顧 偉
(徐州華潤(rùn)電力有限公司,江蘇徐州 221000)
隨著我國(guó)電力行業(yè)的飛速發(fā)展,燃煤鍋爐的發(fā)電容量不斷增大,在現(xiàn)階段超臨界與超超臨界大型高參數(shù)機(jī)組已經(jīng)成為發(fā)電生產(chǎn)的主力軍[1]。與此同時(shí),燃煤機(jī)組的運(yùn)行方式?jīng)Q定了發(fā)電過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量污染物,對(duì)此國(guó)家也制定了新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。因此,如何在達(dá)到嚴(yán)格環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上不斷保持高參數(shù)機(jī)組的燃燒運(yùn)行效率,成為目前燃煤發(fā)電行業(yè)亟需解決的重要問(wèn)題。
針對(duì)大型高參數(shù)機(jī)組鍋爐的燃燒優(yōu)化問(wèn)題,許多學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬或者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)其進(jìn)行了研究。應(yīng)明良等[2]以及袁宏偉等[3]對(duì)于600 MW 超臨界對(duì)沖燃燒鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒器的改造以及運(yùn)行調(diào)整研究,有效降低了其NOx的排放濃度并優(yōu)化了運(yùn)行參數(shù);鄒磊等[4]對(duì)于某1000 MW 超超臨界Π 型鍋爐進(jìn)行了低氮燃燒技術(shù)改造并進(jìn)行了性能優(yōu)化試驗(yàn),能夠降低NOx排放濃度的同時(shí)兼顧減少CO 排放和飛灰含碳量導(dǎo)致的運(yùn)行損失;張曉宇[5]對(duì)某600 MW 超臨界四角切圓燃燒鍋爐進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,并采用數(shù)值模擬方法優(yōu)化燃燒器工況。然而,以上學(xué)者對(duì)于1000 MW 超超臨界塔式鍋爐的燃燒優(yōu)化研究較少,故當(dāng)前此類型機(jī)組鍋爐的燃燒優(yōu)化缺乏一定技術(shù)參考。
通過(guò)對(duì)某1000 MW 超超臨界塔式鍋爐開(kāi)展燃燒優(yōu)化試驗(yàn),考慮了運(yùn)行氧量、配風(fēng)方式、CCOFA(緊湊燃盡風(fēng))風(fēng)門(mén)開(kāi)度和SOFA(分離燃盡風(fēng))風(fēng)門(mén)開(kāi)度等運(yùn)行參數(shù)對(duì)于鍋爐熱效率以及NOx排放濃度的影響,研究尋找出適合于超超臨界塔式鍋爐燃燒運(yùn)行的優(yōu)化參數(shù)。
以某1000 MW 超超臨界直流塔式鍋爐為試驗(yàn)研究對(duì)象,鍋爐型號(hào)為SG-3050/27.46-M53X,變壓運(yùn)行、螺旋管圈,采用單爐膛塔式布置形式、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊構(gòu)造、露天布置。采用6 臺(tái)ZGM133 中速輥式磨煤機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng),5 臺(tái)磨運(yùn)行帶鍋爐BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)工況,1 臺(tái)磨備用。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。
表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)
為了對(duì)對(duì)象鍋爐進(jìn)行燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn),首先進(jìn)行了1000 MW 負(fù)荷下的摸底試驗(yàn)。在摸底試驗(yàn)工況中,A 磨~F 磨運(yùn)行,表盤(pán)運(yùn)行氧量顯示為3.75%,SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度為95%,CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度為85%,NOx排放濃度為271 mg/m3,排煙溫度為132.0 ℃,排煙熱損失為5.98%,底渣含碳量為0.5%,飛灰含碳量為1%,鍋爐熱效率為93.14%。
從摸底試驗(yàn)中可以看出,對(duì)象鍋爐的燃燒情況并不理想,主要表現(xiàn)在:①NOx排放濃度較高,為271 mg/m3;②排煙溫度和排煙熱損失較高,均超過(guò)了設(shè)計(jì)值;③鍋爐效率不高,低于設(shè)計(jì)值93.77%。
因此,為提高機(jī)組的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益,對(duì)象鍋爐的燃燒過(guò)程需要進(jìn)行優(yōu)化。
