超临界700mw机组锅炉冷态点火启动试验研究

超临界700mw机组锅炉冷态点火启动试验研究

氧气富氧燃烧技术是一种将氧气含量高于空气中氧气含量的新节能辅助技术。可与微油燃烧技术相结合，实现对电气炉冷态火的启动，减少对低负荷和高油耗的稳定燃烧。目前,国内外虽然对富氧燃烧都进行了广泛的研究,但富氧点火技术在电站燃煤锅炉冷态启动和低负荷稳燃的应用鲜见报道。1燃烧气体温度和燃烧温度对煤粉燃烧的影响通常空气中的O2含量为20.93%,参加燃烧的O2仅占空气的1/5,而占空气4/5的氮气和惰性气体不参与燃烧,反而带走大量的热,降低了火焰温度。高纯度氧气对油枪火焰、油煤混合火焰及煤粉火焰的助燃十分有效,提高燃烧气体中的O2浓度,会减少氮气浓度,降低燃烧气体用量,进而使烟气量减小。固/液体燃料燃烧后的烟气量为:式中:V0、I0分别为燃烧反应理论烟气量和所需理论空气量,;C、S、H、W、N、O分别为燃料中碳、硫、氢、水分、氮、氧含量;O2为空气中O2含量。燃烧后的烟气量减少,会导致火焰温度显著提高。理论火焰温度t为:式中:Q1为燃烧的低位发热值;Q2为助燃空气物理热值;Q3为燃料物理热值;Q4为燃料分解热值;Vy为燃料燃烧后产生的气体;c为燃烧气体的比热容。随着燃烧气体中O2浓度的增加,理论火焰温度逐渐升高,但上升幅度会逐渐减小,研究发现O2浓度在26%~31%时助燃效果最佳。燃烧气体的O2浓度与燃烧反应速度密切相关,尤其在燃烧固/液体燃料时,提高O2浓度可大大提高燃烧反应速度,进而提高燃烧强度w:式中:Cm=C1×CO2,其中C1、CO2分别为燃气和空气中的氧浓度;K为碳粒燃烧的化学反应速度常数;R为通用气体常数;T为热力学温度。富氧燃烧会降低煤粉的着火温度和燃尽温度,缩短燃尽时间。煤粉粒径为75~106mm时,O2浓度从21%提高到100%可使无烟煤和烟煤的着火温度分别降低了76、31℃,燃尽温度分别降低了76、138℃,烟煤燃尽温度的降幅比着火温度更大。当锅炉排烟温度一致时,燃烧气体含氧量为25%时,可节能15.3%;燃烧气体含氧量为29%时可节能26.4%。在以气、油、煤为燃料的发电机组上进行富氧燃烧试验,得到燃烧气体含氧量为23%时可节能10%~25%;燃烧气体含氧量为25%时可节能20%~40%;燃烧气体含氧量为27%时可节能30%~50%。试验证实,采用富氧助燃技术的锅炉烟尘排放量全部达标。富氧点火技术是在微油点火技术的基础上,结合深入一次风管内部的点火技术,通过环形喷嘴将助燃所需的氧气送入点火燃烧器内部,使其直接与高浓度煤粉湍流混合形成高煤粉浓度、高温度、高氧量区域。点火燃烧器内局部区域O2浓度的提高,不仅提高了局部燃烧温度,还进一步降低了煤粉的着火温度,加快了反应速度,缩短了着火时间,大大提高了煤粉在纯冷态下的着火稳定性。2燃烧系统配置某电厂二期2×670MW机组锅炉为超临界参数变压运行SG2102/25.40-M954型螺旋管圈直流炉,单炉膛、一次中间再热、四角切圆燃烧方式、平衡通风、Π型露天布置、固态排渣、全钢架悬吊结构。该机组炉后尾部布置2台转子直径为14236mm的三分仓容克式空气预热器,锅炉设计燃用山西晋中地区贫煤,煤质分析见表1。该锅炉燃烧系统采用6台BBD3854型双进双出磨煤机冷一次风直吹式制粉系统,设计煤粉细度R200为82%。6台磨煤机共24只直流式浓煤粉燃烧器和24只直流式淡煤粉燃烧器分6层布置于炉膛下部4角,煤粉和空气从4角送入,在炉膛中呈切圆方式燃烧。每台磨煤机连接4根煤粉输送管,每根煤粉管道的燃烧器进口处配备1个浓淡分离装置,将分离后的浓煤粉送入炉膛下部燃烧器,淡煤粉送入炉膛上部燃烧器。该锅炉采用2级点火方式,先通过高能点火装置点燃轻油,再点燃煤粉。燃烧系统配16支Y型蒸汽雾化油枪,每支油枪出力为2.5t/h,其中下3层燃烧器共12支油枪,每支油枪布置在相邻2层浓煤粉喷嘴之间的直吹二次风喷嘴内;上1层燃烧器共4支油枪,每支油枪布置在第2和第3层淡煤粉喷嘴之间的直吹二次风喷嘴内。