探讨60MW微富氧燃烧煤粉锅炉优化设计

朱德强

（山东华鲁恒升化工股份有限公司，山东德州 253000）

0.引言

微富氧燃烧模式和纯氧燃烧模式以及空气燃烧模式下的锅炉特性参数进行对比可知，微富氧燃烧模式下锅炉在单位时间内炉膛的烟气量比纯氧燃烧模式下以及空气燃烧模式下炉膛的烟气量更低，辐射换热能力更强，理论燃烧温度更高。不过由于微富氧燃烧模式下锅炉的烟气和工质间的对流换热量以及辐射换热量和纯氧燃烧模式或空气燃烧模式下的烟气和工质间的对流换热量以及辐射换热量存在较大差异。所以需要重新匹配微富氧燃烧模式下锅炉的烟气侧和工质侧的能量分布。

1.锅炉微富氧燃烧的模式概述

全球温室效应的产生主要是由于大气中二氧化碳浓度的增加，而煤燃烧又会产生较多的二氧化碳，所以现阶段世界范围内的各个国家都开始积极研究煤燃烧阶段二氧化碳量排放量的控制技术，现阶段对已经出现的控制技术分析可知，富氧燃烧技术的应用前景最佳。富氧燃烧的模式主要可以分为以下4类：（1）纯氧燃烧；（2）微富氧燃烧；（3）氧气喷枪燃烧；（4）空-氧燃烧。纯氧燃烧指的是将氧气和二氧化碳的混合物作为基础燃烧气体，这一富氧燃烧模式的缺点是经济性较差，和空气燃烧模式相比效率下降了8%～10%。这是由于纯氧燃烧模式需要使用大量的纯氧为燃料的燃烧提供支持，但是ASU空分制氧的能源消耗非常高。而且，纯氧燃烧需要将产生的大量烟气进行再循环利用，以此来维持锅炉内的温度，这便需要使用较大功率的再循环风机。微富氧燃烧模式则是将空气作为燃料燃烧的基础气体，在空气中混入少量的纯氧作为燃料完全燃烧的保障，并且不需要产生的烟气进行再循环使用，一般微富氧燃烧模式下的锅炉产生烟气内二氧化碳的体积分数通常在30%～40%，而这一二氧化碳浓度非常适合使用活性炭一体化技术对产生烟气中的二氧化碳以及二氧化硫进行脱除处理。微富氧燃烧模式和纯氧燃烧模式相比，其需要使用的助燃纯氧的体积更少，并且不需要设计烟气再循环系统，因此经济性更好[1]。

2.锅炉微富氧燃烧技术的应用优势

微富氧燃烧技术具有的应用优势主要在以下3个方面进行展示：（1）微富氧燃烧技术是将少部分纯氧以及空气中含有的氧作为燃料燃烧的支撑。所以微富氧燃烧技术和富氧燃烧技术相比，其在煤燃料燃烧阶段需要的纯氧量更少，也就可以降低空分制氧的能源消耗以及此方面的投资，进而提高微富氧燃烧模式的经济性。（2）微富氧燃烧模式下由于混入了空气，此时空气对锅炉的炉膛温度起到了一定的调节作用。所以微富氧燃烧技术和富氧燃烧技术相比，其需要的循环烟气量更少，也就不需要循环风机的大功率运行，降低了循环风机的使用功率，进一步加强了微富氧燃烧技术的经济性。（3）微富氧燃烧模式下锅炉内煤燃烧生成的烟气内二氧化碳的体积分数在30%到40%之间，并且排烟量也小于常规空气燃烧模式（50%的排烟量），所以，可以使用耗能更低且成本更低的PSA变压吸附技术对微富氧燃烧模式下煤燃烧生成烟气中的二氧化碳进行脱除[2]。

