大型天然气/煤粉双燃料热水锅炉的运行状况研究

裴 军

（济南热电集团济南和仁热力有限公司，山东 济南 250000）

随着世界气候变化形势越来越严峻，中国于2020年9月正式提出“双碳”目标[1]。燃煤行业作为碳排放的大户，面临着巨大的挑战，因此拓宽燃料种类的适应性是燃煤锅炉的紧急任务[2]。双燃料燃烧概念受到了越来越多研究人员的关注，目前主要集中在天然气/柴油在汽车发动机领域的研究，天然气/煤粉双燃料在燃烧器方面的研究涉及很少[3-5]。煤科院节能技术有限公司一直致力于该领域的研究，成功研制天然气/煤粉双燃料燃烧器，并将其转化投产于济南热力集团浆水泉供热公司的70 MW 供暖热水锅炉，以燃气为主要燃料，燃煤为托底保障，为降低碳排放做出贡献[6-10]。本文在70 MW 热水锅炉上燃用天然气和煤粉，通过改变不同供热负荷以研究其运行状况。

1 研究对象

1.1 锅炉本体简介

天然气/煤粉双燃料热水锅炉为立式煤粉室燃结构，炉膛由前墙、左侧墙、右侧墙、后墙膜式壁等组成，对流区为锅壳式结构。当额定功率为70 MW 时，排烟温度＜120 ℃，额定压力为1.6 MPa，从而使锅炉热效率≥90%，该锅炉在顶部垂直布置两台天然气/煤粉双燃料燃烧器，火焰下喷。炉膛顶部每个燃烧器出口处设置了4 个顶部风喷嘴，在炉膛中部设置了8 个炉膛中部风喷嘴，可满足在燃烧不同燃料时根据燃烧特性设置不同的配风方式，利用分级配风，实现不同燃料的高效率燃烧和污染物低排放浓度。

图1为炉膛中部风位置示意图。高温烟气在炉膛内从上而下经换热后进入转弯烟室，再经过高温受热面和省煤器进一步换热后进入SCR 进行烟气脱硝，脱硝后的烟气继续经低温受热面换热后进入布袋除尘器、脱硫塔以及湿电除尘器进行后续烟气净化，处理完毕的烟气通过烟囱排放入大气中。

图1 炉膛中部风位置示意图

1.2 天然气/煤粉双燃料燃烧器简介

天然气/煤粉双燃料燃烧器结构示意图如图2所示。

图2 天然气/煤粉双燃料燃烧器结构示意图

天然气/煤粉双燃料燃烧器是一款可实现两种燃料快速切换的低氮燃烧器，负荷调节范围为50%～110%。该燃烧器由预燃锥、一次风管、二次风管和天然气管等组成，其二次风通道装有切向旋流叶片，旋流强度为2.5。

2 试验结果分析

本试验在70 MW 锅炉上分别燃烧煤粉和天然气，通过测量不同负荷下的炉膛温度以及污染物排放浓度分析该锅炉的运行效果。

2.1 燃用煤粉运行结果

本试验所用煤种为神府东胜烟煤，其煤质分析结果如表1所示。图3为炉膛内部的温度分布和炉膛负压分布图。从图中3 可以看出，随着负荷上升，炉膛内的温度逐渐上升，但炉膛内的负压波动变化较小，上下浮动为5 Pa，表明锅炉在燃用煤粉时运行比较稳定。炉膛右侧的温度比左侧温度高，表明炉内火焰发生偏移，右侧的燃烧强度大于左侧，右侧水冷壁容易被冲刷。炉膛左侧温度随着燃烧进程向下移动逐渐上升，但是中部温度微微降低，是因为该位置附近加入了冷的炉膛中部风，导致局部温度下降。炉膛右侧温度应该呈现出与左右相似的温度分布规律，但是由于炉内火焰向右侧移动，导致炉膛中部温度局部有微小下降趋势，炉膛右侧下部温度偏高，进一步证实了炉膛内火焰向右侧偏移。

表1 煤质分析

图3 炉膛温度和负压分布图

图4为烟气中污染物排放质量浓度分布图。从图4中可以看出，污染物初始排放质量浓度随着负荷增加而上升，主要原因是燃烧煤粉量上升，SO2和燃料型NOx生成量增加[11]，NOx初始排放质量浓度最高达572 mg·m-3，SO2初始排放质量浓度最高达705 mg·m-3；烟气经过脱硝、除尘和脱硫设备后，NOx最终排放质量浓度最高为80.1 mg·m-3，SO2和颗粒物最终排放质量浓度最高分别为1.95 mg·m-3和1.34 mg·m-3，可以实现烟气污染物的达标排放。

图4 烟气污染物排放质量浓度分布图

2.2 燃用燃气运行结果

本试验所用燃气的检测结果如表2所示。

表2 燃气化验结果表

图5为炉膛内部的温度分布和炉膛负压分布图。

图5 炉膛温度和负压分布图

从图5中可以看出，该锅炉在燃用燃气时，炉膛内的负压波动小于40 Pa，运行稳定。随着负荷上升，炉膛内部的温度逐渐上升。炉膛右侧温度比炉膛左侧温度高，表明炉膛右侧的燃烧强度大。当燃料为燃气时，其在炉膛内的分布情况较煤粉受配风分布的影响较大。在相同负荷下，炉膛右侧燃气工况与燃煤工况的温度差比在左侧温度差大，表明燃气情况下在炉膛内的火焰向右偏移程度更大，即表明炉膛内部火焰偏移主要是由炉膛内部的配风不均匀造成的，而不是供料不均匀，右侧风量明显大于左侧风量。

烟气中污染物排放质量浓度分布如图6所示。随着负荷上升，NOx初始排放质量浓度也上升，这是因为炉膛内部的温度上升，温度型NOx生成量增加[12]；烟气只经过脱硝设备，NOx最终排放质量浓度不超过21.8 mg·m-3，可以实现NOx超低排放要求。

图6 烟气排放浓度分布图

3 结 论

本文研究了70 MW 双燃料热水锅炉在燃用天然气和煤粉时的运行情况，得出结论如下：

1）该锅炉在燃用煤粉或者天然气时，随着负荷上升，炉膛内部温度逐渐上升，炉膛内负压波动较小，均可实现稳定运行。

2）该锅炉在燃用煤粉时，NOx最终排放质量浓度不超过80.1 mg·m-3，SO2和颗粒物最终排放质量浓度不超过别为1.95 mg·m-3和1.34 mg·m-3；在燃用燃气时，NOx最终排放质量浓度不超过21.8 mg·m-3，均可以实现烟气污染物的达标排放。

3）该锅炉炉膛内部火焰发生偏移现象，其主要原因是炉膛内部配风不均匀，右侧风量明显大于左侧风量，需在运行时注意风量调节，同时在检修时关注管道变形情况。