朱永飛

摘要：旋流對(duì)沖燃燒鍋爐由于其燃燒器結(jié)構(gòu)及布置方式的局限性，導(dǎo)致燃燒器之間的混合及燃燒后期擾動(dòng)差，易出現(xiàn)CO排放質(zhì)量濃度高的問題。由于二次風(fēng)風(fēng)箱較長(zhǎng)，二次風(fēng)在沿爐膛寬度方向存在著一定的壓力梯度，造成鍋爐沿爐膛寬度方向O2體積分?jǐn)?shù)分布偏差大，爐膛中部區(qū)域進(jìn)風(fēng)量大，兩側(cè)墻區(qū)域進(jìn)風(fēng)量小。風(fēng)箱內(nèi)各燃燒器之間的流量分配不均勻，進(jìn)而對(duì)燃燒和污染物排放特性產(chǎn)生一定的影響。若運(yùn)行調(diào)整不當(dāng)，將造成水冷壁高溫腐蝕、燃燒器燒損以及排煙溫度高、鍋爐熱效率低等問題。要優(yōu)化控制風(fēng)箱內(nèi)各燃燒器之間的二次風(fēng)流量分配，需要詳細(xì)了解風(fēng)箱內(nèi)的流動(dòng)特性及二次風(fēng)在多個(gè)燃燒器之間的流量分配特性。通過合理優(yōu)化調(diào)整鍋爐配風(fēng)，能夠有效降低CO排放質(zhì)量濃度高等問題。

關(guān)鍵詞：鍋爐;對(duì)沖燃燒;優(yōu)化調(diào)整;CO排放質(zhì)量濃度;排煙溫度;鍋爐效率

引言：文章圍繞某1000MW超超臨界機(jī)組旋流對(duì)沖鍋爐存在的CO排放質(zhì)量濃度高、排煙溫度高、鍋爐效率低于設(shè)計(jì)值等問題，結(jié)合鍋爐二次風(fēng)箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)燃燒器配風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。結(jié)果表明：優(yōu)化后鍋爐在1000MW和750MW負(fù)荷下，CO排放質(zhì)量濃度分別由2822mg/m3、排煙溫度分別下降11.7K、12.5K，鍋爐效率分別上升1.34個(gè)百分點(diǎn)、1.19個(gè)百分點(diǎn)，優(yōu)化效果顯著。

1.設(shè)備概況及布置

某電廠1000MW機(jī)組鍋爐為DG3060/27.46-π1型超超臨界變壓直流爐，鍋爐共設(shè)有48個(gè)燃燒器，分為6層布置，每層8個(gè)燃燒器由同一臺(tái)磨煤機(jī)供給煤粉，采用HT-NR3旋流式低NOX燃燒器，前后墻布置，對(duì)沖燃燒。最下層A磨煤機(jī)8個(gè)燃燒器配置等離子點(diǎn)火裝置。HT-NR3旋流式低NOX燃燒器將燃燒用空氣分為一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)和中心風(fēng)四部分。燃燒器結(jié)構(gòu)見圖1。

燃燒器二次風(fēng)箱為運(yùn)行燃燒器提供內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，為停運(yùn)燃燒器提供冷卻風(fēng)。內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)通過燃燒器內(nèi)同心的內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)環(huán)形通道在燃燒的不同階段噴入爐內(nèi)，實(shí)現(xiàn)分級(jí)供風(fēng)，降低NOX的生成量。進(jìn)入燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)量可通過燃燒器上的二次風(fēng)門擋板進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量程為0°～90°。通過調(diào)節(jié)內(nèi)二次風(fēng)門擋板可得到適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量，以獲得最佳燃燒工況，即良好的著火穩(wěn)燃性能、高燃燒效率、低NOX排放量，以及防止燃燒器結(jié)焦等。內(nèi)二次風(fēng)通道內(nèi)布置有軸向旋流器使經(jīng)過的二次風(fēng)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，離開燃燒器后旋轉(zhuǎn)的氣流在離心力的作用下擴(kuò)張，從而在中心區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓，使高溫?zé)煔饣亓鳎瑸槊悍蹥饬鞯闹鹛峁┠芰?。?nèi)二次風(fēng)旋流器為固定式，不可調(diào)節(jié)，葉片傾角為60°。進(jìn)入燃燒器的外二次風(fēng)量可通過燃燒器上切向布置的葉輪式風(fēng)門擋板進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)量程為0%～100%，調(diào)節(jié)外二次風(fēng)門擋板開度，可得到合適的外二次風(fēng)量和外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度，以獲得最佳燃燒工況。

