超超临界锅炉墙式切圆燃烧系统性能优化研究

超超临界锅炉墙式切圆燃烧系统性能优化研究

近年来，第四代和第四代过载、过载、可靠性和污染小的特点引起了人们的广泛关注，并将应用于越来越广泛的应用。这一技术也是解决我国能源应用效率低、污染严重的问题的有效途径之一。目前，传统圈和大型环炮设备的燃烧方式主要是前后墙的旋转流和圆形直燃烧。现状表中圆形燃烧主要是三角形燃烧和双弹簧燃烧。仅在炉壁上配置的单管圆锥体燃烧锅炉很少。作者以某厂生产的黑龙江省元路桥厂设计的600mw宽体守圆炉为对象，研究了该炉的特点和性能，并为该类型超面临的操作和设计提供了相关的技术参考。1设备概论1.1基于5-ym1制粉系统锅炉主要设计参数见表1.锅炉型号为HG-1792/26.15-YM1,是引进三菱重工业株式会社设计、制造的600MW超超临界参数变压运行П型直流炉,单炉膛、墙式切圆燃烧.制粉系统采用中速磨煤机直吹式制粉系统,设计煤种为徐州烟煤.1.2以燃烧煤粉为原料的切圆燃烧系统图1为煤粉燃烧器布置及平面示意图.该燃烧器共24组,布置于四面墙上,形成一个大切圆.燃烧器共6层煤粉喷口,主燃烧器采用低NOx的PM型煤粉燃烧器.在采用PM煤粉燃烧技术的主燃烧器中,煤粉经过PM煤粉分离器后分成浓、淡两相,然后在喷嘴体内的导向板和燃烧器喷口设置的波形钝体共同作用下,浓、淡相煤粉气流一直保持到燃烧器出口.在波形钝体出口处,形成一个稳定的回流区,回流区中的烟气使得每个煤粉燃烧器初燃段浓、淡两相得到相对分离,并使火焰稳定在一个较宽的负荷变化范围内,有利于保证及时着火和燃烧稳定,确保燃尽,并能有效抑制NOx排放.波纹钝体使得在煤粉气流下游产生一个负压高温回流区,在此负压区中存在高温烟气的回流与煤粉-空气混合物间剧烈的扰动和混合,这一点满足了锅炉负荷在较宽范围变化时对煤粉点火和稳定燃烧的要求.主燃烧器的上方为燃尽风(OFA)喷嘴,在上层煤粉喷嘴上方约5.0m处有4层附加燃尽风A-A喷嘴,角式布置,其作用是补充燃料后期燃烧所需要的空气,同时既有垂直分级又有水平分级燃烧以降低炉内温度水平,抑制NOx的生成,此A-A附加燃尽风与OFA一起构成三菱先进燃烧技术(MACT)低NOx燃烧系统.与传统的四角切圆燃烧系统相比,墙式切圆燃烧系统具有燃烧稳定、热负荷分配均匀、烟温偏差较小、防结渣性能良好的特点.其主要原因就是在该种燃烧方式下主燃烧器布置在四面炉墙上,火焰喷射方向与炉墙垂直,缩短了燃烧器与火焰中心的距离,在燃烧器出口射流两侧也具有较大的空间,因而补气条件好,有利于高温烟气回流,热流分配均匀,从而减少了水冷壁附近烟气流扰动的影响,着火稳定,炉膛出口烟温偏差也显著降低.同时,垂直喷射气流的刚性也好,不易受到水冷壁的影响而造成贴墙,从而有利于防止水冷壁结焦.该墙式切圆燃烧系统具有优良的低NOx排放能力,除了采用比较成熟的PM煤粉燃烧技术外,主要还是因为采用了MACT低NOx分级燃烧系统.在MACT系统中,OFA位于主燃烧器区域的上方,实质上相当于四角切圆燃烧系统中的紧凑燃尽风,其作用是将主燃烧区生成的大分子碳氢化合物适当氧化并活化以提高其还原能力,而大量的AA相当于分离燃尽风,OFA与AA之间的还原空间则促进了HCN、NH3和NOx等含氮气体成分的分解和还原.AA与OFA及PM主燃烧器分置于炉膛四角和炉墙上,有效地保证了AA与OFA之间还原空间的距离.