超臨界700mw機組鍋爐冷態(tài)點火啟動試驗研究

超臨界700mw機組鍋爐冷態(tài)點火啟動試驗研究

氧氣富氧燃燒技術是一種將氧氣含量高于空氣中氧氣含量的新節(jié)能輔助技術。可與微油燃燒技術相結合，實現(xiàn)對電氣爐冷態(tài)火的啟動，減少對低負荷和高油耗的穩(wěn)定燃燒。目前,國內外雖然對富氧燃燒都進行了廣泛的研究,但富氧點火技術在電站燃煤鍋爐冷態(tài)啟動和低負荷穩(wěn)燃的應用鮮見報道。1燃燒氣體溫度和燃燒溫度對煤粉燃燒的影響通常空氣中的O2含量為20.93%,參加燃燒的O2僅占空氣的1/5,而占空氣4/5的氮氣和惰性氣體不參與燃燒,反而帶走大量的熱,降低了火焰溫度。高純度氧氣對油槍火焰、油煤混合火焰及煤粉火焰的助燃十分有效,提高燃燒氣體中的O2濃度,會減少氮氣濃度,降低燃燒氣體用量,進而使煙氣量減小。固/液體燃料燃燒后的煙氣量為:式中:V0、I0分別為燃燒反應理論煙氣量和所需理論空氣量,;C、S、H、W、N、O分別為燃料中碳、硫、氫、水分、氮、氧含量;O2為空氣中O2含量。燃燒后的煙氣量減少,會導致火焰溫度顯著提高。理論火焰溫度t為:式中:Q1為燃燒的低位發(fā)熱值;Q2為助燃空氣物理熱值;Q3為燃料物理熱值;Q4為燃料分解熱值;Vy為燃料燃燒后產(chǎn)生的氣體;c為燃燒氣體的比熱容。隨著燃燒氣體中O2濃度的增加,理論火焰溫度逐漸升高,但上升幅度會逐漸減小,研究發(fā)現(xiàn)O2濃度在26%~31%時助燃效果最佳。燃燒氣體的O2濃度與燃燒反應速度密切相關,尤其在燃燒固/液體燃料時,提高O2濃度可大大提高燃燒反應速度,進而提高燃燒強度w:式中:Cm=C1×CO2,其中C1、CO2分別為燃氣和空氣中的氧濃度;K為碳粒燃燒的化學反應速度常數(shù);R為通用氣體常數(shù);T為熱力學溫度。富氧燃燒會降低煤粉的著火溫度和燃盡溫度,縮短燃盡時間。煤粉粒徑為75~106mm時,O2濃度從21%提高到100%可使無煙煤和煙煤的著火溫度分別降低了76、31℃,燃盡溫度分別降低了76、138℃,煙煤燃盡溫度的降幅比著火溫度更大。當鍋爐排煙溫度一致時,燃燒氣體含氧量為25%時,可節(jié)能15.3%;燃燒氣體含氧量為29%時可節(jié)能26.4%。在以氣、油、煤為燃料的發(fā)電機組上進行富氧燃燒試驗,得到燃燒氣體含氧量為23%時可節(jié)能10%~25%;燃燒氣體含氧量為25%時可節(jié)能20%~40%;燃燒氣體含氧量為27%時可節(jié)能30%~50%。試驗證實,采用富氧助燃技術的鍋爐煙塵排放量全部達標。富氧點火技術是在微油點火技術的基礎上,結合深入一次風管內部的點火技術,通過環(huán)形噴嘴將助燃所需的氧氣送入點火燃燒器內部,使其直接與高濃度煤粉湍流混合形成高煤粉濃度、高溫度、高氧量區(qū)域。點火燃燒器內局部區(qū)域O2濃度的提高,不僅提高了局部燃燒溫度,還進一步降低了煤粉的著火溫度,加快了反應速度,縮短了著火時間,大大提高了煤粉在純冷態(tài)下的著火穩(wěn)定性。2燃燒系統(tǒng)配置某電廠二期2×670MW機組鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運行SG2102/25.40-M954型螺旋管圈直流爐,單爐膛、一次中間再熱、四角切圓燃燒方式、平衡通風、Π型露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結構。該機組爐后尾部布置2臺轉子直徑為14236mm的三分倉容克式空氣預熱器,鍋爐設計燃用山西晉中地區(qū)貧煤,煤質分析見表1。該鍋爐燃燒系統(tǒng)采用6臺BBD3854型雙進雙出磨煤機冷一次風直吹式制粉系統(tǒng),設計煤粉細度R200為82%。6臺磨煤機共24只直流式濃煤粉燃燒器和24只直流式淡煤粉燃燒器分6層布置于爐膛下部4角,煤粉和空氣從4角送入,在爐膛中呈切圓方式燃燒。每臺磨煤機連接4根煤粉輸送管,每根煤粉管道的燃燒器進口處配備1個濃淡分離裝置,將分離后的濃煤粉送入爐膛下部燃燒器,淡煤粉送入爐膛上部燃燒器。該鍋爐采用2級點火方式,先通過高能點火裝置點燃輕油,再點燃煤粉。燃燒系統(tǒng)配16支Y型蒸汽霧化油槍,每支油槍出力為2.5t/h,其中下3層燃燒器共12支油槍,每支油槍布置在相鄰2層濃煤粉噴嘴之間的直吹二次風噴嘴內;上1層燃燒器共4支油槍,每支油槍布置在第2和第3層淡煤粉噴嘴之間的直吹二次風噴嘴內。