低NOx切向燃烧系统的改造及性能优化试验

宁新宇, 梁绍华, 岳峻峰, 张恩先, 黄 磊

(1.江苏方天电力技术有限公司,南京211102;2.江苏省电力试验研究院有限公司,南京210029)

某电厂3号机组原为亚临界压力再热式直流锅 炉,锅炉蒸发量为1 025 t/h.由于早期的直流锅炉在运行可靠性、灵活性以及调峰能力方面均明显低于汽包锅炉,这对机组参与市场竞争十分不利[1];同时,为适应当前日益严格的环保要求,对该机组的锅炉进行了改造,其改造内容包括:将直流锅炉改造为汽包锅炉,以提高机组的调峰能力;同时改造燃烧器的结构布置,在保证机组锅炉热效率的同时,降低锅炉NOx的排放浓度,达到环保相关的要求.通过对改造前、后机组运行状况的比较可知:机组的调峰能力得到了提高,但机组运行时却存在飞灰含碳量偏高、主蒸汽和再热蒸汽温度偏低及炉膛塌焦等问题.针对存在的问题,笔者对该机组的锅炉进行了相关的优化试验与研究.

1 设备概况

该厂3号机组经改造后的锅炉是上海锅炉厂设计制造的SG 1025/16.81-M 748型亚临界压力、一次再热控制循环锅炉:其结构为单炉膛、倒 U型露天布置、后烟井双烟道、四角切圆、再热汽温挡板调节、平衡通风、全钢架悬吊结构和固态排渣,其燃用煤种为烟煤.

2 燃烧器改造

改造前,燃烧器为直流型式,每个燃烧器由12层喷嘴组成,其中煤粉喷嘴为5层,二次风喷嘴为7层,呈间隔布置,炉膛为同心反切四角燃烧,假想切圆直径分别为:φ内=730 mm,φ外=1 180 mm;其中,一次风量占总风量的 21%,二次风量占总风量的79%.

经改造后,采用低 NOx切向燃烧系统(LNTFS),燃烧器成对冲布置.为了控制锅炉左右侧的烟温偏差,采用二次风喷嘴偏转的方法,将大部分二次风喷嘴按顺时针方向偏转,其中AB、BC、DE层为7°偏转,CD层为 15°偏转,以此达到驱使炉内气流作顺时针方向旋转的目的,此部分二次风为起转二次风;而 AA、EF层的偏转角度为 0°;顶部OFA(FF)层二次风成逆向25°布置,使进入燃烧器上部区域的气流旋转强度削弱甚至消除.在燃烧器区域的这种布置有利于在炉膛中心形成富燃料区,而在四周水冷壁形成富空气区,这有利于煤粉着火稳定,结焦和高温腐蚀倾向低,还可降低NOx的生成.同时,为了提高机组的调峰能力,专门为燃烧器喷嘴配置了百叶窗煤粉浓缩器,将一次风在水平方向上分成浓度适当的两股:一股将浓煤粉气流从火侧切向喷入炉膛;另一股将淡煤粉气流在浓煤粉气流与水冷壁之间切向喷入炉膛.这样,既有利于提高煤粉的着火性能,也有利于在煤粉壁面形成氧化性气氛,提高灰熔融温度,阻止燃烧的煤粉颗粒冲刷水冷壁.燃烧器具体布置示于图1.从图1可知:为进一步降低NOx的排放浓度,增设了2层分离式燃尽(SOFA)风.该SOFA风喷嘴可上下摆动30°,左右摆动 15°.改造后,一次风量占总风量的比重为18.7%,二次风量占总风量的比重为81.3%,与改造前比,一次风量的比重有所下降,而二次风量的比重有所上升,这有利于降低NOx的生成.改造后燃烧器各风门的尺寸与分布列于表1.

图1 燃烧器布置示意图Fig.1 Schematic of the arrangement of burners

表1 改造后燃烧器各风门的尺寸与分布Tab.1 Sizes and collocation of air damper of the burners after retrofit

3 优化试验与结果分析

3.1 试验内容

结合现场实际情况,进行了相关试验研究,其包括:习惯运行工况试验,改变省煤器出口氧量试验,改变二次风配风方式试验及改变SOFA风试验.

