探討60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱德強(qiáng)

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253000）

0.引言

微富氧燃燒模式和純氧燃燒模式以及空氣燃燒模式下的鍋爐特性參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可知，微富氧燃燒模式下鍋爐在單位時(shí)間內(nèi)爐膛的煙氣量比純氧燃燒模式下以及空氣燃燒模式下爐膛的煙氣量更低，輻射換熱能力更強(qiáng)，理論燃燒溫度更高。不過由于微富氧燃燒模式下鍋爐的煙氣和工質(zhì)間的對(duì)流換熱量以及輻射換熱量和純氧燃燒模式或空氣燃燒模式下的煙氣和工質(zhì)間的對(duì)流換熱量以及輻射換熱量存在較大差異。所以需要重新匹配微富氧燃燒模式下鍋爐的煙氣側(cè)和工質(zhì)側(cè)的能量分布。

1.鍋爐微富氧燃燒的模式概述

全球溫室效應(yīng)的產(chǎn)生主要是由于大氣中二氧化碳濃度的增加，而煤燃燒又會(huì)產(chǎn)生較多的二氧化碳，所以現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)的各個(gè)國(guó)家都開始積極研究煤燃燒階段二氧化碳量排放量的控制技術(shù)，現(xiàn)階段對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的控制技術(shù)分析可知，富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用前景最佳。富氧燃燒的模式主要可以分為以下4類：（1）純氧燃燒；（2）微富氧燃燒；（3）氧氣噴槍燃燒；（4）空-氧燃燒。純氧燃燒指的是將氧氣和二氧化碳的混合物作為基礎(chǔ)燃燒氣體，這一富氧燃燒模式的缺點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性較差，和空氣燃燒模式相比效率下降了8%～10%。這是由于純氧燃燒模式需要使用大量的純氧為燃料的燃燒提供支持，但是ASU空分制氧的能源消耗非常高。而且，純氧燃燒需要將產(chǎn)生的大量煙氣進(jìn)行再循環(huán)利用，以此來維持鍋爐內(nèi)的溫度，這便需要使用較大功率的再循環(huán)風(fēng)機(jī)。微富氧燃燒模式則是將空氣作為燃料燃燒的基礎(chǔ)氣體，在空氣中混入少量的純氧作為燃料完全燃燒的保障，并且不需要產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行再循環(huán)使用，一般微富氧燃燒模式下的鍋爐產(chǎn)生煙氣內(nèi)二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)通常在30%～40%，而這一二氧化碳濃度非常適合使用活性炭一體化技術(shù)對(duì)產(chǎn)生煙氣中的二氧化碳以及二氧化硫進(jìn)行脫除處理。微富氧燃燒模式和純氧燃燒模式相比，其需要使用的助燃純氧的體積更少，并且不需要設(shè)計(jì)煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，因此經(jīng)濟(jì)性更好[1]。

2.鍋爐微富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

微富氧燃燒技術(shù)具有的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要在以下3個(gè)方面進(jìn)行展示：（1）微富氧燃燒技術(shù)是將少部分純氧以及空氣中含有的氧作為燃料燃燒的支撐。所以微富氧燃燒技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)相比，其在煤燃料燃燒階段需要的純氧量更少，也就可以降低空分制氧的能源消耗以及此方面的投資，進(jìn)而提高微富氧燃燒模式的經(jīng)濟(jì)性。（2）微富氧燃燒模式下由于混入了空氣，此時(shí)空氣對(duì)鍋爐的爐膛溫度起到了一定的調(diào)節(jié)作用。所以微富氧燃燒技術(shù)和富氧燃燒技術(shù)相比，其需要的循環(huán)煙氣量更少，也就不需要循環(huán)風(fēng)機(jī)的大功率運(yùn)行，降低了循環(huán)風(fēng)機(jī)的使用功率，進(jìn)一步加強(qiáng)了微富氧燃燒技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性。（3）微富氧燃燒模式下鍋爐內(nèi)煤燃燒生成的煙氣內(nèi)二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)在30%到40%之間，并且排煙量也小于常規(guī)空氣燃燒模式（50%的排煙量），所以，可以使用耗能更低且成本更低的PSA變壓吸附技術(shù)對(duì)微富氧燃燒模式下煤燃燒生成煙氣中的二氧化碳進(jìn)行脫除[2]。

