崔修強

(華電國際電力股份有限公司技術(shù)服務(wù)分公司，濟南 250014)

0 引言

為滿足燃煤火電機組的排放要求，眾多在役鍋爐陸續(xù)進行了低氮燃燒器改造[1]。低氮燃燒器采用煤粉濃縮、分級送粉、降低燃燒器區(qū)域氧濃度和火焰溫度等方法，大幅減少了爐膛出口的氮氧化物。低氮燃燒器的特點決定了燃燒效率的降低，并改變了爐內(nèi)溫度場的分布，使燃燒穩(wěn)定性相對降低，同時易產(chǎn)生爐內(nèi)高溫腐蝕、汽溫偏離正常范圍、壁溫超限等問題[2-4]。

本文分析了低氮燃燒器改造對鍋爐運行的安全性、經(jīng)濟性指標、氮氧化物排放濃度等方面的影響，并以發(fā)生滅火的5臺改造機組為重點對低氮燃燒器改造及運行優(yōu)化調(diào)整提出了有益的建議。

1 低NOx分級燃燒技術(shù)特點

鍋爐低氮燃燒技術(shù)改造主要采用燃料分級及空氣分級燃燒技術(shù)。直流切圓燃燒鍋爐通常采取濃淡燃燒、風包粉、一次風反切等燃料分級技術(shù)，并結(jié)合緊湊型燃燼風(OFA)、分離型燃燼風(SOFA)等空氣分級燃燒技術(shù)。旋流墻式燃燒鍋爐則通常采用雙調(diào)風技術(shù)和SOFA分級燃燒技術(shù)。

燃料分級燃燒技術(shù)是將煤粉分成濃相和淡相兩部分，分級既有利于濃相煤粉的著火穩(wěn)燃，又能降低NOx的生成?？諝夥旨壢紵夹g(shù)將爐膛整個燃燒空間分成主燃燒區(qū)、NOx還原區(qū)、SOFA燃盡區(qū)3個部分：主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)控制在0.75～0.85之間，實現(xiàn)缺氧燃燒；30%左右的SOFA燃燼風在距離主燃燒區(qū)域較遠的位置噴入爐膛，保證煤粉和CO的燃盡。采用SOFA空氣分級燃燒技術(shù)進行改造的煙煤鍋爐，NOx排放控制在280～300 mg/m3；貧煤鍋爐的控制在450～500 mg/m3；無煙煤鍋爐的控制在700～800 mg/m3。

2 低氮燃燒器改造的情況

某公司系統(tǒng)完成41臺鍋爐低氮燃燒器改造，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)低氮燃燒器改造后主要存在7個方面的問題:鍋爐燃燒穩(wěn)定性變差；飛灰可燃物含量升高，鍋爐固體不完全燃燒損失增加，對煤粉細度要求提高，制粉電耗增加；水冷壁壁面腐蝕性還原性氣氛加重，爐膛水冷壁的高溫腐蝕加重；煙氣中CO含量增加，鍋爐化學不完全燃燒損失增加；燃燒過程的推遲以及SOFA 的應(yīng)用對爐膛出口煙氣溫度產(chǎn)生影響，使主再熱蒸汽溫度降低，達不到設(shè)計值；爐膛熱負荷分配發(fā)生變化，爐內(nèi)嚴重結(jié)渣，管壁出現(xiàn)超溫問題及嚴重的高溫腐蝕，造成受熱面管壁超溫等問題；鍋爐的NOx排放量高，達不到設(shè)計值。

2.1 安全性影響

低氮燃燒器改造后出現(xiàn)了多種影響鍋爐安全性的問題，個別機組還出現(xiàn)了滅火現(xiàn)象，見表1。

表1 低氮燃燒器改造對鍋爐安全性影響 臺

2.2 環(huán)保指標情況

低氮燃燒器改造后，大多數(shù)脫硝裝置入口的NOx排放質(zhì)量濃度≤(設(shè)計值+50 mg/m3)，但其中有7臺機組出現(xiàn)了嚴重超標(較設(shè)計值超出50 mg/m3以上)，見表2。

表2 低氮燃燒器改造環(huán)保指標情況

2.3 經(jīng)濟性影響

根據(jù)現(xiàn)場試驗和調(diào)研情況統(tǒng)計，低氮燃燒器改造對機組的經(jīng)濟性影響較大，鍋爐飛灰、大渣含碳量、排煙溫度、減溫水量均有不同幅度升高。由表3可知，飛灰要比設(shè)計值普遍高出0.5%～2.0%，嚴重超標時會高出2%以上；發(fā)生再熱蒸汽溫度降低的機組，平均溫降約為5 ℃。

