350MW超臨界鍋爐燃燒的優(yōu)化調(diào)節(jié)與實(shí)驗(yàn)研究

楊小東

（陜西華電楊凌熱電有限公司，陜西 楊凌 712100）

鍋爐燃燒主要分為3個(gè)階段，依次是著火前的準(zhǔn)備階段、燃燒階段與燃盡階段。著火前的準(zhǔn)備階段主要是將燃料與燃燒介質(zhì)充分混合后，加熱達(dá)到著火點(diǎn)；燃燒階段則是放熱階段，消耗燃燒介質(zhì)中的氧氣成分；燃盡階段則是將燃料的利用效率達(dá)到最高，減少不充分燃燒。在理解鍋爐燃燒過(guò)程的基礎(chǔ)上，本文提出合理的優(yōu)化調(diào)節(jié)措施。

1 鍋爐燃燒的概述

（1）設(shè)備簡(jiǎn)介。本文以SG1235/25.4-M4417型350MW鍋爐為主要的研究對(duì)象，是上海某鍋爐有限公司具有自主產(chǎn)權(quán)的鍋爐設(shè)備，該鍋爐是超臨界變壓直流爐，結(jié)構(gòu)為單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)，布置方式為半露天島式，運(yùn)行層下封閉、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)，采用切圓燃燒方式，Π型鍋爐，選擇不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式啟動(dòng)系統(tǒng)。

（2）鍋爐燃燒簡(jiǎn)介。鍋爐燃燒可以說(shuō)是一個(gè)及其復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，它不僅涉及到燃燒學(xué)，還與流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱學(xué)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都有著極大的聯(lián)系。鍋爐燃燒調(diào)整的研究方向也包含許多方面，主要包括基于燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的研究、基于燃燒理論建模技術(shù)的研究、基于燃燒設(shè)備的設(shè)計(jì)及改造研究和基于檢測(cè)技術(shù)的燃燒優(yōu)化研究等。

鍋爐燃燒器是鍋爐燃燒過(guò)程中最重要的一個(gè)鍋爐結(jié)構(gòu)，350MW超臨界鍋爐采用4角切圓的燃燒器布置形式，在鍋爐爐膛的4個(gè)角落都設(shè)置安放了直流燃燒器，煤粉氣流會(huì)再通過(guò)噴射器射出的作用下，在鍋爐爐膛的中心部位激烈沖撞，并以圓切線(xiàn)的角度集聚到一起，直接產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的燃燒火焰，并在爐膛內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的高溫氣流，高溫氣流的運(yùn)動(dòng)方向是以漩渦的形式自下而上的。爐膛內(nèi)煤粉燃燒如圖1所示。

直流燃燒器的燃燒過(guò)程非常簡(jiǎn)單。首先，煤粉氣流會(huì)卷吸高溫?zé)煔猓⒈怀浞旨訜幔淞饕卜謩e從兩側(cè)補(bǔ)齊使得壓力平衡，接著將煤粉氣流著火，并與二次風(fēng)空氣均勻混合，煤粉高溫氣流發(fā)生切圓旋轉(zhuǎn)，一直到焦碳充分燃盡，上述各燃燒過(guò)程相互影響，但有時(shí)各環(huán)節(jié)也會(huì)同時(shí)進(jìn)行。

2 鍋爐燃燒過(guò)程中存在的一些問(wèn)題

在鍋爐燃燒的過(guò)程中，影響鍋爐燃燒狀態(tài)的原因主要分為兩個(gè)方面。一方面由于燃燒器風(fēng)粉配合不當(dāng)?shù)那闆r，直接導(dǎo)致鍋爐燃燒溫度場(chǎng)不能合理地分布，失去了合理控制鍋爐各部分溫度的功能，水冷壁的溫度也有較大差異，左右墻水冷壁垂直管的管壁出現(xiàn)異常高溫，這是主蒸汽與再熱蒸汽不能持續(xù)正常工作的原因。第二方面，當(dāng)燃燒器二次風(fēng)配比得不合理時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致燃燒器噴口結(jié)渣、燒損變形等結(jié)果，極大程度上影響鍋爐運(yùn)行的效率與經(jīng)濟(jì)性。

