对冲燃煤锅炉左右摆动燃尽风技术研究及应用

李 强,杨章宁通信作者

1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室,四川 成都 611731 2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司,四川 自贡 643001

0 引言

目前,对电站锅炉的NOx排放及锅炉效率的要求越来越高,电站锅炉NOx控制技术主要有空气分级、燃料分级、低氧燃烧、烟气再循环、低NOx燃烧器、选择性非催化还原、选择性催化还原等[1-3]。结合对冲煤粉燃烧锅炉的燃烧特点,锅炉一般采取超低NOx燃烧器、空气深度分级、多级燃尽风配风等技术手段来解决NOx排放问题,但随之也给锅炉高效运行带来一些问题[3-7]。由于空气深度分级,炉膛主燃烧区域氧量不足,会产生大量的CO以及未燃尽的焦炭等可燃物,而后期通入的燃尽风虽然可以大幅度降低未燃尽的可燃物,但喷入炉内的空气无法到达所有区域,还是有部分可燃物直接离开燃尽区域,未能充分燃尽。在大量的现场调试过程中发现,低NOx排放会导致高的未燃尽碳和低的燃烧效率,NOx排放控制得越低,带来未燃尽碳将大大增加,特别是CO大幅上升,锅炉效率会降低,这种以牺牲锅炉效率来换取NOx的低排放是不可取的,也是电厂难于接受的。

笔者设计了一种新型的左右摆动燃尽风技术,可用于前后墙对冲燃烧锅炉,根据对冲燃烧锅炉炉膛上部燃尽区域未燃尽可燃物的分布特点,经过燃烧调整,获得较佳的燃烧效果。

1 圆形水平摆动燃尽风设计

在传统的对冲炉燃尽风调风器设计中,通常采用旋流风和直流风相结合的结构,将燃尽风分为2股独立的气流送入炉膛。传统燃尽风调风器设计理念认为,中央部位的气流为直流气流,速度高、刚性大可直接穿透上升烟气进入炉膛中心区域;外圈气流是旋转气流,离开调风器后向四周扩散,用于与靠近炉膛水冷壁的上升烟气进行混合。然而锅炉在实际空气深度分级运行下,特别在大容量锅炉上表现出炉膛中心区域和炉膛两侧墙明显缺风现象,且沿炉膛宽度方向风、粉混合均匀性不佳,不利于锅炉高效燃烧和低NOx控制。其原因一方面是燃尽风调风器中旋流风量太大,燃尽风的直流风穿透力不足,达不到预期;另一方面是燃尽风的直流风采用了“定向直流”模式,炉膛宽度方向氧量调节手段相对有限;其他方面还有燃烧器煤粉分配不均等。

结合大量实际工程的运行情况,笔者提出一种新型的左右摆动燃尽风技术,该燃尽风关键技术在于旋流风和直流风风量配比的合理选取、旋流风和直流风的速度的合理选取、喷口摆动装置的合理设计以及喷口摆动角度的合理选取等,解决了圆形喷口难于摆动的技术难题。燃尽风摆动结构如图1所示。

图1 燃尽风摆动结构Fig.1 structure of Sway-OFA

结合图1,对圆形左右摆动设计理念说明如下。

位于圆形风管前端的圆形喷口,其外径略小于风管的内径。喷口与位于其垂直中心线上的转轴之间固接,转轴的下端为球面、支撑在轴承座中并能在其中转动,轴承座固定在风管的外侧。转轴上固接内摆臂,内摆臂通过传动杆与外摆臂连接,并组成平行四边形传动机构。

传动杆穿过燃烧器面板及保温盒。外摆臂与主动传动轴固接,主动传动轴支撑在轴承座中,轴承座固定在密封盒的外侧,密封盒用于实现整套传动机构在运动过程中的密封,防止燃烧器内的热风外泄。密封盒固定在燃烧器保温盒的面板上。主动传动臂与主动传动轴的外端固接,通过摆动主动传动臂可最终带动圆形喷口产生同步摆动。主动传动臂可通过锁紧装置进行位置固定,防止燃烧器运行中喷口的摆角位置因振动等发生自行变化。主动传动臂上固定有指针,锁紧装置上固定有圆弧形的刻度架,指针及刻度架用于指示内部喷口的实际摆动角度。为防止过多的风从风管和喷口之间的摆动间隙流出,在风管内靠近喷口处设置了挡环,使风管中的绝大部分风能够从喷口流出。

2 应用研究对象概况

2.1 研究对象一概况

研究对象一是某350 MW超临界锅炉,该锅炉为单炉膛、1次中间再热、采用前后墙对冲燃烧方式、平衡通风、紧身封闭、固态排渣、全钢悬吊结构Π型锅炉,其设计煤的元素分析和工业分析如表1所示。

表1 煤的元素分析和工业分析Tab.1 Elemental analysis and industrial analysis of coal

该锅炉的燃烧器布置为前墙3层后墙2层,全炉共20只旋流煤粉燃烧器,每层4只。燃烧器层间距为3 885 mm,燃烧器列间距为2 844.8 mm,最外侧燃烧器中心线与侧墙距离为3 283.4 mm。燃尽风布置为前墙2层后墙2层,全炉共16只燃尽风喷口,最上层燃尽风采用摆动燃尽风,同时布置有1层侧燃尽风,全炉共4只。

2.2 研究对象二概况

研究对象二是某660 MW超临界锅炉,该锅炉为单炉膛、1次中间再热、平衡通风、露天布置、前后墙对冲燃烧、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构п型锅炉,其设计煤的元素和工业分析如表2所示。