表3 低氮燃燒器改造對經(jīng)濟性的影響

表4 設(shè)備改造及運行情況統(tǒng)計

3 影響低氮燃燒改造效果的因素分析

針對低氮燃燒器改造后發(fā)生滅火的5臺機組進行統(tǒng)計分析，見表4。5次發(fā)生鍋爐滅火事件的鍋爐都采用了燃料濃淡分級加空氣分級的四角切圓鍋爐。爐膛主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)降低，二次風量減少，煤粉燃燒抗干擾能力下降，入爐煤質(zhì)、煤粉細度、運行調(diào)整方式的偏離，均對燃燒產(chǎn)生很大影響。

3.1 運行方式調(diào)整原因?qū)е洛仩t燃燒穩(wěn)定性差

低氮燃燒器改造后，鍋爐一、二次風的噴口尺寸、假想切圓、燃燒區(qū)域二次風與SOFA比例等會發(fā)生改變。運行人員應(yīng)掌握改造后的設(shè)備性能，燃燒調(diào)整方式也要相應(yīng)變化，尤其在燃燒器運行方式、二次風配風方式、燃燒最佳氧量、煤粉細度等方面，需要根據(jù)改造后的設(shè)備性能進行相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整。

LC#3鍋爐滅火有2點主要原因：燃燒器運行方式不合理，A1層(最底層)一次風的#2角和#4角火嘴停運，導致A1層火焰切圓被破壞，鍋爐燃燒穩(wěn)定性變差；火嘴停運，而與其相對應(yīng)的二次風門并未關(guān)閉，增加了無組織風量，使得主燃燒區(qū)存在缺氧的可能。

3.2 入爐煤摻配原因?qū)е洛仩t結(jié)焦滅火

QD#2鍋爐設(shè)計貧煤，運行中摻燒高揮發(fā)份煤種(煙煤或褐煤)比例大，入爐煤質(zhì)灰熔點低導致鍋爐結(jié)焦、掉焦滅火1次。YH#2鍋爐在摻配煤試驗過程中，試燒焦煤比例大，鍋爐出現(xiàn)了結(jié)焦、掉焦等異常問題未及時處置，造成鍋爐滅火1次。

爐膛的結(jié)渣與高溫腐蝕是電站燃煤鍋爐一直存在的難題，結(jié)渣程度嚴重時甚至影響鍋爐安全運行。隨著低NOx燃燒技術(shù)的應(yīng)用，主燃燒區(qū)內(nèi)缺氧形成還原性氣氛，使灰熔點降低，引起爐膛結(jié)渣、高溫腐蝕；同時爐內(nèi)分級燃燒造成火焰拉長、焦炭燃盡困難，導致爐膛出口處的受熱面結(jié)渣。燃煤灰熔點溫度影響鍋爐結(jié)渣性能，對于燃用低灰熔點煤炭的鍋爐，低氮燃燒器改造后大多會發(fā)生結(jié)渣問題，少數(shù)程度嚴重的甚至影響鍋爐安全運行。

3.3 鍋爐設(shè)計原因?qū)е洛仩t滅火

QD#1鍋爐燃燒器設(shè)計水平切角可調(diào)，依據(jù)鍋爐冷態(tài)動力場試驗，結(jié)合爐膛著火情況，判斷低氮燃燒器改造后鍋爐A層一次風粉對應(yīng)的二次風存在反切，使下層爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流不穩(wěn)定，同時各層燃燒器一次風風速不均勻、鍋爐燃燒穩(wěn)定性差、折焰角積灰塌擾動，導致爐膛滅火1次。

SLQ#5低氮燃燒器改造設(shè)計不合理，濃淡分離燃燒器濃側(cè)反切角度設(shè)計偏大(12°)；設(shè)計改變了原假想切圓，二次風切圓偏大；燃燒器改造增加了水平、垂直鈍體和穩(wěn)燃齒，燃燒器區(qū)域回流卷吸強烈；主燃區(qū)形成切圓的二次風率偏小，造成二次風旋轉(zhuǎn)動量不足，使爐內(nèi)火焰不穩(wěn)定、抗干擾能力差，易發(fā)生火焰偏斜和貼壁，造成水冷壁結(jié)焦。

