600 MW前后墙对冲燃烧锅炉深度空气分级下CO分布规律试验研究

何志瞧，包文东，陈煜，梁银河，卢得勇，寿奎原

(1.浙江浙能兰溪发电有限责任公司，浙江 兰溪 321100；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054)

前后墙对冲燃烧锅炉是现代化燃煤电站的主要炉型之一，其特征是燃烧器单独组织火焰[1]，具有热偏差小、易于实现大型化等优势。随着环保政策的收严，电站锅炉普遍采用深度空气分级和低氮燃烧器改造等技术来减少燃烧产生的NOx，取得了良好的环保收益，与此同时，该技术也带来高温腐蚀[2-3]和CO浓度高[4-5]等问题。

针对对冲燃烧方式锅炉CO生成浓度高的原因，很多学者展开了数值模拟和现场试验研究。西安交通大学刘虎等[6]对某330 MW机组的数值模拟研究表明，主燃区生成的CO被对冲气流从炉膛中心携带至侧墙附近，但CO在沿侧墙上升过程中并不能与燃尽风充分混合燃烧，是导致炉膛出口CO浓度较高的原因。何翔等[4]对某660 MW对冲燃烧锅炉的试验表明，煤粉浓度偏细、煤粉在炉内射程和停留时间短、分离燃尽风(SOFA)调整不合理是CO浓度高的原因。周平等[5]发现燃用挥发分较高的印尼煤时，外二次风旋流强度过大将导致煤粉气流的燃烧时机变晚，CO浓度和飞灰含碳量有所升高。洪荣坤等[7]对某600 MW对冲锅炉的研究发现，总风量一定的情况下，燃尽风比例从32%增加到49%时，CO浓度可显著下降。实际上，为了空气分级燃烧而布置的SOFA，可能存在着正反两个方面的影响，一方面主燃区生成的CO可以在燃尽区充分燃烧，增加燃尽风的比例可以降低炉膛出口处的CO含量；另一方面，若主燃区的二次风量太低生成的CO量过大，SOFA区不能燃尽，也会导致炉膛出口CO浓度偏高[8]。

本文所研究的某600 MW对冲燃烧锅炉进行空气深度分级改造后，一直存在CO浓度高且不均匀的问题，针对该问题，采用现场试验的方法，研究了过量空气系数、二次风与燃尽风的分布关系、燃烧器旋流强度等对炉膛出口CO浓度的影响，为对冲燃烧炉优化燃烧提供参考。

1 试验

1.1 锅炉概况

某600 MW超临界机组锅炉为北京巴布科克·威尔科克斯有限公司生产的螺旋炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架和露天布置的对冲火焰锅炉。锅炉主要设计参数见表1，锅炉设计煤种和实际入炉煤种参数见表2。

表1 锅炉主要设计参数

表2 锅炉设计煤种和实际入炉煤种参数

锅炉共装有36个旋流燃烧器，C层为6支带有等离子点火装置的DRB-4Z型燃烧器，其余30支为AireJet型燃烧器，AireJet型燃烧器结构如图1所示。可通过套通风调节进入燃烧器的二次风量，通过二次风叶片的角度改变燃烧器的旋流强度。

图1 AireJet型燃烧器结构

锅炉燃烧器与SOFA布置如图2所示，36支燃烧器分三层布置在锅炉的前后墙上，前后墙各18只，每层前后墙各6只，在最上层燃烧器上方约7.5 m处布置有一层SOFA。

图2 锅炉燃烧器与SOFA布置图

1.2 测试分析方法

试验期间，保证工况稳定2 h以上，根据《电站锅炉性能试验规程》(GB10184-2015)的方法，在空预器出口和SCR入口烟道使用网格法(7孔×3点)对烟气进行采样，利用MRU NOVA PLUS型烟气分析仪检测CO浓度。

同时，在空预器出口水平烟道处用旋风分离器采集飞灰样品，试验期间多次取样，装入自封袋后化验飞灰可燃物含量。在炉底捞渣机处对炉渣进行取样，每工况取样2次，将两次取得样品缩分成1份，装入自封袋后化验炉渣可燃物含量。

