600 MW前后墻對沖燃燒鍋爐深度空氣分級下CO分布規(guī)律試驗(yàn)研究

何志瞧，包文東，陳煜，梁銀河，盧得勇，壽奎原

(1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 蘭溪 321100；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

前后墻對沖燃燒鍋爐是現(xiàn)代化燃煤電站的主要爐型之一，其特征是燃燒器單獨(dú)組織火焰[1]，具有熱偏差小、易于實(shí)現(xiàn)大型化等優(yōu)勢。隨著環(huán)保政策的收嚴(yán)，電站鍋爐普遍采用深度空氣分級和低氮燃燒器改造等技術(shù)來減少燃燒產(chǎn)生的NOx，取得了良好的環(huán)保收益，與此同時(shí)，該技術(shù)也帶來高溫腐蝕[2-3]和CO濃度高[4-5]等問題。

針對對沖燃燒方式鍋爐CO生成濃度高的原因，很多學(xué)者展開了數(shù)值模擬和現(xiàn)場試驗(yàn)研究。西安交通大學(xué)劉虎等[6]對某330 MW機(jī)組的數(shù)值模擬研究表明，主燃區(qū)生成的CO被對沖氣流從爐膛中心攜帶至側(cè)墻附近，但CO在沿側(cè)墻上升過程中并不能與燃盡風(fēng)充分混合燃燒，是導(dǎo)致爐膛出口CO濃度較高的原因。何翔等[4]對某660 MW對沖燃燒鍋爐的試驗(yàn)表明，煤粉濃度偏細(xì)、煤粉在爐內(nèi)射程和停留時(shí)間短、分離燃盡風(fēng)(SOFA)調(diào)整不合理是CO濃度高的原因。周平等[5]發(fā)現(xiàn)燃用揮發(fā)分較高的印尼煤時(shí)，外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度過大將導(dǎo)致煤粉氣流的燃燒時(shí)機(jī)變晚，CO濃度和飛灰含碳量有所升高。洪榮坤等[7]對某600 MW對沖鍋爐的研究發(fā)現(xiàn)，總風(fēng)量一定的情況下，燃盡風(fēng)比例從32%增加到49%時(shí)，CO濃度可顯著下降。實(shí)際上，為了空氣分級燃燒而布置的SOFA，可能存在著正反兩個(gè)方面的影響，一方面主燃區(qū)生成的CO可以在燃盡區(qū)充分燃燒，增加燃盡風(fēng)的比例可以降低爐膛出口處的CO含量；另一方面，若主燃區(qū)的二次風(fēng)量太低生成的CO量過大，SOFA區(qū)不能燃盡，也會導(dǎo)致爐膛出口CO濃度偏高[8]。

本文所研究的某600 MW對沖燃燒鍋爐進(jìn)行空氣深度分級改造后，一直存在CO濃度高且不均勻的問題，針對該問題，采用現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，研究了過量空氣系數(shù)、二次風(fēng)與燃盡風(fēng)的分布關(guān)系、燃燒器旋流強(qiáng)度等對爐膛出口CO濃度的影響，為對沖燃燒爐優(yōu)化燃燒提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 鍋爐概況

某600 MW超臨界機(jī)組鍋爐為北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的螺旋爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架和露天布置的對沖火焰鍋爐。鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，鍋爐設(shè)計(jì)煤種和實(shí)際入爐煤種參數(shù)見表2。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鍋爐設(shè)計(jì)煤種和實(shí)際入爐煤種參數(shù)

鍋爐共裝有36個(gè)旋流燃燒器，C層為6支帶有等離子點(diǎn)火裝置的DRB-4Z型燃燒器，其余30支為AireJet型燃燒器，AireJet型燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示?？赏ㄟ^套通風(fēng)調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒器的二次風(fēng)量，通過二次風(fēng)葉片的角度改變?nèi)紵鞯男鲝?qiáng)度。

圖1 AireJet型燃燒器結(jié)構(gòu)

