作者简介:张维侠(1977-),女,工程师,2000年毕业于西安交通大学,现在上海锅炉厂有限公司从事燃烧设计工作。
第5期张维侠:水平浓淡分离技术在660MW超超临界煤粉炉上的应用
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1.2煤种分析
从表1可见,设计煤种的工业数据为:煤全水分为7.30%,应用基挥发分为11.57%,应用基灰分为26.38%,应用基低位发热量22410kJ/kg,燃料比(固定碳(FC)/挥发物(VM))为4.73。校核煤种的工业数据为:煤全水分为8.00%,应用基挥发分为10.31%,应用基灰分为29.56%,应用基低位发热量21010kJ/kg,燃料比(固定碳(FC)/挥发物(VM))为5.06,另外,设计煤种的着火指数(Td)为629,,校核煤种的着火指数为631,,设计和校核煤种Td为613,~638,,属于难着火煤种。设计煤种的燃尽指数(RJ)为2.67,校核煤种RJ为2.68,设计和校核煤种的RJ>2.5~3.0,属于难燃尽煤种。设计煤种着火燃烧稳定性指数(RW)为4.66,校核煤种RW为
4.58,RW>4.0~4.66,属于难稳定煤种。设计煤种结渣性指数RZ为1.31,校核煤种RZ为1.156,RZ
2煤粉浓缩燃烧的理论及技术发展现状
根据煤粉燃烧理论和实验,可证明对于每种煤,其煤粉浓度都有一最佳值,在此浓度下其着火温度最低(即易着火),所需着火热最低。
2.1煤粉浓度对燃烧的影响
燃烧理论指出:时间、温度和混合是影响燃烧速度的3个主要因素,这一论点是在一定的煤粉浓度条件下得出的,然而它却使得人们在分析燃烧技术成败因素时往往忽略了煤粉浓度的影响。煤粉的燃烧以非均相反应为主,其反应速度主要由氧向颗粒表面扩散、吸附及表面反应两步决定,而与颗粒的表面积成正比。因此增加煤粉浓度,就等于增加单位体积内煤粉的表面积,从而增加了燃烧的化学反应速度。因此,提高煤粉浓度可以大幅度加快化学反应速度。
实际上,大量的理论分析及试验研究都证明了煤粉浓度对燃烧有重大的影响当煤粉浓度提高时,煤粉燃烧所形成的NOx减少,煤粉气流着火热减少,着火温度降低,着火时间缩短,着火点提前。因此,提高煤粉浓度无论对于提高火焰稳定性还是对于降低NOx排放都有很好的作用。
一次风煤粉浓度与着火存在一定的关系:即
煤粉空气混合物的着火温度随煤粉浓度升高而降低。一次风煤粉浓度增加,单位体积内的空气量随之减少,要求着火热即下降;由于煤粉浓度增加,煤粉析出的挥发分总量增多,反应物浓度增加,促成燃烧反应速度加快;其次由于煤粉浓度增加,煤粉流的黑度增大,着火区内吸收辐射热量增多,加快了火焰传播速度。因此在燃烧器出口附近的着火区形成了煤粉易着火而稳定燃烧的环境,这无疑对挥发分低、灰分高的劣质煤而言是极为有利的。
2.2煤粉浓缩技术发展现状
通过提高煤粉浓度来改善燃烧器的运行性能的方法很多,概况起来可分即燃烧器出口浓缩和燃烧器前浓缩。
2.2.1燃烧器出口浓缩
所谓燃烧器出口浓缩是指利用局部装置,使煤粉在燃烧器一次风火嘴出口产生局部分离,从而使煤粉局部浓缩,达到稳燃目的。具备燃烧器出浓缩特征的技术主要有钝体燃烧器,大速差射流燃烧器、多功能船形燃烧器等。
2.2.2燃烧器前浓缩
提高一次风煤粉浓度一直受煤粉输送手段的限制。对于低挥发分煤,理论上需要的一次风率很小,但是为了避免煤粉在管道内沉积,实际上都将依次风率增大到18%~20%。目前最后的方法是燃烧器前浓缩的方法,即在正常浓度的煤粉气流进入燃烧器前采用气固分离装置把煤粉气流分成浓淡两股,分别送入燃烧器的浓淡喷口,形成浓淡煤粉燃烧器,或称浓缩煤粉燃烧。采取这种燃烧方式的典型燃烧器有:高调节比(WR)燃烧器、PM燃烧器、PA X燃烧器、水平浓缩煤粉燃烧器。