2 结果与讨论

2.1 SOFA与二次风比例对CO浓度含量的影响

在总风量保持不变的情况下，通过调整SOFA和二次风风门开度大小，可以将进入炉膛的总风量以不同的比例分别从燃烧器位置(主燃烧区)和SOFA喷口位置(燃尽区)送入炉膛，通过调整这种炉膛高度方向上的风量分配可以影响全炉膛的燃烧过程，对NOx、CO以及飞灰炉渣含碳量都有显著影响。在600 MW负荷和6台磨煤机运行情况下，研究SOFA与二次风比例对CO的影响，工况为T-01～T-05，改变二次风与SOFA分配比例对炉膛出口CO、飞灰和炉渣含碳量的影响如图3所示。

图3 改变二次风与SOFA分配比例对炉膛出口CO、飞灰和炉渣含碳量的影响

对比T-01～T-05工况，可以发现SOFA风门全开，二次风门开至90%时，炉膛出口CO浓度最低，且飞灰和大渣中含碳量变化不大，后续试验在T-05工况的SOFA和二次风风门开度下进行。对比不同SOFA开度的试验工况可知，分配到主燃烧区的风量并非越多越好(T-03)，当SOFA风量不足时，也会影响CO在燃尽区的燃烧，虽然主燃区空气量增大，生成的CO减少，但最终炉膛出口的CO浓度总体升高。相反，如果燃尽风比例过高，燃烧区域缺氧程度加重，主燃烧区生成的CO在燃尽区来不及完全燃烧，最终炉膛出口的CO浓度也较高。按照T-05试验工况数据，SOFA风量占总二次风的比例控制在30%是较为合适的。

2.2 二次风调风套筒开度调整试验

在总送风量一定且主燃区二次风量不变的情况下，调整各层1～6号燃烧器的二次风调风套筒开度分布规律，可以改变二次风量在炉膛宽度方向上的分配比例，影响炉膛出口处氧量和CO浓度的分布，通过对各层燃烧器二次风量的重新分配，可减少由于大风箱风量分配特性不均匀生成的CO[9]。根据调整前摸底试验，炉膛出口处氧量分布呈现中间高两侧低、左侧高右侧低的情况，CO与氧量的分布规律相反，即右侧靠外CO浓度最高，左侧靠外次高。前后墙对冲锅炉不存在强烈地横向扩散，烟气在负压作用下沿烟道流动占主导地位，因此空预器进口处的CO含量可与燃烧器分区建立起一定的相关性[10-12]。

二次风调风套筒调整的具体试验工况为T-06～T-12，炉宽方向燃烧器套通风开度见表3，炉宽方向燃烧器二次风量变化对CO、飞灰和炉渣含碳量的影响如图4所示。

表3 炉宽方向燃烧器二次风门开度情况

图4 炉宽方向燃烧器二次风量变化对CO、飞灰和炉渣含碳量的影响

由图4可知，T-09和T-12工况下炉膛出口CO浓度较低，约2.11×10-4，且飞灰和炉渣含碳量也未增加。此外，根据现场网格法测量，在T-09工况下炉左侧墙局部CO浓度可达4×10-4，这对于防止受热面高温腐蚀是相当不利的，但T-12工况下各测孔CO均匀性较好。

说明T-12工况下风量在炉子宽度方向的分配是向着有利于充分燃烧的方向发展的，对二次风调风套筒的差异化设置一定程度上抵消了大风箱结构带来的影响，后续试验在T-12工况的二次风调风套筒开度下进行。此外，尽管二次风调风套筒的偏置已经基本到了设备允许的最大偏差，炉膛出口运行氧量和CO浓度的绝对偏差仍然存在，这与二次风调风套筒本身的调节特性有关，它是受限于燃烧器设计和风箱安全的，如果要完全均衡各个燃烧器的风量分配，则需要实现风箱的均压，其实施难度和成本都很高。