3.常規(guī)鍋爐的整體布置

本次研究分析的常規(guī)鍋爐類型為：自然循環(huán)、亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒方式、固體排渣、單爐膛平衡通風(fēng)、緊身封閉、尾部雙煙道的全鋼構(gòu)架Ⅱ型汽包爐，使用煙氣擋板對(duì)再熱氣溫進(jìn)行調(diào)節(jié)，空氣預(yù)熱器和尾部雙煙道都布置在鍋爐主柱的外側(cè)。由于選擇的鍋爐是亞臨界壓力參數(shù)類型，其汽化吸熱能力較小，而過熱吸熱以及加熱吸熱的能力較大，且鍋爐的爐膛是膜式水冷壁類型。為了確保鍋爐爐膛出口部位的煙氣溫度可以降低到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，且水平煙道中對(duì)流受熱面的工作環(huán)境可以得到保障，需要在鍋爐爐膛的上部進(jìn)行屏式過熱器的布置，且在鍋爐爐膛折焰角上部進(jìn)行高溫過熱器的布置。同時(shí)，在鍋爐的水平煙道部位需要布置高溫再熱器的垂直管組，并通過隔墻將尾部的豎井分隔為前面和后面2個(gè)煙道。在前部煙道內(nèi)進(jìn)行水平低溫再熱器以及省煤器的布置，后部煙道進(jìn)行低溫過熱器以及省煤器的布置。并且，將煙氣調(diào)節(jié)擋板裝置設(shè)置在分煙道的底部，以此對(duì)煙氣量進(jìn)行分流以及對(duì)控制負(fù)荷范圍內(nèi)的再熱蒸汽出口的溫度進(jìn)行保持。在煙氣通過調(diào)節(jié)擋板之后再進(jìn)行匯集，將經(jīng)過尾部?jī)蓚€(gè)煙道后的煙氣引入回轉(zhuǎn)式的空氣預(yù)熱器中。鍋爐的爐膛冷灰斗下方需要配備刮板撈渣設(shè)備，摒棄獨(dú)立支撐的方式在鍋爐零米層進(jìn)行安裝放置。此外，為了對(duì)鍋爐受熱面的積灰以及結(jié)渣進(jìn)行清除，還需要設(shè)置吹灰系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)鍋爐燃燒使用的煤類型（積灰和結(jié)渣指數(shù)數(shù)據(jù)）進(jìn)行判斷依據(jù)，并在預(yù)留足夠的裕度后，才能確定吹灰器的安裝數(shù)量、安裝位置以及規(guī)格，吹灰器的工質(zhì)為蒸汽[3]。

4.60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的煙氣量和燃煤量計(jì)算

對(duì)60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的煙氣量和燃煤量進(jìn)行計(jì)算（保持鍋爐蒸汽側(cè)負(fù)荷一定的條件），并對(duì)空氣燃燒模式以及純氧燃燒模式（氧氣體積分?jǐn)?shù)為30%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為70%）下的鍋爐爐膛內(nèi)的燃煤量和煙氣量進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，微富氧燃燒模式下鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣量要明顯低于空氣燃燒模式和純氧燃燒模式下鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣量。這一情況出現(xiàn)的原因是因?yàn)槲⒏谎跞紵Ｊ街忻喝紵牡难鯕庵饕怯煽諝庵械难鯕夂吞峁┑募冄鮾刹糠纸M成，因此微富氧燃燒模式和空氣燃燒模式進(jìn)行比較，其鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣量會(huì)由于送入氮?dú)饬康慕档投鴾p少，而純氧燃燒模式需要將鍋爐爐內(nèi)的70%～80%的煙氣量作為維持鍋爐內(nèi)燃燒溫度的因素進(jìn)行再循環(huán)利用，也就是此時(shí)鍋爐的爐內(nèi)煙氣是由再循環(huán)煙氣以及煤燃燒生成的煙氣共同組成。而微富氧燃燒模式中，鍋爐爐膛內(nèi)只有煤燃燒后生成的煙氣和純氧燃燒模式相比鍋爐內(nèi)的煙氣量更低。且微富氧燃燒模式中鍋爐爐膛內(nèi)的煙氣量會(huì)隨著煙氣內(nèi)二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，呈反比的關(guān)系[4]。

因?yàn)槲⒏谎跞紵Ｊ较洛仩t爐膛內(nèi)的煙氣量和另外2種燃燒模式相比更低，所以，在蒸汽負(fù)荷一定的情況下，微富氧燃燒模式的火焰理論燃燒溫度更高，三原子氣體的輻射強(qiáng)度更大，此時(shí)鍋爐爐膛的傳熱效果更好。并且，鍋爐爐膛內(nèi)單位時(shí)間的煙氣量降低，減少了煙氣造成的熱量流失。而且，微富氧燃燒模式下爐膛內(nèi)部煙氣量的下降會(huì)對(duì)鍋爐內(nèi)部工質(zhì)和煙氣的輻射傳熱量以及對(duì)流傳熱量之間的比值產(chǎn)生根本上的改變，進(jìn)而造成鍋爐內(nèi)部的輻射受熱面以及對(duì)流受熱面需要進(jìn)行很大的改動(dòng)。