3 设计方案
结合设计煤种,采用了燃烧器出口浓缩和燃烧器前浓缩,其中燃烧器出口浓缩采用了V形钝体,并采用了不对称水平周界风的方式,燃烧器前浓缩采用了百叶窗浓缩器及高调节比(WR)燃烧器,其目的均为能快速有效的点燃煤粉,并保证稳定燃烧,提高贫煤的燃尽率,进而提高燃烧效率,同时降低N Ox的排放量。
3. 1燃烧器内置V形钝体的机理
根据燃烧器的设计机理,为了合理地组织煤粉气流的空气动力场,一次风喷嘴内设置一
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锅 炉 技 术 第41卷
顶形线与阻塞率的钝体,与常规煤粉喷嘴设计比较,宽调节比(WR)煤粉喷嘴通过入口煤粉弯头的分离作用,浓煤粉从喷嘴上部喷入炉膛,淡煤粉从喷嘴下部喷入炉膛,同时喷嘴中装有V 型钝体,使得一次风在V型钝体前方形成稳定的回流区,卷吸高温烟气,起到稳定火焰的作用,从而有效降低N Ox的生成,延长焦碳的燃烧时间。 由于煤粉颗粒的惯性而产生局部煤粉富集,因此,除了高温回流作用之外,煤粉局部浓缩也是钝体燃烧器具有一定的稳燃性能的原因。钝体后的空气动力场如图1,在浓相侧的钝体采用了垂直方向和水平方向的布置,有利于卷吸高温烟气,形成了∀三高#的条件,有利于着火和低负荷稳定燃烧,钝体燃烧器空气动力特性见图1。
图1 新型燃烧嚣空气动力特性示意
3.2不对称水平周界风的设计
本工程水平方向的设计为不对称结构,其中向火侧周界风量小,背火侧周界风大,其目的是在向火侧煤粉浓度大,而空气量小,形成低的风煤比,即煤粉浓度较大,有利于着火和低负荷稳定燃烧;而在背火侧,风量较大, 目的是防止水冷壁区域结渣和高温腐蚀。
3.3百叶窗燃烧器的工作原理
利用百叶窗煤粉浓缩器将一次风在水平方向上分成浓度差异适当的浓淡两股,靠百叶窗的导流方向不同,燃烧器都是浓煤粉气流由向火侧切向喷入炉膛,形成内假想切圆。 由于所需的着火热减小、着火时间缩短、火焰传播速度提高和着火温度降低将改善火焰稳定性,所以提高了着火性能。淡煤粉气流在浓煤粉气流和炉膛水冷壁之间四角切向喷入炉膛,形成外假想切圆,在炉膛水冷壁附近形成氧化性气氛区域,提高灰熔点,并阻止燃烧的煤粉颗粒直接冲刷水冷壁,从而可提高防结渣的能力 。百叶窗水平浓淡喷
管见图2。
1,一次风管道;2,浓缩器外壳;3,百叶窗;4,浓煤粉气流出口;5,淡煤粉气流出口;6,浓缩栅;7,分流隔板
图2 百叶窗煤粉浓缩器结构
3.4高调节比(WR)燃烧器
在煤粉空气混合转弯时,由于惯性力的作用,煤粉向外侧分离,造成煤粉浓度不均匀,利用中间隔板使这种浓度差异一直保持到喷口,从而达到提高煤粉浓度,进行垂直浓淡燃烧的目的。这种结构和喷口处带有不大的翻边扩锥出口共同使用,可以在较低负荷下不用油助燃保持稳定燃烧 。
与常规煤粉喷嘴设计比较,百叶窗水平浓淡强化着火煤粉喷嘴能使火焰稳定在喷嘴出口一定距离内,使挥发分在富燃料的气氛下快速着火,保持火焰稳定,从而有效降低NOx的生成,延长焦碳的燃烧时间。浓淡煤粉燃烧器经浓缩的煤粉气流首先着火燃烧,相当于减少了着火区的一次风率,从而降低了NOx的产生。淡煤粉气流以后再逐渐混入,保证燃烧所需的空气量,可以得到相当高的燃烧效率。浓淡煤粉气流均偏离化学当量比燃烧,依Fenimore燃料型NO生成机理,可减少NOx排放;而据Zelkovich温度型NO 生成机理,同样减少淡煤粉气流温度型NOx的产生 。此外,水平浓缩煤粉燃烧器可以避免在水冷壁附近出现还原性气氛,对防止高温腐蚀非常有利。所以水平浓缩煤粉燃烧可同时满足高效、低负荷稳燃、低污染、防止结渣和防止高温腐蚀这五个方面的要求。百叶窗水平浓淡强化着火喷管及喷嘴煤粉浓缩原理见图3。