雾化蒸汽压力为0.8~1.1MPa,雾化蒸汽温度为28℃过热度,但最高不超过250℃,油枪出力按30%MCR负荷设计。3煤调湿风道改造机组小修时将该锅炉最下层浓、淡煤粉燃烧器均改为富氧+微油燃烧器;自下而上第2层浓煤粉燃烧器改为富氧+微油燃烧器,锅炉启动由全油方式改为富氧点火方式,以达到节油目的。2台机组2台炉配置1个供氧站,在磨煤机入口风道母管内另设1套风道加热装置,与原有暖风器共同为锅炉冷态启动磨煤机提供热风。改造后浓煤粉燃烧器配主、辅2支油枪,淡煤粉燃烧器配1支主油枪。单支主油枪出力为150kg/h,辅油枪出力为100kg/h。浓煤粉燃烧器单角纯氧流量为200m3/h,淡煤粉燃烧器纯氧流量为100m3/h。液氧站的液氧罐容积为20m3。液氧气化器的气化出力为2000m3/h。风道加热器设计3支油枪,单支出力设计值为200kg/h。4好氧助燃试验在锅炉冷态启动时进行了富氧点火技术性能测试,结果表明在氧气助燃情况下,炉膛火焰颜色明亮,燃烧器出口燃烧温度明显提高,冷态启动全程不需要投入大油枪,改造效果良好。4.1改造前后粉碎量对比锅炉冷态启动过程中除尘器入口烟气中的油污量为0.442t,同比计算较改造前减少80%;粉尘量(灰渣及未燃尽碳的混合物)约89.7t,较改造前减少50%。富氧点火方式明显提高了油和煤的燃尽率,减弱了油污对静电除尘器阴极线和阳极板结垢的影响,以及飞灰可燃物在除尘器内部或灰斗中自燃的风险,为锅炉冷态启动过程中静电除尘器的尽早投入创造了有利条件。4.2喷口外火焰温度变化试验将最下层燃烧器浓煤粉(AR)层4只煤粉燃烧器上约1m处的观火孔选择为火焰温度测点。在2012年5月19日约18:25至19:40期间1号~3号角氧枪开始全出力通氧,而4号角氧枪不投氧,19:40后4个角全出力通氧。图1为喷口火焰温度随投氧时间的变化趋势。由图1可见,投氧前AR层4个喷口外火焰温度偏差较小;当1~3号角喷燃器喷入氧气后,其对应的火焰温度快速上升,而4号角喷燃器外火焰温度上升较慢,火焰温度相对于其它喷口约低200~300℃;19:30以后4号角喷燃器喷入氧气,4号喷口火焰温度上升速度加快。可见,氧气通入可使火焰温度快速上升,火焰亮度明显提高,这有利于提高煤粉的燃尽率,节省点火用油。20:001号角喷燃器内油枪关闭,其火焰温度开始降低,30min后迅速降低了550℃,20:30以后1号喷口火焰温度缓慢上升,1h后仅上升了约100℃。由此可见,点火初期通入氧气,可使火焰温度迅速升高,但因炉膛温度仍较低,故依然不能关闭油枪,否则将导致炉膛升温速度较慢。5月20日2:30以后AR层喷口内油枪和氧枪已全部开启,且已稳定燃烧。图2给出了AR层4支油枪和氧枪已全部开启时的火焰温度随时间的变化曲线。由图2可见,AR层各喷口的火焰温度在1100~1200℃之间,燃烧情况较好。4.3降低氧化压,提高燃尽率收集滤筒中的样品测试飞灰含碳量,结果如图3所示。由图3可见,初始点火时,飞灰含碳量较高(达到近30%),此时燃尽率约为84.1%;随着氧气的通入,飞灰含碳量降低到20%以下,燃尽率升高至90.7%;点火后期炉温逐渐升高,飞灰含碳量已稳定在5%,此时燃尽率约为98%。可见,富氧助燃可有效促进点火阶段煤粉的充分燃烧,降低飞灰可燃物含量,进而提高燃烧效率和燃煤经济性。4.4机组控制燃油该锅炉从2012年5月19日17:10投油点火起,A磨煤机启动,同时投油、投粉,至5月20日6:28机组负荷约为430MW时退出全部油枪,整个点火过程消耗燃油共24t。自5月19日18:25AR层4个喷口全出力投入氧气,至5月20日6:28退出油枪,整个点火过程共耗纯氧约31.5t。4.5机冲转过程分析规程要求在锅炉升压开始阶段,饱和温度低于100℃时,升温速率不得超过1.1℃/min,在汽轮机冲转前,升温速率不得超过1.5℃/min。该锅炉从开始升温升压至机组负荷为430MW,主蒸汽温度约570℃,机前压力为16.8MPa时,撤除全部小油枪和氧枪,冷态启动过程耗时13h。图4为本次锅炉冷态启动的升温升压曲线。由图4可见,锅炉升温升压速度低于规程要求,启动时间较长。