前后對沖旋流燃燒煤粉鍋爐CO分布規(guī)律試驗研究

1、前后對沖旋流燃燒煤粉鍋爐CO分布規(guī)律試驗研究李德波,徐齊勝，沈躍良(廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州，510060)摘 要：針對某電廠600MW超臨界機(jī)組前后墻對沖燃燒方式鍋爐CO排放濃度較高、局部易出現(xiàn)峰值，爐膛寬度方向上左右側(cè)偏差明顯、在不同氧量下變化較大現(xiàn)象，通過現(xiàn)場試驗分析總結(jié)了CO的分布規(guī)律，提出了降低CO排放濃度調(diào)整控制措施，可為進(jìn)一步降低前后墻對沖燃燒方式鍋爐CO排放濃度的實踐研究提供有益參考。關(guān)鍵詞：旋流燃燒;CO;超臨界鍋爐;試驗研究Experimental research on the release of CO for the pulverized fired bo

2、iler with swirling combustion combustorDebo Li,Qisheng Xu,Yueliang Shen(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou, 510080, China)Abstract: In order to give a clear understanding on the release of CO for a 600MW supercritical swirling combustion pulverized fired

3、 boiler, which the release of CO is high, the maximum high value of CO occurs in certain regions, quite differences for the release of CO from the left side to the right side along the width of the boiler, the release of CO is changed with different concentration of oxygen, experimental research is

4、conducted on finding the intricate reason of the release of CO. In addition, the control measures are proposed by us in order to reduce the release of CO. This research is more beneficial for the further controlling and reducing of the release of CO from the point of engineering application.Key Word

5、s: Swirling combustion; CO; supercritical boiler; experimental research作者簡介：李德波(1983- )，男，土家族，湖北宜昌人，高級工程師，浙江大學(xué)工學(xué)博士。主要從事煤粉燃燒污染物控制，百萬超超臨界燃煤機(jī)組調(diào)試、試驗，煤粉燃燒高級數(shù)值模擬，大規(guī)模并行計算方法和程序開發(fā)等方面的研究。E-mail：ldbyx0 引言隨著我國火力發(fā)電事業(yè)發(fā)展，國內(nèi)投產(chǎn)了一大批超臨界和超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。由于四角切圓鍋爐殘余旋轉(zhuǎn)給過熱器和再熱器受熱面溫度偏差控制帶了非常大的挑戰(zhàn)和困難，尤其是超臨界和超超臨界機(jī)組，這種偏差對溫度的影響更加明顯，因

6、此采用旋流燃燒器組織爐內(nèi)空氣動力場逐漸成為超臨界和超超臨界機(jī)組首選的燃燒器方式1-3。經(jīng)過近幾年的運行實踐，部分超臨界對沖燃燒鍋爐存在尾部煙氣中CO排放濃度較高的問題，即鍋爐的燃燒效率有待提高，如某A電廠的 1、2號鍋爐CO排放濃度有時高達(dá)3000mg/m3，化學(xué)不完全燃燒損失達(dá)到1%，影響煤耗達(dá)3g/kWh。某B電廠1、2號鍋爐也存在CO排放濃度較高的問題，使得鍋爐熱效率無法達(dá)到設(shè)計值3-5。為了找到超臨界或者超超臨界前后對沖鍋爐CO排放量高的原因，本文對某電廠前后對沖旋流燃燒鍋爐CO排放進(jìn)行了試驗研究，初步得到了CO排放高的原因，對今后前后對沖燃煤鍋爐設(shè)計和運行提供了理論上的指導(dǎo)，為今后超

7、臨界或者超超臨界前后對沖燃煤鍋爐的安全、穩(wěn)定運行具有非常重要的工程意義。1 前后對沖鍋爐情況該電廠3號鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司與日本日立-巴布科克公司聯(lián)合設(shè)計的600MW超臨界機(jī)組前后墻對沖燃燒鍋爐，鍋爐有關(guān)設(shè)計參數(shù)見表1。表1 鍋爐主要性能參數(shù)B-MCR(VWO)BRL(TRL)鍋爐蒸發(fā)量t/h19501854.2過熱器出口蒸汽壓力MPa(g)25.425.3過熱器出口蒸汽溫度571571再熱蒸汽流量t/h1614.61540.7再熱器進(jìn)口蒸汽壓力MPa(g)4.614.37再熱器出口蒸汽壓力MPa(g)4.424.19再熱器進(jìn)口蒸汽溫度318316再熱器出口蒸汽溫度569569省

