王軍民

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司， 浙江寧波 315722)

煤粉燃燒器是鍋爐燃燒設備的重要組成部分，燃燒器燒損后將破壞爐內(nèi)燃燒工況，造成火焰中心偏斜，并帶來水冷壁結焦、高溫腐蝕以及飛灰可燃物含量不正常升高等問題，使鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性受到影響[1]。因此，筆者根據(jù)某電廠燃燒器燒損的實際狀況，對新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器的燒損原因及預防措施進行了分析與探討。

1 設備概況

某廠鍋爐為超臨界本生直流鍋爐，型號為HG-1890/25.4-YM4，一次中間再熱、滑壓運行，配內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)，固態(tài)排渣、單爐膛、平衡通風、П形布置、全鋼構架懸吊結構、露天布置。

制粉系統(tǒng)為中速磨煤機正壓直吹系統(tǒng)，配置6臺HP1003型中速磨煤機，燃燒設計煤種時，BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)工況下5臺運行，1臺備用。燃燒器為前后墻布置、對沖燃燒方式，前后墻各15只燃燒器，分3層對稱布置，前墻下層燃燒器配等離子點火裝置，燃燒器上部前后墻各布置2層OFA(燃盡風)裝置，每層各5只，見圖1。

圖1 燃燒器布置

2015年11月為配合鍋爐超低排放改造，除等離子燃燒器及OFA裝置未做改造，其他層25只燃燒器均更換為新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器。

鍋爐設計煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為大同塔山煙煤，常用煤種為高熱值煙煤。各煤種特性見表1。

表1 鍋爐各煤種特性

2 新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器工作原理

在新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器中，燃燒的空氣被分成中心風、一次風、二次風、三次風和四次風5股，見圖2。

圖2 燃燒器結構示意圖

中心風管內(nèi)布置有油槍和點火裝置。中心風的作用主要是向燃燒器中心供給適量的空氣以穩(wěn)定油火焰，防止油火焰沖刷中心風管和油燃燒器旋流器，并防止油滴沉積在中心風管；在燃燒器停運時，冷卻中心風噴口，防止噴口燒損。

一次風由一次風機提供，進入磨煤機中攜帶煤粉形成一次風粉混合物，經(jīng)燃燒器一次風管送入爐膛。一次風粉在一次風管彎頭出口處通過一個均粉器，使煤粉濃度分布趨于均勻，再經(jīng)過文丘里煤粉濃縮器后，在一次風管斷面上產(chǎn)生外濃內(nèi)淡的濃度分布，促進煤粉著火。在一次風管出口處設有一個多齒狀穩(wěn)燃器以穩(wěn)定火焰，在一次風管的周向上產(chǎn)生煤粉濃淡分離，導致局部還原環(huán)境，減少NOx的生成。濃縮的煤粉氣流同二次風、三次風、四次風配合，以保證在靠近燃燒器喉口處維持一個穩(wěn)定的火焰。

主燃燒空氣分為二次風、三次風和四次風，以加大空氣分級程度。二次風、三次風和四次風通過燃燒器內(nèi)同心的環(huán)形通道，在燃燒的不同階段進入爐膛，達到分級燃燒，有助于NOx總量的降低和燃料的燃盡。二次風為直流，三次風和四次風為軸向旋流風，在近燃燒器區(qū)形成環(huán)形回流，將高溫煙氣帶回近燃燒器區(qū)，加熱一次風，點燃煤粉，保持火焰穩(wěn)定性，同時帶回的高溫煙氣含氧量低，有利于NOx還原；在遠燃燒器區(qū)通過三、四次風來完成未燃盡碳的燃燒。每只燃燒器均配有獨立的風箱，可以通過擋板調節(jié)同層燃燒器的風量平衡，達到穩(wěn)定火焰，防止偏燒的目的。燃燒器還配有二次風擋板、三次風擋板，用以調節(jié)每個燃燒器的二次風量、三次風量和四次風量間的比例。每個擋板均配有兩根拉桿，拉桿穿過燃燒器面板，可以在燃燒器外部調整擋板的位置，調節(jié)時根據(jù)燃燒器前部面板上的刻度尺準確調整。運行時三次風和四次風旋流器均可根據(jù)需要調整，以便產(chǎn)生最佳的流場。

3 新型燃燒器噴口燒損分析

3.1 燒損現(xiàn)象

2015年11月3號爐A級檢修，將A、C、D、E、F層燃燒器全部改造為新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器，噴口結構見圖3。

圖3 新安裝燃燒器噴口結構

至2016年1月，3號機組連續(xù)在網(wǎng)運行14月后，機組開始檢修，爐內(nèi)搭設升降平臺，全面檢查改造后燃燒器的運行情況，發(fā)現(xiàn)以下問題：