針對(duì)以上對(duì)象鍋爐燃燒中存在的問(wèn)題,筆者開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),進(jìn)行燃燒運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整與合理搭配,從而改善鍋爐的NOx排放濃度以及鍋爐熱效率,尋找出鍋爐燃燒優(yōu)化運(yùn)行方式。
根據(jù)與NOx排放濃度及鍋爐熱效率相關(guān)的鍋爐燃燒參數(shù)[6],主要開(kāi)展了變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格遵從電廠熱工試驗(yàn)規(guī)程[7-9]。
整理試驗(yàn)數(shù)據(jù),NOx計(jì)算公式結(jié)果修正依據(jù)文獻(xiàn)[10]進(jìn)行,而鍋爐熱效率的計(jì)算方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASME PTC4 執(zhí)行。
一般來(lái)說(shuō),鍋爐運(yùn)行氧量調(diào)整的目標(biāo)是使排煙熱損失q2、化學(xué)未完全燃燒熱損失q3、機(jī)械未完全燃燒熱損失q4三者之和較小的同時(shí),也要保證較低的NOx濃度濃度和較高的安全運(yùn)行水平。
變氧量試驗(yàn)在對(duì)象鍋爐1000 MW 負(fù)荷下進(jìn)行,維持主要運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定不變,分別控制運(yùn)行氧量為2.5%、3.0%、3.5%。
試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著運(yùn)行氧量的增加,排煙熱損失升高,分別為5.22%、5.28%、5.61%;飛灰可燃物含碳量為1.3%、1.1%、1.0%,底渣含碳量為1.7%、1.6%、0.5%,運(yùn)行氧量低于3%時(shí)的灰渣含碳量較高。
如圖1 所示,運(yùn)行氧量為2.5%、3.0%、3.5%時(shí),鍋爐熱效率分別為93.63%、93.57%、93.31%,呈先緩后急的下降趨勢(shì);NOx排放濃度呈顯著升高趨勢(shì),分別為136 mg/m3、167 mg/m3、183 mg/m3。NOx排放濃度升高是由于運(yùn)行氧量是由總風(fēng)量來(lái)控制的,而總風(fēng)量變化一般不改變各級(jí)燃燒空氣的比例,所以增加運(yùn)行氧量也就增加了燃料型NOx的生成量,運(yùn)行氧量的增加也會(huì)使燃燒區(qū)域的中心溫度增加,熱力型NOx生成量進(jìn)而增加,因此總的NOx排放濃度隨運(yùn)行氧量升高而顯著增加。
圖1 氧量對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響
從試驗(yàn)結(jié)果分析,低運(yùn)行氧量運(yùn)行下排煙熱損失較小,抵消了飛灰、爐渣含碳量升高帶來(lái)的負(fù)面影響,其鍋爐熱效率也較高。從風(fēng)機(jī)電耗來(lái)看,送、引風(fēng)機(jī)電流隨著運(yùn)行氧量的降低呈下降趨勢(shì)。低運(yùn)行氧量時(shí)送引風(fēng)機(jī)電流較小時(shí),輔機(jī)電耗也較小,但運(yùn)行氧量過(guò)低容易在鍋爐水冷壁附近形成強(qiáng)烈的還原性環(huán)境[11],加劇水冷壁高溫腐蝕,增加鍋爐運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)行氧量過(guò)低也容易導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)還原性氣氛強(qiáng)烈,熔點(diǎn)較高的Fe2O3還原為熔點(diǎn)較低的FeO[12],大大降低灰熔點(diǎn),加重受熱面的結(jié)渣和積灰。
因此,綜合考慮鍋爐運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性,在1000 MW 負(fù)荷,應(yīng)該將運(yùn)行氧量控制在3.0%~3.2%。此時(shí),NOx排放濃度在167 mg/m3左右,符合環(huán)保要求且能夠減少水冷壁高溫腐蝕影響。
燃煤鍋爐的主要二次風(fēng)配風(fēng)方式有均布、束腰、鼓腰、正塔式、倒塔式等。其中均布配風(fēng)能夠保證爐內(nèi)熱負(fù)荷均勻且燃燒穩(wěn)定,適用于燃燒穩(wěn)定的大負(fù)荷工況;束腰配風(fēng)有利于提高局部斷面熱負(fù)荷,適用于燃燒不穩(wěn)定或小負(fù)荷燃燒;而正塔配風(fēng)有利于煤粉和空氣充分混合,適用于多種工況[13]。但是不同方式的配風(fēng)對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響也不同,需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。
表2 試驗(yàn)工況下二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度設(shè)置 %
