超臨界鍋爐煤粉燃燒技術分析

為實現(xiàn)高效、低nox排放、低負荷、低油穩(wěn)定燃燒、確保冷壁安全運行，減少熱量偏見，采用新的高速和超級別鍋爐，實現(xiàn)低粘度燃燒。國產(chǎn)化超臨界和超超臨界機組采用與B&W、三井、日立、三菱、阿爾斯通等公司合作為主的超臨界技術,新型的煤粉燃燒技術展現(xiàn)出為實現(xiàn)同一目標而實施的不同技術構思。1tm燃燒系統(tǒng)的組成及原理B&W公司最新開發(fā)的DRB4ZTM旋流式煤粉燃燒器如圖1所示。用于北京巴威公司供貨的600MW超臨界鍋爐。燃燒器由入口一次風管道接口處的陶瓷內(nèi)襯的彎頭、錐形的擴散器、用以優(yōu)化煤粉氣流流場的導向器、用以調(diào)節(jié)過渡區(qū)氣流的可調(diào)節(jié)的滑動擋板、內(nèi)外二次風的調(diào)節(jié)葉片、帶線性執(zhí)行機構的風量調(diào)節(jié)盤、燃燒器風量指示器、配高能點火器的油槍、火焰探測裝置用套管、觀察孔等組成。DRB4ZTM燃燒器的主要特點是在雙調(diào)風旋流式燃燒器的基礎上,供風進一步多級化,尤其是在一次風外圍設置了過渡性供風,其核心技術是在火焰內(nèi)實現(xiàn)脫氮。即燃燒器供風分為四個區(qū)域:第一個區(qū)域是一次風的空氣和煤粉的混合物;第二個區(qū)域為環(huán)繞在一次風外圍的過渡區(qū);第三和第四區(qū)域分別為內(nèi)外二次風。燃料的初始燃燒階段發(fā)生在煤粉濃度比較高的噴嘴附近。處于過渡區(qū)域的空氣推遲內(nèi)二次風與著火后的煤粉氣流的混合,并增強了煤粉氣流卷吸火焰核心區(qū)高溫煙氣的作用,同時在火焰外圍富氧區(qū)形成的NOx被還原成氮氣。內(nèi)外二次風按一定的比例通過調(diào)風器進入燃燒器。這股空氣可提供煤粉充分燃燒所需的氧氣,并且在鍋爐爐墻附近保持氧化性的氛圍。在鍋爐前后墻的最上層燃燒器之上布置燃燼風(OFA)系統(tǒng),如圖2所示。它的作用是實現(xiàn)火焰在爐膛內(nèi)進一步脫氮和為煤粉的充分燃燼補充充足的氧量。采用滑動套筒用來控制每個OFA噴口的空氣流量。進入每個OFA噴口的空氣分為中心風和外部風。中心風具有一定的穿透力,可以使空氣和爐膛深處的火焰混合;外部風具有一定的旋流強度,可以促進可燃物和空氣的充分混合。每只OFA噴口的各股風量可以被調(diào)節(jié)和控制。手動的可調(diào)風盤用以調(diào)節(jié)中心風的空氣流量;手動的可調(diào)節(jié)葉片用以調(diào)節(jié)外圍風的旋流強度;進入OFA噴口的二次風量由風箱入口的擋板來控制。2調(diào)風器+旋轉(zhuǎn)nr燃燒煤粉的原理東方鍋爐公司與巴布科克日立公司合作制造的600MW超臨界鍋爐和1000MW超超臨界鍋爐采用日立技術的NR燃燒器。NR燃燒器由環(huán)形穩(wěn)焰器、煤粉濃縮器、外周空氣導管、調(diào)風器等組成。NR燃燒器供風也分為3個區(qū)域,煤粉由一次風送入,助燃風由內(nèi)二次風和外二次風(或稱三次風)供給,如圖3所示。環(huán)形穩(wěn)焰器為陶瓷制的齒形環(huán)狀,穩(wěn)焰環(huán)的內(nèi)側(cè)形成一次空氣旋流,促進卷吸高溫煙氣使煤粉顆粒迅速著火。煤粉氣流通過煤粉濃縮器時,獲得周向運動的速度分量,大部分煤粉靠近環(huán)形穩(wěn)焰器周圍,從而提高了穩(wěn)焰環(huán)附近的煤粉濃度,增強了穩(wěn)燃能力,適應于低負荷穩(wěn)定燃燒。外周空氣導管用于控制最外周的三次風的混合,加強火焰內(nèi)脫氮效果。調(diào)風器由旋流葉片組成,二次風通過旋流葉片促進火焰外周三次風和內(nèi)部高溫還原火焰間的混合,以提高燃燒效率。