因此,采用墙式切圆燃烧系统可以起到大幅降低NOx排放量的目的.如果AA与OFA及PM主燃烧器均布置于炉膛四角而构成四角切圆燃烧系统,则按照当前的AA与OFA的垂直距离,就达不到NOx大量还原的目的,为了保证达到同样的NOx排放效果就势必要增加AA与OFA之间的距离,这样在不增加炉膛高度的前提下,就会因燃烧器到炉膛出口的平均距离缩短而影响焦炭粒子的燃尽,这也是锅炉采用墙式切圆而非四角切圆燃烧系统的原因之一.2变运行试验针对锅炉的设计特点,在600MW负荷下进行了优化调整试验,包括习惯运行工况试验、变运行O2体积分数(氧量)φ(O2)试验、变二次风配风试验、变OFA试验、变油枪风试验与变AA试验等,最后进行了相关性能试验.2.1锅炉低效率习惯运行工况试验数据见表2.从表中可以看出:机组的汽水参数均符合设计要求,NOx排放质量浓度虽低于最新的国家环保排放标准要求,但仍有下降空间;锅炉热效率只有91.98%,远低于设计值,主要表现在两个方面:(1)飞灰含碳量严重偏高,达5.76%,导致机械未完全燃烧热损失比设计值高0.64%;(2)排烟温度偏高,经空气预热器入口风温修正后的排烟温度比设计值高14.5K,造成排烟温度偏高的主要原因是制粉系统冷风门开度过大且冷风门特性较差,排烟温度的降低可通过关小冷风门、开大热风门和对冷风门消除缺陷来实现.2.2氧量对机组运行的影响锅炉运行氧量对锅炉运行性能影响很大,需要寻找使热损失和NOx排放量均较佳的运行氧量.但在考虑效率的同时,还应考虑炉膛内壁面还原性气氛,以防止或减少高温腐蚀的发生,另外,辅机电耗也是机组运行氧量的考虑因素.变氧量试验分为3个工况,试验负荷为600MW,省煤器出口氧量两侧平均值分别为2.6%、3.4%和4.1%.试验结果表明,氧量从2.6%上升到4.1%时,飞灰含碳量逐渐降低,NOx排放质量浓度(φ(O2)=6%)逐渐升高,但当氧量达到4.1%时,二者的变化趋势均已放缓(见图2).分析氧量对各项热损失的影响,氧量从3.4%增加到4.1%时,决定锅炉热效率的三项热损失之和(q2+q3+q4)只从7.28%降到7.24%(见图3),降低幅度有限,因此,考虑到氧量增加对辅机电耗变化和辅机安全运行的影响,继续增加氧量来降低飞灰含碳量已意义不大.综合考虑,在600MW负荷下,机组运行氧量宜控制在3.5%左右,但与其他600MW级超临界、超超临界机组相比,该氧量已明显偏高.2.3试验结果分析在氧量基本恒定不变的条件下,针对燃烧器的设计特点进行了变二次风配风试验.试验工况为5个,采用的二次风配风方式分别为均等配风、准均等配风、束腰配风、倒塔配风、正塔配风,其中均等配风为各主要辅助风门开度一致,准均等配风为对应于浓侧燃烧器辅助风门开度略大,淡侧燃烧器辅助风门开度略小,但浓、淡侧总辅助风门开度基本不变,具体配风方式见表3.在保持其他运行参数基本一致的条件下,飞灰含碳量以均等配风时最低,倒塔次之,准均等与束腰基本相当,正塔则最高,飞灰含碳量的最高值与最低值之间相差约1%(见图4);NOx排放质量浓度以倒塔时最小,正塔次之,束腰居中,均等和准均等时最大(见图5),但仍在国家标准允许的范围之内.