3.2 试验结果与分析

3.2.1 习惯运行工况试验

在进行优化试验前,先进行了习惯运行工况试验.表2为机组改造前后的对比工况试验数据,在表2中,主蒸汽和再热蒸汽出口温度、省煤器出口氧量、飞灰含碳量均为两侧平均值,锅炉热损失及锅炉热效率均为修正值.改造后的习惯运行工况试验结果显示:与改造前比,飞灰含碳量明显偏高,主蒸汽温度偏低,排烟温度比改造前明显下降.主蒸汽温度偏低可能是由于蒸发受热面与过热器受热面吸热量分配不匹配引起的;另外,NOx排放浓度下降明显,比改造前下降了约100 mg/m3,这是燃烧器改造的缘故.但改造后飞灰含碳量偏高,比改造前升高了约5.62%,导致机械不完全燃烧热损失比改造前增加1.70%,这除了与煤质变化及运行状况有关外,主要还是由于燃烧器改造后影响了煤粉颗粒的燃尽,并严重影响了改造后锅炉热效率的提高.同时,由于主蒸汽温度偏低,运行人员需将燃烧器摆角放置在较高位置,这种做法一方面更不利于煤粉的燃尽;另一方面可能会加重机组运行时所存在的塌焦问题,从而影响到机组的安全稳定运行[2].因此,根据机组的实际状况,进行了以下一些试验.

表2 机组改造前后工况的试验数据对比Tab.2 Test data comparison before and after retrofit of the unit

3.2.2 改变省煤器出口氧量的试验

锅炉运行氧量的大小对锅炉运行的性能影响很大.改变省煤器出口氧量的试验主要是为了找出使锅炉热损失最小的运行氧量值,但此时需考虑到低氧运行时炉膛内壁面高温腐蚀的发生[3].图2为运行氧量对锅炉热损失的影响.从图2可知:当运行氧量从1.9%上升到3.8%时,总热损失(q2+q3+q4)呈先降后升的趋势,机械不完全燃烧热损失(q4)呈下降趋势,但总体上热损失还是较大,这与燃烧器的布置和相关配风方式有关.

在试验期间,对燃烧器顶部与SOFA风喷口上部附近处炉膛内壁面的烟气成分进行了测量.表3为炉膛内壁面O2和CO浓度测量结果.从表3可知:随着运行氧量的增加,CO浓度呈降低趋势,O2浓度呈上升趋势,同时烟气在炉膛内的上升过程中,CO与O2含量都逐步减少;在低氧量(1.9%)运行时,炉膛内壁面从燃烧器顶部到SOFA风喷口上部,还原性气氛明显,这对机组长期运行带来安全隐患.这是因为水冷壁的高温腐蚀与还原性气氛的存在有极其密切的关系,在水冷壁空气不足的部位,未燃尽的煤粉在水冷壁管附近缺氧燃烧,产生的还原性气氛不利于硫的完全燃烧和SO2的生成,导致硫化氢与铁发生急剧反应,引起管子高温腐蚀.此外,由于强还原性气氛也会导致灰熔点下降,从而引起锅炉结渣[3].当氧量增加后,炉膛内的氧量也显著增加,在炉膛内壁面形成富氧区域,这一方面与运行氧量的增加有关;另一方面与将二次风设置了偏置角度有关,炉膛内壁面富氧区域的形成有利于锅炉的安全运行.图3为运行氧量对锅炉热效率和NOx排放浓度的影响.从图3可知:锅炉NOx排放浓度(折算到6%O2)随氧量的增加而上升,修正后锅炉热效率先升后降.经综合比较,在 300 MW 负荷下,合适的运行氧量为3.1%左右,但由于机组存在塌焦现象,所以应适当增大机组运行氧量,强化炉膛内“风包火”的烟气流场,以利于减轻炉膛内水冷壁的结焦[4-5].