2.優(yōu)化調(diào)整前鍋爐運(yùn)行情況

燃燒器配風(fēng)調(diào)整前，對(duì)1000MW和750MW負(fù)荷進(jìn)行了摸底試驗(yàn)。

1000MW負(fù)荷下，省煤器出口截面煙氣平均O2體積分?jǐn)?shù)為2.54%，A1測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)僅為1.01%，與爐膛中部O2體積分?jǐn)?shù)偏差超過3個(gè)百分點(diǎn);A1測(cè)點(diǎn)CO排放質(zhì)量濃度超過14000mg/m3，B6測(cè)點(diǎn)CO排放質(zhì)量濃度為4800mg/m3，平均CO排放質(zhì)量濃度為2822mg/m3;鍋爐排煙溫度為129.0℃，高于設(shè)計(jì)值12K;鍋爐熱效率為93.67%，低于設(shè)計(jì)值0.51個(gè)百分點(diǎn)。750MW負(fù)荷下，省煤器出口截面煙氣平均O2體積分?jǐn)?shù)為3.64%，B6測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)僅為0.76%，與爐膛中部O2體積分?jǐn)?shù)偏差超過4個(gè)百分點(diǎn);A1測(cè)點(diǎn)CO排放質(zhì)量濃度為6800mg/m3，B6測(cè)點(diǎn)CO排放質(zhì)量濃度為6000mg/m3，平均CO排放質(zhì)量濃度為1795mg/m3;鍋爐排煙溫度121.0℃，高于設(shè)計(jì)值8K;鍋爐熱效率為94.10%，低于設(shè)計(jì)值0.17個(gè)百分點(diǎn)。摸底試驗(yàn)結(jié)果表明：該配風(fēng)方式下爐膛中部區(qū)域進(jìn)風(fēng)量大，兩側(cè)區(qū)域進(jìn)風(fēng)量小，爐膛兩側(cè)局部區(qū)域缺氧明顯;CO排放質(zhì)量濃度高將導(dǎo)致嚴(yán)重的爐內(nèi)還原性腐蝕和結(jié)焦傾向，易發(fā)生爆管和泄漏，給鍋爐運(yùn)行帶來極大的安全隱患;排煙溫度高，鍋爐熱效率低于設(shè)計(jì)值。該配風(fēng)方式已無法滿足爐內(nèi)正常燃燒，需進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整[1]。

3.數(shù)值模擬優(yōu)化

為優(yōu)化鍋爐配風(fēng)方式，采用FLUENT軟件對(duì)旋流燃燒器二次風(fēng)箱進(jìn)行數(shù)值模擬。二次風(fēng)箱內(nèi)每層等距安裝8個(gè)旋流燃燒器，由各層風(fēng)室兩側(cè)入口均勻進(jìn)風(fēng)。二次風(fēng)箱入口設(shè)計(jì)風(fēng)速較低，可將二次風(fēng)箱視為一個(gè)靜壓風(fēng)箱，進(jìn)口截面采用速度邊界條件，平均速度為14.8m/s;燃燒器出口截面采用壓力出口邊界條件，平均速度為40m/s;采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算。在煙道阻力特性及進(jìn)口流速不變的情況下，改變旋流燃燒器外二次風(fēng)門開度，研究每層風(fēng)室內(nèi)各燃燒器流量分配特性的變化規(guī)律，對(duì)旋流燃燒器配風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

