低NOx切向燃燒系統的改造及性能優化試驗

寧新宇, 梁紹華, 岳峻峰, 張恩先, 黃 磊

(1.江蘇方天電力技術有限公司,南京211102;2.江蘇省電力試驗研究院有限公司,南京210029)

某電廠3號機組原為亞臨界壓力再熱式直流鍋 爐,鍋爐蒸發量為1 025 t/h.由于早期的直流鍋爐在運行可靠性、靈活性以及調峰能力方面均明顯低于汽包鍋爐,這對機組參與市場競爭十分不利[1];同時,為適應當前日益嚴格的環保要求,對該機組的鍋爐進行了改造,其改造內容包括:將直流鍋爐改造為汽包鍋爐,以提高機組的調峰能力;同時改造燃燒器的結構布置,在保證機組鍋爐熱效率的同時,降低鍋爐NOx的排放濃度,達到環保相關的要求.通過對改造前、后機組運行狀況的比較可知:機組的調峰能力得到了提高,但機組運行時卻存在飛灰含碳量偏高、主蒸汽和再熱蒸汽溫度偏低及爐膛塌焦等問題.針對存在的問題,筆者對該機組的鍋爐進行了相關的優化試驗與研究.

1 設備概況

該廠3號機組經改造后的鍋爐是上海鍋爐廠設計制造的SG 1025/16.81-M 748型亞臨界壓力、一次再熱控制循環鍋爐:其結構為單爐膛、倒 U型露天布置、后煙井雙煙道、四角切圓、再熱汽溫擋板調節、平衡通風、全鋼架懸吊結構和固態排渣,其燃用煤種為煙煤.

2 燃燒器改造

改造前,燃燒器為直流型式,每個燃燒器由12層噴嘴組成,其中煤粉噴嘴為5層,二次風噴嘴為7層,呈間隔布置,爐膛為同心反切四角燃燒,假想切圓直徑分別為:φ內=730 mm,φ外=1 180 mm;其中,一次風量占總風量的 21%,二次風量占總風量的79%.

經改造后,采用低 NOx切向燃燒系統(LNTFS),燃燒器成對沖布置.為了控制鍋爐左右側的煙溫偏差,采用二次風噴嘴偏轉的方法,將大部分二次風噴嘴按順時針方向偏轉,其中AB、BC、DE層為7°偏轉,CD層為 15°偏轉,以此達到驅使爐內氣流作順時針方向旋轉的目的,此部分二次風為起轉二次風;而 AA、EF層的偏轉角度為 0°;頂部OFA(FF)層二次風成逆向25°布置,使進入燃燒器上部區域的氣流旋轉強度削弱甚至消除.在燃燒器區域的這種布置有利于在爐膛中心形成富燃料區,而在四周水冷壁形成富空氣區,這有利于煤粉著火穩定,結焦和高溫腐蝕傾向低,還可降低NOx的生成.同時,為了提高機組的調峰能力,專門為燃燒器噴嘴配置了百葉窗煤粉濃縮器,將一次風在水平方向上分成濃度適當的兩股:一股將濃煤粉氣流從火側切向噴入爐膛;另一股將淡煤粉氣流在濃煤粉氣流與水冷壁之間切向噴入爐膛.這樣,既有利于提高煤粉的著火性能,也有利于在煤粉壁面形成氧化性氣氛,提高灰熔融溫度,阻止燃燒的煤粉顆粒沖刷水冷壁.燃燒器具體布置示于圖1.從圖1可知:為進一步降低NOx的排放濃度,增設了2層分離式燃盡(SOFA)風.該SOFA風噴嘴可上下擺動30°,左右擺動 15°.改造后,一次風量占總風量的比重為18.7%,二次風量占總風量的比重為81.3%,與改造前比,一次風量的比重有所下降,而二次風量的比重有所上升,這有利于降低NOx的生成.改造后燃燒器各風門的尺寸與分布列于表1.

圖1 燃燒器布置示意圖Fig.1 Schematic of the arrangement of burners

表1 改造后燃燒器各風門的尺寸與分布Tab.1 Sizes and collocation of air damper of the burners after retrofit

3 優化試驗與結果分析

3.1 試驗內容

結合現場實際情況,進行了相關試驗研究,其包括:習慣運行工況試驗,改變省煤器出口氧量試驗,改變二次風配風方式試驗及改變SOFA風試驗.

