王鑫明 王 慶 尋志偉 楊沛豪

1.國(guó)家電網(wǎng)河北省電力有限公司 石家莊 050051 2.重慶富燃科技股份有限公司 重慶 400050 3.陜西國(guó)華錦界能源有限責(zé)任公司 陜西榆林 719319 4.西安熱工研究院有限公司 西安 710000

1 研究背景

近年來,我國(guó)新能源行業(yè)發(fā)展非常迅速。十三五規(guī)劃期間,我國(guó)風(fēng)電、光電裝機(jī)容量分別增加10 GW和60 GW以上[1-2]。新能源發(fā)電在持續(xù)快速發(fā)展的進(jìn)程中出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的棄風(fēng)、棄光問題,因此,消納風(fēng)電、光電的能力,已成為風(fēng)電、光電行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在新能源發(fā)電行業(yè)中,提高火電機(jī)組的投切靈活性和電源調(diào)峰能力,可以有效解決風(fēng)電、光電消納問題[3]。通過對(duì)東北、華北和西北地區(qū)火電廠進(jìn)行深度改造,預(yù)計(jì)可以釋放火電機(jī)組調(diào)峰潛力100 GW以上[4-5]。

可見,探尋火電機(jī)組靈活性的改造技術(shù)和改造方法,對(duì)提高現(xiàn)役大容量火電機(jī)組的燃煤發(fā)電效率,更好接納新能源并網(wǎng),具有重要意義。富氧低氮燃燒技術(shù)利用純氧強(qiáng)化燃油燃燒,降低煤粉的著火溫度,采用分級(jí)燃燒的方式引燃整個(gè)煤粉流,實(shí)現(xiàn)微油直接點(diǎn)燃全部一次風(fēng)煤粉流。應(yīng)用富氧低氮燃燒技術(shù),可以達(dá)到鍋爐啟停、穩(wěn)燃、深度調(diào)峰的目的,有效提高燃煤火電機(jī)組的靈活性。

2 傳統(tǒng)低氮燃燒技術(shù)

傳統(tǒng)低氮燃燒技術(shù)可以分為空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)。

2.1 空氣分級(jí)燃燒技術(shù)

應(yīng)用空氣分級(jí)燃燒技術(shù),空氣分級(jí)燃燒過程一般分為兩個(gè)階段。第一階段是將空氣含量降低到原來的70%～75%,使煤粉在缺氧狀態(tài)下燃燒,降低燃燒溫度和燃燒速度,用以延長(zhǎng)煤粉燃燒過程,同時(shí)抑制氮氧化物的產(chǎn)生。第二階段是在燃煤鍋爐的上方送入所需的空氣量,保證煤粉充分燃燒,此時(shí)過量空氣因子滿足大于1的條件。煤粉燃燒所需的空氣同樣分為兩個(gè)階段進(jìn)入爐膛,煤粉的燃燒分為兩級(jí)進(jìn)行。

采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)進(jìn)行低氮燃燒時(shí),運(yùn)行費(fèi)用低,但燃燒效果較差,不能達(dá)到排放要求。同時(shí),必須適當(dāng)調(diào)節(jié)第一級(jí)和第二級(jí)空氣分配比例,否則有可能造成煤粉燃燒不盡、結(jié)渣等問題。

2.2 燃料分級(jí)燃燒技術(shù)

將80%的煤粉通入過量空氣因子大于1的主燃燒區(qū)燃燒,稱為一級(jí)燃燒,產(chǎn)生大量的氮氧化物。再將剩余20%的煤粉從上方噴口通入過量空氣因子小于1的主燃燒區(qū)進(jìn)行燃燒,稱為二級(jí)燃燒,并產(chǎn)生還原環(huán)境。主燃燒區(qū)產(chǎn)生的氮氧化物在還原環(huán)境中被還原為氮?dú)?抑制了氮氧化物的產(chǎn)生。最后在二級(jí)燃燒區(qū)上方通入所需的空氣,使煤粉充分燃燒。

