300MW貧煤鍋爐低氮燃燒改造后拓寬煤種適應(yīng)性的技術(shù)研究

0 引言

受近些年來(lái)國(guó)際能源價(jià)格的攀升，煤炭?jī)r(jià)格的市場(chǎng)化等多方面因素影響，全國(guó)各省份電煤匱乏，各電廠都在多措并舉確保原煤采購(gòu)量，力保機(jī)組長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。我廠2021年累計(jì)消耗原煤約154萬(wàn)噸。煤炭供貨商達(dá)到40多家，進(jìn)廠煤種10種。購(gòu)煤渠道多、煤源雜、煤種多、煤質(zhì)穩(wěn)定性差，針對(duì)困擾火力發(fā)電廠煤源雜、煤種多、煤質(zhì)穩(wěn)定性差、偏離設(shè)計(jì)值等問(wèn)題，各廠都在探索燃煤機(jī)組拓寬煤種適應(yīng)性技術(shù)，確保鍋爐燃燒調(diào)整穩(wěn)定性及運(yùn)行安全，力保達(dá)標(biāo)排放。

自2015年以來(lái)，由于低氮改造和煤質(zhì)波動(dòng)等原因，我廠因嚴(yán)重結(jié)渣導(dǎo)致多次發(fā)生爐膛滅火引起MFT動(dòng)作進(jìn)而發(fā)生跳機(jī)事故，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鍋爐運(yùn)行問(wèn)題及分析

1.1 鍋爐概況

300MW機(jī)組鍋爐為上海鍋爐廠制造，亞臨界壓力參數(shù)、自然循環(huán)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、半露天布置、全鋼構(gòu)架的π型汽包爐，四角切圓燃燒。中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)采用鋼球磨、熱風(fēng)送粉系統(tǒng)。鍋爐原設(shè)計(jì)煤種為山西貧煤，2014年進(jìn)行了低氮燃燒器改造。

1.2 現(xiàn)狀調(diào)查

鍋爐專(zhuān)業(yè)技術(shù)骨干組織召開(kāi)專(zhuān)業(yè)分析會(huì)，成立攻關(guān)小組，提出當(dāng)前鍋爐所面臨的主要問(wèn)題：

①煤種適應(yīng)性差：除貧瘦煤外，摻燒無(wú)煙煤、煙煤期間均出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象，所有入爐煤灰熔點(diǎn)要求不低于1500℃，多次出現(xiàn)鍋爐塌焦滅火事故。

②燃燒穩(wěn)定性差：鍋爐摻燒低揮發(fā)煤種和低熱值煤種期間燃燒穩(wěn)定性差，曾發(fā)生因同時(shí)摻燒低揮發(fā)和低熱值煤種鍋爐滅火的現(xiàn)象；較小的負(fù)壓波動(dòng)也容易引起鍋爐滅火。

③抗腐蝕能力差：主燃燒區(qū)C層燃燒器至還原區(qū)上部水冷壁壁面高溫腐蝕嚴(yán)重，檢修期間水冷壁換管數(shù)量較大。

1.3 原因分析

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，鍋爐專(zhuān)業(yè)從多方面進(jìn)行分析，包括查閱理論資料和論文、咨詢同類(lèi)機(jī)組經(jīng)驗(yàn)、借助電科院力量，最終查出問(wèn)題癥結(jié)所在。

1.3.1 煤種適應(yīng)性差的原因

還原性氣氛較濃：低氮燃燒改造后鍋爐主燃燒區(qū)氧量不足，燃燒滯后嚴(yán)重。摻燒低揮發(fā)煤種期間由于低揮發(fā)不易著火使得部分煤種在還原區(qū)形成比較濃厚的還原性氛圍，將灰的熔點(diǎn)降低200-300℃，火焰中心灰呈熔融狀態(tài)，更易貼附在水冷壁上。

燃燒組織較差：小組成員對(duì)爐內(nèi)燃燒器噴口燒損情況進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)上兩層燃燒器存在燒損現(xiàn)象，煤粉氣流剛性較差且由于噴口附近流場(chǎng)紊亂，煤粉沖出噴口時(shí)快速擴(kuò)散，部分煤粉貼壁燃燒，造成鍋爐腐蝕和結(jié)渣。

結(jié)渣加劇爐溫升高：鍋爐結(jié)渣后爐溫會(huì)有明顯升高，燃燒區(qū)中心溫度超過(guò)1500℃，使得灰成熔融狀態(tài)，更加劇了結(jié)渣。

1.3.2 燃燒穩(wěn)定性差的原因

一次風(fēng)燃燒器設(shè)計(jì)不合理：我廠一次風(fēng)燃燒器采用出口帶錐形鈍體的濃淡分離燃燒器，其中淡側(cè)煤粉與二次風(fēng)切圓方向相同，濃側(cè)煤粉與二次風(fēng)切圓方向相反，濃側(cè)煤粉與二次風(fēng)迎面相撞，削弱了二次風(fēng)的剛性，又使得濃側(cè)煤粉被甩到水冷壁附近，貼壁燃燒。

二次風(fēng)剛性不足：低氮燃燒改造后主燃燒區(qū)二次風(fēng)量明顯減少，二次風(fēng)噴口面積大幅縮小，在低二次風(fēng)壓力下不能形成很好的燃燒切圓，難以保證切圓剛性，火焰抗干擾能力差。

下三次風(fēng)干擾鍋爐燃燒：我廠下三次風(fēng)作為二次風(fēng)補(bǔ)入主燃燒區(qū)CDE燃燒器之間，大量高速低溫三次風(fēng)攜裹煤粉進(jìn)入爐膛燃燒中心區(qū)域，降低了鍋爐燃燒穩(wěn)定性。