蒸汽負(fù)荷維持在某一范圍的條件下，鍋爐的熱效率會(huì)直接對(duì)燃煤量產(chǎn)生影響。微富氧燃燒模式和空氣燃燒模式相比，其單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的煙氣量更少，排煙損失減小，鍋爐的熱效率增加，燃煤量也就會(huì)下降。而純氧燃燒模式中，由于其生成的煙氣量和微富氧燃燒模式相比更少，所以其排煙量也更少。純氧燃燒模式和微富氧燃燒模式相比，微富氧燃燒模式會(huì)由于供入鍋爐內(nèi)氮?dú)饬康脑黾佣筛嗟臒煔饬浚云渑艧熈繒?huì)隨之加大，進(jìn)而增加排煙損失，降低鍋爐的熱效率，導(dǎo)致燃煤量增加。微富氧燃燒模式下，煙氣中二氧化碳體積分?jǐn)?shù)的增加會(huì)使得燃煤量降低，這是因?yàn)闊煔庵卸趸俭w積分?jǐn)?shù)增加也就證明爐膛內(nèi)煙氣量下降，其排煙量就會(huì)降低，排煙所示也就下降，鍋爐的熱效率會(huì)更高，燃煤量也會(huì)隨之降低。

4.2 60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果

4.2.1 受熱面積變化結(jié)果

數(shù)據(jù)表明微富氧燃燒模式中水冷壁和屏式過熱器的面積比空氣燃燒模式中更低，這是因?yàn)殄仩t爐膛的輻射傳熱效果得到了強(qiáng)化，且微富氧燃燒模式下低溫過熱器和省煤器的面積下降幅度較大，這是由于微富氧燃燒模式中將鍋爐原理的低溫過熱器和省煤器安裝在爐膛內(nèi)，并且輻射傳熱效果和對(duì)流傳熱效果相比更強(qiáng)。所以低溫過熱器和省煤器的面積和沒將其安裝在爐膛內(nèi)的面積相比有了較大的降低，高溫過熱器和高溫再熱器的面積有所降低則是由于屏式過熱器的面積使得爐膛的出口高度受到了限制。因此高溫過熱器和高溫再熱器的面積得到了顯著下降，而低溫再熱器的面積有了一定程度的增加則是由于微富氧燃燒模式下高溫再熱器的面積和流過高溫再熱器的煙氣量下降，使得高溫再熱器中對(duì)流傳熱量下降，工質(zhì)的吸熱量也降低。因?yàn)樵贌峁べ|(zhì)的總吸熱量需要保持恒定，所以在低溫再熱器中工質(zhì)的吸熱量會(huì)增加。為了確保低溫再熱器的工質(zhì)吸收熱量，需要綜合考慮對(duì)流傳熱系數(shù)和傳熱溫度和壓強(qiáng)的變化情況。在此條件下，微富氧燃燒模式下的面積和空氣燃燒模式下的面積相比增加量更多，在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化后，其總受熱面積和空氣燃燒模式下的受熱面積相比減少了46.5%，降低了金屬材料的使用量。

4.2.2 受熱面布置變化結(jié)果

優(yōu)化設(shè)計(jì)前后鍋爐受熱面的布置情況對(duì)比可以由圖1看出。即優(yōu)化設(shè)計(jì)后鍋爐的尾部雙煙道變成了單煙道的形式，并且煙道的深度也有了一定程度的下降，這是由于微富氧燃燒模式中低溫過熱器和省煤器都安裝在了爐膛內(nèi)部，尾部的煙道只需要布置安裝空氣預(yù)熱器和低溫再熱器2種設(shè)備。并且，微富氧燃燒模式下單位時(shí)間生成的煙氣總量降低，是為了確保低溫再熱器中流過的煙氣流速得以控制在一定范圍，此時(shí)豎直煙井的深度也會(huì)隨之下降。此外，在優(yōu)化設(shè)計(jì)后因?yàn)樗浔诿娣e的下降，但爐膛的高度沒有發(fā)生變化，使得可以將低溫過熱器和省煤器布置在爐膛內(nèi)的剩余空間中，一般是在水冷壁管排的上部進(jìn)行省煤器的布置（和燃燒器上一次風(fēng)中心線的距離應(yīng)保持在10m）。低溫過熱器則需要布置在省煤器管排的上部，以此才能確保不會(huì)發(fā)生傳熱惡化的問題。

5.結(jié)語(yǔ)

微富氧燃燒模式和空氣燃燒方式相比，其鍋爐內(nèi)的輻射換熱得到了強(qiáng)化，且鍋爐爐膛內(nèi)在單位時(shí)間內(nèi)煙氣總量的下降使得對(duì)流換熱的特性得到了控制，所以對(duì)于微富氧燃燒模式而言，常規(guī)鍋爐結(jié)構(gòu)已經(jīng)不再適用。通過對(duì)60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析可以看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)原鍋爐本體的改動(dòng)不大，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)的投資得到了控制，且微富氧燃燒模式更符合現(xiàn)階段電廠煤粉爐的改造。