探討60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐優化設計

朱德強

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東德州 253000）

0.引言

微富氧燃燒模式和純氧燃燒模式以及空氣燃燒模式下的鍋爐特性參數進行對比可知，微富氧燃燒模式下鍋爐在單位時間內爐膛的煙氣量比純氧燃燒模式下以及空氣燃燒模式下爐膛的煙氣量更低，輻射換熱能力更強，理論燃燒溫度更高。不過由于微富氧燃燒模式下鍋爐的煙氣和工質間的對流換熱量以及輻射換熱量和純氧燃燒模式或空氣燃燒模式下的煙氣和工質間的對流換熱量以及輻射換熱量存在較大差異。所以需要重新匹配微富氧燃燒模式下鍋爐的煙氣側和工質側的能量分布。

1.鍋爐微富氧燃燒的模式概述

全球溫室效應的產生主要是由于大氣中二氧化碳濃度的增加，而煤燃燒又會產生較多的二氧化碳，所以現階段世界范圍內的各個國家都開始積極研究煤燃燒階段二氧化碳量排放量的控制技術，現階段對已經出現的控制技術分析可知，富氧燃燒技術的應用前景最佳。富氧燃燒的模式主要可以分為以下4類：（1）純氧燃燒；（2）微富氧燃燒；（3）氧氣噴槍燃燒；（4）空-氧燃燒。純氧燃燒指的是將氧氣和二氧化碳的混合物作為基礎燃燒氣體，這一富氧燃燒模式的缺點是經濟性較差，和空氣燃燒模式相比效率下降了8%～10%。這是由于純氧燃燒模式需要使用大量的純氧為燃料的燃燒提供支持，但是ASU空分制氧的能源消耗非常高。而且，純氧燃燒需要將產生的大量煙氣進行再循環利用，以此來維持鍋爐內的溫度，這便需要使用較大功率的再循環風機。微富氧燃燒模式則是將空氣作為燃料燃燒的基礎氣體，在空氣中混入少量的純氧作為燃料完全燃燒的保障，并且不需要產生的煙氣進行再循環使用，一般微富氧燃燒模式下的鍋爐產生煙氣內二氧化碳的體積分數通常在30%～40%，而這一二氧化碳濃度非常適合使用活性炭一體化技術對產生煙氣中的二氧化碳以及二氧化硫進行脫除處理。微富氧燃燒模式和純氧燃燒模式相比，其需要使用的助燃純氧的體積更少，并且不需要設計煙氣再循環系統，因此經濟性更好[1]。

2.鍋爐微富氧燃燒技術的應用優勢

微富氧燃燒技術具有的應用優勢主要在以下3個方面進行展示：（1）微富氧燃燒技術是將少部分純氧以及空氣中含有的氧作為燃料燃燒的支撐。所以微富氧燃燒技術和富氧燃燒技術相比，其在煤燃料燃燒階段需要的純氧量更少，也就可以降低空分制氧的能源消耗以及此方面的投資，進而提高微富氧燃燒模式的經濟性。（2）微富氧燃燒模式下由于混入了空氣，此時空氣對鍋爐的爐膛溫度起到了一定的調節作用。所以微富氧燃燒技術和富氧燃燒技術相比，其需要的循環煙氣量更少，也就不需要循環風機的大功率運行，降低了循環風機的使用功率，進一步加強了微富氧燃燒技術的經濟性。（3）微富氧燃燒模式下鍋爐內煤燃燒生成的煙氣內二氧化碳的體積分數在30%到40%之間，并且排煙量也小于常規空氣燃燒模式（50%的排煙量），所以，可以使用耗能更低且成本更低的PSA變壓吸附技術對微富氧燃燒模式下煤燃燒生成煙氣中的二氧化碳進行脫除[2]。

