空气分级低氮燃烧改造技术对锅炉汽温特性影响研究

空气分级低氮燃烧改造技术对锅炉汽温特性影响研究

肖琨张建文乌晓江边宝周文龙张翔陈飞陈楠郑路

(上海锅炉厂有限公司技术部)

摘要：燃煤锅炉采用空气分级低氮燃烧技术改造后，炉内温度场分布发生较大变化，从而对锅炉的汽温特性产生较大影响。本文以某600MW亚临界锅炉为对象，通过数值模拟及现场实验手段，对锅炉采用空气分级低氮燃烧技术改造后的汽温特性进行了研究，并对改造后锅炉调整汽温的手段进行了探讨。

关键词：燃煤锅炉空气分级低氮改造汽温特性

0 前言

2011年7月29日，《火力发电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)发布。新标准进一步收紧了燃煤锅炉NOx排放限值。这意味着未来一段时间内将有大量的锅炉进行脱硝改造。低氮燃烧技术是一种常用的脱硝技术，其建设及运行成本较低，是燃煤锅炉进行脱硝改造的首选技术。空气分级低氮燃烧技术是目前应用最广泛的低NOx燃烧技术，其主要原理是将燃烧所需的部分空气，一般称之为“分离燃尽风(Separated Over Fire Air，SOFA)”，从炉膛上部送入，使锅炉的主燃烧器区域处于还原性气氛并在主燃烧器与SOFA 燃烧器之间形成一段“还原区”，抑制NOx的生成并还原已生成的NOx，降低锅炉氮氧化物的排放。采用空气分级低NOx燃烧技术改造之后，炉膛的温度场分布将会发生较大变化，主要表现为主燃区温度降低，火焰中心上移。

锅炉的过热汽温、再热汽温是机组运行的重要参数，对机组的经济性有重要影响。炉膛内温度场分布的变化将影响炉膛出口烟温进而改变锅炉的过热汽温、再热汽温特性。本文以一台600MW亚临界锅炉为研究对象，通过数值模拟及现场试验手段对其空气分级低氮燃烧改造之后的汽温特性进行了研究。该600MW锅炉为上海锅炉厂有限公司本世纪初生产的亚临界锅炉，2011年底采用上海锅炉厂有限公司自主开发的高级复合空气分级技术进行了低氮燃烧器改造。其设计煤种为神华煤，其煤质的主要参数如表1所示。该煤种的主要特点为挥发份高、燃尽性好，灰熔点较低，结渣性较强。

表1：对象锅炉设计煤种特性参数

全水分

(Mt, %)干燥无灰基

挥发份(Vdaf, %)收到基灰分

(Aar, %)收到基碳

(Car, %)收到基氢(Har, %)收到基氧(Oar, %)

14.232.936.4864.723.659.51

收到基硫

(Sar, %)收到基氮

(Nar, %)收到基低位热值

(Qar,net , MJ/Kg)变形温度

(t1，℃)软化温度

(t2，℃)液化温度

(t3，℃)

0.50.9424.28112012001230

1 空气分级改造后炉内温度场的变化及对汽温特性的影响。

锅炉采用空气分级低氮燃烧技术改造之后，炉膛的温度场分布会发生较大变化。图1是采用数值模拟手段得出的对象锅炉600MW负荷SOFA开关时，炉膛横截面平均温度随高度方向的变化规律。SOFA开工况炉膛主燃区的过量空气系数为0.81，SOFA关工况主燃区过量空气系数为1.2。数值模拟时，没有考虑水冷壁壁面的沾污结渣变化情况。两个工况壁面边界条件保持一致，因此得出的是纯从燃烧角度考虑的炉膛横截面平均温度随高度的变化规律。从图上可以看出，SOFA全关时，炉膛燃烧份额集中在炉膛主燃烧器区域，主燃区温度较高。在主燃区上方，截面平均温度迅速下降。SOFA开时，由于进入主燃区的空气量较少，主燃区燃烧份额减少，烟气温度比SOFA关工况低100℃~200℃左右。但在炉膛上部喷入燃尽风之后，煤粉继续燃烧，烟温下降较慢，从而使得屏底烟温相对SOFA关工况有较大提升，大约在80℃左右。这说明SOFA开时，煤粉燃烧延迟，炉膛火焰中心上升。根据性能计算，屏底烟温上升80℃，过热器减温水大约增加80t/h左右，过热器温升增加20℃左右。再考虑到在屏底时，SOFA开工况，燃烧效率要低于SOFA关工况。如煤粉完全燃烧，SOFA开工况相对于SOFA关工况，屏底烟温温升要大于80℃，过热器温升也要大于20℃。