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 習慣運行工況試驗

在進行優化試驗前,先進行了習慣運行工況試驗.表2為機組改造前后的對比工況試驗數據,在表2中,主蒸汽和再熱蒸汽出口溫度、省煤器出口氧量、飛灰含碳量均為兩側平均值,鍋爐熱損失及鍋爐熱效率均為修正值.改造后的習慣運行工況試驗結果顯示:與改造前比,飛灰含碳量明顯偏高,主蒸汽溫度偏低,排煙溫度比改造前明顯下降.主蒸汽溫度偏低可能是由于蒸發受熱面與過熱器受熱面吸熱量分配不匹配引起的;另外,NOx排放濃度下降明顯,比改造前下降了約100 mg/m3,這是燃燒器改造的緣故.但改造后飛灰含碳量偏高,比改造前升高了約5.62%,導致機械不完全燃燒熱損失比改造前增加1.70%,這除了與煤質變化及運行狀況有關外,主要還是由于燃燒器改造后影響了煤粉顆粒的燃盡,并嚴重影響了改造后鍋爐熱效率的提高.同時,由于主蒸汽溫度偏低,運行人員需將燃燒器擺角放置在較高位置,這種做法一方面更不利于煤粉的燃盡;另一方面可能會加重機組運行時所存在的塌焦問題,從而影響到機組的安全穩定運行[2].因此,根據機組的實際狀況,進行了以下一些試驗.

表2 機組改造前后工況的試驗數據對比Tab.2 Test data comparison before and after retrofit of the unit

3.2.2 改變省煤器出口氧量的試驗

鍋爐運行氧量的大小對鍋爐運行的性能影響很大.改變省煤器出口氧量的試驗主要是為了找出使鍋爐熱損失最小的運行氧量值,但此時需考慮到低氧運行時爐膛內壁面高溫腐蝕的發生[3].圖2為運行氧量對鍋爐熱損失的影響.從圖2可知:當運行氧量從1.9%上升到3.8%時,總熱損失(q2+q3+q4)呈先降后升的趨勢,機械不完全燃燒熱損失(q4)呈下降趨勢,但總體上熱損失還是較大,這與燃燒器的布置和相關配風方式有關.

在試驗期間,對燃燒器頂部與SOFA風噴口上部附近處爐膛內壁面的煙氣成分進行了測量.表3為爐膛內壁面O2和CO濃度測量結果.從表3可知:隨著運行氧量的增加,CO濃度呈降低趨勢,O2濃度呈上升趨勢,同時煙氣在爐膛內的上升過程中,CO與O2含量都逐步減少;在低氧量(1.9%)運行時,爐膛內壁面從燃燒器頂部到SOFA風噴口上部,還原性氣氛明顯,這對機組長期運行帶來安全隱患.這是因為水冷壁的高溫腐蝕與還原性氣氛的存在有極其密切的關系,在水冷壁空氣不足的部位,未燃盡的煤粉在水冷壁管附近缺氧燃燒,產生的還原性氣氛不利于硫的完全燃燒和SO2的生成,導致硫化氫與鐵發生急劇反應,引起管子高溫腐蝕.此外,由于強還原性氣氛也會導致灰熔點下降,從而引起鍋爐結渣[3].當氧量增加后,爐膛內的氧量也顯著增加,在爐膛內壁面形成富氧區域,這一方面與運行氧量的增加有關;另一方面與將二次風設置了偏置角度有關,爐膛內壁面富氧區域的形成有利于鍋爐的安全運行.圖3為運行氧量對鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響.從圖3可知:鍋爐NOx排放濃度(折算到6%O2)隨氧量的增加而上升,修正后鍋爐熱效率先升后降.經綜合比較,在 300 MW 負荷下,合適的運行氧量為3.1%左右,但由于機組存在塌焦現象,所以應適當增大機組運行氧量,強化爐膛內“風包火”的煙氣流場,以利于減輕爐膛內水冷壁的結焦[4-5].