图3 百叶窗水平浓淡强化着火喷管及喷嘴煤粉浓缩原理
第5期 张维侠:水平浓淡分离技术在660MW超超临界煤粉炉上的应用
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4 试验结果
5 结 论
2009年7月,机组在一次通过168h后,有关单位对锅炉进行了一系列的性能测试。
4. 1锅炉最大出力试验
锅炉最大出力试验与汽机VWO试验同时进行。锅炉在660MW负荷的基础上缓慢增加出力,直至主汽流量(与汽机实测主汽流量一致)到达最大出力流量2012.68 t/h,高于保证值2000t/h,汽水侧压降也在保证值范围内,此时对应机组负荷为698.6 MW。升负荷过程中,锅炉各受热面无超温现象,机组运行稳定。
4.2锅炉最低断油出力试验
2009年7月10 日2: 30左右,机组负荷为330MW,此时主蒸汽流量为920. 1 t/h,投运B、
C、D3台磨。随后开始缓慢降负荷,由于试验当天煤质较差,负荷降至280 MW时,炉膛负压开始产生较大波动,电厂出于安全运行需要,要求停止继续降负荷,并将负荷升至298.8MW,此时主蒸汽流量为846.9 t/h,大于保证值700 t/h。机组在298.8 MW负荷下,火检稳定,火焰明亮,燃烧状况良好,至7月10日5:00结束试验。预计如果负荷继续往下做最低断油出力可达到35%,需要注意的是试验煤种灰分比设计值高7.3%,发热量比设计值低3. 53MJ/kg,试验煤种煤质较差。
4.3 NOx排放浓度测试
在BRL工况下,测得NOx的平均排放浓度为497.0 mg/m3 (O2= 6%时) ,试验中SOFA燃尽风2号执行机构失灵,无法摆动,若该执行机构正常,NOx平均排放浓度应当可以更低。
4.4试验总体介绍及分析
锅炉效率达到92.9%,飞灰含碳量为1. 5%,而不采用百叶窗燃烧器的的贫煤锅炉,锅炉效率为91%左右,最低不投油稳定燃烧负荷为50%~60%,飞灰含碳量为3%~ 5%。 由此可见,采用燃烧设计百叶窗和V形钝体,锅炉效率大大提高,最低不投油稳定燃烧负荷和飞灰含碳量都降低很多。
采用煤粉浓淡分离燃烧技术对燃用挥发分较低的贫煤燃烧器的低负荷稳燃效果是好的,本工程应用此技术的设计是成功的,达到了预期目的,经济效益显著。煤粉炉采用浓淡分离型燃烧器后,从宏观上看,其最显著的特点是炉内燃烧稳定,对煤种的适应范围较广,提高了燃烧效率,飞灰可燃物含量较低。
如前所述,水平浓缩煤粉燃烧器(百叶窗式)已取得了良好的运行效果。在同时解决了高效率、稳燃、防止结渣和低N Ox排放等各个方面的问题上显示了强大的生命力。 由于这种技术与现有燃烧设备之间的容易匹配,而且结构简单,成本低,锅炉不需要改动,因而这种技术将会得到广泛的应用。
除了采用百叶窗式浓缩技术以外,适当的降低煤粉细度,提高煤粉的均匀性可以更有利于煤粉着火和稳燃以及煤粉的燃尽。 同时,由于煤粉细度降低,二次风量分配时可适当降低主燃区风量而提高SOFA区风量,从而降低NOx的生成量。
可以预料,随着理论研究的不断深入和燃烧器应用过程中遇到问题的不断解决,浓缩煤粉燃烧技术将对新技术开发应用作出越来越大的贡献。