鍋爐燃燒器與SOFA布置如圖2所示，36支燃燒器分三層布置在鍋爐的前后墻上，前后墻各18只，每層前后墻各6只，在最上層燃燒器上方約7.5 m處布置有一層SOFA。

圖2 鍋爐燃燒器與SOFA布置圖

1.2 測試分析方法

試驗(yàn)期間，保證工況穩(wěn)定2 h以上，根據(jù)《電站鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程》(GB10184-2015)的方法，在空預(yù)器出口和SCR入口煙道使用網(wǎng)格法(7孔×3點(diǎn))對煙氣進(jìn)行采樣，利用MRU NOVA PLUS型煙氣分析儀檢測CO濃度。

同時(shí)，在空預(yù)器出口水平煙道處用旋風(fēng)分離器采集飛灰樣品，試驗(yàn)期間多次取樣，裝入自封袋后化驗(yàn)飛灰可燃物含量。在爐底撈渣機(jī)處對爐渣進(jìn)行取樣，每工況取樣2次，將兩次取得樣品縮分成1份，裝入自封袋后化驗(yàn)爐渣可燃物含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 SOFA與二次風(fēng)比例對CO濃度含量的影響

在總風(fēng)量保持不變的情況下，通過調(diào)整SOFA和二次風(fēng)風(fēng)門開度大小，可以將進(jìn)入爐膛的總風(fēng)量以不同的比例分別從燃燒器位置(主燃燒區(qū))和SOFA噴口位置(燃盡區(qū))送入爐膛，通過調(diào)整這種爐膛高度方向上的風(fēng)量分配可以影響全爐膛的燃燒過程，對NOx、CO以及飛灰爐渣含碳量都有顯著影響。在600 MW負(fù)荷和6臺磨煤機(jī)運(yùn)行情況下，研究SOFA與二次風(fēng)比例對CO的影響，工況為T-01～T-05，改變二次風(fēng)與SOFA分配比例對爐膛出口CO、飛灰和爐渣含碳量的影響如圖3所示。

圖3 改變二次風(fēng)與SOFA分配比例對爐膛出口CO、飛灰和爐渣含碳量的影響

對比T-01～T-05工況，可以發(fā)現(xiàn)SOFA風(fēng)門全開，二次風(fēng)門開至90%時(shí)，爐膛出口CO濃度最低，且飛灰和大渣中含碳量變化不大，后續(xù)試驗(yàn)在T-05工況的SOFA和二次風(fēng)風(fēng)門開度下進(jìn)行。對比不同SOFA開度的試驗(yàn)工況可知，分配到主燃燒區(qū)的風(fēng)量并非越多越好(T-03)，當(dāng)SOFA風(fēng)量不足時(shí)，也會影響CO在燃盡區(qū)的燃燒，雖然主燃區(qū)空氣量增大，生成的CO減少，但最終爐膛出口的CO濃度總體升高。相反，如果燃盡風(fēng)比例過高，燃燒區(qū)域缺氧程度加重，主燃燒區(qū)生成的CO在燃盡區(qū)來不及完全燃燒，最終爐膛出口的CO濃度也較高。按照T-05試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)，SOFA風(fēng)量占總二次風(fēng)的比例控制在30%是較為合適的。

2.2 二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒開度調(diào)整試驗(yàn)

在總送風(fēng)量一定且主燃區(qū)二次風(fēng)量不變的情況下，調(diào)整各層1～6號燃燒器的二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒開度分布規(guī)律，可以改變二次風(fēng)量在爐膛寬度方向上的分配比例，影響爐膛出口處氧量和CO濃度的分布，通過對各層燃燒器二次風(fēng)量的重新分配，可減少由于大風(fēng)箱風(fēng)量分配特性不均勻生成的CO[9]。根據(jù)調(diào)整前摸底試驗(yàn)，爐膛出口處氧量分布呈現(xiàn)中間高兩側(cè)低、左側(cè)高右側(cè)低的情況，CO與氧量的分布規(guī)律相反，即右側(cè)靠外CO濃度最高，左側(cè)靠外次高。前后墻對沖鍋爐不存在強(qiáng)烈地橫向擴(kuò)散，煙氣在負(fù)壓作用下沿?zé)煹懒鲃诱贾鲗?dǎo)地位，因此空預(yù)器進(jìn)口處的CO含量可與燃燒器分區(qū)建立起一定的相關(guān)性[10-12]。

