超臨界和超超臨界鍋爐煤粉燃燒新技術分析

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tags: 技術分析    時間:2014-03-11 15:00:50
超臨界和超超臨界鍋爐煤粉燃燒新技術分析簡介
    摘要:   分析了我國超臨界和超超臨界鍋爐採用的新型煤粉燃燒技術。其主要特點體現在採用了不同的綜合性技術構思實現煤粉著火初期低氧燃燒和採用多級配風及NO……
超臨界和超超臨界鍋爐煤粉燃燒新技術分析正文
    摘要:
分析了我國超臨界和超超臨界鍋爐採用的新型煤粉燃燒技術。其主要特點體現在採用了不同的綜合性技術構思實現煤粉著火初期低氧燃燒和採用多級配風及NOx還原技術實現低污染排放;在燃燒器內採用煤粉濃縮技術和在噴口附近加強熱煙氣迴流以實現快速著火和低負荷不投油穩定燃燒;採用小功率燃燒器和均衡的火焰溫度以降低水冷壁的熱負荷,採用旋流式燃燒器對沖布置或直流式燃燒器反向雙切圓輻射對流互補的方法減小熱偏差;適當增加爐膛容積和設置燃燼風,進一步提高爐內脫氮效果和燃燒效率等方面。 關鍵詞: 超臨界鍋爐;煤粉燃燒;脫氮;穩燃;抵消熱偏差;發電廠

為了實現煤粉鍋爐高效、低NOx排放、低負荷不投油穩定燃燒、保證水冷壁可靠運行和減小受熱面熱偏差的目標,引進技術國產化的新一代超臨界和超超臨界鍋爐都採用了新型煤粉燃燒技術。國產化超臨界和超超臨界機組採用與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出為實現同一目標而實施的不同技術構思。


1 B&W最新DRB-4ZTM旋流式煤粉燃燒器




B&W公司最新開發的DRB-4ZTM旋流式煤粉燃燒器如圖1所示。用於北京巴威公司供貨的600MW超臨界鍋爐。



A—Oxygen lean derolititization(貧氧區)
;B—Recirculation of products(熱煙氣迴流區);

C—Nox reduction zone(NOx還原區);D—High
temperture fame sheet(高溫火焰過渡);

E—Controlled mixing of secondary
combustion air(可控二次風混合區);F—Burnout zone(燃燼區)

圖1  DRB-4ZTM旋流式煤粉燃燒器


燃燒器由入口一次風管道介面處的陶瓷內襯的彎頭、錐形的擴散器、用以優化煤粉氣流流場的導向器、用以調節過渡區氣流的可調節的滑動擋板、內外二次風的調節葉片、帶線性執行機構的風量調節盤、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。


DRB-4ZTM燃燒器的主要特點是在雙調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實現脫氮。即燃燒器供風分為四個區域:第一個區域是一次風的空氣和煤粉的混合物;第二個區域為環繞在一次風外圍的過渡區;第三和第四區域分別為內外二次風。燃料的初始燃燒階段發生在煤粉濃度比較高的噴嘴附近。處於過渡區域的空氣推遲內二次風與著火后的煤粉氣流的混合,並增強了煤粉氣流卷吸火焰核心區高溫煙氣的作用,同時在火焰外圍富氧區形成的NOx被還原成氮氣。內外二次風按一定的比例通過調風器進入燃燒器。這股空氣可提供煤粉充分燃燒所需的氧氣,並且在鍋爐爐牆附近保持氧化性的氛圍。

 上層燃燒器配風方式



在鍋爐前後牆的最上層燃燒器之上布置燃燼風(OFA)系統,如圖2所示。它的作用是實現火焰在爐膛內進一步脫氮和為煤粉的充分燃燼補充充足的氧量。採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。


每隻OFA噴口的各股風量可以被調節和控制。手動的可調風盤用以調節中心風的空氣流量;手動的可調節葉片用以調節外圍風的旋流強度;進入OFA噴口的二次風量由風箱入口的擋板來控制。

    

2 日立NR煤粉燃燒器




東方鍋爐公司與巴布科克-日立公司合作製造的600MW超臨界鍋爐和1000MW超超臨界鍋爐採用日立技術的NR燃燒器。NR燃燒器由環形穩焰器、煤粉濃縮器、外周空氣導管、調風器等組成。NR燃燒器供風也分為3個區域,煤粉由一次風送入,助燃風由內二次風和外二次風(或稱三次風)供給,如圖3所示。

