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超超临界二次再热锅炉烟气调温技术应用及分析

2024-10-17 126 上传者：管理员

摘要：以某660 MW超超临界二次再热锅炉为例，通过改变摆动燃烧器摆角度数和在中、低负荷改变烟气再循环烟气比例等相关试验，研究了两种烟气调温方式对锅炉性能的影响。结果表明：烟气再循环技术可大幅提高超超临界二次再热锅炉中、低负荷运行时的一次、二次再热蒸汽温度，降低NOx排放质量浓度，是超超临界二次再热锅炉提高蒸汽温度的有效手段。摆动燃烧器调温方式也可提高一次、二次再热蒸汽温度，但温度变化幅度较小。两种烟气调温方式均会导致锅炉热效率变差。总体而言，烟气再循环技术综合效果最优，可为超超临界二次再热锅炉标准配置。

关键词：
二次再热
摆动燃烧器
汽温
烟气再循环
超超临界锅炉
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为了控制温室气体排放，风电、光伏发电等清洁能源近年来得到了快速发展。但是，由于风电和光伏发电受制于自然环境，具有“阴晴不定”的特点[1],对电网平衡产生重大影响，而储能技术又处起步阶段。因此，未来一段时期内煤电仍是电力稳定供应的基石[2],高效低污染利用煤电也成为一项重要课题[3]。作为一种洁净煤发电技术，超超临界二次再热技术具有效率更高、排放量更低的特点，是中国火力发电机组未来发展的重要方向[4～8],在我国也得到了快速的发展。

蒸汽参数能否达到设计值则是评估超超临界二次再热机组的一项重要指标。为了提高不同负荷下的再热蒸汽温度，设备厂家采用烟气挡板、摆动燃烧器和烟气再循环等技术进行调温。烟气挡板调温方式相对简单，但挡板易产生热变形，从而降低了调温的准确性，低负荷时则随着烟气流量和挡板阻力下降，挡板的调温功能亦随之降低[9]。摆动燃烧器调温方式对于尾部烟道烟温的调节作用有限，且易机械卡涩，并对炉内均衡燃烧产生不利影响。为了使二次再热蒸汽温度达到设计值，哈锅、东锅、上锅等锅炉厂家在新建锅炉中均采用了烟气再循环技术，通过改变炉内辐射和对流受热面的吸热比例，进而调节蒸汽温度。虽然烟气再循环技术应用日益增多，但其对超超临界二次再热锅炉蒸汽温度、煤粉燃尽和NOx排放影响效果的综合评估，以及与摆动燃烧器调温效果的比较，仍未见文献报导。因此，有必要开展相关试验研究，以掌握烟气再循环和摆动燃烧器调温技术对超超临界二次再热锅炉性能的影响，相关数据也可为同类型超超临界二次再热锅炉的运行及设计提供有益的技术参考。

1、研究对象

研究对象为上海锅炉厂有限公司设计制造的型号为SG-1903/32.45-M6101的超超临界二次再热塔式直流炉，采用四角切向燃烧方式，燃烧器摆动调温，设计参数见表1。烟气再循环系统从脱硝后空气预热器前两侧烟道各抽一股炉烟，炉烟管道在中心合并后向下至再循环烟气进口混合室。再循环烟气接入混合室下方锅炉两侧设置的各一台离心式再循环风机。风机出口烟气送入锅炉两侧烟道并进入冷灰斗上沿下方，从左右侧墙喷入炉膛。左、右侧炉烟风机各对应左、右侧6个喷口，左、右侧风机出口风道之间设置联络风道。

表1锅炉设计参数

2、试验分析

2.1 研究内容

通过相关试验研究，分析烟气再循环和摆动燃烧器摆角调温技术对超超临界二次再热锅炉性能的影响。主要在60%Pe、80%Pe(注：Pe为额定负荷)进行烟气再循环比例变化试验研究。通过改变烟气再循环比例，研究其对二次再热锅炉蒸汽温度、煤粉燃尽和NOx排放影响的影响，并评估其综合效果。在90%Pe以上负荷进行摆动燃烧器摆角试验研究，分析摆角变化对锅炉性能的影响。

2.2 烟气再循环比例对蒸汽参数的影响

图1、图2显示，不同的中、低负荷下，随着再循环烟气量的增大，再热蒸汽温度明显提升。机组60%Pe时，烟气再循环比率从0至12.5%,一次再热蒸汽温度从604.3℃提高到622.1 ℃,提高17.8 ℃,二次再热蒸汽温度从603.4 ℃提高到619.9 ℃,提高16.5 ℃。机组80%额定负荷工况时，烟气再循环比率从0至11.0%,一次再热蒸汽温度从607.9 ℃提高到622.4 ℃,提高14.5 ℃,二次再热蒸汽温度从607.0 ℃提高到622.3 ℃,提高15.3 ℃。两个负荷工况下，锅炉再热汽温均达到设计值。