3.常规锅炉的整体布置

本次研究分析的常规锅炉类型为：自然循环、亚临界参数、一次中间再热、前后墙对冲燃烧方式、固体排渣、单炉膛平衡通风、紧身封闭、尾部双烟道的全钢构架Ⅱ型汽包炉，使用烟气挡板对再热气温进行调节，空气预热器和尾部双烟道都布置在锅炉主柱的外侧。由于选择的锅炉是亚临界压力参数类型，其汽化吸热能力较小，而过热吸热以及加热吸热的能力较大，且锅炉的炉膛是膜式水冷壁类型。为了确保锅炉炉膛出口部位的烟气温度可以降低到设计范围内，且水平烟道中对流受热面的工作环境可以得到保障，需要在锅炉炉膛的上部进行屏式过热器的布置，且在锅炉炉膛折焰角上部进行高温过热器的布置。同时，在锅炉的水平烟道部位需要布置高温再热器的垂直管组，并通过隔墙将尾部的竖井分隔为前面和后面2个烟道。在前部烟道内进行水平低温再热器以及省煤器的布置，后部烟道进行低温过热器以及省煤器的布置。并且，将烟气调节挡板装置设置在分烟道的底部，以此对烟气量进行分流以及对控制负荷范围内的再热蒸汽出口的温度进行保持。在烟气通过调节挡板之后再进行汇集，将经过尾部两个烟道后的烟气引入回转式的空气预热器中。锅炉的炉膛冷灰斗下方需要配备刮板捞渣设备，摒弃独立支撑的方式在锅炉零米层进行安装放置。此外，为了对锅炉受热面的积灰以及结渣进行清除，还需要设置吹灰系统，该系统的设计需要根据锅炉燃烧使用的煤类型（积灰和结渣指数数据）进行判断依据，并在预留足够的裕度后，才能确定吹灰器的安装数量、安装位置以及规格，吹灰器的工质为蒸汽[3]。

4.60MW微富氧燃烧煤粉锅炉的优化设计

4.1 60MW微富氧燃烧煤粉锅炉的烟气量和燃煤量计算

对60MW微富氧燃烧煤粉锅炉的烟气量和燃煤量进行计算（保持锅炉蒸汽侧负荷一定的条件），并对空气燃烧模式以及纯氧燃烧模式（氧气体积分数为30%，二氧化碳体积分数为70%）下的锅炉炉膛内的燃煤量和烟气量进行对比分析可以看出，微富氧燃烧模式下锅炉炉膛内的烟气量要明显低于空气燃烧模式和纯氧燃烧模式下锅炉炉膛内的烟气量。这一情况出现的原因是因为微富氧燃烧模式中煤燃烧消耗的氧气主要是由空气中的氧气和提供的纯氧两部分组成，因此微富氧燃烧模式和空气燃烧模式进行比较，其锅炉炉膛内的烟气量会由于送入氮气量的降低而减少，而纯氧燃烧模式需要将锅炉炉内的70%～80%的烟气量作为维持锅炉内燃烧温度的因素进行再循环利用，也就是此时锅炉的炉内烟气是由再循环烟气以及煤燃烧生成的烟气共同组成。而微富氧燃烧模式中，锅炉炉膛内只有煤燃烧后生成的烟气和纯氧燃烧模式相比锅炉内的烟气量更低。且微富氧燃烧模式中锅炉炉膛内的烟气量会随着烟气内二氧化碳体积分数的增加而降低，呈反比的关系[4]。

因为微富氧燃烧模式下锅炉炉膛内的烟气量和另外2种燃烧模式相比更低，所以，在蒸汽负荷一定的情况下，微富氧燃烧模式的火焰理论燃烧温度更高，三原子气体的辐射强度更大，此时锅炉炉膛的传热效果更好。并且，锅炉炉膛内单位时间的烟气量降低，减少了烟气造成的热量流失。而且，微富氧燃烧模式下炉膛内部烟气量的下降会对锅炉内部工质和烟气的辐射传热量以及对流传热量之间的比值产生根本上的改变，进而造成锅炉内部的辐射受热面以及对流受热面需要进行很大的改动。

