大型天然氣/煤粉雙燃料熱水鍋爐的運行狀況研究

裴 軍

（濟南熱電集團濟南和仁熱力有限公司，山東 濟南 250000）

隨著世界氣候變化形勢越來越嚴峻，中國于2020年9月正式提出“雙碳”目標[1]。燃煤行業作為碳排放的大戶，面臨著巨大的挑戰，因此拓寬燃料種類的適應性是燃煤鍋爐的緊急任務[2]。雙燃料燃燒概念受到了越來越多研究人員的關注，目前主要集中在天然氣/柴油在汽車發動機領域的研究，天然氣/煤粉雙燃料在燃燒器方面的研究涉及很少[3-5]。煤科院節能技術有限公司一直致力于該領域的研究，成功研制天然氣/煤粉雙燃料燃燒器，并將其轉化投產于濟南熱力集團漿水泉供熱公司的70 MW 供暖熱水鍋爐，以燃氣為主要燃料，燃煤為托底保障，為降低碳排放做出貢獻[6-10]。本文在70 MW 熱水鍋爐上燃用天然氣和煤粉，通過改變不同供熱負荷以研究其運行狀況。

1 研究對象

1.1 鍋爐本體簡介

天然氣/煤粉雙燃料熱水鍋爐為立式煤粉室燃結構，爐膛由前墻、左側墻、右側墻、后墻膜式壁等組成，對流區為鍋殼式結構。當額定功率為70 MW 時，排煙溫度＜120 ℃，額定壓力為1.6 MPa，從而使鍋爐熱效率≥90%，該鍋爐在頂部垂直布置兩臺天然氣/煤粉雙燃料燃燒器，火焰下噴。爐膛頂部每個燃燒器出口處設置了4 個頂部風噴嘴，在爐膛中部設置了8 個爐膛中部風噴嘴，可滿足在燃燒不同燃料時根據燃燒特性設置不同的配風方式，利用分級配風，實現不同燃料的高效率燃燒和污染物低排放濃度。

圖1為爐膛中部風位置示意圖。高溫煙氣在爐膛內從上而下經換熱后進入轉彎煙室，再經過高溫受熱面和省煤器進一步換熱后進入SCR 進行煙氣脫硝，脫硝后的煙氣繼續經低溫受熱面換熱后進入布袋除塵器、脫硫塔以及濕電除塵器進行后續煙氣凈化，處理完畢的煙氣通過煙囪排放入大氣中。

圖1 爐膛中部風位置示意圖

1.2 天然氣/煤粉雙燃料燃燒器簡介

天然氣/煤粉雙燃料燃燒器結構示意圖如圖2所示。

圖2 天然氣/煤粉雙燃料燃燒器結構示意圖

天然氣/煤粉雙燃料燃燒器是一款可實現兩種燃料快速切換的低氮燃燒器，負荷調節范圍為50%～110%。該燃燒器由預燃錐、一次風管、二次風管和天然氣管等組成，其二次風通道裝有切向旋流葉片，旋流強度為2.5。

2 試驗結果分析

本試驗在70 MW 鍋爐上分別燃燒煤粉和天然氣，通過測量不同負荷下的爐膛溫度以及污染物排放濃度分析該鍋爐的運行效果。

2.1 燃用煤粉運行結果

本試驗所用煤種為神府東勝煙煤，其煤質分析結果如表1所示。圖3為爐膛內部的溫度分布和爐膛負壓分布圖。從圖中3 可以看出，隨著負荷上升，爐膛內的溫度逐漸上升，但爐膛內的負壓波動變化較小，上下浮動為5 Pa，表明鍋爐在燃用煤粉時運行比較穩定。爐膛右側的溫度比左側溫度高，表明爐內火焰發生偏移，右側的燃燒強度大于左側，右側水冷壁容易被沖刷。爐膛左側溫度隨著燃燒進程向下移動逐漸上升，但是中部溫度微微降低，是因為該位置附近加入了冷的爐膛中部風，導致局部溫度下降。爐膛右側溫度應該呈現出與左右相似的溫度分布規律，但是由于爐內火焰向右側移動，導致爐膛中部溫度局部有微小下降趨勢，爐膛右側下部溫度偏高，進一步證實了爐膛內火焰向右側偏移。

表1 煤質分析

圖3 爐膛溫度和負壓分布圖

圖4為煙氣中污染物排放質量濃度分布圖。從圖4中可以看出，污染物初始排放質量濃度隨著負荷增加而上升，主要原因是燃燒煤粉量上升，SO2和燃料型NOx生成量增加[11]，NOx初始排放質量濃度最高達572 mg·m-3，SO2初始排放質量濃度最高達705 mg·m-3；煙氣經過脫硝、除塵和脫硫設備后，NOx最終排放質量濃度最高為80.1 mg·m-3，SO2和顆粒物最終排放質量濃度最高分別為1.95 mg·m-3和1.34 mg·m-3，可以實現煙氣污染物的達標排放。

圖4 煙氣污染物排放質量濃度分布圖

2.2 燃用燃氣運行結果

本試驗所用燃氣的檢測結果如表2所示。

表2 燃氣化驗結果表

圖5為爐膛內部的溫度分布和爐膛負壓分布圖。

圖5 爐膛溫度和負壓分布圖

從圖5中可以看出，該鍋爐在燃用燃氣時，爐膛內的負壓波動小于40 Pa，運行穩定。隨著負荷上升，爐膛內部的溫度逐漸上升。爐膛右側溫度比爐膛左側溫度高，表明爐膛右側的燃燒強度大。當燃料為燃氣時，其在爐膛內的分布情況較煤粉受配風分布的影響較大。在相同負荷下，爐膛右側燃氣工況與燃煤工況的溫度差比在左側溫度差大，表明燃氣情況下在爐膛內的火焰向右偏移程度更大，即表明爐膛內部火焰偏移主要是由爐膛內部的配風不均勻造成的，而不是供料不均勻，右側風量明顯大于左側風量。

煙氣中污染物排放質量濃度分布如圖6所示。隨著負荷上升，NOx初始排放質量濃度也上升，這是因為爐膛內部的溫度上升，溫度型NOx生成量增加[12]；煙氣只經過脫硝設備，NOx最終排放質量濃度不超過21.8 mg·m-3，可以實現NOx超低排放要求。

圖6 煙氣排放濃度分布圖

3 結 論

本文研究了70 MW 雙燃料熱水鍋爐在燃用天然氣和煤粉時的運行情況，得出結論如下：

1）該鍋爐在燃用煤粉或者天然氣時，隨著負荷上升，爐膛內部溫度逐漸上升，爐膛內負壓波動較小，均可實現穩定運行。

2）該鍋爐在燃用煤粉時，NOx最終排放質量濃度不超過80.1 mg·m-3，SO2和顆粒物最終排放質量濃度不超過別為1.95 mg·m-3和1.34 mg·m-3；在燃用燃氣時，NOx最終排放質量濃度不超過21.8 mg·m-3，均可以實現煙氣污染物的達標排放。

3）該鍋爐爐膛內部火焰發生偏移現象，其主要原因是爐膛內部配風不均勻，右側風量明顯大于左側風量，需在運行時注意風量調節，同時在檢修時關注管道變形情況。