应用富氧燃烧技术提高火电机组调峰能力

王鑫明 王 庆 寻志伟 杨沛豪

1.国家电网河北省电力有限公司 石家庄 050051 2.重庆富燃科技股份有限公司 重庆 400050 3.陕西国华锦界能源有限责任公司 陕西榆林 719319 4.西安热工研究院有限公司 西安 710000

1 研究背景

近年来,我国新能源行业发展非常迅速。十三五规划期间,我国风电、光电装机容量分别增加10 GW和60 GW以上[1-2]。新能源发电在持续快速发展的进程中出现了较为严重的弃风、弃光问题,因此,消纳风电、光电的能力,已成为风电、光电行业发展的关键因素。

根据相关统计数据显示,在新能源发电行业中,提高火电机组的投切灵活性和电源调峰能力,可以有效解决风电、光电消纳问题[3]。通过对东北、华北和西北地区火电厂进行深度改造,预计可以释放火电机组调峰潜力100 GW以上[4-5]。

可见,探寻火电机组灵活性的改造技术和改造方法,对提高现役大容量火电机组的燃煤发电效率,更好接纳新能源并网,具有重要意义。富氧低氮燃烧技术利用纯氧强化燃油燃烧,降低煤粉的着火温度,采用分级燃烧的方式引燃整个煤粉流,实现微油直接点燃全部一次风煤粉流。应用富氧低氮燃烧技术,可以达到锅炉启停、稳燃、深度调峰的目的,有效提高燃煤火电机组的灵活性。

2 传统低氮燃烧技术

传统低氮燃烧技术可以分为空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术。

2.1 空气分级燃烧技术

应用空气分级燃烧技术,空气分级燃烧过程一般分为两个阶段。第一阶段是将空气含量降低到原来的70%～75%,使煤粉在缺氧状态下燃烧,降低燃烧温度和燃烧速度,用以延长煤粉燃烧过程,同时抑制氮氧化物的产生。第二阶段是在燃煤锅炉的上方送入所需的空气量,保证煤粉充分燃烧,此时过量空气因子满足大于1的条件。煤粉燃烧所需的空气同样分为两个阶段进入炉膛,煤粉的燃烧分为两级进行。

采用空气分级燃烧技术进行低氮燃烧时,运行费用低,但燃烧效果较差,不能达到排放要求。同时,必须适当调节第一级和第二级空气分配比例,否则有可能造成煤粉燃烧不尽、结渣等问题。

2.2 燃料分级燃烧技术

将80%的煤粉通入过量空气因子大于1的主燃烧区燃烧,称为一级燃烧,产生大量的氮氧化物。再将剩余20%的煤粉从上方喷口通入过量空气因子小于1的主燃烧区进行燃烧,称为二级燃烧,并产生还原环境。主燃烧区产生的氮氧化物在还原环境中被还原为氮气,抑制了氮氧化物的产生。最后在二级燃烧区上方通入所需的空气,使煤粉充分燃烧。

应用燃料分级燃烧技术进行低氮燃烧时,存在与空气分级燃烧技术相同的分配比例问题,如何准确把握每一级的燃尽率仍是需要解决的重要问题[6-8]。

多年的实际运行表明,无论是空气分级燃烧技术,还是燃料分级燃烧技术,在实际临炉应用中效果均不理想,有时脱硝效果好但煤炭的燃尽率低,有时保证了煤炭的燃尽率但脱硝效果较差。目前,国内许多火力发电厂已放弃传统低氮燃烧技术。

3 富氧低氮燃烧技术

为了达到使氮氧化物低排放的目的,结合传统低氮燃烧技术及富氧微油燃烧技术,在安全、易于操作、确保煤炭燃尽率的前提下,提出富氧低氮燃烧技术。

富氧低氮燃烧技术以富氧微油点火稳燃技术为基础,结合了空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术的优点,同时借鉴了更深度的空气分级燃烧技术和燃料分级燃烧技术中火焰内还原的原理。应用富氧低氮燃烧技术,不改动燃煤锅炉的内部结构,仅对锅炉现有燃烧器进行富氧微油点火稳燃系统改造,改造后的系统作为点火燃烧器使用的同时,也可以作为低氮燃烧器使用。