图1 SOFA开关时炉膛横截面平均温度随高度方向的变化

低氮燃烧改造后，炉内温度场的变化将会对炉膛出口烟温及汽温特性产生较大影响。这主要表现在以下两个方面：

1、纯从燃烧角度来讲，锅炉采用空气分级低氮燃烧技术改造之后，燃烧延迟，火焰中心上移，炉膛出口烟温上升，锅炉的过热汽温、再热汽温上升。

2、锅炉采用空气分级低氮燃烧技术改造之后，主燃区的温度下降较多，炉内温度分布更加均匀。水冷壁的沾污结渣情况会有很大改善，炉内水冷壁吸热增强，炉膛出口烟温下降，锅炉的过热汽温、再热汽温下降。

锅炉低氮燃烧改造之后的汽温特性变化情况主要受以上两个因素影响。哪个因素的影响占主导地位主要取决于锅炉的设计情况及燃用煤质情况。

2 锅炉低氮改造后汽温特性的现场实验研究

图2是对象锅炉在600MW负荷时，调整SOFA风门开度，改变主燃区过量空气系数时，锅炉过热器温升、再热器温升的变化情况。其中过热器、再热器减温水的流量变化已折算到过热器、再热器温升中。整个调整过程在半个小时之内完成，水冷壁的结渣情况变化不大，此时可认为水冷壁吸热情况基本不变。

图2 主燃区过量空气系数变化对汽温的影响

从图上可以看出，随着分离燃尽风风量的增加，主燃区过量空气系数降低，过热器温升、再热器温升均有较大增加。主燃区过量空气系数由1.11降低到0.78时，过热器的温升增加了40℃左右，再热器的温升增加了25℃左右。这说明空气分级燃烧确实会使得燃烧延迟，火焰中心上升。并且随着分离燃尽风增加，火焰中心上移程度加大，炉膛出口烟温上升的幅度也会增大，从而导致过热器温升、再热器温升增加。这个规律与图1所示数值模拟规律是相一致的。

图3是对象锅炉吹灰后，在一定时间内，维持600MW负荷不变，燃烧器配风方式不变，锅炉过热器温升、再热器温升的变化情况。实验从吹灰后3个小时开始，到吹灰后9个小时结束。从图上可以看出，在实验进行的6个小时内，过热器的温升、再热器的温升均增加了10℃左右(喷水量变化已折入过热器、再热器温升)。其中，在吹灰后3小时到6小时时间段内，过热器的温升、再热器的温升增加比较多，6小时后，温升基本没有增加。虽然吹灰结束后开始三小时内没有进行试验，但可以推断开始三小时过热器、再热器的温升增加更多。据此可以推论，吹灰后的开始一段时间，水冷壁的沾污情况发展比较快，水冷壁的吸热量下降较多，过热器、再热器的温升增加比较快。而当达到一定时间后，水冷壁的结渣情况达到稳定，则过热器、再热器的温升基本不再增加。这说明对于对象锅炉，受热面的沾污结渣情况是影响锅炉过热器温升、再热器温升的非常重要的因素。

图3 吹灰后时间对汽温的影响

对象锅炉采用空气分级低氮燃烧技术改造之后，炉膛水冷壁的结渣情况有了很大改善。改造前无法长时间满负荷燃用设计煤种，必须要掺烧部分高灰熔点煤;改造后可以长时间满负荷燃用设计煤种。由于水冷壁结渣情况改善，水冷壁吸热增强，改造后锅炉的过热器减温水、再热器减温水并没有增加太多。