试验期间,由于煤质较差,因此,二次风需由少至多依次从下层至上层加入才能保证锅炉有较好的燃烧效果,试验结果也很好地验证了这一点,正塔配风时飞灰含碳量最高,倒塔配风时略低.均等配风时飞灰含碳量最低是由于其独特的上、下浓淡分离燃烧器结构所致,各煤粉燃烧器附近的辅助风供入时机恰到好处,准均等配风时略高可能是由于淡侧燃烧器风量略显不足,而束腰配风则正好集中了正塔配风与倒塔配风的优点,其飞灰含碳量与准均等配风时相当.倒塔配风NOx排放质量浓度最低亦符合风量由少至多逐级加入的特点;正塔配风NOx排放质量浓度不是最高,主要是因为其燃烧效果不佳;均等配风NOx排放质量浓度较高,主要是因其氧气供入及时,虽然在淡侧燃烧器附近较大的辅助风有助于抑制NOx的生成,但此时的NOx排放取决于浓侧燃烧器附近NOx的生成;准均等配风也是相同的原理,不仅浓侧燃烧器附近较大的辅助风有助于NOx的生成,同时淡侧燃烧器附近减少的辅助风更强化了燃烧器附近NOx的生成总量.目前,困扰锅炉运行的问题主要是飞灰含碳量偏高,因此运行时应首选均等配风,若要综合考虑NOx排放质量浓度且煤质质量较差,宜采用倒塔配风.2.4nox排放质量浓度变OFA风量试验是在AA开度为90%的情况下进行的,共进行了3个试验工况,OFA风门开度分别为50%、70%和100%,试验结果见图6.由图6可知:随着OFA风门开度的增大,NOx排放质量浓度呈降低趋势,但变化幅度不大;飞灰含碳量则呈显著降低趋势,OFA风门全开时,飞灰含碳量降到最低,其主要原因是采用MACT燃烧系统的主燃烧器区域包含了OFA,当OFA风门开大时,主燃烧器区域的燃烧加强,故飞灰含碳量下降.另外,虽然OFA处于主燃烧器区域,但由于其位于主燃烧器区的上部,故也在主燃烧器区域内部形成了分级燃烧,因此OFA风门开大,NOx排放质量浓度下降,同样也是由于OFA位于主燃烧器区域的缘故,NOx排放质量浓度下降幅度并不大.因此,满负荷运行时,OFA风门宜全开.2.5排放质量浓度变AA风量试验是在OFA风门开度为70%的情况下进行的,共进行了3个试验工况,AA风门开度分别为50%、70%和90%,试验结果见图7.由图7可知:随着AA风门开度的增大,飞灰含碳量呈缓慢升高趋势,但变化幅度不大;当AA风门从50%开到70%时,NOx排放质量浓度明显下降,而从70%继续开大到90%时,NOx排放质量浓度下降并不明显.NOx排放质量浓度随AA风门开大而下降主要是由于AA风正好处于还原脱NOx区,AA风门开大加强了炉内分级燃烧的效果,燃料型NO的生成受到限制,在AA风门开度增大到70%以后,其对炉内分级燃烧的影响变小.按照设计原理,AA在降低NOx生成的同时,还可以降低飞灰可燃物的含量,但是试验结果并没有体现这一点,笔者认为其主要原因可能是AA的投入致使主燃烧器区域缺氧燃烧,从而导致煤质燃烧不充分,这些未燃尽的可燃物本应在后期的燃烧过程中通过及时供入空气而得到进一步充分的燃烧,然而AA在经过垂直和水平分级后,其距离主燃烧区域过远,从而导致未燃尽的可燃物在后期没有得到充分的燃烧.综合上述分析,满负荷运行时,AA风门开到70%已足够.