图2 运行氧量对锅炉热损失的影响Fig.2 Effect of operational oxygen content on heat loss of the boiler

表3 炉膛内壁面O2和CO浓度的测量结果Tab.3 Measuring results of the O2and CO concentration on the inner wall of the furnace

图3 运行氧量对锅炉热效率与NOx排放浓度的影响Fig.3 Effect of operational oxygen content on boiler thermal efficiency and NOxemission concentration

3.2.3 改变二次配风的试验

在改变氧量的试验基础上,进行了改变二次风配风的试验.不同的二次风小风门开度组合可以改变炉内空气动力场及沿炉膛高度方向的风粉配比:一方面,可以调整炉内火焰中心高度,影响排烟温度、飞灰和炉渣可燃物,直接关系到锅炉热效率;另一方面,还会影响NOx的排放[6].为优化二次风配风方式,选取了3种不同的二次风小风门开度组合进行试验.在进行风门开度配置时,考虑到炉内总风量一定,而煤粉颗粒在高温区的停留时间较短,因此在燃料富燃极限内提高氧气的浓度,有利于提高氧气和煤粉颗粒的反应速度.此外,在机组运行状况下存在飞灰含碳量偏高的问题,为此,需在燃烧初期保持足够的风量,以保证煤粉颗粒在高温区燃尽,同时也有利于降低炉渣含碳量[7-8].各试验工况的二次风配风方式列于表4.

表4 各试验工况的二次风配风方式Tab.4 The secondary air distribution modes of each test condition %

图4、图5所示分别为不同的二次配风对锅炉热效率及NOx排放浓度影响.从图中可看出:均布配风与束腰配风的锅炉热效率基本相当,均较高,而正塔配风时的锅炉热效率最低,这主要是由飞灰含碳量的变化造成的,其原因一方面是在均布与束腰两种配风方式中,底部二次风风门开度较大,关小燃烧器中间区域二次风开度,有利于降低飞灰含碳量[8];另一方面是在当前燃烧器的布置方式下,中间层二次风CD层偏转角度较大,位置较高,底层二次风偏转角度较小,这种布置方式会影响炉内切圆运转的稳定性,因而导致炉内流场紊乱,影响煤粉的着火与燃尽.而在正塔配风方式中,CD层风门开度相对较大,其试验结果也印证了上述分析.对于NOx排放浓度,束腰配风最低,正塔配风与均布配风基本相当,这是由于采用束腰配风方式提高了燃烧器底部一次风喷口区域煤粉量与风量之比,而NOx的生成量主要取决于局部化学当量比,因此采用束腰配风方式时NOx排放浓度较低[9-10].

图4 二次配风对锅炉热效率的影响Fig.4 Effect of secondary air distribution on boiler thermal efficiency

图5 二次配风对NOx排放浓度的影响Fig.5 Effect of secondary air distribution on NOx emission concentration

图6为二次配风对锅炉主蒸汽和再热蒸汽温度的影响.从图6可知:对于锅炉主蒸汽温度,不论是束腰配风方式还是正塔配风方式,在燃烧器摆角基本一致的情况下,其主蒸汽温度均低于均布配风方式下的原因是:①在均布配风方式下,燃烧器区域二次风风门开度总体上小于束腰和正塔2种配风方式,使燃烧器区域的总风量低于后两者配风方式,因此延长了煤粉的着火时间,导致炉膛火焰中心的上升.同时,由于关小燃烧器中上部二次风风门(相对于束腰与正塔配风方式),使燃烧器底部二次风风量增大,刚性增强,形成的“托底风”对火焰中心起抬升作用,同时在总风量保持不变的情况下,炉膛上部风量增大,这样一方面可均衡炉膛温度,提高炉膛出口烟温[2,11];另一方面还有利于强化燃烧器顶部的燃烧,降低飞灰含碳量,提高燃烧效率,这些都有利于提高和稳定锅炉主蒸汽温度.②在二次风束腰配风方式下,随炉膛下部大量二次风送入,炉内烟气顺时针动量增大,但会随着烟气向炉膛顶部的上升而衰减[12],当进入炉膛上部时,上部大量二次风的送入使反切的二次风很难克服烟气顺时针的旋转动量,造成屏区烟气流速的偏差,进而导致烟气温度的偏差;对于正塔配风方式,由于顶部二次风风量较小,烟气上升时动量衰减,在上部反切二次风的作用下,有可能改变烟气的旋转方向,而且在当前燃烧器系统布置下,顶部的反切二次风使烟气发生反转的可能性增大;对于均布配风方式,处于束腰配风与正塔配风之间,有利于减轻炉膛出口烟气偏差,同时可防止烟气反转的出现[13].