(1) B層等離子燃燒器完好，無燒損、無結焦情況。

(2) 所有燃燒器的一次風噴口及組件均完好，無燒損現(xiàn)象。

(3) 所有新型燃燒器的小二次風噴口和四次風擴口燒損變形嚴重(見圖4)。

(4) C、D、F層大部分燃燒器的三次風擴口都產(chǎn)生變形，損壞嚴重。

(5) 所有新型燃燒器噴口附近水冷壁均掛焦嚴重，每只燃燒器的靠下區(qū)域和小二次風噴口區(qū)域結焦較嚴重，燃盡風區(qū)域結焦較輕(見圖4、圖5)。

圖4 新型燃燒器噴口燒損及結焦情況

圖5 新型燃燒器噴口附近水冷壁掛焦情況

3.2 原因分析

(1) 所有新型燃燒器一次風噴口及組件完好、無燒損的原因分析。

燃燒器改造后，開展了熱態(tài)一次風調平試驗，測量出口粉管一次風速均較高，平均達30 m/s，見表2。

表2 磨煤機出口粉管一次風速 m/s

在正常運行時，一次風速較高，煤粉氣流溫度控制在75 ℃左右，煤粉氣流著火點離噴口有一定的安全距離，燒損燃燒器的可能性較小。磨煤機停運后，雖然無一次風冷卻，但是燃燒器設計有中心風管，通過開大中心風量，增加對一次風組件的冷卻，能保證一次風噴口及組件的安全。

(2) 所有新型燃燒器小二次風噴口均嚴重燒損變形的原因分析。

燃燒器改造后熱態(tài)調試過程中，為了控制燃燒器回流區(qū)內(nèi)的氧量，減少燃燒初期NOx的生成量，將燃燒器的小二次風擋板調至最小開度(10%)，拉桿調整前位置見表3。雖然有降低NOx質量濃度的作用，但是由于小二次風擋板開度過小，使得二次風量過小，必然減弱二次風噴口的冷卻效果。如果煤粉氣流著火點過近，或者回流區(qū)過于靠近燃燒器噴口，將導致二次風噴口溫度長期高于所用鋼材的最高許用溫度，最終使得噴口燒損變形。

表3 新型低NOx旋流燃燒器調整前、后拉桿位置對比

(3) 所有新型燃燒器四次風擴口嚴重變形，部分三次風擴口變形的原因分析。

旋流燃燒器葉片角度越大旋流強度越強，環(huán)形回流區(qū)越大，越靠近燃燒器噴口[2]，且由于旋流強度強，卷吸高溫煙氣的能力也相應增強，回流區(qū)溫度必然更高。新型燃燒器不同三、四次風角度的冷態(tài)試驗回流區(qū)見圖6。三、四次風角度均為45°工況的回流區(qū)明顯大于角度均為30°的工況，且回流區(qū)與噴口的距離更近。新型低NOx旋流燃燒器改造后，為了提高煤粉燃盡率，以及考慮低負荷穩(wěn)燃能力，將燃燒器三次風和四次風旋流葉片角度均設置在45°(見表3調整前位置)，必然使得旋流強度很強，環(huán)形回流區(qū)過于靠近噴口。雖然燃燒器四次風擴口內(nèi)側有二次風冷卻，但是四次風擴口外側卻無冷卻風，僅靠燃燒器噴口的水冷壁繞管通過高導熱性能的耐火澆注料導熱冷卻，冷卻效果明顯不足，因此大部分燃燒器四次風擴口超溫變形。燃燒器三次風擴口雖然也靠近高溫回流區(qū)，但是由于三次風擴口內(nèi)外均有大量二次風冷卻，因此三次風擴口變形較小。

圖6 新型燃燒器冷態(tài)試驗環(huán)形回流區(qū)示意圖

(4) 鍋爐上層和中層燃燒器噴口較下層燃燒器噴口變形更嚴重的原因分析。

鍋爐處于低負荷運行時，上層2臺或3臺磨煤機停運。在高負荷運行時，上層1臺磨煤機停運。停運層燃燒器的二次風量相對于運行燃燒器的二次風量少得多，同時上層和中層燃燒器對應區(qū)域溫度較高，輻射熱較大，燃燒器噴口更容易超溫變形[3]。

(5) 燃燒器噴口附近水冷壁及噴口靠下區(qū)域結焦嚴重的原因分析。

燃燒器旋流強度過大，不僅燃燒器回流區(qū)離噴口過近，燃燒器二次風擴展角也過大，導致部分熔融狀態(tài)灰渣被甩到噴口附近水冷壁，造成噴口附近水冷壁嚴重結焦。高溫熔融狀態(tài)的焦渣，在重力的作用下流到燃燒器噴口靠下區(qū)域并凝固、堆積。