若要进一步降低飞灰含碳量,可在设计中从缩短AA到主燃烧区域的距离考虑.2.6nox排放浓度的影响变油枪风量试验共进行了3个试验工况,油枪风风门开度分别为15%、25%和60%,试验结果见图8.试验结果显示,油枪风量的变化对飞灰含碳量几乎没有影响,但对锅炉的NOx排放影响很大.当油枪风门开度从60%关小到15%时,NOx排放质量浓度急剧下降,其主要原因是油枪风正处于相邻两浓煤粉燃烧器中间,关小油枪风正好减少了煤中挥发分析出初期燃烧所需要的氧气,在该区域形成了富燃区,增强了还原性氛围,故NOx排放质量浓度下降明显.因此,在锅炉正常运行时,油枪风关小到能起到冷却油枪的效果即可.2.7锅炉试验结果在对一系列影响锅炉性能的因素进行研究之后,通过优化运行,锅炉的飞灰含碳量得到有效降低,可稳定在2.5%～2.8%.通过关小冷风门、开大热风门,并对风门调节特性进行改进,对制粉系统的风门消除缺陷后,排烟温度也得到有效降低,经修正后的排烟温度约126℃,接近设计值.在此基础之上完成了锅炉的性能试验.在额定负荷试验中,产汽量达到1748t/h,且能安全稳定地连续运行,锅炉热效率为93.62%,达到设计值(不小于93.53%)要求.在锅炉的最大蒸发量试验中,主蒸汽流量达1860t/h,其相应的电负荷为628MW,超过了设计值,此时的蒸汽参数均在设计范围内,锅炉受热面不超温,辅机电流正常,锅炉燃烧正常,NOx排放质量浓度为292mg/m3,远低于国家排放标准.在锅炉低负荷断油试验中,其主蒸汽流量低至617t/h,低于35%BMCR负荷时的流量,此时的汽水参数均正常,锅炉受热面不超温,辅机电流正常,炉膛温度正常,炉膛负压稳定,锅炉燃烧正常且运行状态良好.上述试验结果显示,该型墙式切圆燃烧超超临界锅炉具有较强、较宽的带负荷能力,同时也说明采用PM主燃烧器和MACT型分级送风相结合的墙式切圆燃烧系统可成功地实现锅炉低NOx燃烧.唯一缺点是,该型锅炉飞灰含碳量略高,满负荷时,其飞灰含碳量大多在2.5%以上.3开大ofa的影响PM主燃烧器配MACT分级燃烧系统的设计原理处处都体现着低NOx燃烧的思想,也正是由于过多地考虑了低NOx燃烧的这一方面,导致在一定程度上牺牲了对飞灰可燃物含量的控制,对氧量、二次风配风方式、OFA和AA风量的试验研究也验证了这一点.从试验结果可以认为,OFA风量设计偏小、AA风量设计偏大和其距离主燃烧区域过远可能是该炉型飞灰含碳量偏高的主要原因.按照墙式切圆MACT燃烧系统的设计思想,其成功地使炉膛高温区域和高氧量区域得到错开.在OFA风量的影响因素研究中,OFA风量开大对飞灰含碳量和NOx排放的正面影响均已得到论述,需要补充说明的是,OFA风量的增加增强了对主燃烧区的扰动,延长了焦炭粒子在主燃烧区的停留时间,根据数值模拟计算,OFA附近的区域也是炉膛的高温区域,这两个影响因素的叠加,使得开大OFA风量对降低飞灰含碳量起到了良好的效果.在AA风量的影响试验研究中,由前面的分析可知AA的存在使可燃物在后期得不到充分燃烧,因而飞灰含碳量较高.进一步解释,则是由于在AA之前的一段还原区域炉膛温度较高,若在该区域及时地加入焦炭粒子后期燃烧所需的氧气,则可燃物将得到充分燃尽,该区域的炉膛温度也会维持在较高水平.而在实际运行中,AA经过垂直和水平分级后,其距主燃烧区域过远,当烟气到