8、煤器進(jìn)口給水溫度284280鍋爐設(shè)計煤種為神木煤，校核煤種為晉北煙煤，煤種煤質(zhì)數(shù)據(jù)如表2所示。表2 鍋爐設(shè)計煤種煤質(zhì)項 目單 位設(shè) 計 煤 種(神木煤)校 核 煤 種(晉北煤)工業(yè)分析收到基低位發(fā)熱值Qnet.arkJ/kg2276022440收到基全水份Mt%149.61收到基灰份 Aar%1119.77可燃基揮發(fā)份Vdaf%27.33空氣干燥基水份Mad%8.492.85元素分析收到基碳Car%60.3358.6收到基氫Har%3.623.36收到基氧Oar%9.957.28收到基氮Nar%0.690.97收到基全硫St.ar%0.410.63可磨性系數(shù)HGI-5654.81爐內(nèi)氣氛-弱還

9、原性弱還原性灰變形溫度 DT(T1)11301100灰軟化溫度 ST(T2)11601190灰熔化溫度 FT(T3)12101270灰分析灰分析SiO2%36.7150.41Al2O3%13.9917.73Fe2O3%13.8523.64CaO%22.923.93MgO%1.281.27P2O5%-SO3%9.32.05Na2O%1.231.23K2O%0.721.12 燃燒器結(jié)構(gòu)情況鍋爐燃燒器為東方日立的HT-NR3低NOx旋流燃燒器，燃燒器如圖1所示，燃燒器布置如圖2所示，第1層燃燒器對應(yīng)AF磨，第2層燃燒器對應(yīng)BD磨，第3層燃燒器對應(yīng)EC磨。煤粉及一次風(fēng)經(jīng)煤粉管道、燃燒器一次風(fēng)管、文丘里

10、管，煤粉濃縮器、燃燒器噴嘴后噴入爐膛。二次風(fēng)經(jīng)二次風(fēng)大風(fēng)箱、燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)通道噴入爐膛;其中內(nèi)二次風(fēng)(2次風(fēng))為直流，外二次風(fēng)(3次風(fēng))為旋流。單只燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)的風(fēng)量分配通過調(diào)節(jié)各內(nèi)二次風(fēng)擋板開度和外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度來實現(xiàn)。各層燃燒器總風(fēng)量的調(diào)節(jié)通過風(fēng)箱入口擋板開度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。燃盡風(fēng)主要由中心風(fēng)，內(nèi)二次風(fēng)，外二次風(fēng)組成。中心風(fēng)為直流風(fēng)，內(nèi)、外二次風(fēng)為旋流風(fēng)。側(cè)燃盡風(fēng)主要由中心風(fēng)，外二次風(fēng)組成。中心風(fēng)為直流風(fēng)，外二次風(fēng)為旋流風(fēng)。燃盡風(fēng)總風(fēng)量的調(diào)節(jié)通過風(fēng)箱入口擋板開度來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。圖1 HT-NR3燃燒器圖2 燃燒器布置圖3 燃燒器配風(fēng)情況針對實際運行中CO排放濃度高的問題，電廠技術(shù)人員對

11、燃燒器配風(fēng)進(jìn)行了調(diào)整。將每層的中間兩個燃燒器的外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度調(diào)整為50%，兩側(cè)的外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度調(diào)整為100%(其中E1、E2燃燒器因調(diào)風(fēng)器故障，處于全關(guān)狀態(tài))。中間兩個燃燼風(fēng)的三次風(fēng)擋板全關(guān)，二次風(fēng)和三次風(fēng)調(diào)風(fēng)器則全開。電廠3號鍋爐燃燒器配風(fēng)情況見表3。表3 電廠3號鍋爐燃燒器配風(fēng)A/F/B/D/C層燃燒器外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度100/100/50/50/100/100E層燃燒器外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度0/0/50/50/100/100燃燒器內(nèi)二次風(fēng)擋板開度100側(cè)燃燼風(fēng)一次風(fēng)擋板開度100側(cè)燃燼風(fēng)二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度100燃燼風(fēng)一次風(fēng)擋板開度100燃燼風(fēng)二次風(fēng)擋板開度100燃燼風(fēng)二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度1

