600 MW前后墻對沖燃燒鍋爐深度空氣分級下CO分布規律試驗研究

何志瞧，包文東，陳煜，梁銀河，盧得勇，壽奎原

(1.浙江浙能蘭溪發電有限責任公司，浙江 蘭溪 321100；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

前后墻對沖燃燒鍋爐是現代化燃煤電站的主要爐型之一，其特征是燃燒器單獨組織火焰[1]，具有熱偏差小、易于實現大型化等優勢。隨著環保政策的收嚴，電站鍋爐普遍采用深度空氣分級和低氮燃燒器改造等技術來減少燃燒產生的NOx，取得了良好的環保收益，與此同時，該技術也帶來高溫腐蝕[2-3]和CO濃度高[4-5]等問題。

針對對沖燃燒方式鍋爐CO生成濃度高的原因，很多學者展開了數值模擬和現場試驗研究。西安交通大學劉虎等[6]對某330 MW機組的數值模擬研究表明，主燃區生成的CO被對沖氣流從爐膛中心攜帶至側墻附近，但CO在沿側墻上升過程中并不能與燃盡風充分混合燃燒，是導致爐膛出口CO濃度較高的原因。何翔等[4]對某660 MW對沖燃燒鍋爐的試驗表明，煤粉濃度偏細、煤粉在爐內射程和停留時間短、分離燃盡風(SOFA)調整不合理是CO濃度高的原因。周平等[5]發現燃用揮發分較高的印尼煤時，外二次風旋流強度過大將導致煤粉氣流的燃燒時機變晚，CO濃度和飛灰含碳量有所升高。洪榮坤等[7]對某600 MW對沖鍋爐的研究發現，總風量一定的情況下，燃盡風比例從32%增加到49%時，CO濃度可顯著下降。實際上，為了空氣分級燃燒而布置的SOFA，可能存在著正反兩個方面的影響，一方面主燃區生成的CO可以在燃盡區充分燃燒，增加燃盡風的比例可以降低爐膛出口處的CO含量；另一方面，若主燃區的二次風量太低生成的CO量過大，SOFA區不能燃盡，也會導致爐膛出口CO濃度偏高[8]。

本文所研究的某600 MW對沖燃燒鍋爐進行空氣深度分級改造后，一直存在CO濃度高且不均勻的問題，針對該問題，采用現場試驗的方法，研究了過量空氣系數、二次風與燃盡風的分布關系、燃燒器旋流強度等對爐膛出口CO濃度的影響，為對沖燃燒爐優化燃燒提供參考。

1 試驗

1.1 鍋爐概況

某600 MW超臨界機組鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產的螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架和露天布置的對沖火焰鍋爐。鍋爐主要設計參數見表1，鍋爐設計煤種和實際入爐煤種參數見表2。

表1 鍋爐主要設計參數

表2 鍋爐設計煤種和實際入爐煤種參數

鍋爐共裝有36個旋流燃燒器，C層為6支帶有等離子點火裝置的DRB-4Z型燃燒器，其余30支為AireJet型燃燒器，AireJet型燃燒器結構如圖1所示。可通過套通風調節進入燃燒器的二次風量，通過二次風葉片的角度改變燃燒器的旋流強度。

圖1 AireJet型燃燒器結構

鍋爐燃燒器與SOFA布置如圖2所示，36支燃燒器分三層布置在鍋爐的前后墻上，前后墻各18只，每層前后墻各6只，在最上層燃燒器上方約7.5 m處布置有一層SOFA。

圖2 鍋爐燃燒器與SOFA布置圖

1.2 測試分析方法

試驗期間，保證工況穩定2 h以上，根據《電站鍋爐性能試驗規程》(GB10184-2015)的方法，在空預器出口和SCR入口煙道使用網格法(7孔×3點)對煙氣進行采樣，利用MRU NOVA PLUS型煙氣分析儀檢測CO濃度。

同時，在空預器出口水平煙道處用旋風分離器采集飛灰樣品，試驗期間多次取樣，裝入自封袋后化驗飛灰可燃物含量。在爐底撈渣機處對爐渣進行取樣，每工況取樣2次，將兩次取得樣品縮分成1份，裝入自封袋后化驗爐渣可燃物含量。

