對沖燃煤鍋爐左右擺動燃盡風技術研究及應用

李 強,楊章寧通信作者

1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室,四川 成都 611731 2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司,四川 自貢 643001

0 引言

目前,對電站鍋爐的NOx排放及鍋爐效率的要求越來越高,電站鍋爐NOx控制技術主要有空氣分級、燃料分級、低氧燃燒、煙氣再循環、低NOx燃燒器、選擇性非催化還原、選擇性催化還原等[1-3]。結合對沖煤粉燃燒鍋爐的燃燒特點,鍋爐一般采取超低NOx燃燒器、空氣深度分級、多級燃盡風配風等技術手段來解決NOx排放問題,但隨之也給鍋爐高效運行帶來一些問題[3-7]。由于空氣深度分級,爐膛主燃燒區域氧量不足,會產生大量的CO以及未燃盡的焦炭等可燃物,而后期通入的燃盡風雖然可以大幅度降低未燃盡的可燃物,但噴入爐內的空氣無法到達所有區域,還是有部分可燃物直接離開燃盡區域,未能充分燃盡。在大量的現場調試過程中發現,低NOx排放會導致高的未燃盡碳和低的燃燒效率,NOx排放控制得越低,帶來未燃盡碳將大大增加,特別是CO大幅上升,鍋爐效率會降低,這種以犧牲鍋爐效率來換取NOx的低排放是不可取的,也是電廠難于接受的。

筆者設計了一種新型的左右擺動燃盡風技術,可用于前后墻對沖燃燒鍋爐,根據對沖燃燒鍋爐爐膛上部燃盡區域未燃盡可燃物的分布特點,經過燃燒調整,獲得較佳的燃燒效果。

1 圓形水平擺動燃盡風設計

在傳統的對沖爐燃盡風調風器設計中,通常采用旋流風和直流風相結合的結構,將燃盡風分為2股獨立的氣流送入爐膛。傳統燃盡風調風器設計理念認為,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入爐膛中心區域;外圈氣流是旋轉氣流,離開調風器后向四周擴散,用于與靠近爐膛水冷壁的上升煙氣進行混合。然而鍋爐在實際空氣深度分級運行下,特別在大容量鍋爐上表現出爐膛中心區域和爐膛兩側墻明顯缺風現象,且沿爐膛寬度方向風、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調風器中旋流風量太大,燃盡風的直流風穿透力不足,達不到預期;另一方面是燃盡風的直流風采用了“定向直流”模式,爐膛寬度方向氧量調節手段相對有限;其他方面還有燃燒器煤粉分配不均等。

結合大量實際工程的運行情況,筆者提出一種新型的左右擺動燃盡風技術,該燃盡風關鍵技術在于旋流風和直流風風量配比的合理選取、旋流風和直流風的速度的合理選取、噴口擺動裝置的合理設計以及噴口擺動角度的合理選取等,解決了圓形噴口難于擺動的技術難題。燃盡風擺動結構如圖1所示。

圖1 燃盡風擺動結構Fig.1 structure of Sway-OFA

結合圖1,對圓形左右擺動設計理念說明如下。

位于圓形風管前端的圓形噴口,其外徑略小于風管的內徑。噴口與位于其垂直中心線上的轉軸之間固接,轉軸的下端為球面、支撐在軸承座中并能在其中轉動,軸承座固定在風管的外側。轉軸上固接內擺臂,內擺臂通過傳動桿與外擺臂連接,并組成平行四邊形傳動機構。

傳動桿穿過燃燒器面板及保溫盒。外擺臂與主動傳動軸固接,主動傳動軸支撐在軸承座中,軸承座固定在密封盒的外側,密封盒用于實現整套傳動機構在運動過程中的密封,防止燃燒器內的熱風外泄。密封盒固定在燃燒器保溫盒的面板上。主動傳動臂與主動傳動軸的外端固接,通過擺動主動傳動臂可最終帶動圓形噴口產生同步擺動。主動傳動臂可通過鎖緊裝置進行位置固定,防止燃燒器運行中噴口的擺角位置因振動等發生自行變化。主動傳動臂上固定有指針,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部噴口的實際擺動角度。為防止過多的風從風管和噴口之間的擺動間隙流出,在風管內靠近噴口處設置了擋環,使風管中的絕大部分風能夠從噴口流出。

2 應用研究對象概況

2.1 研究對象一概況

研究對象一是某350 MW超臨界鍋爐,該鍋爐為單爐膛、1次中間再熱、采用前后墻對沖燃燒方式、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼懸吊結構Π型鍋爐,其設計煤的元素分析和工業分析如表1所示。

表1 煤的元素分析和工業分析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,最外側燃燒器中心線與側墻距離為3 283.4 mm。燃盡風布置為前墻2層后墻2層,全爐共16只燃盡風噴口,最上層燃盡風采用擺動燃盡風,同時布置有1層側燃盡風,全爐共4只。

2.2 研究對象二概況

研究對象二是某660 MW超臨界鍋爐,該鍋爐為單爐膛、1次中間再熱、平衡通風、露天布置、前后墻對沖燃燒、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構п型鍋爐,其設計煤的元素和工業分析如表2所示。

