低氮燃燒器改造對鍋爐運(yùn)行影響探析

崔修強(qiáng)

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

0 引言

為滿足燃煤火電機(jī)組的排放要求，眾多在役鍋爐陸續(xù)進(jìn)行了低氮燃燒器改造[1]。低氮燃燒器采用煤粉濃縮、分級(jí)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(diǎn)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(shí)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(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、氮氧化物排放濃度等方面的影響，并以發(fā)生滅火的5臺(tái)改造機(jī)組為重點(diǎn)對低氮燃燒器改造及運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整提出了有益的建議。

1 低NOx分級(jí)燃燒技術(shù)特點(diǎn)

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

燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是將煤粉分成濃相和淡相兩部分，分級(jí)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?jí)燃燒技術(shù)將爐膛整個(gè)燃燒空間分成主燃燒區(qū)、NOx還原區(qū)、SOFA燃盡區(qū)3個(gè)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(shí)現(xiàn)缺氧燃燒；30%左右的SOFA燃燼風(fēng)在距離主燃燒區(qū)域較遠(yuǎn)的位置噴入爐膛，保證煤粉和CO的燃盡。采用SOFA空氣分級(jí)燃燒技術(shù)進(jìn)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(tái)鍋爐低氮燃燒器改造，統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)低氮燃燒器改造后主要存在7個(gè)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(xì)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(xué)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(dá)不到設(shè)計(jì)值；爐膛熱負(fù)荷分配發(fā)生變化，爐內(nèi)嚴(yán)重結(jié)渣，管壁出現(xiàn)超溫問題及嚴(yán)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(dá)不到設(shè)計(jì)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(gè)別機(jī)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(tái)

2.2 環(huán)保指標(biāo)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(jì)值+50 mg/m3)，但其中有7臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)了嚴(yán)重超標(biāo)(較設(shè)計(jì)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(biāo)情況

2.3 經(jīng)濟(jì)性影響

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)和調(diào)研情況統(tǒng)計(jì)，低氮燃燒器改造對機(jī)組的經(jīng)濟(jì)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(jì)值普遍高出0.5%～2.0%，嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)會(huì)高出2%以上；發(fā)生再熱蒸汽溫度降低的機(jī)組，平均溫降約為5 ℃。

表3 低氮燃燒器改造對經(jīng)濟(jì)性的影響

表4 設(shè)備改造及運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

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(tái)機(jī)組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(jí)加空氣分級(jí)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(fēng)量減少，煤粉燃燒抗干擾能力下降，入爐煤質(zhì)、煤粉細(xì)度、運(yùn)行調(diào)整方式的偏離，均對燃燒產(chǎn)生很大影響。

3.1 運(yùn)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(fēng)的噴口尺寸、假想切圓、燃燒區(qū)域二次風(fēng)與SOFA比例等會(huì)發(fā)生改變。運(yùn)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(yùn)行方式、二次風(fēng)配風(fēng)方式、燃燒最佳氧量、煤粉細(xì)度等方面，需要根據(jù)改造后的設(shè)備性能進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整。

LC#3鍋爐滅火有2點(diǎn)主要原因：燃燒器運(yùn)行方式不合理，A1層(最底層)一次風(fēng)的#2角和#4角火嘴停運(yùn)，導(dǎo)致A1層火焰切圓被破壞，鍋爐燃燒穩(wěn)定性變差；火嘴停運(yùn)，而與其相對應(yīng)的二次風(fēng)門并未關(guān)閉，增加了無組織風(fēng)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(jì)貧煤，運(yùn)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(diǎn)低導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦、掉焦滅火1次。YH#2鍋爐在摻配煤試驗(yàn)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(shí)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(yán)重時(shí)甚至影響鍋爐安全運(yùn)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(diǎn)降低，引起爐膛結(jié)渣、高溫腐蝕；同時(shí)爐內(nèi)分級(jí)燃燒造成火焰拉長、焦炭燃盡困難，導(dǎo)致爐膛出口處的受熱面結(jié)渣。燃煤灰熔點(diǎn)溫度影響鍋爐結(jié)渣性能，對于燃用低灰熔點(diǎn)煤炭的鍋爐，低氮燃燒器改造后大多會(huì)發(fā)生結(jié)渣問題，少數(shù)程度嚴(yán)重的甚至影響鍋爐安全運(yùn)行。