2 結果與討論

2.1 SOFA與二次風比例對CO濃度含量的影響

在總風量保持不變的情況下，通過調整SOFA和二次風風門開度大小，可以將進入爐膛的總風量以不同的比例分別從燃燒器位置(主燃燒區)和SOFA噴口位置(燃盡區)送入爐膛，通過調整這種爐膛高度方向上的風量分配可以影響全爐膛的燃燒過程，對NOx、CO以及飛灰爐渣含碳量都有顯著影響。在600 MW負荷和6臺磨煤機運行情況下，研究SOFA與二次風比例對CO的影響，工況為T-01～T-05，改變二次風與SOFA分配比例對爐膛出口CO、飛灰和爐渣含碳量的影響如圖3所示。

圖3 改變二次風與SOFA分配比例對爐膛出口CO、飛灰和爐渣含碳量的影響

對比T-01～T-05工況，可以發現SOFA風門全開，二次風門開至90%時，爐膛出口CO濃度最低，且飛灰和大渣中含碳量變化不大，后續試驗在T-05工況的SOFA和二次風風門開度下進行。對比不同SOFA開度的試驗工況可知，分配到主燃燒區的風量并非越多越好(T-03)，當SOFA風量不足時，也會影響CO在燃盡區的燃燒，雖然主燃區空氣量增大，生成的CO減少，但最終爐膛出口的CO濃度總體升高。相反，如果燃盡風比例過高，燃燒區域缺氧程度加重，主燃燒區生成的CO在燃盡區來不及完全燃燒，最終爐膛出口的CO濃度也較高。按照T-05試驗工況數據，SOFA風量占總二次風的比例控制在30%是較為合適的。

2.2 二次風調風套筒開度調整試驗

在總送風量一定且主燃區二次風量不變的情況下，調整各層1～6號燃燒器的二次風調風套筒開度分布規律，可以改變二次風量在爐膛寬度方向上的分配比例，影響爐膛出口處氧量和CO濃度的分布，通過對各層燃燒器二次風量的重新分配，可減少由于大風箱風量分配特性不均勻生成的CO[9]。根據調整前摸底試驗，爐膛出口處氧量分布呈現中間高兩側低、左側高右側低的情況，CO與氧量的分布規律相反，即右側靠外CO濃度最高，左側靠外次高。前后墻對沖鍋爐不存在強烈地橫向擴散，煙氣在負壓作用下沿煙道流動占主導地位，因此空預器進口處的CO含量可與燃燒器分區建立起一定的相關性[10-12]。

二次風調風套筒調整的具體試驗工況為T-06～T-12，爐寬方向燃燒器套通風開度見表3，爐寬方向燃燒器二次風量變化對CO、飛灰和爐渣含碳量的影響如圖4所示。

表3 爐寬方向燃燒器二次風門開度情況

圖4 爐寬方向燃燒器二次風量變化對CO、飛灰和爐渣含碳量的影響

由圖4可知，T-09和T-12工況下爐膛出口CO濃度較低，約2.11×10-4，且飛灰和爐渣含碳量也未增加。此外，根據現場網格法測量，在T-09工況下爐左側墻局部CO濃度可達4×10-4，這對于防止受熱面高溫腐蝕是相當不利的，但T-12工況下各測孔CO均勻性較好。

說明T-12工況下風量在爐子寬度方向的分配是向著有利于充分燃燒的方向發展的，對二次風調風套筒的差異化設置一定程度上抵消了大風箱結構帶來的影響，后續試驗在T-12工況的二次風調風套筒開度下進行。此外，盡管二次風調風套筒的偏置已經基本到了設備允許的最大偏差，爐膛出口運行氧量和CO濃度的絕對偏差仍然存在，這與二次風調風套筒本身的調節特性有關，它是受限于燃燒器設計和風箱安全的，如果要完全均衡各個燃燒器的風量分配，則需要實現風箱的均壓，其實施難度和成本都很高。