3.常規鍋爐的整體布置

本次研究分析的常規鍋爐類型為：自然循環、亞臨界參數、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒方式、固體排渣、單爐膛平衡通風、緊身封閉、尾部雙煙道的全鋼構架Ⅱ型汽包爐，使用煙氣擋板對再熱氣溫進行調節，空氣預熱器和尾部雙煙道都布置在鍋爐主柱的外側。由于選擇的鍋爐是亞臨界壓力參數類型，其汽化吸熱能力較小，而過熱吸熱以及加熱吸熱的能力較大，且鍋爐的爐膛是膜式水冷壁類型。為了確保鍋爐爐膛出口部位的煙氣溫度可以降低到設計范圍內，且水平煙道中對流受熱面的工作環境可以得到保障，需要在鍋爐爐膛的上部進行屏式過熱器的布置，且在鍋爐爐膛折焰角上部進行高溫過熱器的布置。同時，在鍋爐的水平煙道部位需要布置高溫再熱器的垂直管組，并通過隔墻將尾部的豎井分隔為前面和后面2個煙道。在前部煙道內進行水平低溫再熱器以及省煤器的布置，后部煙道進行低溫過熱器以及省煤器的布置。并且，將煙氣調節擋板裝置設置在分煙道的底部，以此對煙氣量進行分流以及對控制負荷范圍內的再熱蒸汽出口的溫度進行保持。在煙氣通過調節擋板之后再進行匯集，將經過尾部兩個煙道后的煙氣引入回轉式的空氣預熱器中。鍋爐的爐膛冷灰斗下方需要配備刮板撈渣設備，摒棄獨立支撐的方式在鍋爐零米層進行安裝放置。此外，為了對鍋爐受熱面的積灰以及結渣進行清除，還需要設置吹灰系統，該系統的設計需要根據鍋爐燃燒使用的煤類型（積灰和結渣指數數據）進行判斷依據，并在預留足夠的裕度后，才能確定吹灰器的安裝數量、安裝位置以及規格，吹灰器的工質為蒸汽[3]。

4.60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的優化設計

4.1 60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的煙氣量和燃煤量計算

對60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的煙氣量和燃煤量進行計算（保持鍋爐蒸汽側負荷一定的條件），并對空氣燃燒模式以及純氧燃燒模式（氧氣體積分數為30%，二氧化碳體積分數為70%）下的鍋爐爐膛內的燃煤量和煙氣量進行對比分析可以看出，微富氧燃燒模式下鍋爐爐膛內的煙氣量要明顯低于空氣燃燒模式和純氧燃燒模式下鍋爐爐膛內的煙氣量。這一情況出現的原因是因為微富氧燃燒模式中煤燃燒消耗的氧氣主要是由空氣中的氧氣和提供的純氧兩部分組成，因此微富氧燃燒模式和空氣燃燒模式進行比較，其鍋爐爐膛內的煙氣量會由于送入氮氣量的降低而減少，而純氧燃燒模式需要將鍋爐爐內的70%～80%的煙氣量作為維持鍋爐內燃燒溫度的因素進行再循環利用，也就是此時鍋爐的爐內煙氣是由再循環煙氣以及煤燃燒生成的煙氣共同組成。而微富氧燃燒模式中，鍋爐爐膛內只有煤燃燒后生成的煙氣和純氧燃燒模式相比鍋爐內的煙氣量更低。且微富氧燃燒模式中鍋爐爐膛內的煙氣量會隨著煙氣內二氧化碳體積分數的增加而降低，呈反比的關系[4]。

因為微富氧燃燒模式下鍋爐爐膛內的煙氣量和另外2種燃燒模式相比更低，所以，在蒸汽負荷一定的情況下，微富氧燃燒模式的火焰理論燃燒溫度更高，三原子氣體的輻射強度更大，此時鍋爐爐膛的傳熱效果更好。并且，鍋爐爐膛內單位時間的煙氣量降低，減少了煙氣造成的熱量流失。而且，微富氧燃燒模式下爐膛內部煙氣量的下降會對鍋爐內部工質和煙氣的輻射傳熱量以及對流傳熱量之間的比值產生根本上的改變，進而造成鍋爐內部的輻射受熱面以及對流受熱面需要進行很大的改動。