图6 二次配风对主蒸汽和再热蒸汽温度的影响Fig.6 Effect of secondary air distribution on temperature of superheated steam and reheated steam

因此,综合考虑锅炉热效率、NOx排放浓度、主蒸汽和再热蒸汽温度及烟气的残余旋转等因素,笔者认为采用均布配风方式较好.

3.2.4 改变SOFA风风门的试验

在改变SOFA风风门的试验中,进行了3次试验,SOFA风风门开度分别为45%、75%和100%,运行氧量约为3.3%.在试验中,随着SOFA风风门开度的增大,灰渣含碳量减少,锅炉热效率呈不断提高趋势,NOx排放浓度(折算到6%O2)则呈降低趋势.图7和图8分别为SOFA风风门开度对灰渣可燃物热损失和锅炉热效率与NOx排放浓度的影响.由图可知:通过增大SOFA风风门开度,强化了对炉膛顶部烟气的后期扰动,及时补充了碳颗粒后续燃烧所需的氧量,使飞灰含碳量减少,提高了锅炉热效率.但在试验中,当SOFA风风门开度从45%提高到100%时,NOx排放浓度只降低了11 mg/m3,其原因是:①燃烧器采用了百叶窗式煤粉浓缩器配合WR煤粉喷嘴,使燃烧器区域形成较强的富燃料区,有利于降低NOx的生成,使NOx的排放浓度降低;②由于SOFA风量设计偏小,对NOx排放浓度的影响较小.在运行中,为提高锅炉热效率及降低NOx排放浓度,建议宜将SOFA风风门全开.

图7 SOFA风门开度对灰渣可燃物热损失的影响Fig.7 Effect of SOFA opening on heat loss of unburned carbon content in slag

图8 SOFA风风门开度对锅炉热效率与NOx排放浓度的影响Fig.8 Effect of SOFA opening on boiler thermal efficiency and NOx emission concentration

3.3 塌焦现象分析

在机组运行过程中,炉膛存在塌焦现象.炉膛结渣的原因很多,例如煤质、炉膛内温度、炉内空气动力场、炉膛结构特性参数及燃烧器布置方式等[14-15],除煤质外,炉膛结构特性参数与燃烧器布置方式也直接影响炉内空气动力场,同时影响炉膛内温度.在炉膛结构特性参数基本不变的情况下,燃烧器布置方式成为炉膛塌焦主要影响因素.根据改造后燃烧器的结构与布置,以及运行中炉膛出口烟温偏转出现反转的情况,炉膛塌焦的原因可能是:在燃烧器对冲布置下,起转二次风的位置偏高,底部偏转二次风的角度偏小,导致炉内烟气旋转不稳定,同时在反切二次风的作用下,炉内烟气流场的稳定性受到影响,并进而影响到煤粉燃尽,同时也使烟气中的液态灰滴在气力作用下接触到受热面形成结渣.因此,在后续工作中,应考虑在改变起转二次风的位置时,综合考虑调整底部二次风的偏转角度,以使炉内烟气流场稳定.

4 结 论

(1)通过对燃烧器进行改造,降低了NOx的排放浓度,但飞灰含碳量明显增大.

(2)为降低飞灰含碳量,提高蒸汽温度,减轻炉膛塌焦现象,应将省煤器出口氧量控制在较高水平改变二次风的试验结果表明:二次风采用均布配风方式最佳.

(3)增大SOFA风门开度可降低飞灰含碳量,但对NOx 排放浓度影响不显著.

(4)在燃烧器布置时,底层起转二次风的偏转角度与位置需要与一次风的假象切圆大小相配合,以使炉内烟气流场稳定.为了保证炉膛内切圆大小适中,需在后续工作中对这方面的问题作进一步的研究.

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