二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒調(diào)整的具體試驗(yàn)工況為T-06～T-12，爐寬方向燃燒器套通風(fēng)開度見表3，爐寬方向燃燒器二次風(fēng)量變化對CO、飛灰和爐渣含碳量的影響如圖4所示。

表3 爐寬方向燃燒器二次風(fēng)門開度情況

圖4 爐寬方向燃燒器二次風(fēng)量變化對CO、飛灰和爐渣含碳量的影響

由圖4可知，T-09和T-12工況下爐膛出口CO濃度較低，約2.11×10-4，且飛灰和爐渣含碳量也未增加。此外，根據(jù)現(xiàn)場網(wǎng)格法測量，在T-09工況下爐左側(cè)墻局部CO濃度可達(dá)4×10-4，這對于防止受熱面高溫腐蝕是相當(dāng)不利的，但T-12工況下各測孔CO均勻性較好。

說明T-12工況下風(fēng)量在爐子寬度方向的分配是向著有利于充分燃燒的方向發(fā)展的，對二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒的差異化設(shè)置一定程度上抵消了大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)帶來的影響，后續(xù)試驗(yàn)在T-12工況的二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒開度下進(jìn)行。此外，盡管二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒的偏置已經(jīng)基本到了設(shè)備允許的最大偏差，爐膛出口運(yùn)行氧量和CO濃度的絕對偏差仍然存在，這與二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒本身的調(diào)節(jié)特性有關(guān)，它是受限于燃燒器設(shè)計(jì)和風(fēng)箱安全的，如果要完全均衡各個(gè)燃燒器的風(fēng)量分配，則需要實(shí)現(xiàn)風(fēng)箱的均壓，其實(shí)施難度和成本都很高。

2.3 中心風(fēng)擋板開度調(diào)整試驗(yàn)

固定單個(gè)燃燒器的總二次風(fēng)量后，通過調(diào)整中心風(fēng)擋板開度，可以改變從中心風(fēng)位置進(jìn)入燃燒器的二次風(fēng)比例，由于中心風(fēng)噴口與Airejet燃燒器煤粉噴口同心布置，不同的中心風(fēng)比例會影響煤粉氣流著火位置，不同的中心風(fēng)射流速度也會影響二次風(fēng)與煤粉的混合過程，進(jìn)而導(dǎo)致爐膛出口NOx、CO排放特性的變化。中心風(fēng)擋板調(diào)整的具體試驗(yàn)工況為T-13～T-16，不同的中心風(fēng)開度對爐膛出口CO、NOx、飛灰、爐渣含碳量的影響如圖5所示。

圖5 不同的中心風(fēng)開度對爐膛出口CO、NOx及飛灰、爐渣含碳量的影響

根據(jù)不同對照組的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)T-14工況中心風(fēng)按照55°控制，在相同運(yùn)行氧量下，其CO、NOx濃度和飛灰含碳量綜合指標(biāo)是最優(yōu)的。中心風(fēng)開度較大(67°)或偏小(14°/29°)，都對經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和NOx排放產(chǎn)生不利影響。當(dāng)中心風(fēng)開度較大時(shí)，二次風(fēng)量減少，較高速度的中心風(fēng)射流影響煤粉著火后與二次風(fēng)的混合，促進(jìn)了燃燒區(qū)CO生成反應(yīng)，爐膛出口CO濃度升高；當(dāng)中心風(fēng)開度偏小時(shí)，煤粉氣流著火提前，燃燒區(qū)域的空氣分級程度減弱，爐膛出口NOx濃度升高。同時(shí)當(dāng)中心風(fēng)開度低于30°時(shí)，燃燒器噴口燒損風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

2.4 過量空氣系數(shù)調(diào)整試驗(yàn)