烟气再循环技术是从锅炉尾部烟道某一位置抽取部分烟气，然后通过炉烟风机再输送回炉膛，形成循环烟气流量，是再热蒸汽温度调节的有效手段。烟气再循环的投入从两个方面影响锅炉吸热。一方面，再循环低温烟气进入炉膛后与炉内烟气混合，降低了炉膛烟气温度，水冷壁的辐射吸热量因之减少。另一方面，再循环烟气的投入，使炉膛出口烟气流量增加，烟气流速增大，从而提高了烟气侧的传热系数，烟气对流传热量随之提升，再热蒸汽温度从而升高，这个过程也是能量平衡的必然。因此，烟气再循环调节再热蒸汽温度的本质是烟气热量的重新分配[10]。由于再循环烟气取自脱硝后烟道，未经除尘净化，会对烟道和再循环炉烟风机产生磨损。因此，机组高负荷时，若通过燃烧调整或改变摆动燃烧器摆角即可实现再热蒸汽温度达标运行，则建议烟气再循环仅在机组中、低负荷时投运。

图1 80%Pe时烟气再循环比例对蒸汽参数的影响

图2 60%Pe时烟气再循环比例对蒸汽参数的影响

2.3 烟气再循环比例对煤粉燃尽和排烟温度的影响

图3显示，不同的中、低负荷下，随着再循环烟气量的增大，飞灰碳质量分数小幅增加。机组60%Pe时，烟气再循环比率从0至12.5%,飞灰碳质量分数从1.20%升高至1.53%。机组80%Pe时，烟气再循环比率从0至11.0%,飞灰碳质量分数从1.18%升高至1.34%。如上所述，再循环烟气送入炉膛，降低了炉膛烟气温度[11],增加了飞灰碳质量分数，进而增加了未燃尽燃烧热损失。负荷越低，投入的再循环烟气比例也越大，煤粉燃尽效果逐渐变差。但是，总体而言，燃尽效果恶化的不是特别显著，锅炉整体汽温的提升足以补偿因燃尽变差带来的负面影响。虽然烟气再循环比例的增加降低了炉膛烟温，但随之烟气量的增加有提高尾部烟道烟温的动力，正反两方面的影响使得流经空气预热器入口烟道的烟温变化较小，因而，烟气再循环比例的增加对排烟温度影响不大。

图3烟气再循环比例对煤粉燃尽和排烟温度的影响

2.4 烟气再循环比例对NOx排放浓度的影响

图4显示，不同的中、低负荷下，随着再循环烟气量的增大，NOx排放质量浓度缓慢下降。机组60%Pe时，烟气再循环比率从0至12.5%,NOx排放质量浓度从288.5 mg/m3降至267.2 mg/m3,降低21.3 mg/m3,幅度达7.38%。机组80%Pe时，烟气再循环比率从0至11.0%,NOx排放质量浓度从246.3 mg/m3降至235.4 mg/m3,降低10.9 mg/m3,幅度达4.43%。在不同负荷下，由于再循环烟气从炉膛底部进入，致使炉膛烟气温度下降，热力型NOx的生成减少[12],氧含量较低的再循环烟气的加入又对已生成NOx起到了稀释的作用，携带的未燃尽细粒子则对部分NOx进行了还原[13]。总体上，再循环烟气的投入对于抑制NOx的生成发挥了积极的作用。

图4烟气再循环比例对NOx排放质量浓度的影响

2.5 摆动燃烧器摆角对锅炉性能的影响

燃烧器垂直摆角摆动也是一种常用的再热汽温调节手段，但燃烧器垂直摆角的变化也会对煤焦粒子的燃尽、NOx排放质量浓度带来影响[6,14]。保持机组参数运行稳定，在93%Pe工况下对摆动燃烧器的影响进行试验研究，试验结果见表2。

表2摆动燃烧器摆角对锅炉性能的影响

试验结果显示，随着燃烧器摆角向上摆动，对流受热面吸热份额增加，主蒸汽温度、一次再热、二次再热蒸汽温度缓慢上升且幅度较小，平均约2 ℃左右。燃烧器摆角向上摆动，煤粉在炉内的停留时间相对减少，飞灰碳质量分数有所增加，排烟温度略有升高。由于煤粉在炉内的停留时间缩短，生成的NOx不足以在有限的时间内还原，因此炉膛出口NOx排放质量浓度相应增加。

在高负荷运行时，由于蒸汽温度本身已较高，因此在与设计温度相欠较少的情况下，可通过适当提高摆动燃烧器摆角的方式提高锅炉蒸汽温度。此时操作简单，成本又低。但是，通过增加摆动燃烧器仰角的方式提高再热汽温，这种影响不是线性的，且大幅度提高仰角度数也会增加蒸汽温度偏差，燃烧器仰角不是越大越好[6]。因此，高负荷时可适当上摆燃烧器摆角以提高再热汽温，但仰角不宜太大，以70%～75%上限为宜。

3、试验结论

烟气再循环技术可大幅提高超超临界二次再热锅炉中、低负荷运行时的一次、二次再热蒸汽温度，降低NOx排放质量浓度，是超超临界二次再热锅炉提高蒸汽温度的有效手段。但是，该种烟气调温方式也会导致锅炉热效率的损失，与中、低负荷时机组整体汽温的提升相比，这点代价是值得的。

摆动燃烧器调温方式也可提高一次、二次再热蒸汽温度，但幅度较小，存在机械卡涩和燃烧不均衡等问题，建议在机组高负荷运行时投运。

参考文献:

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