圖2 運行氧量對鍋爐熱損失的影響Fig.2 Effect of operational oxygen content on heat loss of the boiler

表3 爐膛內壁面O2和CO濃度的測量結果Tab.3 Measuring results of the O2and CO concentration on the inner wall of the furnace

圖3 運行氧量對鍋爐熱效率與NOx排放濃度的影響Fig.3 Effect of operational oxygen content on boiler thermal efficiency and NOxemission concentration

3.2.3 改變二次配風的試驗

在改變氧量的試驗基礎上,進行了改變二次風配風的試驗.不同的二次風小風門開度組合可以改變爐內空氣動力場及沿爐膛高度方向的風粉配比:一方面,可以調整爐內火焰中心高度,影響排煙溫度、飛灰和爐渣可燃物,直接關系到鍋爐熱效率;另一方面,還會影響NOx的排放[6].為優化二次風配風方式,選取了3種不同的二次風小風門開度組合進行試驗.在進行風門開度配置時,考慮到爐內總風量一定,而煤粉顆粒在高溫區的停留時間較短,因此在燃料富燃極限內提高氧氣的濃度,有利于提高氧氣和煤粉顆粒的反應速度.此外,在機組運行狀況下存在飛灰含碳量偏高的問題,為此,需在燃燒初期保持足夠的風量,以保證煤粉顆粒在高溫區燃盡,同時也有利于降低爐渣含碳量[7-8].各試驗工況的二次風配風方式列于表4.

表4 各試驗工況的二次風配風方式Tab.4 The secondary air distribution modes of each test condition %

圖4、圖5所示分別為不同的二次配風對鍋爐熱效率及NOx排放濃度影響.從圖中可看出:均布配風與束腰配風的鍋爐熱效率基本相當,均較高,而正塔配風時的鍋爐熱效率最低,這主要是由飛灰含碳量的變化造成的,其原因一方面是在均布與束腰兩種配風方式中,底部二次風風門開度較大,關小燃燒器中間區域二次風開度,有利于降低飛灰含碳量[8];另一方面是在當前燃燒器的布置方式下,中間層二次風CD層偏轉角度較大,位置較高,底層二次風偏轉角度較小,這種布置方式會影響爐內切圓運轉的穩定性,因而導致爐內流場紊亂,影響煤粉的著火與燃盡.而在正塔配風方式中,CD層風門開度相對較大,其試驗結果也印證了上述分析.對于NOx排放濃度,束腰配風最低,正塔配風與均布配風基本相當,這是由于采用束腰配風方式提高了燃燒器底部一次風噴口區域煤粉量與風量之比,而NOx的生成量主要取決于局部化學當量比,因此采用束腰配風方式時NOx排放濃度較低[9-10].

圖4 二次配風對鍋爐熱效率的影響Fig.4 Effect of secondary air distribution on boiler thermal efficiency

圖5 二次配風對NOx排放濃度的影響Fig.5 Effect of secondary air distribution on NOx emission concentration

圖6為二次配風對鍋爐主蒸汽和再熱蒸汽溫度的影響.從圖6可知:對于鍋爐主蒸汽溫度,不論是束腰配風方式還是正塔配風方式,在燃燒器擺角基本一致的情況下,其主蒸汽溫度均低于均布配風方式下的原因是:①在均布配風方式下,燃燒器區域二次風風門開度總體上小于束腰和正塔2種配風方式,使燃燒器區域的總風量低于后兩者配風方式,因此延長了煤粉的著火時間,導致爐膛火焰中心的上升.同時,由于關小燃燒器中上部二次風風門(相對于束腰與正塔配風方式),使燃燒器底部二次風風量增大,剛性增強,形成的“托底風”對火焰中心起抬升作用,同時在總風量保持不變的情況下,爐膛上部風量增大,這樣一方面可均衡爐膛溫度,提高爐膛出口煙溫[2,11];另一方面還有利于強化燃燒器頂部的燃燒,降低飛灰含碳量,提高燃燒效率,這些都有利于提高和穩定鍋爐主蒸汽溫度.②在二次風束腰配風方式下,隨爐膛下部大量二次風送入,爐內煙氣順時針動量增大,但會隨著煙氣向爐膛頂部的上升而衰減[12],當進入爐膛上部時,上部大量二次風的送入使反切的二次風很難克服煙氣順時針的旋轉動量,造成屏區煙氣流速的偏差,進而導致煙氣溫度的偏差;對于正塔配風方式,由于頂部二次風風量較小,煙氣上升時動量衰減,在上部反切二次風的作用下,有可能改變煙氣的旋轉方向,而且在當前燃燒器系統布置下,頂部的反切二次風使煙氣發生反轉的可能性增大;對于均布配風方式,處于束腰配風與正塔配風之間,有利于減輕爐膛出口煙氣偏差,同時可防止煙氣反轉的出現[13].