蒸汽负荷维持在某一范围的条件下，锅炉的热效率会直接对燃煤量产生影响。微富氧燃烧模式和空气燃烧模式相比，其单位时间内产生的烟气量更少，排烟损失减小，锅炉的热效率增加，燃煤量也就会下降。而纯氧燃烧模式中，由于其生成的烟气量和微富氧燃烧模式相比更少，所以其排烟量也更少。纯氧燃烧模式和微富氧燃烧模式相比，微富氧燃烧模式会由于供入锅炉内氮气量的增加而生成更多的烟气量，所以其排烟量会随之加大，进而增加排烟损失，降低锅炉的热效率，导致燃煤量增加。微富氧燃烧模式下，烟气中二氧化碳体积分数的增加会使得燃煤量降低，这是因为烟气中二氧化碳体积分数增加也就证明炉膛内烟气量下降，其排烟量就会降低，排烟所示也就下降，锅炉的热效率会更高，燃煤量也会随之降低。

4.2 60MW微富氧燃烧煤粉锅炉优化设计的结果

4.2.1 受热面积变化结果

数据表明微富氧燃烧模式中水冷壁和屏式过热器的面积比空气燃烧模式中更低，这是因为锅炉炉膛的辐射传热效果得到了强化，且微富氧燃烧模式下低温过热器和省煤器的面积下降幅度较大，这是由于微富氧燃烧模式中将锅炉原理的低温过热器和省煤器安装在炉膛内，并且辐射传热效果和对流传热效果相比更强。所以低温过热器和省煤器的面积和没将其安装在炉膛内的面积相比有了较大的降低，高温过热器和高温再热器的面积有所降低则是由于屏式过热器的面积使得炉膛的出口高度受到了限制。因此高温过热器和高温再热器的面积得到了显著下降，而低温再热器的面积有了一定程度的增加则是由于微富氧燃烧模式下高温再热器的面积和流过高温再热器的烟气量下降，使得高温再热器中对流传热量下降，工质的吸热量也降低。因为再热工质的总吸热量需要保持恒定，所以在低温再热器中工质的吸热量会增加。为了确保低温再热器的工质吸收热量，需要综合考虑对流传热系数和传热温度和压强的变化情况。在此条件下，微富氧燃烧模式下的面积和空气燃烧模式下的面积相比增加量更多，在进行设计优化后，其总受热面积和空气燃烧模式下的受热面积相比减少了46.5%，降低了金属材料的使用量。

4.2.2 受热面布置变化结果

优化设计前后锅炉受热面的布置情况对比可以由图1看出。即优化设计后锅炉的尾部双烟道变成了单烟道的形式，并且烟道的深度也有了一定程度的下降，这是由于微富氧燃烧模式中低温过热器和省煤器都安装在了炉膛内部，尾部的烟道只需要布置安装空气预热器和低温再热器2种设备。并且，微富氧燃烧模式下单位时间生成的烟气总量降低，是为了确保低温再热器中流过的烟气流速得以控制在一定范围，此时竖直烟井的深度也会随之下降。此外，在优化设计后因为水冷壁面积的下降，但炉膛的高度没有发生变化，使得可以将低温过热器和省煤器布置在炉膛内的剩余空间中，一般是在水冷壁管排的上部进行省煤器的布置（和燃烧器上一次风中心线的距离应保持在10m）。低温过热器则需要布置在省煤器管排的上部，以此才能确保不会发生传热恶化的问题。

5.结语

微富氧燃烧模式和空气燃烧方式相比，其锅炉内的辐射换热得到了强化，且锅炉炉膛内在单位时间内烟气总量的下降使得对流换热的特性得到了控制，所以对于微富氧燃烧模式而言，常规锅炉结构已经不再适用。通过对60MW微富氧燃烧煤粉锅炉的优化设计分析可以看出，优化设计对原锅炉本体的改动不大，使得优化设计的投资得到了控制，且微富氧燃烧模式更符合现阶段电厂煤粉炉的改造。