3.3 鍋爐設(shè)計(jì)原因?qū)е洛仩t滅火

QD#1鍋爐燃燒器設(shè)計(jì)水平切角可調(diào)，依據(jù)鍋爐冷態(tài)動(dòng)力場試驗(yàn)，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(fēng)粉對應(yīng)的二次風(fēng)存在反切，使下層爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流不穩(wěn)定，同時(shí)各層燃燒器一次風(fēng)風(fēng)速不均勻、鍋爐燃燒穩(wěn)定性差、折焰角積灰塌擾動(dòng)，導(dǎo)致爐膛滅火1次。

SLQ#5低氮燃燒器改造設(shè)計(jì)不合理，濃淡分離燃燒器濃側(cè)反切角度設(shè)計(jì)偏大(12°)；設(shè)計(jì)改變了原假想切圓，二次風(fēng)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(qiáng)烈；主燃區(qū)形成切圓的二次風(fēng)率偏小，造成二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)動(dòng)量不足，使?fàn)t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(yùn)行措施建議

經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)整、統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jì)算、改造廠家選擇、制造和施工監(jiān)管理、啟動(dòng)前的冷態(tài)驗(yàn)收和改造后燃燒調(diào)試等全過程管理。

4.1 鍋爐校核計(jì)算

在進(jìn)行低氮燃燒改造設(shè)計(jì)時(shí)，改造方案應(yīng)經(jīng)過鍋爐校核計(jì)算：校核計(jì)算燃燒系統(tǒng)與汽水系統(tǒng)匹配平衡性；校核計(jì)算動(dòng)力場動(dòng)量平衡及燃燒器改造對鍋爐燃燒動(dòng)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(shí)，鍋爐運(yùn)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(jì)要求嚴(yán)格校準(zhǔn)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(dòng)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(jì)要求。

4.3 燃燒器改造冷態(tài)驗(yàn)收工作

燃燒器改造冷態(tài)驗(yàn)收時(shí)，應(yīng)做好燃燒器靜態(tài)切圓驗(yàn)收與冷態(tài)一次風(fēng)速的標(biāo)定與調(diào)平，嚴(yán)格開展?fàn)t內(nèi)空氣動(dòng)力場的試驗(yàn)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(jìn)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(yùn)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(jì)與環(huán)保的關(guān)系，指導(dǎo)運(yùn)行人員操作。

(1)燃燒器運(yùn)行方式。低氮燃燒器改造后，燃燒器運(yùn)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(yùn)、單層燃燒器出力較低等工況。

(2)鍋爐二次風(fēng)配風(fēng)方式。二次風(fēng)配風(fēng)應(yīng)保證風(fēng)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(yùn)行，其對應(yīng)的二次風(fēng)門應(yīng)及時(shí)關(guān)小；設(shè)備改造后，二次風(fēng)門開度應(yīng)根據(jù)二次風(fēng)門的流量特性曲線確定；運(yùn)行中控制合理的二次風(fēng)箱壓差，保證二次風(fēng)射流剛性。

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

(4)煤粉細(xì)度控制。對采用SOFA風(fēng)技術(shù)的鍋爐，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整煤粉細(xì)度。

4.5 加強(qiáng)低氮燃燒器改造后入爐煤摻燒摻配管理

進(jìn)一步加強(qiáng)完善燃煤摻配摻燒管理工作，把灰熔點(diǎn)作為燃煤采購的考核指標(biāo)，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(shí)組織分析并采取對策。加強(qiáng)入爐煤質(zhì)化驗(yàn)管理，為運(yùn)行人員燃燒調(diào)整提供指導(dǎo)。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(jī)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(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性、氮氧化物排放等方面均有一定影響，為確保改造后機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，改造前須做好低氮燃燒器改造方案論證與校核計(jì)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(dòng)前的冷態(tài)驗(yàn)收、啟動(dòng)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(yùn)行可靠性，保證機(jī)組環(huán)保達(dá)標(biāo)排放。