根據(jù)爐膛出口氧量分布偏差情況將二次風(fēng)調(diào)風(fēng)套筒設(shè)置為50/30/30/50/100/100(%)，在300 MW和500 MW負(fù)荷下，對鍋爐運(yùn)行氧量進(jìn)行調(diào)整，研究過量空氣系數(shù)變化對煤粉燃盡、爐膛出口NOx排放、CO濃度等的影響，具體試驗(yàn)工況為T-17～T-21，變過量空氣系數(shù)對CO含量的影響見表4。

表4 變過量空氣系數(shù)對CO含量的影響

綜合比較，T-17工況爐膛出口氧含量3.55%時(shí)，只產(chǎn)生很少量CO，NOx濃度和飛灰含碳量相對優(yōu)于其它兩個(gè)氧量偏低的工況。

在低負(fù)荷下，鍋爐運(yùn)行氧量水平較高，基本不存在CO，T-21工況下將運(yùn)行氧量由5.33%降至5%，NOx排放降低，飛灰和爐渣含碳量變化較小，說明過量空氣系數(shù)1.3已足夠大，從節(jié)約廠用電和提升鍋爐效率角度考慮，不應(yīng)繼續(xù)增大運(yùn)行氧量。

2.5 外二次風(fēng)旋流調(diào)整試驗(yàn)

單支燃燒器二次風(fēng)分兩股進(jìn)入內(nèi)外二次風(fēng)通道，相對少量的內(nèi)層二次風(fēng)用于卷吸高溫?zé)煔饣亓骱痛龠M(jìn)煤粉著火，而外層二次風(fēng)用作已燃燒煤粉燃盡所需要的空氣。對于改造后安裝的Airejet型燃燒器，其內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度為固定值，外二次風(fēng)旋流可調(diào)。由于燃燒器設(shè)計(jì)中增加了與煤粉同軸布置的中心風(fēng)，內(nèi)外二次風(fēng)比例都相對減少，特別是內(nèi)二次風(fēng)的風(fēng)量減少后對高溫?zé)煔饣亓骱兔悍厶崆爸鸩焕?，需要采取措施?qiáng)化內(nèi)二次風(fēng)的卷吸作用。

試驗(yàn)中在40°～60°范圍內(nèi)對外二次風(fēng)旋流進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度調(diào)整幅度有限，且調(diào)整外旋沒有明顯增加內(nèi)二次風(fēng)量，實(shí)際上調(diào)整外旋前后煤粉氣流著火情況沒有大的改善，CO濃度無顯著變化，同時(shí)燃燒區(qū)各區(qū)域的熱負(fù)荷分布未發(fā)生變化。

3 結(jié)語

本文針對某600 MW對沖燃燒鍋爐進(jìn)行超低排放和低氮燃燒器改造后，爐膛出口CO濃度高且分布不均的問題，通過在不同負(fù)荷下對各燃燒器二次風(fēng)量和旋流強(qiáng)度、燃燒器中心風(fēng)風(fēng)速、空氣分級程度和過量空氣系數(shù)等進(jìn)行了調(diào)整試驗(yàn)，找到了CO的分布規(guī)律與優(yōu)化措施。

(1)該鍋爐CO排放濃度高且分布不均勻的原因是大風(fēng)箱分配風(fēng)量偏差，導(dǎo)致中間位置燃燒器進(jìn)風(fēng)量多于兩側(cè)。手動偏置各燃燒器的風(fēng)門開度，可在一定范圍內(nèi)改善兩側(cè)燃燒器的燃燒狀況，有利于降低CO的含量和不均勻程度。

(2)SOFA足夠的風(fēng)量和氣流剛性對降低CO含量有明顯效果，SOFA風(fēng)量占總二次風(fēng)的比例控制在30%是較為合適的。

(3)Airejet型低氮燃燒器中心風(fēng)風(fēng)速會對煤粉的著火產(chǎn)生影響，中心風(fēng)過大將影響二次風(fēng)和煤粉氣流混合，增加CO濃度，過小則弱化了空氣分級的效果，促使NOx排放濃度增加。