在低氮燃烧过程中,一次风煤粉由一次风喷口进入富氧专用燃烧器,然后被分级点燃。在富氧专用燃烧器点火的同时,加入少量燃油和氧气,确保一次风煤粉在富氧专用燃烧器中保持较高的着火率。由于燃烧器内浓淡分离的作用,使煤粉的燃烧达到深度燃料分级燃烧。进入富氧专用燃烧器的一次风煤粉在脱离燃烧器喷口时,处于提前着火状态。一次风煤粉在燃烧器分级燃烧过程中,消耗掉一次风中的氧气,处于深度缺氧的还原环境,煤粉处于深度不完全燃烧的状态,产生大量一氧化碳,既可以抑制氮氧化物的产生,又可以使产生的氮氧化物被大量还原。燃烧不完全的煤粉进入炉内主燃区、还原区,与过量空气因子小于1的二次风提供的氧气继续进行不完全燃烧,使对应区域继续处于还原环境,从而进一步抑制氮氧化物的产生。燃烧不完全的煤粉进入炉膛燃尽区,与送风口提供的燃尽风进行充分燃烧,保证煤粉的燃尽度[9-11]。富氧燃烧基本原理如图1所示。

图1 富氧燃烧基本原理

富氧低氮燃烧技术的关键在于以极少的燃油和纯氧,使一次风煤粉在富氧专用燃烧器内受高温热解,提前着火燃烧。煤粉在一次风严重缺氧状态下着火后进入炉膛,等同于大量一氧化碳强还原剂进入炉膛,达到深度空气分级燃烧状态,同时煤粉在富氧专用燃烧器中实现浓淡分离,达到深度燃料分级燃烧。进入炉膛后,过量空气因子小于1的主燃区、还原区,以及过量空气因子大于1的燃尽区在炉膛中全方位布置,可以使炉膛中形成新的燃料分级和空气分级低氮燃烧。以上双抑制和双还原过程既保证了煤粉的高燃尽率,又大幅抑制和还原燃烧中所产生的氮氧化物。采用富氧低氮燃烧技术的火电机组工作原理如图2所示。

4 富氧不停炉超低负荷调峰技术

应用富氧不停炉超低负荷调峰技术,锅炉在超低负荷调峰时,在顶层或错位层投运富氧调峰燃烧器,利用氧气强化煤粉燃烧,提高燃烧温度,调节富氧调峰燃烧器中油和氧气的含量,使一次风煤粉在任意工况下均呈现主动着火燃烧状态进入炉膛,保证顶层或错位层投入的煤粉连续稳定燃烧,确保炉膛温度保持在较高状态,从而保证整个锅炉煤粉不会因为炉膛热负荷过低导致燃烧不稳定而熄火,可以有效提高火电锅炉调峰的灵活性[12-15]。

图2 采用富氧低氮燃烧技术火电机组工作原理

5 富氧燃烧技术的应用

中国电力投资集团重庆九龙电厂200 MW机组四角切圆燃烧锅炉为超高压中间再热自然循环固态排渣单炉体负压炉膛,布置结构为n型。

利用富氧不停炉超低负荷调峰技术,在保证锅炉一层原四台燃烧器所有一次风煤粉喷口几何尺寸、形状不变的基础上,将一定长度的一次风煤粉喷口材质更换为耐高温材质,在已有一次风煤粉喷口内安装富氧不停炉超低负荷调峰所特有的一级室、二级室、复合型富氧微油枪、点火枪、火检、壁温等相关装置,并配套安装超低温真空储罐、氧气控制器、燃油预处理装置、控制系统及配套管线。

改造后的富氧燃烧器如图3所示,使用3年后的富氧燃烧器喷口如图4所示。由图4可以看出,富氧燃烧器喷口无结焦、烧损现象。重庆九龙电厂应用富氧不停炉超低负荷调峰技术后的实际调峰曲线报告如图5所示。

图3 改造后富氧燃烧器

图4 使用3年后富氧燃烧器喷口

图5 调峰曲线报告

应用富氧不停炉超低负荷调峰技术后,重庆九龙电厂以15 kg/h～60 kg/h的耗油、100～200 m3/h的耗氧,实现了30 MW以下的低负荷稳燃,旋转备用容量达到170 MW以上。

6 结束语

笔者从提高火电机组灵活性及深度调峰改造必要性出发,介绍了富氧低氮燃烧技术、富氧不停炉超低负荷调峰技术的基本原理,研究了富氧燃烧技术在燃煤火电机组中的具体应用。通过重庆九龙电厂的实际应用,确认富氧燃烧技术可以提高火电机组的调峰能力,具有一定的推广价值。