2.3 中心風擋板開度調整試驗

固定單個燃燒器的總二次風量后，通過調整中心風擋板開度，可以改變從中心風位置進入燃燒器的二次風比例，由于中心風噴口與Airejet燃燒器煤粉噴口同心布置，不同的中心風比例會影響煤粉氣流著火位置，不同的中心風射流速度也會影響二次風與煤粉的混合過程，進而導致爐膛出口NOx、CO排放特性的變化。中心風擋板調整的具體試驗工況為T-13～T-16，不同的中心風開度對爐膛出口CO、NOx、飛灰、爐渣含碳量的影響如圖5所示。

圖5 不同的中心風開度對爐膛出口CO、NOx及飛灰、爐渣含碳量的影響

根據不同對照組的試驗結果，當T-14工況中心風按照55°控制，在相同運行氧量下，其CO、NOx濃度和飛灰含碳量綜合指標是最優的。中心風開度較大(67°)或偏小(14°/29°)，都對經濟指標和NOx排放產生不利影響。當中心風開度較大時，二次風量減少，較高速度的中心風射流影響煤粉著火后與二次風的混合，促進了燃燒區CO生成反應，爐膛出口CO濃度升高；當中心風開度偏小時，煤粉氣流著火提前，燃燒區域的空氣分級程度減弱，爐膛出口NOx濃度升高。同時當中心風開度低于30°時，燃燒器噴口燒損風險大大增加。

2.4 過量空氣系數調整試驗

根據爐膛出口氧量分布偏差情況將二次風調風套筒設置為50/30/30/50/100/100(%)，在300 MW和500 MW負荷下，對鍋爐運行氧量進行調整，研究過量空氣系數變化對煤粉燃盡、爐膛出口NOx排放、CO濃度等的影響，具體試驗工況為T-17～T-21，變過量空氣系數對CO含量的影響見表4。

表4 變過量空氣系數對CO含量的影響

綜合比較，T-17工況爐膛出口氧含量3.55%時，只產生很少量CO，NOx濃度和飛灰含碳量相對優于其它兩個氧量偏低的工況。

在低負荷下，鍋爐運行氧量水平較高，基本不存在CO，T-21工況下將運行氧量由5.33%降至5%，NOx排放降低，飛灰和爐渣含碳量變化較小，說明過量空氣系數1.3已足夠大，從節約廠用電和提升鍋爐效率角度考慮，不應繼續增大運行氧量。

2.5 外二次風旋流調整試驗

單支燃燒器二次風分兩股進入內外二次風通道，相對少量的內層二次風用于卷吸高溫煙氣回流和促進煤粉著火，而外層二次風用作已燃燒煤粉燃盡所需要的空氣。對于改造后安裝的Airejet型燃燒器，其內二次風旋流強度為固定值，外二次風旋流可調。由于燃燒器設計中增加了與煤粉同軸布置的中心風，內外二次風比例都相對減少，特別是內二次風的風量減少后對高溫煙氣回流和煤粉提前著火不利，需要采取措施強化內二次風的卷吸作用。

試驗中在40°～60°范圍內對外二次風旋流進行調節，由于外二次風旋流強度調整幅度有限，且調整外旋沒有明顯增加內二次風量，實際上調整外旋前后煤粉氣流著火情況沒有大的改善，CO濃度無顯著變化，同時燃燒區各區域的熱負荷分布未發生變化。

3 結語

本文針對某600 MW對沖燃燒鍋爐進行超低排放和低氮燃燒器改造后，爐膛出口CO濃度高且分布不均的問題，通過在不同負荷下對各燃燒器二次風量和旋流強度、燃燒器中心風風速、空氣分級程度和過量空氣系數等進行了調整試驗，找到了CO的分布規律與優化措施。

(1)該鍋爐CO排放濃度高且分布不均勻的原因是大風箱分配風量偏差，導致中間位置燃燒器進風量多于兩側。手動偏置各燃燒器的風門開度，可在一定范圍內改善兩側燃燒器的燃燒狀況，有利于降低CO的含量和不均勻程度。

(2)SOFA足夠的風量和氣流剛性對降低CO含量有明顯效果，SOFA風量占總二次風的比例控制在30%是較為合適的。

(3)Airejet型低氮燃燒器中心風風速會對煤粉的著火產生影響，中心風過大將影響二次風和煤粉氣流混合，增加CO濃度，過小則弱化了空氣分級的效果，促使NOx排放濃度增加。