12、00燃盡風(fēng)三次風(fēng)擋板開度100/100/0/0/100/100燃燼風(fēng)三次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度1004 試驗設(shè)備和試驗方法空氣預(yù)熱器進(jìn)、出口截面用網(wǎng)格法測量，在負(fù)荷穩(wěn)定3個小時之后，每1015min測量一次數(shù)據(jù)。試驗測量儀器采用了西門子公司的U23煙氣分析儀和PMA10順磁氧量計。5 試驗結(jié)果分析5.1 氧量對CO排放量影響3號鍋爐6臺磨運行帶滿負(fù)荷，不同運行氧量下空預(yù)器進(jìn)口的CO排放濃度分布如圖3圖5所示，入爐煤質(zhì)為澳洲煤：印尼煤1:5，煤質(zhì)參數(shù)如表5所示。測試工況條件如表4所示。表4 3號鍋爐CO排放測試條件項目數(shù)值負(fù)荷600MW磨煤機(jī)/煤種AF澳洲：印尼1：印尼2=2:1:1BDEC印尼3：印尼1

13、：印尼2=2:1:1原煙氣SO220502300mg/m3前墻燃燼風(fēng)(A/B)51% / 45%后墻燃燼風(fēng)(A/B)22% / 60%C層(A/B)73% / 71%E層(A/B)77% / 66%D層(A/B)96% / 83%B層(A/B)96% / 83%F層(A/B)75% / 100%A層(A/B)100% / 100%表5 測試時的煤質(zhì)參數(shù)煤種澳洲煤印尼1印尼2印尼3Mt(%)9.626.621.623.9Aar(%)20.344.727.1310.82Vdaf(%)36.7650.2348.4853.8St,ar(%)0.41.071.050.55Qnet,ar(kcal/kg)

14、5329445947964663由圖3可見，在3.0%氧量下(空預(yù)器進(jìn)口，干基)，空預(yù)器進(jìn)口CO平均排放濃度僅為107ppm，NOx平均濃度為261mg/m3(NO2, 6%氧量下)。脫硫出口凈煙氣在線的CO平均濃度為176mg/m3(波動范圍26466 mg/m3)，排放濃度不穩(wěn)定，隨運行時間增加，排放濃度呈下降趨勢，總體CO排放濃度不高?？疹A(yù)器進(jìn)口O2和NOx分布基本呈兩側(cè)低、中間高分布。而CO則相反，呈兩側(cè)高、中間低分布，與運行氧量的變化呈正向變化趨勢。對于對沖燃燒鍋爐，可以認(rèn)為煙氣流線整體上并不會發(fā)生顯著的扭轉(zhuǎn)或拐彎、偏斜等，尾部煙道兩側(cè)的煙氣中CO 含量增大即可基本表征了爐膛兩側(cè)水冷

15、壁區(qū)域的還原性氣氛相對增強(qiáng)6。圖3 3號鍋爐空預(yù)器進(jìn)口煙氣成分分布(600MW, 3.0% O2)如圖4所示，降低運行氧量至2.6%(空預(yù)器進(jìn)口，干基)時，空預(yù)器進(jìn)口處氧量分布相對均勻，A側(cè)靠邊位置氧量相對偏低，CO排放濃度較高，CO平均排放濃度升高至299ppm。NOx平均濃度為265mg/m3(NO2, 6%氧量下)，略有升高。脫硫出口凈煙氣在線的CO平均濃度為499mg/m3(波動范圍1861029 mg/m3)，排放濃度同樣不穩(wěn)定，隨運行時間增加，排放濃度呈升高趨勢。A側(cè)靠邊位置CO排放濃度較高，分析認(rèn)為主要應(yīng)受E1、E2燃燒器外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器故障全關(guān)及F層A側(cè)二次風(fēng)箱擋板開度相對偏小影

16、響。爐膛總氧量相對降低時，A側(cè)氧量的偏低趨勢增大，貼壁處的還原氣氛增強(qiáng)，CO排放濃度增高。圖4 3號鍋爐空預(yù)器進(jìn)口煙氣成分分布(600MW, 2.6% O2)如圖5所示，提高運行氧量至3.8%(空預(yù)器進(jìn)口，干基)時，空預(yù)器進(jìn)口氧量分布A側(cè)仍舊相對低一些，CO排放濃度也相對高一些，CO平均排放濃度升高至299ppm。NOx排放濃度相對B側(cè)偏低，NOx平均濃度為308mg/m3(NO2, 6%氧量下)，升高約15%。脫硫出口凈煙氣在線的CO平均濃度為174mg/m3(波動范圍54507mg/m3)，排放濃度同樣不穩(wěn)定，隨運行時間增加，排放濃度趨勢較平穩(wěn)。提高運行氧量至3.8%與運行氧量至2.6%對