應(yīng)用燃料分級(jí)燃燒技術(shù)進(jìn)行低氮燃燒時(shí),存在與空氣分級(jí)燃燒技術(shù)相同的分配比例問題,如何準(zhǔn)確把握每一級(jí)的燃盡率仍是需要解決的重要問題[6-8]。

多年的實(shí)際運(yùn)行表明,無論是空氣分級(jí)燃燒技術(shù),還是燃料分級(jí)燃燒技術(shù),在實(shí)際臨爐應(yīng)用中效果均不理想,有時(shí)脫硝效果好但煤炭的燃盡率低,有時(shí)保證了煤炭的燃盡率但脫硝效果較差。目前,國(guó)內(nèi)許多火力發(fā)電廠已放棄傳統(tǒng)低氮燃燒技術(shù)。

3 富氧低氮燃燒技術(shù)

為了達(dá)到使氮氧化物低排放的目的,結(jié)合傳統(tǒng)低氮燃燒技術(shù)及富氧微油燃燒技術(shù),在安全、易于操作、確保煤炭燃盡率的前提下,提出富氧低氮燃燒技術(shù)。

富氧低氮燃燒技術(shù)以富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃技術(shù)為基礎(chǔ),結(jié)合了空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)借鑒了更深度的空氣分級(jí)燃燒技術(shù)和燃料分級(jí)燃燒技術(shù)中火焰內(nèi)還原的原理。應(yīng)用富氧低氮燃燒技術(shù),不改動(dòng)燃煤鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu),僅對(duì)鍋爐現(xiàn)有燃燒器進(jìn)行富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)改造,改造后的系統(tǒng)作為點(diǎn)火燃燒器使用的同時(shí),也可以作為低氮燃燒器使用。

在低氮燃燒過程中,一次風(fēng)煤粉由一次風(fēng)噴口進(jìn)入富氧專用燃燒器,然后被分級(jí)點(diǎn)燃。在富氧專用燃燒器點(diǎn)火的同時(shí),加入少量燃油和氧氣,確保一次風(fēng)煤粉在富氧專用燃燒器中保持較高的著火率。由于燃燒器內(nèi)濃淡分離的作用,使煤粉的燃燒達(dá)到深度燃料分級(jí)燃燒。進(jìn)入富氧專用燃燒器的一次風(fēng)煤粉在脫離燃燒器噴口時(shí),處于提前著火狀態(tài)。一次風(fēng)煤粉在燃燒器分級(jí)燃燒過程中,消耗掉一次風(fēng)中的氧氣,處于深度缺氧的還原環(huán)境,煤粉處于深度不完全燃燒的狀態(tài),產(chǎn)生大量一氧化碳,既可以抑制氮氧化物的產(chǎn)生,又可以使產(chǎn)生的氮氧化物被大量還原。燃燒不完全的煤粉進(jìn)入爐內(nèi)主燃區(qū)、還原區(qū),與過量空氣因子小于1的二次風(fēng)提供的氧氣繼續(xù)進(jìn)行不完全燃燒,使對(duì)應(yīng)區(qū)域繼續(xù)處于還原環(huán)境,從而進(jìn)一步抑制氮氧化物的產(chǎn)生。燃燒不完全的煤粉進(jìn)入爐膛燃盡區(qū),與送風(fēng)口提供的燃盡風(fēng)進(jìn)行充分燃燒,保證煤粉的燃盡度[9-11]。富氧燃燒基本原理如圖1所示。