（1）燃燒器內(nèi)部配風(fēng)機(jī)構(gòu)。因?yàn)槿紵鲀?nèi)部配風(fēng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)得不到位，就不能在最大程度上避免高揮發(fā)煤質(zhì)以及直流燃燒器的燃燒距離極小、風(fēng)量低，從而造成噴口回火、結(jié)焦嚴(yán)重、燃燒器口變形的問(wèn)題。這些因素綜合在一起后就拖了鍋爐燃燒效率的后腿，使得燃燒溫度場(chǎng)很散亂，這也是煙氣中一氧化碳含量極高的原因。由于鍋爐水冷壁受熱不均勻的因素，直接導(dǎo)致了鍋爐壁溫溫差變大并且局部溫度超過(guò)安全線(xiàn)的問(wèn)題。

表1 鍋爐性能考核實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（2）煤質(zhì)與燃燒器一、二次風(fēng)配風(fēng)的分析。要想鍋爐燃燒的效率高，就必須要合理地調(diào)節(jié)煤質(zhì)與配風(fēng)比，并且應(yīng)該根據(jù)給煤量的調(diào)整，精細(xì)控制一次風(fēng)風(fēng)壓與風(fēng)量，如果不能滿(mǎn)足這些要求，很大可能會(huì)造成一次風(fēng)出口溫度升溫，引起提前著火。二次配風(fēng)時(shí)間與強(qiáng)度本身就不夠穩(wěn)定，并且難以控制，每一次改變都會(huì)直接影響一次風(fēng)與二次風(fēng)相遇以及混合均勻的時(shí)間，這是煤粉氣流不能完全燃燒的主要原因，在極大程度上影響了鍋爐燃燒的效率。還有一個(gè)導(dǎo)致煤粉燃燒不均勻的關(guān)鍵因素，即燃燒器的配風(fēng)機(jī)構(gòu)擋板不一致，導(dǎo)致受熱面局部超溫、煙氣溫差大，飛灰含碳量增加，也造成過(guò)熱器氣溫偏差等許多問(wèn)題。

（3）爐膛還原性氣氛。作為燃料的入爐煤種，含硫量比較高，在爐內(nèi)燃燒時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一個(gè)具有強(qiáng)還原性的環(huán)境，導(dǎo)致排放的氣體中大量產(chǎn)生H2S。該氣體含量過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)生許多惡性結(jié)果，比如水冷壁腐蝕，管壁變薄，最后甚至將導(dǎo)致泄漏的情況發(fā)生，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。

3 鍋爐燃燒的優(yōu)化調(diào)節(jié)試驗(yàn)

（1）直流燃燒器設(shè)計(jì)。以過(guò)去的入爐煤質(zhì)為參考，調(diào)整一次風(fēng)的間距，同時(shí)對(duì)煤粉燃燒器做二次風(fēng)配風(fēng)設(shè)計(jì)，保證各項(xiàng)性能指標(biāo)過(guò)關(guān)，通過(guò)偏置周界風(fēng)的形式，對(duì)水冷壁燃燒器模塊提供助氧支持，避免因?yàn)檠鯕夂康停紵怀浞郑M(jìn)而導(dǎo)致水冷壁被高溫含硫氣體惡性腐蝕所造成更嚴(yán)重的后果。

（2）風(fēng)量調(diào)整。為了達(dá)到降低NOX排放量的目的，可以考慮提高燃燒器上部的二次風(fēng)量，合理降低其它部分的二次風(fēng)量，另外利用燃燒器各層一次風(fēng)噴嘴的周界風(fēng)風(fēng)門(mén)擋板的開(kāi)度變化，對(duì)一次風(fēng)噴嘴煤粉的著火距離以及一次風(fēng)的剛度進(jìn)行調(diào)試優(yōu)化，從而選擇最合適的量值。在鍋爐的低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)中，并不是脫硝反應(yīng)器入口的氮氧化合物含量越低，氨氣消耗量越低，成本越低，還需要充分考慮到提高了SOFA風(fēng)量，雖然氮氧化合物排放量會(huì)降低很多，但是飛灰可燃物含量以及煙氣中CO的含量也會(huì)增大，所以要結(jié)合機(jī)組負(fù)荷的變化情況，合理調(diào)整風(fēng)粉配比和鍋爐送風(fēng)量及SOFA風(fēng)量。在保證燃燒穩(wěn)定的前提下，滿(mǎn)足低氮燃燒要求的同時(shí)，也抑制燃燒過(guò)程中氮氧化合物的生成，保證煤粉被充分燃燒，提高鍋爐的燃燒效率以及運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