4 防止燃燒器燒損及結焦的對策

(1) 通過關小旋流葉片角度，降低三、四次風的旋流強度，減小回流區(qū)并推遲著火，降低燃燒器噴口附近的溫度。

考慮設備安全，三、四次風旋流角度調整分別進行了30°、45°兩個工況的調整試驗，小二次風門開度50%不變，其他各級配風的拉桿位置不變(見表3調整前位置)。試驗結果見表4(φ(O2)為O2體積分數(shù))。

表4 燃燒器三、四次風旋流角度調整試驗結果

三次風旋流角度30°降低NOx質量濃度的效果優(yōu)于45°，四次風旋流角度45°降低NOx質量濃度的效果優(yōu)于30°。造成這種現(xiàn)象的原因是兩股風在燃燒中起到的作用不同，三次風起到的主要作用在于形成環(huán)形回流，通過回流將高溫煙氣卷吸至噴口附近引燃煤粉射流，三次風旋流角度減小會造成回流區(qū)減弱，推后著火距離，降低燃燒初期的溫度，實現(xiàn)降低NOx質量濃度的效果；同時需要指出三次風角度不是越小越好，進一步降低三次風旋流會使著火進一步惡化，可能會造成燃燒穩(wěn)定性變差，同時三次風旋流角度減小會使三次風阻力降低，增加燃燒初期的空氣量，反而可能使NOx生成量增大。四次風在燃燒中起到的作用主要是燃燒初期的分級供風，四次風角度越大，則這股風與火焰接觸的時間越晚，容易形成缺氧環(huán)境，減少NOx的生成量，同時四次風的角度也不是越大越好，過大的四次風角度可能會造成“飛邊”的現(xiàn)象，因此噴口結焦，同時過大的四次風角度不利于煤粉的燃盡。綜合考慮以上各項影響因素，將三次風和四次風的旋流葉片角度均設置為30°。

(2) 開大燃燒器小二次風門，增加二次風量，增強對二次風噴口的冷卻能力。

將燃燒器三、四次風旋流角度分別設置為30°、30°，其他拉桿位置不變。為觀察小二次風門不同開度對NOx質量濃度的影響，將小二次風門開度設置為10%、50%、100%分別進行試驗，結果見表5。

表5 燃燒器小二次風門調整試驗結果

從表5可以看出：小二次風門從10%開到50%，SCR進口煙氣NOx質量濃度有一定程度的升高，但升高幅度不大。從50%開到100%，NOx質量濃度變化不大，主要原因是開度至50%后，小二次風門的開度對風量影響已很小，因此將小二次風門開度設置為50%。經(jīng)過燃燒器熱態(tài)調試后，拉桿詳細位置見表3(調整后位置)。

(3) 停運層燃燒器的二次冷卻風量相對于運行燃燒器的二次風量小得多，為降低停運層燃燒器噴口溫度，提高停運燃燒器的二次冷卻風量至15%運行燃燒器二次風量以上。另外，定期切換停運磨煤機，避免同一磨煤機停運時間過長。

(4) 每只燃燒器均設置有打焦孔，現(xiàn)場運行人員應根據(jù)燃用煤種定期檢查燃燒器結焦情況，利用打焦孔及時除焦。

(5) 在灰熔點低于1 400 ℃時，結焦傾向增加。如果不可避免燃用低灰熔點煤種，不宜采用分磨摻燒，應采用爐外預混摻燒方式，并控制好摻燒低灰熔點煤種比例不低于50%。

(6) 增加燃燒器一次風噴口壁溫熱電偶，實現(xiàn)實時監(jiān)測燃燒器噴口金屬溫度，若發(fā)生異常升高，應及時采取降溫措施[3]。

5 結語

(1) 需要優(yōu)化燃燒器配風，降低三次風、四次風的旋流強度，減小燃燒器回流區(qū)，以及拉大回流區(qū)與燃燒器噴口的距離，保證燃燒器安全。

(2) 為降低停運層燃燒器噴口溫度，提高停運燃燒器的二次冷卻風量至15%的運行燃燒器二次風量以上，增強冷卻效果。

(3) 將三次風和四次風的旋流葉片角度均設置為30°，小二次風門開度設置為50%，機組經(jīng)過長期并網(wǎng)運行，NOx排放質量濃度未出現(xiàn)明顯升高，燃燒器噴口燒損及結焦異常已得到有效解決。