NR燃燒器能快速點燃煤粉,維持高濃度煤粉火焰,急速降低火焰中的氧氣濃度。使煙氣中產(chǎn)生的一部分NO,在高溫缺氧火焰中被CH等碳氫化合物分解,并最終還原成N2,從而減少NOx的產(chǎn)生。在煤粉燃燒器的上部布置了一層燃燼風噴口(AAP),其作用是補充燃料后期燃燒所需的空氣,同時實現(xiàn)分級燃燒,抑制NOx的生成,其實質(zhì)仍然是實現(xiàn)在爐膛內(nèi)脫氮,其原理與圖2所示的基本相同。3轉(zhuǎn)射流,三次風國內(nèi)Q電廠600MW超臨界鍋爐采用軸向葉輪式多級配風旋流式燃燒器。燃燒器供風分為4級,一次風為煤粉空氣的混合物,二次風通過軸向可動葉輪式旋流器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)射流,三次風(即外二次風)沿火焰外圍通過調(diào)節(jié)葉片形成弱旋轉(zhuǎn)氣流,既防止火焰貼壁,又滿足火焰后期的可燃物與空氣混合。其主要特點是在軸向可動葉輪式雙調(diào)風燃燒器的基礎上,在內(nèi)二次風和三次風之間增設另一股直流四次風。這股四次風的主要作用是在高溫火焰外圍形成空氣屏蔽,以推遲三次風與火焰的混合,有利于還原火焰中的NOx。同時,在燃燒器上方的爐膛四壁還設置高速OFA燃燼風,使高溫火焰與高速OFA風均勻混合,促進燃料燃燼。高速OFA風與常規(guī)配風的比較示于圖5。4直接式煤粉爐4.1燃燒噴嘴結(jié)構上海鍋爐公司引進阿爾斯通技術制造的600～1000MW超臨界鍋爐采用強化著火(EI)的煤粉噴嘴,在煤粉噴嘴四周布置有燃料風(周界風),在每相鄰兩層煤粉噴嘴之間布置有一層輔助風噴嘴,包括上下2只偏置的CFS噴嘴,在主風箱上部設有2層緊湊燃燼風(CCOFA)噴嘴,在主風箱下部設有一層火下風(UFA)噴嘴,主燃燒器與爐膛出口之間布置有類似于OFA風(SOFA風箱)。燃燒器噴嘴結(jié)構如圖6所示。燃燒器一次風管內(nèi)裝有煤粉濃縮器,如圖7所示。4.2次燃燒及燃燒非碳化合物nox燃燒由哈爾濱鍋爐廠為玉環(huán)電廠提供的1000MW超超臨界鍋爐采用三菱PM型燃燒器+最大可控制技術(MACT)配風技術。PM型燃燒器如圖8所示。MACT的核心技術是控制主燃燒區(qū)的燃料與空氣比為0.8～0.9,在主燃燒器上方設置OFA供風,使主燃燒區(qū)產(chǎn)生的碳氫化合物被活化,并在OFA的上部留有足夠的空間,使主燃燒區(qū)生成的NOx到達OFA區(qū)時因缺氧而被還原成N2。在主燃燒器的上二次風OFA噴口上部再設置一層附加空氣AA,還原區(qū)的未燃燼物進入燃燼區(qū)后與AA供風混合,且被充分燃燒。爐內(nèi)脫氮原理如圖9所示。據(jù)資料介紹,經(jīng)過進一步改進的MACT燃燒技術可將NOx控制在60×10-6～150×10-6內(nèi)。特別值得注意的是在大型超臨界鍋爐上,直流式燃燒器的布置采用了2個相對獨立的反向切圓燃燒方式,將對流熱偏差與整體單一火焰輻射系統(tǒng)的輻射熱偏差相互抵消,使熱偏差大大降低,成為Π型布置的超大容量切圓燃燒鍋爐解決煙溫偏差的最佳途徑,如圖10所示。采用這種燃燒方式可使爐膛四周水冷壁出口工質(zhì)溫度的偏差值控制在40℃以下,圖11給出了玉環(huán)電廠1000MW超超臨界鍋爐爐膛四周水冷壁出口工質(zhì)溫度偏差。5亞臨界機組鍋爐燃料燃燒技術方面取得了明顯的改進本文綜合分析了以國內(nèi)新一代超臨界鍋爐為主的煤粉燃燒技術的特點,如燃燒器配風多級化;設置火焰內(nèi)還原脫氮措施;采用煤粉濃縮技術和增強著火區(qū)的熱煙氣回流穩(wěn)定燃燒;改進燃燼風的配置,提高爐內(nèi)脫氮效果和提高燃燒效率;采用旋流式燃燒器對沖燃燒或直流式燃燒器反向雙切圓輻射對流互