17、比，可見，隨氧量提高，CO平均排放濃度降低，NOx平均濃度升高。運行氧量提高3.8%后，爐膛總體氧量相對較平穩(wěn)，而在煙氣中CO排放濃度在預(yù)熱器進(jìn)口中部出現(xiàn)峰值，分析受煤粉細(xì)度及煤粉濃度偏差影響較大，存在爐內(nèi)局部燃燒不完全現(xiàn)象。圖5 3號鍋爐空預(yù)器進(jìn)口煙氣成分分布(600MW, 3.8% O2)如圖6所示，CO和NOx隨氧量的變化曲線圖，其中CO和NOx均采用脫硫系統(tǒng)出口凈煙氣的在線數(shù)據(jù)。當(dāng)氧量大于3.0%后，隨氧量增大對降低CO排放的效果不明顯，反而使NOx排放明顯上升。綜合考慮CO和NOx變化影響趨勢，鍋爐運行氧量維持在3.0%較為合適。圖6 3號鍋爐CO和NOx排放濃度隨氧量的變化5.2

18、燃燼風(fēng)量變化對CO排放量影響表6試驗研究了燃燼風(fēng)量對CO排放濃度的影響。在維持鍋爐總氧量不變前提下，隨著主燃燒器的二次風(fēng)門適當(dāng)關(guān)小，燃燼風(fēng)門適當(dāng)開大，CO和NOx排放濃度均呈下降趨勢。主燃燒器區(qū)域風(fēng)量減少，尾部煙氣中CO含量降低。說明鍋爐的燃燼風(fēng)穿透力不足，使主燃燒器區(qū)生成的CO無法完全在燃燼區(qū)氧化。表6 燃燼風(fēng)調(diào)整對CO和NOx排放的影響項目燃燼風(fēng)1燃燼風(fēng)2負(fù)荷600MW600MW前墻燃燼風(fēng)(A/B)40/5367/68后墻燃燼風(fēng)(A/B)33/3966/66C層(A/B)65/6356/53E層(A/B)74/8150/61D層(A/B)89/9666/62B層(A/B)97/9655/6

19、1F層(A/B)77/9961/73A層(A/B)100/10075/92燃燒器前風(fēng)箱壓力kPa0.700.35CO(mg/m3)344(220454)73350NOx(mg/m3)2492206 控制措施針對前后墻對沖旋流燃燒煤粉鍋爐，由于配風(fēng)不均造成的CO排放濃度較高現(xiàn)象，試驗分析，采取以下主要控制措施可有效降低CO排放濃度：(1)消除E1、E2燃燒器二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器故障缺陷，保證風(fēng)門開關(guān)好用。重新調(diào)整各燃燒器外二次風(fēng)的開度，加大兩側(cè)二次風(fēng)量，以改善側(cè)墻水冷壁管附近的還原性氣氛?？蓪⑼瑢尤紵?號和6號燃燒器的外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度100%，中部2號至5號燃燒器的外二次風(fēng)調(diào)風(fēng)器開度80%。(2)關(guān)小側(cè)燃燼風(fēng)二次風(fēng)擋板，關(guān)小燃盡風(fēng)二、三次風(fēng)擋板，使得直流風(fēng)量增加，增強(qiáng)直流風(fēng)的剛性，從而提高直流風(fēng)穿透到爐膛中心的能力;提高爐膛風(fēng)箱間差壓和燃燼風(fēng)穿透力，使主燃燒器區(qū)生成的CO能夠在燃燼區(qū)氧化完全。(3)減小爐膛漏風(fēng)及備用燃燒器的冷卻風(fēng)量。在一定的運行氧量下,當(dāng)鍋爐在低負(fù)荷運行勢必使燃燒區(qū)域風(fēng)量減少或利用率降低,進(jìn)而造成燃燒區(qū)域整體或局部區(qū)域缺氧現(xiàn)象的加重，