    


①—揮發分燃燒區;②—還原區;③—NOx分解區;④—碳燃燼區

圖3  DG-1000MW超超臨界鍋爐的NR燃燒器




環形穩焰器為陶瓷制的齒形環狀,穩焰環的內側形成一次空氣旋流,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,大部分煤粉靠近環形穩焰器周圍,從而提高了穩焰環附近的煤粉濃度,增強了穩燃能力,適應於低負荷穩定燃燒。外周空氣導管用於控制最外周的三次風的混合,加強火焰內脫氮效果。調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。使煙氣中產生的一部分NO,在高溫缺氧火焰中被CH等碳氫化合物分解,並最終還原成N2,從而減少NOx的產生[2]


在煤粉燃燒器的上部布置了一層燃燼風噴口(AAP),其作用是補充燃料後期燃燒所需的空氣,同時實現分級燃燒,抑制NOx的生成,其實質仍然是實現在爐膛內脫氮,其原理與圖2所示的基本相同。

    

3 軸向葉輪式多級配風旋流式燃燒器




國內Q電廠600MW超臨界鍋爐採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生旋轉射流,三次風(即外二次風)沿火焰外圍通過調節葉片形成弱旋轉氣流,既防止火焰貼壁,又滿足火焰後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風燃燒器的基礎上,在內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,有利於還原火焰中的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風與常規配風的比較示於圖5。

    


圖4 多級配風軸向葉輪旋流式燃燒器



圖5 高速OFA風與常規配風的比較


4  直流式煤粉燃燒器



4.1 SG-1000MW超超臨界鍋爐燃燒技術


上海鍋爐公司引進阿爾斯通技術製造的600~1000MW超臨界鍋爐採用強化著火(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隻偏置的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於OFA風(SOFA風箱)。燃燒器噴嘴結構如圖6所示。燃燒器一次風管內裝有煤粉濃縮器,如圖7所示。

    


圖6 強化著火(EI)的煤粉噴嘴


圖7 煤粉濃縮器

4.2 HG-1000MW超超臨界鍋爐燃燒技術


由哈爾濱鍋爐廠為玉環電廠提供的1000MW超超臨界鍋爐採用三菱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,使主燃燒區產生的碳氫化合物被活化,並在OFA的上部留有足夠的空間,使主燃燒區生成的NOx到達OFA區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,還原區的未燃燼物進入燃燼區后與AA供風混合,且被充分燃燒。爐內脫氮原理如圖9所示。據資料介紹,經過進一步改進的MACT燃燒技術可將NOx控制在60×10-6~150×10-6內。

    


圖8 1000MW超超臨界鍋爐PM型燃燒器



圖9 MACT配風和脫氮原理




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採用了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。採用這種燃燒方式可使爐膛四周水冷壁出口工質溫度的偏差值控制在40℃以下,圖11給出了玉環電廠1000MW超超臨界鍋爐爐膛四周水冷壁出口工質溫度偏差[3]

    


圖10 對流與輻射互補的雙切圓燃燒方式


圖11 爐膛四周水冷壁的工質出口溫度偏差



5 結束語




本文綜合分析了以國內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;設置火焰內還原脫氮措施;採用煤粉濃縮技術和增強著火區的熱煙氣迴流穩定燃燒;改進燃燼風的配置,提高爐內脫氮效果和提高燃燒效率;採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補抵消熱偏差的措施等。


近年來國內在亞臨界機組鍋爐的燃燒方面也取得了明顯的技術進步。尤其在燃用複雜多變的混煤燃燒方面取得了寶貴的經驗。為了提高超臨界機組的運行性能和可靠性以及鍋爐燃用多種煤質的靈活性,繼續積累經驗,開發具有自主知識產權的燃燒技術應成為今後超臨界機組發展的重要方向。

6 參考文獻

[1] 樊泉桂主編.鍋爐原理[M].北京:中國電力出版社,2004.

[2] 樊泉桂.新一代超臨界鍋爐技術分析[J].鍋爐技術,2005(4):13~15.

[3] 高子瑜.1000MW超超臨界壓力Π型鍋爐[J].上海電力,2005(4):333~336.

[4] 何振東.1000MW超超臨界鍋爐設計探討.東方電氣評論,2005(02):59~62.

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