圖6 二次配風對主蒸汽和再熱蒸汽溫度的影響Fig.6 Effect of secondary air distribution on temperature of superheated steam and reheated steam

因此,綜合考慮鍋爐熱效率、NOx排放濃度、主蒸汽和再熱蒸汽溫度及煙氣的殘余旋轉等因素,筆者認為采用均布配風方式較好.

3.2.4 改變SOFA風風門的試驗

在改變SOFA風風門的試驗中,進行了3次試驗,SOFA風風門開度分別為45%、75%和100%,運行氧量約為3.3%.在試驗中,隨著SOFA風風門開度的增大,灰渣含碳量減少,鍋爐熱效率呈不斷提高趨勢,NOx排放濃度(折算到6%O2)則呈降低趨勢.圖7和圖8分別為SOFA風風門開度對灰渣可燃物熱損失和鍋爐熱效率與NOx排放濃度的影響.由圖可知:通過增大SOFA風風門開度,強化了對爐膛頂部煙氣的后期擾動,及時補充了碳顆粒后續燃燒所需的氧量,使飛灰含碳量減少,提高了鍋爐熱效率.但在試驗中,當SOFA風風門開度從45%提高到100%時,NOx排放濃度只降低了11 mg/m3,其原因是:①燃燒器采用了百葉窗式煤粉濃縮器配合WR煤粉噴嘴,使燃燒器區域形成較強的富燃料區,有利于降低NOx的生成,使NOx的排放濃度降低;②由于SOFA風量設計偏小,對NOx排放濃度的影響較小.在運行中,為提高鍋爐熱效率及降低NOx排放濃度,建議宜將SOFA風風門全開.

圖7 SOFA風門開度對灰渣可燃物熱損失的影響Fig.7 Effect of SOFA opening on heat loss of unburned carbon content in slag

圖8 SOFA風風門開度對鍋爐熱效率與NOx排放濃度的影響Fig.8 Effect of SOFA opening on boiler thermal efficiency and NOx emission concentration

3.3 塌焦現象分析

在機組運行過程中,爐膛存在塌焦現象.爐膛結渣的原因很多,例如煤質、爐膛內溫度、爐內空氣動力場、爐膛結構特性參數及燃燒器布置方式等[14-15],除煤質外,爐膛結構特性參數與燃燒器布置方式也直接影響爐內空氣動力場,同時影響爐膛內溫度.在爐膛結構特性參數基本不變的情況下,燃燒器布置方式成為爐膛塌焦主要影響因素.根據改造后燃燒器的結構與布置,以及運行中爐膛出口煙溫偏轉出現反轉的情況,爐膛塌焦的原因可能是:在燃燒器對沖布置下,起轉二次風的位置偏高,底部偏轉二次風的角度偏小,導致爐內煙氣旋轉不穩定,同時在反切二次風的作用下,爐內煙氣流場的穩定性受到影響,并進而影響到煤粉燃盡,同時也使煙氣中的液態灰滴在氣力作用下接觸到受熱面形成結渣.因此,在后續工作中,應考慮在改變起轉二次風的位置時,綜合考慮調整底部二次風的偏轉角度,以使爐內煙氣流場穩定.

4 結 論

(1)通過對燃燒器進行改造,降低了NOx的排放濃度,但飛灰含碳量明顯增大.

(2)為降低飛灰含碳量,提高蒸汽溫度,減輕爐膛塌焦現象,應將省煤器出口氧量控制在較高水平改變二次風的試驗結果表明:二次風采用均布配風方式最佳.

(3)增大SOFA風門開度可降低飛灰含碳量,但對NOx 排放濃度影響不顯著.

(4)在燃燒器布置時,底層起轉二次風的偏轉角度與位置需要與一次風的假象切圓大小相配合,以使爐內煙氣流場穩定.為了保證爐膛內切圓大小適中,需在后續工作中對這方面的問題作進一步的研究.

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