4 低氮燃燒器改造及運行措施建議

經(jīng)現(xiàn)場試驗調(diào)整、統(tǒng)計分析與專家研討，影響低氮燃燒器改造效果的因素中約70%與設(shè)計相關(guān)，約30%的與施工、冷態(tài)、熱態(tài)調(diào)整有關(guān)。改造過程應(yīng)重視低氮燃燒器改造方案論證與校核計算、改造廠家選擇、制造和施工監(jiān)管理、啟動前的冷態(tài)驗收和改造后燃燒調(diào)試等全過程管理。

4.1 鍋爐校核計算

在進行低氮燃燒改造設(shè)計時，改造方案應(yīng)經(jīng)過鍋爐校核計算：校核計算燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)匹配平衡性；校核計算動力場動量平衡及燃燒器改造對鍋爐燃燒動力工況的影響。確保對燃燒系統(tǒng)改造在降低NOx排放的同時，鍋爐運行在最佳的狀態(tài)。

4.2 燃燒器改造安裝工作

在安裝階段，須按設(shè)計要求嚴格校準燃燒器水平角度。做好燃燒器安裝偏轉(zhuǎn)角測量及校核，燃燒器同角、同層擺動同步性測量及校核，確保燃燒器噴口尺寸、噴口軸線、燃燒器切圓直徑符合設(shè)計要求。

4.3 燃燒器改造冷態(tài)驗收工作

燃燒器改造冷態(tài)驗收時，應(yīng)做好燃燒器靜態(tài)切圓驗收與冷態(tài)一次風速的標定與調(diào)平，嚴格開展爐內(nèi)空氣動力場的試驗工作。

4.4 低氮燃燒器改造后燃燒優(yōu)化調(diào)整工作

低氮燃燒器改造后，燃燒調(diào)整方式要根據(jù)設(shè)備特性的變化進行相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整。燃燒優(yōu)化調(diào)整應(yīng)綜合考慮鍋爐及脫硝裝置運行安全性以及環(huán)保排放要求，合理控制NOx排放濃度范圍，平衡經(jīng)濟與環(huán)保的關(guān)系，指導運行人員操作。

(1)燃燒器運行方式。低氮燃燒器改造后，燃燒器運行方式應(yīng)利于提高爐膛溫度和煤粉氣流的著火穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)底層燃燒器停運、單層燃燒器出力較低等工況。

(2)鍋爐二次風配風方式。二次風配風應(yīng)保證風粉配比、爐膛主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)合理；燃燒器停止運行，其對應(yīng)的二次風門應(yīng)及時關(guān)?。辉O(shè)備改造后，二次風門開度應(yīng)根據(jù)二次風門的流量特性曲線確定；運行中控制合理的二次風箱壓差，保證二次風射流剛性。

(3)鍋爐運行氧量。控制合理的鍋爐運行氧量，應(yīng)根據(jù)燃燒調(diào)整試驗結(jié)果確定爐膛燃燒最佳氧量。

(4)煤粉細度控制。對采用SOFA風技術(shù)的鍋爐，應(yīng)適當調(diào)整煤粉細度。

4.5 加強低氮燃燒器改造后入爐煤摻燒摻配管理

進一步加強完善燃煤摻配摻燒管理工作，把灰熔點作為燃煤采購的考核指標，杜絕采購跨煤種混煤。摻配方案應(yīng)根據(jù)采購煤源和廠內(nèi)存煤情況確定，對出現(xiàn)的異常問題及時組織分析并采取對策。加強入爐煤質(zhì)化驗管理，為運行人員燃燒調(diào)整提供指導。燃煤摻配要關(guān)注燃煤著火、燃盡及煤灰結(jié)渣對爐膛熱力特性參數(shù)值的影響，見表5。

表5 機組容量、煤質(zhì)變化對爐膛熱力特性參數(shù)的影響趨勢

5 結(jié)束語

低氮燃燒器技術(shù)改造對鍋爐運行的安全性、經(jīng)濟性、氮氧化物排放等方面均有一定影響，為確保改造后機組安全經(jīng)濟運行，改造前須做好低氮燃燒器改造方案論證與校核計算、改造廠家選擇工作。改造過程中做好制造和施工監(jiān)管工作，改造后做好啟動前的冷態(tài)驗收、啟動后的燃燒優(yōu)化調(diào)整。應(yīng)通過規(guī)范低氮燃燒器改造全過程管理工作，提高鍋爐的運行可靠性，保證機組環(huán)保達標排放。