只旋流煤粉燃燒器,每層6只。燃燒器層間距為4 526 mm,燃燒器列間距為3 048 mm,最外側(cè)燃燒器中心線與側(cè)墻距離為3 461.2 mm。燃盡風(fēng)布置為前墻1層后墻1層,全爐共12只燃盡風(fēng)噴口,同時(shí)布置有1層側(cè)燃盡風(fēng),全爐共4只。

根據(jù)國(guó)家節(jié)能環(huán)保相關(guān)要求,該鍋爐進(jìn)行了低氮改造,改造后原燃燒器位置、燃盡風(fēng)、側(cè)燃盡風(fēng)位置不變,主要改造是現(xiàn)有燃盡風(fēng)上方新增加1層擺動(dòng)式燃盡風(fēng),全爐共增加12只燃盡風(fēng)噴口。

3 工程應(yīng)用研究情況

3.1 研究對(duì)象一研究情況

3.1.1 冷態(tài)煙花示蹤試驗(yàn)

煙花示蹤試驗(yàn)主要是觀察噴口氣流流場(chǎng)的分布情況。試驗(yàn)過(guò)程中首先停1次風(fēng)機(jī),啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī),爐膛負(fù)壓控制在-100～0 Pa,2次風(fēng)入口風(fēng)箱風(fēng)壓維持在0.8～0.9 kPa。關(guān)閉后墻所有層風(fēng)門擋板,維持前墻燃盡風(fēng)就地?fù)醢迦_,選取3只燃盡風(fēng)燃燒器分別擺動(dòng)擺角0°、左擺15°及右擺15°調(diào)整進(jìn)行煙花示蹤試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示,燃盡風(fēng)擺動(dòng)效果較好,同時(shí)燃盡風(fēng)剛性也較強(qiáng)。單個(gè)燃盡風(fēng)擺動(dòng)示意圖及單個(gè)燃盡風(fēng)擺動(dòng)煙花示蹤畫面如圖2、圖3所示。

圖2 單個(gè)燃盡風(fēng)擺動(dòng)示意圖Fig.2 Swings of Sway-OFA

圖3 單個(gè)燃盡風(fēng)擺動(dòng)煙花示蹤畫面Fig.3 Fireworks display of Sway-OFA

3.1.2 項(xiàng)目調(diào)試情況

工況1:機(jī)組負(fù)荷為195 MW,給水流量為707 t/h,給煤量為87 t/h,總風(fēng)量為798 t/h。鍋爐正常運(yùn)行后,擺動(dòng)燃盡風(fēng)擺角為0°,采用網(wǎng)格法對(duì)省煤器出口的O2含量、CO及煙溫進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量結(jié)果如圖4所示。此工況條件下,O2含量相對(duì)較平,但CO有明顯偏差。

圖4 擺動(dòng)前O2含量、CO及煙溫測(cè)量數(shù)據(jù)圖Fig.4 The O2,CO,Gas Temperature data

工況2:機(jī)組負(fù)荷為282 MW,給水流量為983 t/h,給煤量為126 t/h,總風(fēng)量為1 004 t/h。在此工況條件下O2、CO呈現(xiàn)與工況1相同的趨勢(shì),但高溫過(guò)熱器個(gè)別壁溫測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)接近報(bào)警值的情況,按照此溫度水平,在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)超溫報(bào)警現(xiàn)象。

工況3:通過(guò)擺動(dòng)水平擺動(dòng)燃盡風(fēng)噴口擺角后,采用網(wǎng)格法在省煤器出口處測(cè)量O2含量、CO及煙溫。燃盡風(fēng)擺角擺動(dòng)情況如表3,擺動(dòng)后O2含量、CO及煙溫測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5所示。

表3 擺動(dòng)燃盡風(fēng)擺角擺動(dòng)情況Tab.3 Sway-OFA angle position after adjust

圖5 擺動(dòng)后O2含量、CO及煙溫測(cè)量數(shù)據(jù)圖Fig.5 The O2,CO,Gas Temperature data

通過(guò)對(duì)燃盡風(fēng)的擺動(dòng),O2分布更均勻,CO更低,NOx排放保持不變。同時(shí)壁溫測(cè)點(diǎn)值約降低5 ℃,對(duì)緩解個(gè)別壁溫測(cè)點(diǎn)超溫的現(xiàn)象效果明顯。

工況4:機(jī)組負(fù)荷為350 MW,給水流量為1 203 t/h,給煤量為176 t/h,總風(fēng)量為1 345 t/h。工況4燃盡風(fēng)擺動(dòng)角度與工況3一致,采用網(wǎng)格法對(duì)省煤器出口的O2含量、CO及煙溫進(jìn)行測(cè)試,在此工況條件下O2、CO分布都較為均勻,CO有少量增加,NOx與工況2相同。O2含量,CO及煙溫測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 O2含量、CO及煙溫測(cè)量數(shù)據(jù)圖Fig.6 The O2,CO,Gas Temperature data

3.2 研究對(duì)象二運(yùn)行情況

鍋爐正常運(yùn)行后,采用網(wǎng)格法在省煤器出口對(duì)O2、CO含量進(jìn)行測(cè)量。

為盡可能地降低靠近兩側(cè)墻CO排放濃度,采取燃盡風(fēng)擺動(dòng)調(diào)整工況,具體擺動(dòng)燃盡風(fēng)擺角擺動(dòng)情況如表4所示,擺動(dòng)燃盡風(fēng)擺角調(diào)整試驗(yàn)前后O2體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)分布情況如圖7、圖8所示。

表4 擺動(dòng)燃盡風(fēng)擺角擺動(dòng)情況Tab.4 Sway-OFA angle position after adjust

圖7 擺動(dòng)燃盡風(fēng)擺角調(diào)整試驗(yàn)前后O2體積分?jǐn)?shù)分布情況Fig.7 The O2 distribution before and after adjust the sway-OFA angle

圖8 擺動(dòng)燃盡風(fēng)擺角調(diào)整試驗(yàn)前后CO分布情況Fig.8 The CO distribution before and after adjust the sway-OFA angle

由圖7、圖8可知,在燃盡風(fēng)未擺動(dòng)的情況下,呈現(xiàn)靠近兩側(cè)墻的O2體積濃度低、CO體積濃度整體較高的分布。通過(guò)燃盡風(fēng)擺角的擺動(dòng)調(diào)整后,O2體積濃度分布整體較擺動(dòng)之前平緩,而CO體積濃度大幅下降且分布也較擺動(dòng)之前平緩,燃盡風(fēng)向兩側(cè)墻擺動(dòng)后,兩側(cè)墻CO等可燃物燃燒更徹底。

4 結(jié)論

擺動(dòng)燃盡風(fēng)技術(shù)在某350 MW及660 MW對(duì)沖燃煤鍋爐上進(jìn)行了應(yīng)用研究,經(jīng)過(guò)測(cè)試研究,結(jié)果如下。

1)擺動(dòng)燃盡風(fēng)可較大幅度改變爐內(nèi)煙氣流場(chǎng),流場(chǎng)改變后,鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。

2)擺動(dòng)燃盡風(fēng)可較大程度降低CO且保持NOx排放不變。

3)通過(guò)燃盡風(fēng)擺動(dòng),可減少省煤器出口氧量偏差。

4)通過(guò)燃盡風(fēng)擺動(dòng),可起到緩解個(gè)別壁溫超溫的現(xiàn)象發(fā)生。

5)不同鍋爐,不同煤質(zhì)的燃燒,燃盡風(fēng)擺動(dòng)及角度模式需要根據(jù)運(yùn)行實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。