表2 為試驗(yàn)工況下二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度設(shè)置。試驗(yàn)通過(guò)改變各燃燒器層直吹風(fēng)、偏轉(zhuǎn)二次風(fēng)風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)配風(fēng)方式的改變。3 個(gè)試驗(yàn)工況的配風(fēng)方式依次為均布、束腰、正塔。試驗(yàn)期間,維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定,SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度均為70%,CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度均為55%左右,運(yùn)行氧量為3.0%,保持其他運(yùn)行參數(shù)基本一致。
如圖2 所示,均布、束腰、正塔方式下的鍋爐熱效率分別為93.86%、93.62%、93.38%,NOx排放濃度分別為122 mg/m3、96 mg/m3、136 mg/m3。三種配風(fēng)方式下,均布配風(fēng)方式的鍋爐熱效率最高。正塔方式下NOx排放濃度最高,束腰配風(fēng)方式下NOx排放濃度最低。從試驗(yàn)結(jié)果分析,由于塔式切圓燃燒鍋爐主燃燒區(qū)高度較大,可以確保燃燒噴嘴之間有足夠的間距[14],主燃燒區(qū)風(fēng)量分配的改變對(duì)該區(qū)域內(nèi)分級(jí)燃燒效果影響顯著,而本對(duì)象鍋爐的燃燒器設(shè)計(jì)又體現(xiàn)了較為突出的分級(jí)配風(fēng)機(jī)理,因此,均布配風(fēng)較為均勻的供風(fēng)方式與燃燒器的分級(jí)配風(fēng)進(jìn)行了柔性對(duì)接,可以兼顧較好的鍋爐熱效率和較低的NOx排放濃度。
圖2 配風(fēng)方式對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響
因此,1000 MW 負(fù)荷下,建議采用均布配風(fēng)方式。
燃盡風(fēng)的設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒,抑制燃燒過(guò)程中的NOx的生成量,其中又分為緊湊燃盡風(fēng)(CCOFA)和分離燃盡風(fēng)(SOFA),兩者的風(fēng)量對(duì)于空預(yù)器出口的CO 體積濃度、鍋爐熱效率、NOx排放濃度有重要影響[15]。
3.3.1 CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度試驗(yàn)
變緊湊燃盡風(fēng)試驗(yàn)期間,將CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度由80%降低至65%。兩個(gè)工況下運(yùn)行氧量控制在3.2%,SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度為95%,其余運(yùn)行參數(shù)均保持基本一致。
如圖3 所示,CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度80%和65%兩個(gè)工況下鍋爐熱效率分別為93.78%、93.54%,風(fēng)門(mén)開(kāi)度為80%時(shí)的鍋爐熱效率較高;CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度為80%時(shí)NOx排放濃度為103 mg/m3,開(kāi)度為65%時(shí)NOx排放濃度為126 mg/m3,CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度減小NOx排放濃度上升。
圖3 CCOFA 對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響
隨著CCOFA 風(fēng)量的增加,鍋爐熱效率升高明顯,NOx排放濃度則下降顯著。主要原因是在此燃燒系統(tǒng)中CCOFA 位于主燃燒器區(qū)域,總風(fēng)量不變時(shí),CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)大,主燃燒器區(qū)域內(nèi)運(yùn)行氧量增加,燃燒加強(qiáng),鍋爐熱效率提高。由于CCOFA 位于主燃燒器區(qū)域的上部,CCOFA 風(fēng)量增加后,主燃燒器區(qū)域下部風(fēng)量相對(duì)減少,該區(qū)域內(nèi)分級(jí)燃燒效果加強(qiáng),而CCOFA 又距離SOFA 風(fēng)較遠(yuǎn),對(duì)SOFA 風(fēng)的分級(jí)燃燒效果幾乎沒(méi)有減弱的影響,因此NOx排放濃度下降。
因此,1000 MW 負(fù)荷時(shí)CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度應(yīng)盡可能開(kāi)大,宜設(shè)置在80%開(kāi)度以上,有利于進(jìn)一步提高鍋爐熱效率,并從一定程度上降低NOx 排放濃度。
3.3.2 SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度試驗(yàn)
變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度試驗(yàn)共3 個(gè)工況,各工況SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度依次為各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%。試驗(yàn)期間,維持負(fù)荷、蒸汽參數(shù)及磨煤機(jī)運(yùn)行工況穩(wěn)定,運(yùn)行氧量控制在3.2%左右,保持其他運(yùn)行參數(shù)基本一致。