蒸汽負荷維持在某一范圍的條件下，鍋爐的熱效率會直接對燃煤量產生影響。微富氧燃燒模式和空氣燃燒模式相比，其單位時間內產生的煙氣量更少，排煙損失減小，鍋爐的熱效率增加，燃煤量也就會下降。而純氧燃燒模式中，由于其生成的煙氣量和微富氧燃燒模式相比更少，所以其排煙量也更少。純氧燃燒模式和微富氧燃燒模式相比，微富氧燃燒模式會由于供入鍋爐內氮氣量的增加而生成更多的煙氣量，所以其排煙量會隨之加大，進而增加排煙損失，降低鍋爐的熱效率，導致燃煤量增加。微富氧燃燒模式下，煙氣中二氧化碳體積分數的增加會使得燃煤量降低，這是因為煙氣中二氧化碳體積分數增加也就證明爐膛內煙氣量下降，其排煙量就會降低，排煙所示也就下降，鍋爐的熱效率會更高，燃煤量也會隨之降低。

4.2 60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐優化設計的結果

4.2.1 受熱面積變化結果

數據表明微富氧燃燒模式中水冷壁和屏式過熱器的面積比空氣燃燒模式中更低，這是因為鍋爐爐膛的輻射傳熱效果得到了強化，且微富氧燃燒模式下低溫過熱器和省煤器的面積下降幅度較大，這是由于微富氧燃燒模式中將鍋爐原理的低溫過熱器和省煤器安裝在爐膛內，并且輻射傳熱效果和對流傳熱效果相比更強。所以低溫過熱器和省煤器的面積和沒將其安裝在爐膛內的面積相比有了較大的降低，高溫過熱器和高溫再熱器的面積有所降低則是由于屏式過熱器的面積使得爐膛的出口高度受到了限制。因此高溫過熱器和高溫再熱器的面積得到了顯著下降，而低溫再熱器的面積有了一定程度的增加則是由于微富氧燃燒模式下高溫再熱器的面積和流過高溫再熱器的煙氣量下降，使得高溫再熱器中對流傳熱量下降，工質的吸熱量也降低。因為再熱工質的總吸熱量需要保持恒定，所以在低溫再熱器中工質的吸熱量會增加。為了確保低溫再熱器的工質吸收熱量，需要綜合考慮對流傳熱系數和傳熱溫度和壓強的變化情況。在此條件下，微富氧燃燒模式下的面積和空氣燃燒模式下的面積相比增加量更多，在進行設計優化后，其總受熱面積和空氣燃燒模式下的受熱面積相比減少了46.5%，降低了金屬材料的使用量。

4.2.2 受熱面布置變化結果

優化設計前后鍋爐受熱面的布置情況對比可以由圖1看出。即優化設計后鍋爐的尾部雙煙道變成了單煙道的形式，并且煙道的深度也有了一定程度的下降，這是由于微富氧燃燒模式中低溫過熱器和省煤器都安裝在了爐膛內部，尾部的煙道只需要布置安裝空氣預熱器和低溫再熱器2種設備。并且，微富氧燃燒模式下單位時間生成的煙氣總量降低，是為了確保低溫再熱器中流過的煙氣流速得以控制在一定范圍，此時豎直煙井的深度也會隨之下降。此外，在優化設計后因為水冷壁面積的下降，但爐膛的高度沒有發生變化，使得可以將低溫過熱器和省煤器布置在爐膛內的剩余空間中，一般是在水冷壁管排的上部進行省煤器的布置（和燃燒器上一次風中心線的距離應保持在10m）。低溫過熱器則需要布置在省煤器管排的上部，以此才能確保不會發生傳熱惡化的問題。

5.結語

微富氧燃燒模式和空氣燃燒方式相比，其鍋爐內的輻射換熱得到了強化，且鍋爐爐膛內在單位時間內煙氣總量的下降使得對流換熱的特性得到了控制，所以對于微富氧燃燒模式而言，常規鍋爐結構已經不再適用。通過對60MW微富氧燃燒煤粉鍋爐的優化設計分析可以看出，優化設計對原鍋爐本體的改動不大，使得優化設計的投資得到了控制，且微富氧燃燒模式更符合現階段電廠煤粉爐的改造。