（3）控制入爐煤硫含量與運(yùn)行氧量。為控制鍋爐的硫含量，降低強(qiáng)還原反應(yīng)的影響就需要扼住源頭，比如嚴(yán)格控制爐煤煤質(zhì)的質(zhì)量，選擇硫含量較低的煤種。按照相關(guān)數(shù)據(jù)表明，如果入煤煤質(zhì)中的硫含量不超過(guò)0.4%時(shí)，即使鍋爐的實(shí)際運(yùn)行氧量偏高于設(shè)計(jì)氧量，實(shí)測(cè)水冷壁貼壁氣體成分中H2S的含量一般不高于300ppm。如果從源頭上扼制不住，即調(diào)節(jié)不了入爐煤質(zhì)硫含量時(shí)，就需要合理提升鍋爐運(yùn)行的含氧量，保證煤粉被充分燃燒，保持鍋爐的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）省煤器出口氧量?jī)?yōu)化。鍋爐運(yùn)行效率與排放物中，氮氧化合物含量受多方面因素的共同影響，其中出口氧量是重要原因之一。在鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，如果維持風(fēng)門(mén)的開(kāi)度穩(wěn)定，不發(fā)生變化，在此條件下改變省煤器出口氧量，觀察排放物中常見(jiàn)成分含量的變化規(guī)律，在省煤器出口氧量提高后，排放物中氮氧化合物的濃度明顯上升，飛灰含碳量下降，而隨著出口氧量的繼續(xù)增加，飛灰含碳量的下降趨勢(shì)開(kāi)始變緩，而當(dāng)出口氧量達(dá)到了3%時(shí)，飛灰含碳量下降到了極限。在生產(chǎn)過(guò)程中將省煤器出口氧量控制在3%上下，就能夠讓鍋爐燃燒的過(guò)程狀態(tài)保持在最高效的水平線(xiàn)上。

（5）鍋爐的燃燒調(diào)整實(shí)驗(yàn)。根據(jù)上述優(yōu)化調(diào)節(jié)措施，合理設(shè)計(jì)直流燃燒器，調(diào)整風(fēng)量，控制入爐煤硫含量與運(yùn)行氧量，對(duì)省煤器出口氧量進(jìn)行最優(yōu)化，再采用標(biāo)準(zhǔn)煤種作為燃料，對(duì)優(yōu)化調(diào)節(jié)之后的鍋爐進(jìn)行燃燒性能考核實(shí)驗(yàn)，2次性能考核實(shí)驗(yàn)的結(jié)果如表1所示。根據(jù)低位發(fā)熱量計(jì)算鍋爐平均修正效率，效率達(dá)到94.65%，高于性能保證值93.8%，氮氧化合物排放量的濃度僅僅296mg/Nm3(O2=6%)，符合相關(guān)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先介紹了上海某鍋爐有限公司自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)制造的超臨界350MW鍋爐的基本情況，以及鍋爐燃燒的一般過(guò)程與重要環(huán)節(jié)。其次深入分析了鍋爐燃燒過(guò)程中，可能影響到鍋爐運(yùn)行效率以及提高鍋爐燃燒成本的原因，如煤質(zhì)與燃燒器一、二次風(fēng)配風(fēng)的分析，以及燃燒器內(nèi)部配風(fēng)機(jī)構(gòu)等重要因素，以這些影響因子為切入的角度，提出鍋爐燃燒過(guò)程的一些優(yōu)化措施。