表2 煤的元素分析和工业分析Tab.2 Elemental analysis and industrial analysis of coal

该锅炉原设计燃烧器布置为前墙2层后墙3层,全炉共30只旋流煤粉燃烧器,每层6只。燃烧器层间距为4 526 mm,燃烧器列间距为3 048 mm,最外侧燃烧器中心线与侧墙距离为3 461.2 mm。燃尽风布置为前墙1层后墙1层,全炉共12只燃尽风喷口,同时布置有1层侧燃尽风,全炉共4只。

根据国家节能环保相关要求,该锅炉进行了低氮改造,改造后原燃烧器位置、燃尽风、侧燃尽风位置不变,主要改造是现有燃尽风上方新增加1层摆动式燃尽风,全炉共增加12只燃尽风喷口。

3 工程应用研究情况

3.1 研究对象一研究情况

3.1.1 冷态烟花示踪试验

烟花示踪试验主要是观察喷口气流流场的分布情况。试验过程中首先停1次风机,启动送风机及引风机,炉膛负压控制在-100～0 Pa,2次风入口风箱风压维持在0.8～0.9 kPa。关闭后墙所有层风门挡板,维持前墙燃尽风就地挡板全开,选取3只燃尽风燃烧器分别摆动摆角0°、左摆15°及右摆15°调整进行烟花示踪试验。

试验结果显示,燃尽风摆动效果较好,同时燃尽风刚性也较强。单个燃尽风摆动示意图及单个燃尽风摆动烟花示踪画面如图2、图3所示。

图2 单个燃尽风摆动示意图Fig.2 Swings of Sway-OFA

图3 单个燃尽风摆动烟花示踪画面Fig.3 Fireworks display of Sway-OFA

3.1.2 项目调试情况

工况1:机组负荷为195 MW,给水流量为707 t/h,给煤量为87 t/h,总风量为798 t/h。锅炉正常运行后,摆动燃尽风摆角为0°,采用网格法对省煤器出口的O2含量、CO及烟温进行测试。测量结果如图4所示。此工况条件下,O2含量相对较平,但CO有明显偏差。

图4 摆动前O2含量、CO及烟温测量数据图Fig.4 The O2,CO,Gas Temperature data

工况2:机组负荷为282 MW,给水流量为983 t/h,给煤量为126 t/h,总风量为1 004 t/h。在此工况条件下O2、CO呈现与工况1相同的趋势,但高温过热器个别壁温测点出现接近报警值的情况,按照此温度水平,在实际运行过程中易出现超温报警现象。

工况3:通过摆动水平摆动燃尽风喷口摆角后,采用网格法在省煤器出口处测量O2含量、CO及烟温。燃尽风摆角摆动情况如表3,摆动后O2含量、CO及烟温测量数据如图5所示。

表3 摆动燃尽风摆角摆动情况Tab.3 Sway-OFA angle position after adjust

图5 摆动后O2含量、CO及烟温测量数据图Fig.5 The O2,CO,Gas Temperature data

通过对燃尽风的摆动,O2分布更均匀,CO更低,NOx排放保持不变。同时壁温测点值约降低5 ℃,对缓解个别壁温测点超温的现象效果明显。

工况4:机组负荷为350 MW,给水流量为1 203 t/h,给煤量为176 t/h,总风量为1 345 t/h。工况4燃尽风摆动角度与工况3一致,采用网格法对省煤器出口的O2含量、CO及烟温进行测试,在此工况条件下O2、CO分布都较为均匀,CO有少量增加,NOx与工况2相同。O2含量,CO及烟温测量数据如图6所示。

图6 O2含量、CO及烟温测量数据图Fig.6 The O2,CO,Gas Temperature data

3.2 研究对象二运行情况

锅炉正常运行后,采用网格法在省煤器出口对O2、CO含量进行测量。

为尽可能地降低靠近两侧墙CO排放浓度,采取燃尽风摆动调整工况,具体摆动燃尽风摆角摆动情况如表4所示,摆动燃尽风摆角调整试验前后O2体积分数和CO体积分数分布情况如图7、图8所示。

表4 摆动燃尽风摆角摆动情况Tab.4 Sway-OFA angle position after adjust

图7 摆动燃尽风摆角调整试验前后O2体积分数分布情况Fig.7 The O2 distribution before and after adjust the sway-OFA angle

图8 摆动燃尽风摆角调整试验前后CO分布情况Fig.8 The CO distribution before and after adjust the sway-OFA angle

由图7、图8可知,在燃尽风未摆动的情况下,呈现靠近两侧墙的O2体积浓度低、CO体积浓度整体较高的分布。通过燃尽风摆角的摆动调整后,O2体积浓度分布整体较摆动之前平缓,而CO体积浓度大幅下降且分布也较摆动之前平缓,燃尽风向两侧墙摆动后,两侧墙CO等可燃物燃烧更彻底。

4 结论

摆动燃尽风技术在某350 MW及660 MW对冲燃煤锅炉上进行了应用研究,经过测试研究,结果如下。

1)摆动燃尽风可较大幅度改变炉内烟气流场,流场改变后,锅炉运行稳定。

2)摆动燃尽风可较大程度降低CO且保持NOx排放不变。

3)通过燃尽风摆动,可减少省煤器出口氧量偏差。

4)通过燃尽风摆动,可起到缓解个别壁温超温的现象发生。

5)不同锅炉,不同煤质的燃烧,燃尽风摆动及角度模式需要根据运行实际情况进行调整。