霧化蒸汽壓力為0.8~1.1MPa,霧化蒸汽溫度為28℃過熱度,但最高不超過250℃,油槍出力按30%MCR負荷設計。3煤調濕風道改造機組小修時將該鍋爐最下層濃、淡煤粉燃燒器均改為富氧+微油燃燒器;自下而上第2層濃煤粉燃燒器改為富氧+微油燃燒器,鍋爐啟動由全油方式改為富氧點火方式,以達到節(jié)油目的。2臺機組2臺爐配置1個供氧站,在磨煤機入口風道母管內另設1套風道加熱裝置,與原有暖風器共同為鍋爐冷態(tài)啟動磨煤機提供熱風。改造后濃煤粉燃燒器配主、輔2支油槍,淡煤粉燃燒器配1支主油槍。單支主油槍出力為150kg/h,輔油槍出力為100kg/h。濃煤粉燃燒器單角純氧流量為200m3/h,淡煤粉燃燒器純氧流量為100m3/h。液氧站的液氧罐容積為20m3。液氧氣化器的氣化出力為2000m3/h。風道加熱器設計3支油槍,單支出力設計值為200kg/h。4好氧助燃試驗在鍋爐冷態(tài)啟動時進行了富氧點火技術性能測試,結果表明在氧氣助燃情況下,爐膛火焰顏色明亮,燃燒器出口燃燒溫度明顯提高,冷態(tài)啟動全程不需要投入大油槍,改造效果良好。4.1改造前后粉碎量對比鍋爐冷態(tài)啟動過程中除塵器入口煙氣中的油污量為0.442t,同比計算較改造前減少80%;粉塵量(灰渣及未燃盡碳的混合物)約89.7t,較改造前減少50%。富氧點火方式明顯提高了油和煤的燃盡率,減弱了油污對靜電除塵器陰極線和陽極板結垢的影響,以及飛灰可燃物在除塵器內部或灰斗中自燃的風險,為鍋爐冷態(tài)啟動過程中靜電除塵器的盡早投入創(chuàng)造了有利條件。4.2噴口外火焰溫度變化試驗將最下層燃燒器濃煤粉(AR)層4只煤粉燃燒器上約1m處的觀火孔選擇為火焰溫度測點。在2012年5月19日約18:25至19:40期間1號~3號角氧槍開始全出力通氧,而4號角氧槍不投氧,19:40后4個角全出力通氧。圖1為噴口火焰溫度隨投氧時間的變化趨勢。由圖1可見,投氧前AR層4個噴口外火焰溫度偏差較小;當1~3號角噴燃器噴入氧氣后,其對應的火焰溫度快速上升,而4號角噴燃器外火焰溫度上升較慢,火焰溫度相對于其它噴口約低200~300℃;19:30以后4號角噴燃器噴入氧氣,4號噴口火焰溫度上升速度加快?？梢?氧氣通入可使火焰溫度快速上升,火焰亮度明顯提高,這有利于提高煤粉的燃盡率,節(jié)省點火用油。20:001號角噴燃器內油槍關閉,其火焰溫度開始降低,30min后迅速降低了550℃,20:30以后1號噴口火焰溫度緩慢上升,1h后僅上升了約100℃。由此可見,點火初期通入氧氣,可使火焰溫度迅速升高,但因爐膛溫度仍較低,故依然不能關閉油槍,否則將導致爐膛升溫速度較慢。5月20日2:30以后AR層噴口內油槍和氧槍已全部開啟,且已穩(wěn)定燃燒。圖2給出了AR層4支油槍和氧槍已全部開啟時的火焰溫度隨時間的變化曲線。由圖2可見,AR層各噴口的火焰溫度在1100~1200℃之間,燃燒情況較好。4.3降低氧化壓,提高燃盡率收集濾筒中的樣品測試飛灰含碳量,結果如圖3所示。由圖3可見,初始點火時,飛灰含碳量較高(達到近30%),此時燃盡率約為84.1%;隨著氧氣的通入,飛灰含碳量降低到20%以下,燃盡率升高至90.7%;點火后期爐溫逐漸升高,飛灰含碳量已穩(wěn)定在5%,此時燃盡率約為98%。可見,富氧助燃可有效促進點火階段煤粉的充分燃燒,降低飛灰可燃物含量,進而提高燃燒效率和燃煤經(jīng)濟性。4.4機組控制燃油該鍋爐從2012年5月19日17:10投油點火起,A磨煤機啟動,同時投油、投粉,至5月20日6:28機組負荷約為430MW時退出全部油槍,整個點火過程消耗燃油共24t。自5月19日18:25AR層4個噴口全出力投入氧氣,至5月20日6:28退出油槍,整個點火過程共耗純氧約31.5t。4.5機沖轉過程分析規(guī)程要求在鍋爐升壓開始階段,飽和溫度低于100℃時,升溫速率不得超過1.1℃/min,在汽輪機沖轉前,升溫速率不得超過1.5℃/min。該鍋爐從開始升溫升壓至機組負荷為430MW,主蒸汽溫度約570℃,機前壓力為16.8MPa時,撤除全部小油槍和氧槍,冷態(tài)啟動過程耗時13h。圖4為本次鍋爐冷態(tài)啟動的升溫升壓曲線。由圖4可見,鍋爐升溫升壓速度低于規(guī)程要求,啟動時間較長。