2.3 中心风挡板开度调整试验

固定单个燃烧器的总二次风量后，通过调整中心风挡板开度，可以改变从中心风位置进入燃烧器的二次风比例，由于中心风喷口与Airejet燃烧器煤粉喷口同心布置，不同的中心风比例会影响煤粉气流着火位置，不同的中心风射流速度也会影响二次风与煤粉的混合过程，进而导致炉膛出口NOx、CO排放特性的变化。中心风挡板调整的具体试验工况为T-13～T-16，不同的中心风开度对炉膛出口CO、NOx、飞灰、炉渣含碳量的影响如图5所示。

图5 不同的中心风开度对炉膛出口CO、NOx及飞灰、炉渣含碳量的影响

根据不同对照组的试验结果，当T-14工况中心风按照55°控制，在相同运行氧量下，其CO、NOx浓度和飞灰含碳量综合指标是最优的。中心风开度较大(67°)或偏小(14°/29°)，都对经济指标和NOx排放产生不利影响。当中心风开度较大时，二次风量减少，较高速度的中心风射流影响煤粉着火后与二次风的混合，促进了燃烧区CO生成反应，炉膛出口CO浓度升高；当中心风开度偏小时，煤粉气流着火提前，燃烧区域的空气分级程度减弱，炉膛出口NOx浓度升高。同时当中心风开度低于30°时，燃烧器喷口烧损风险大大增加。

2.4 过量空气系数调整试验

根据炉膛出口氧量分布偏差情况将二次风调风套筒设置为50/30/30/50/100/100(%)，在300 MW和500 MW负荷下，对锅炉运行氧量进行调整，研究过量空气系数变化对煤粉燃尽、炉膛出口NOx排放、CO浓度等的影响，具体试验工况为T-17～T-21，变过量空气系数对CO含量的影响见表4。

表4 变过量空气系数对CO含量的影响

综合比较，T-17工况炉膛出口氧含量3.55%时，只产生很少量CO，NOx浓度和飞灰含碳量相对优于其它两个氧量偏低的工况。

在低负荷下，锅炉运行氧量水平较高，基本不存在CO，T-21工况下将运行氧量由5.33%降至5%，NOx排放降低，飞灰和炉渣含碳量变化较小，说明过量空气系数1.3已足够大，从节约厂用电和提升锅炉效率角度考虑，不应继续增大运行氧量。

2.5 外二次风旋流调整试验

单支燃烧器二次风分两股进入内外二次风通道，相对少量的内层二次风用于卷吸高温烟气回流和促进煤粉着火，而外层二次风用作已燃烧煤粉燃尽所需要的空气。对于改造后安装的Airejet型燃烧器，其内二次风旋流强度为固定值，外二次风旋流可调。由于燃烧器设计中增加了与煤粉同轴布置的中心风，内外二次风比例都相对减少，特别是内二次风的风量减少后对高温烟气回流和煤粉提前着火不利，需要采取措施强化内二次风的卷吸作用。

试验中在40°～60°范围内对外二次风旋流进行调节，由于外二次风旋流强度调整幅度有限，且调整外旋没有明显增加内二次风量，实际上调整外旋前后煤粉气流着火情况没有大的改善，CO浓度无显著变化，同时燃烧区各区域的热负荷分布未发生变化。

3 结语

本文针对某600 MW对冲燃烧锅炉进行超低排放和低氮燃烧器改造后，炉膛出口CO浓度高且分布不均的问题，通过在不同负荷下对各燃烧器二次风量和旋流强度、燃烧器中心风风速、空气分级程度和过量空气系数等进行了调整试验，找到了CO的分布规律与优化措施。

(1)该锅炉CO排放浓度高且分布不均匀的原因是大风箱分配风量偏差，导致中间位置燃烧器进风量多于两侧。手动偏置各燃烧器的风门开度，可在一定范围内改善两侧燃烧器的燃烧状况，有利于降低CO的含量和不均匀程度。

(2)SOFA足够的风量和气流刚性对降低CO含量有明显效果，SOFA风量占总二次风的比例控制在30%是较为合适的。

(3)Airejet型低氮燃烧器中心风风速会对煤粉的着火产生影响，中心风过大将影响二次风和煤粉气流混合，增加CO浓度，过小则弱化了空气分级的效果，促使NOx排放浓度增加。