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

該鍋爐原設計燃燒器布置為前墻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,最外側燃燒器中心線與側墻距離為3 461.2 mm。燃盡風布置為前墻1層后墻1層,全爐共12只燃盡風噴口,同時布置有1層側燃盡風,全爐共4只。

根據國家節能環保相關要求,該鍋爐進行了低氮改造,改造后原燃燒器位置、燃盡風、側燃盡風位置不變,主要改造是現有燃盡風上方新增加1層擺動式燃盡風,全爐共增加12只燃盡風噴口。

3 工程應用研究情況

3.1 研究對象一研究情況

3.1.1 冷態煙花示蹤試驗

煙花示蹤試驗主要是觀察噴口氣流流場的分布情況。試驗過程中首先停1次風機,啟動送風機及引風機,爐膛負壓控制在-100～0 Pa,2次風入口風箱風壓維持在0.8～0.9 kPa。關閉后墻所有層風門擋板,維持前墻燃盡風就地擋板全開,選取3只燃盡風燃燒器分別擺動擺角0°、左擺15°及右擺15°調整進行煙花示蹤試驗。

試驗結果顯示,燃盡風擺動效果較好,同時燃盡風剛性也較強。單個燃盡風擺動示意圖及單個燃盡風擺動煙花示蹤畫面如圖2、圖3所示。

圖2 單個燃盡風擺動示意圖Fig.2 Swings of Sway-OFA

圖3 單個燃盡風擺動煙花示蹤畫面Fig.3 Fireworks display of Sway-OFA

3.1.2 項目調試情況

工況1:機組負荷為195 MW,給水流量為707 t/h,給煤量為87 t/h,總風量為798 t/h。鍋爐正常運行后,擺動燃盡風擺角為0°,采用網格法對省煤器出口的O2含量、CO及煙溫進行測試。測量結果如圖4所示。此工況條件下,O2含量相對較平,但CO有明顯偏差。

圖4 擺動前O2含量、CO及煙溫測量數據圖Fig.4 The O2,CO,Gas Temperature data

工況2:機組負荷為282 MW,給水流量為983 t/h,給煤量為126 t/h,總風量為1 004 t/h。在此工況條件下O2、CO呈現與工況1相同的趨勢,但高溫過熱器個別壁溫測點出現接近報警值的情況,按照此溫度水平,在實際運行過程中易出現超溫報警現象。

工況3:通過擺動水平擺動燃盡風噴口擺角后,采用網格法在省煤器出口處測量O2含量、CO及煙溫。燃盡風擺角擺動情況如表3,擺動后O2含量、CO及煙溫測量數據如圖5所示。

表3 擺動燃盡風擺角擺動情況Tab.3 Sway-OFA angle position after adjust

圖5 擺動后O2含量、CO及煙溫測量數據圖Fig.5 The O2,CO,Gas Temperature data

通過對燃盡風的擺動,O2分布更均勻,CO更低,NOx排放保持不變。同時壁溫測點值約降低5 ℃,對緩解個別壁溫測點超溫的現象效果明顯。

工況4:機組負荷為350 MW,給水流量為1 203 t/h,給煤量為176 t/h,總風量為1 345 t/h。工況4燃盡風擺動角度與工況3一致,采用網格法對省煤器出口的O2含量、CO及煙溫進行測試,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及煙溫測量數據如圖6所示。

圖6 O2含量、CO及煙溫測量數據圖Fig.6 The O2,CO,Gas Temperature data

3.2 研究對象二運行情況

鍋爐正常運行后,采用網格法在省煤器出口對O2、CO含量進行測量。

為盡可能地降低靠近兩側墻CO排放濃度,采取燃盡風擺動調整工況,具體擺動燃盡風擺角擺動情況如表4所示,擺動燃盡風擺角調整試驗前后O2體積分數和CO體積分數分布情況如圖7、圖8所示。

表4 擺動燃盡風擺角擺動情況Tab.4 Sway-OFA angle position after adjust

圖7 擺動燃盡風擺角調整試驗前后O2體積分數分布情況Fig.7 The O2 distribution before and after adjust the sway-OFA angle

圖8 擺動燃盡風擺角調整試驗前后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,在燃盡風未擺動的情況下,呈現靠近兩側墻的O2體積濃度低、CO體積濃度整體較高的分布。通過燃盡風擺角的擺動調整后,O2體積濃度分布整體較擺動之前平緩,而CO體積濃度大幅下降且分布也較擺動之前平緩,燃盡風向兩側墻擺動后,兩側墻CO等可燃物燃燒更徹底。

4 結論

擺動燃盡風技術在某350 MW及660 MW對沖燃煤鍋爐上進行了應用研究,經過測試研究,結果如下。

1)擺動燃盡風可較大幅度改變爐內煙氣流場,流場改變后,鍋爐運行穩定。

2)擺動燃盡風可較大程度降低CO且保持NOx排放不變。

3)通過燃盡風擺動,可減少省煤器出口氧量偏差。

4)通過燃盡風擺動,可起到緩解個別壁溫超溫的現象發生。

5)不同鍋爐,不同煤質的燃燒,燃盡風擺動及角度模式需要根據運行實際情況進行調整。