如圖4 所示,SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度各層100%、各層80%、上兩層50%其余層80%三個(gè)工況的鍋爐熱效率分別為93.84%、93.32%、93.94%,NOx排放濃度分別為237 mg/m3、261 mg/m3、265 mg/m3。
SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度上兩層50%其余層80%時(shí)鍋爐熱效率最高,其次是各層100%。對(duì)于NOx排放濃度則是SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度越大,NOx排放濃度越低。
圖4 SOFA 對(duì)鍋爐熱效率和NOx排放濃度的影響
NOx排放濃度隨SOFA 風(fēng)比例的增加而下降,原因是總風(fēng)量不變時(shí),SOFA 風(fēng)量增加后,主燃燒區(qū)域風(fēng)量相對(duì)減少,從而加強(qiáng)了爐內(nèi)分級(jí)燃燒的效果,燃料型NOx的生成受到限制,鍋爐熱效率的變化則正好相反。
綜合考慮,SOFA 風(fēng)可結(jié)合CCOFA 風(fēng)門(mén)同步調(diào)整,在開(kāi)大SOFA 風(fēng)門(mén)的同時(shí)也應(yīng)提高CCOFA 風(fēng)量,從而兼顧鍋爐熱效率和NOx排放濃度的雙收益。1000 MW 負(fù)荷時(shí),建議控制SOFA風(fēng)門(mén)開(kāi)度在80%以上。
根據(jù)上述變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)結(jié)果,綜合調(diào)配試驗(yàn)獲得的燃燒運(yùn)行參數(shù),對(duì)本文對(duì)象鍋爐進(jìn)行1000 MW 負(fù)荷綜合優(yōu)化試驗(yàn)。優(yōu)化工況中,控制運(yùn)行氧量在3.2%左右,SOFA、CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度分別設(shè)置在95%左右,采用均布配風(fēng)方式,對(duì)于制粉系統(tǒng)則采取了開(kāi)大熱風(fēng)門(mén)關(guān)小冷風(fēng)門(mén)操作。優(yōu)化試驗(yàn)和摸底試驗(yàn)工況對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 優(yōu)化試驗(yàn)和摸底試驗(yàn)工況對(duì)比
通過(guò)優(yōu)化,鍋爐熱效率為93.92%,較摸底工況熱效率提高0.78%,且超過(guò)了鍋爐設(shè)計(jì)熱效率;NOx排放濃度為216 mg/m3,較摸底工況下降55 mg/m3;排煙溫度為114.4 ℃,較摸底工況下降17.6 ℃,且小于鍋爐設(shè)計(jì)排煙溫度。
綜上所述,按照筆者開(kāi)展的變氧量、變配風(fēng)方式、變CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、變SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)所提出的燃燒運(yùn)行優(yōu)化參數(shù),所進(jìn)行燃燒優(yōu)化綜合試驗(yàn)的結(jié)果好于鍋爐原先工況,NOx排放濃度和排煙溫度大幅下降,鍋爐熱效率顯著提高。
(1)在1000 MW 負(fù)荷,將機(jī)組鍋爐運(yùn)行氧量控制在3.0%~3.2%,此時(shí)的NOx排放濃度較低,能夠符合環(huán)保要求。
(2)對(duì)于本文對(duì)象鍋爐而言,均布配風(fēng)方式的熱效率最高,正塔方式下NOx排放濃度最高,束腰配風(fēng)方式下NOx排放濃度最低。總體來(lái)說(shuō),1000 MW 負(fù)荷下采用均布配風(fēng)方式,可以兼顧鍋爐較好的熱效率、較低的NOx排放濃度。
(3)在1000 MW 負(fù)荷,將CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度設(shè)置在80%~100%之間,SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度在80%以上,可保持較高的鍋爐熱效率和較低的NOx排放濃度。
(4)根據(jù)開(kāi)展的運(yùn)行氧量、配風(fēng)方式、CCOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度、SOFA 風(fēng)門(mén)開(kāi)度特性試驗(yàn)所獲得燃燒運(yùn)行優(yōu)化參數(shù),所進(jìn)行的燃燒優(yōu)化綜合試驗(yàn)的結(jié)果好于鍋爐原先工況,NOx排放濃度和排煙溫度大幅下降,鍋爐熱效率顯著提高。因此,通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的1000 MW 塔式爐燃燒運(yùn)行參數(shù)能夠?yàn)樵擃愋湾仩t的運(yùn)行和設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。