圖1 富氧燃燒基本原理

富氧低氮燃燒技術(shù)的關(guān)鍵在于以極少的燃油和純氧,使一次風(fēng)煤粉在富氧專用燃燒器內(nèi)受高溫?zé)峤?提前著火燃燒。煤粉在一次風(fēng)嚴(yán)重缺氧狀態(tài)下著火后進(jìn)入爐膛,等同于大量一氧化碳強(qiáng)還原劑進(jìn)入爐膛,達(dá)到深度空氣分級(jí)燃燒狀態(tài),同時(shí)煤粉在富氧專用燃燒器中實(shí)現(xiàn)濃淡分離,達(dá)到深度燃料分級(jí)燃燒。進(jìn)入爐膛后,過量空氣因子小于1的主燃區(qū)、還原區(qū),以及過量空氣因子大于1的燃盡區(qū)在爐膛中全方位布置,可以使?fàn)t膛中形成新的燃料分級(jí)和空氣分級(jí)低氮燃燒。以上雙抑制和雙還原過程既保證了煤粉的高燃盡率,又大幅抑制和還原燃燒中所產(chǎn)生的氮氧化物。采用富氧低氮燃燒技術(shù)的火電機(jī)組工作原理如圖2所示。

4 富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù)

應(yīng)用富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù),鍋爐在超低負(fù)荷調(diào)峰時(shí),在頂層或錯(cuò)位層投運(yùn)富氧調(diào)峰燃燒器,利用氧氣強(qiáng)化煤粉燃燒,提高燃燒溫度,調(diào)節(jié)富氧調(diào)峰燃燒器中油和氧氣的含量,使一次風(fēng)煤粉在任意工況下均呈現(xiàn)主動(dòng)著火燃燒狀態(tài)進(jìn)入爐膛,保證頂層或錯(cuò)位層投入的煤粉連續(xù)穩(wěn)定燃燒,確保爐膛溫度保持在較高狀態(tài),從而保證整個(gè)鍋爐煤粉不會(huì)因?yàn)闋t膛熱負(fù)荷過低導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定而熄火,可以有效提高火電鍋爐調(diào)峰的靈活性[12-15]。

圖2 采用富氧低氮燃燒技術(shù)火電機(jī)組工作原理

5 富氧燃燒技術(shù)的應(yīng)用

中國(guó)電力投資集團(tuán)重慶九龍電廠200 MW機(jī)組四角切圓燃燒鍋爐為超高壓中間再熱自然循環(huán)固態(tài)排渣單爐體負(fù)壓爐膛,布置結(jié)構(gòu)為n型。

利用富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù),在保證鍋爐一層原四臺(tái)燃燒器所有一次風(fēng)煤粉噴口幾何尺寸、形狀不變的基礎(chǔ)上,將一定長(zhǎng)度的一次風(fēng)煤粉噴口材質(zhì)更換為耐高溫材質(zhì),在已有一次風(fēng)煤粉噴口內(nèi)安裝富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰所特有的一級(jí)室、二級(jí)室、復(fù)合型富氧微油槍、點(diǎn)火槍、火檢、壁溫等相關(guān)裝置,并配套安裝超低溫真空儲(chǔ)罐、氧氣控制器、燃油預(yù)處理裝置、控制系統(tǒng)及配套管線。

改造后的富氧燃燒器如圖3所示,使用3年后的富氧燃燒器噴口如圖4所示。由圖4可以看出,富氧燃燒器噴口無結(jié)焦、燒損現(xiàn)象。重慶九龍電廠應(yīng)用富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù)后的實(shí)際調(diào)峰曲線報(bào)告如圖5所示。

圖3 改造后富氧燃燒器

圖4 使用3年后富氧燃燒器噴口

圖5 調(diào)峰曲線報(bào)告

應(yīng)用富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù)后,重慶九龍電廠以15 kg/h～60 kg/h的耗油、100～200 m3/h的耗氧,實(shí)現(xiàn)了30 MW以下的低負(fù)荷穩(wěn)燃,旋轉(zhuǎn)備用容量達(dá)到170 MW以上。

6 結(jié)束語

筆者從提高火電機(jī)組靈活性及深度調(diào)峰改造必要性出發(fā),介紹了富氧低氮燃燒技術(shù)、富氧不停爐超低負(fù)荷調(diào)峰技術(shù)的基本原理,研究了富氧燃燒技術(shù)在燃煤火電機(jī)組中的具體應(yīng)用。通過重慶九龍電廠的實(shí)際應(yīng)用,確認(rèn)富氧燃燒技術(shù)可以提高火電機(jī)組的調(diào)峰能力,具有一定的推廣價(jià)值。