4.鍋爐配風(fēng)優(yōu)化調(diào)整及效果

根據(jù)摸底試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化調(diào)整鍋爐配風(fēng)方式，保持各燃燒器內(nèi)二次風(fēng)門開度均為45°，按照方案3調(diào)整外二次風(fēng)門開度。燃燒器配風(fēng)調(diào)整后，在鍋爐1000MW和750MW負(fù)荷下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)煤質(zhì)與調(diào)整前相同。 配風(fēng)調(diào)整后1000MW負(fù)荷下，省煤器出口截面煙氣平均O2體積分?jǐn)?shù)為3.02%，O2體積分?jǐn)?shù)沿爐膛寬度方向分布均勻;A1、B6測(cè)CO排放質(zhì)量濃度約為600mg/m3，平均CO排放質(zhì)量濃度為146mg/m3;鍋爐排煙溫度為117.3℃，與設(shè)計(jì)值持平;鍋爐熱效率為95.01%，高于設(shè)計(jì)值0.83個(gè)百分點(diǎn)[2]。750mw負(fù)荷下，省煤器出口截面煙氣平均O2體積分?jǐn)?shù)為3.75%;A1測(cè)點(diǎn)CO排放質(zhì)量濃度為108mg/m3，B6測(cè)點(diǎn)CO排放質(zhì)量濃度為404mg/m3，平均CO排放質(zhì)量濃度為105mg/m3;鍋爐排煙溫度108.5℃，低于設(shè)計(jì)值4.5K;鍋爐熱效率為95.29%，高于設(shè)計(jì)值1.02百分點(diǎn)。

結(jié)論：

簡(jiǎn)而言之，該1000MW超超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐由于二次風(fēng)箱結(jié)構(gòu)的原因，二次風(fēng)在沿爐膛寬度方向存在著一定的壓力梯度，造成鍋爐沿爐膛寬度方向O2體積分?jǐn)?shù)分布偏差大，爐膛中部區(qū)域進(jìn)風(fēng)量大，兩側(cè)墻區(qū)域進(jìn)風(fēng)量小。1000MW負(fù)荷下局部CO排放質(zhì)量濃度超過14000mg/m3，排煙溫度高，鍋爐熱效率低于設(shè)計(jì)值。同時(shí)，根據(jù)鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀，優(yōu)化配風(fēng)方式，通過調(diào)整不同燃燒器風(fēng)門開度，加大缺氧區(qū)域風(fēng)量，減少富氧區(qū)域風(fēng)量，提高O2體積分?jǐn)?shù)分布的均勻性。鍋爐配風(fēng)優(yōu)化調(diào)整后，在1000MW和750MW負(fù)荷下，煙氣中CO排放質(zhì)量濃度明顯降低，平均值分別降低至146mg/m3和106mg/m3，爐內(nèi)還原性腐蝕和結(jié)焦傾向降低，鍋爐運(yùn)行安全性提高。最后，在1000MW和750MW負(fù)荷下，配風(fēng)優(yōu)化調(diào)整后鍋爐平均排煙溫度分別降低11.7K和12.5K，鍋爐熱效率分別提高了1.34個(gè)百分點(diǎn)和1.19個(gè)百分點(diǎn)，鍋爐經(jīng)濟(jì)性顯著提高，配風(fēng)優(yōu)化調(diào)整效果明顯[3]。

參考文獻(xiàn)：

[1]王松浩.旋流對(duì)沖鍋爐煙煤低氮燃燒特性數(shù)值模擬[J]..發(fā)電設(shè)備，22018，32（2）：108-113.

[2]李兵臣，宋景慧，沈躍良，等.二次風(fēng)旋流強(qiáng)度可調(diào)范圍的數(shù)值模擬研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2018，32（112）：916-921.

[3]劉建全，孫保民，張廣才，等.1000MW超超臨界旋流燃燒鍋爐穩(wěn)燃特性數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2017，32（8）：19-27.