燃燒器燒損：E、F層噴口中各燃燒器及部分二次風(fēng)口均存在著鈍體和噴口燒損、開(kāi)裂的現(xiàn)象，鈍體燒損會(huì)損壞鈍體后形成的回流區(qū)，不利于高溫?zé)煔饣亓髦粱鹧娓?、影響煤粉氣流著火和穩(wěn)定燃燒。

1.3.3 抗腐蝕能力差的原因

燃燒組織差：燃燒器噴口燒損導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)燃燒組織較差，上層煤粉處于無(wú)組織燃燒狀態(tài)，部分未完全燃燒的煤粉貼附在水冷壁上導(dǎo)致近壁區(qū)呈現(xiàn)還原性氣氛，與燃料中硫分混合造成高溫腐蝕。

低氮燃燒影響：低氮燃燒使得還原區(qū)缺氧嚴(yán)重但溫度很高，符合高溫腐蝕的必要條件。

綜上，低氮燃燒改造后，還原性氣氛較濃、爐內(nèi)燃燒器嚴(yán)重?zé)龘p、空氣動(dòng)力場(chǎng)組織差是造成煤種適應(yīng)性差、結(jié)渣、抗腐蝕能力差和燃燒不穩(wěn)定的主要原因。

2 采取的措施

2.1 優(yōu)化燃燒組織

2.1.1 燃燒切圓論證

2.1.1.1 切圓直徑對(duì)爐內(nèi)O濃度的影響

圖1為鍋爐整體O濃度分布云圖，圖2為鍋爐內(nèi)中心截面O濃度分布云圖?？梢钥闯?，在鍋爐爐膛，O濃度較高的區(qū)域?yàn)槿紵魅肟趨^(qū)域，鍋爐幾何中心O濃度幾乎為0，這是因?yàn)镺與煤粉反應(yīng)速率極高，O在較短時(shí)間被完全消耗。在燃盡風(fēng)區(qū)域，大量空氣用于燃燒燃燒區(qū)和還原區(qū)產(chǎn)生的CO和剩余焦炭等物質(zhì)，由于過(guò)量空氣系數(shù)大于1，燃盡風(fēng)輸入的O不能完全參與燃燒，因此煙氣中O濃度增加。

圖1 鍋爐整體氧濃度分布云圖

圖2 鍋爐中心截面氧濃度分布云圖

對(duì)比不同切圓直徑工況下的O濃度變化。可以看出，切圓直徑為850mm工況下，O濃度降低速率高于其他工況。這是因?yàn)榍袌A直徑增加，煤粉射流靠近爐膛壁面，煤粉火焰更容易到達(dá)鄰角煤粉入口，有利于煤粉著火。因此，切圓直徑增加，煤粉著火提前，有利于煤粉著火。

2.1.1.2 切圓直徑對(duì)爐內(nèi)溫度的影響

圖3至圖7為鍋爐整體溫度分布及部分燃燒器層溫度分布云圖。由于氣流在爐內(nèi)會(huì)受熱膨脹，且會(huì)受到上游氣流的沖擊，因而實(shí)際的切圓大小一般會(huì)膨脹到假想切圓的6-8倍。從鍋爐溫度分布云圖可以看出，鍋爐燃燒器產(chǎn)生切圓后，鍋爐中心區(qū)域?qū)?huì)出現(xiàn)低溫區(qū)，圖4可以看出鍋爐切圓直徑從850mm減小為600mm后，中心低溫區(qū)域面積減小，中心低溫區(qū)溫度增加，說(shuō)明切圓面積減小使得火焰向爐膛中心移動(dòng)。從圖4紅線可以看出，隨著切圓直徑減小，A層燃燒器出口低溫區(qū)增長(zhǎng)，說(shuō)明切圓直徑減小不利于A層鄰角火焰運(yùn)動(dòng)至煤粉氣流根部，促進(jìn)煤粉迅速脫揮發(fā)分、著火，同時(shí)也可以說(shuō)明切圓直徑減小，煤粉著火距離增長(zhǎng)，這不利于煤粉的著火。切圓直徑減小，截面高溫區(qū)域面積下降。切圓直徑減小，煤粉著火難度增加，燃燒穩(wěn)定性降低，燃燒存在燃燒推遲，尤其是在低負(fù)荷時(shí)容易造成燃燒不穩(wěn)定和熄火。切圓直徑較大時(shí)，火焰溫度差別減小，溫度較為均勻，煤粉氣流容易著火。因此，從切圓角度對(duì)煤粉的著火和燃盡來(lái)說(shuō)，切圓直徑減小，煤粉著火難度增加，在爐內(nèi)行程較小，燃盡性能差。

圖3 鍋爐溫度分布云圖

圖4 鍋爐中心截面溫度分布云圖

從圖4可以看出切圓從600mm增加至700mm，火焰區(qū)整體溫度升高，這是因?yàn)榍袌A增大煤粉著火提前。從700mm增加到850mm，火焰區(qū)整體溫度略有降低，這主要是因?yàn)殡S著切圓直徑增大，中心低溫區(qū)增大，火焰會(huì)卷吸更多的中心低溫氣體。從圖5紅色圓圈可以看出隨著切圓角度增大，鄰角火焰末段溫度降低，這主要是因?yàn)榫砦行牡蜏貧怏w（圖4）。

圖5 燃燒器A層溫度分布云圖

圖6和圖7分別為燃燒器F層和燃燒器SOFA2層溫度分布?？梢钥闯?，切圓角度減小，鍋爐中心區(qū)域溫度增加，這是因?yàn)槊悍刍鹧嬖诘颓袌A角度工況下靠近爐膛幾何中心。

圖6 燃燒器F層溫度分布云圖

圖7 燃燒器SOFA2層溫度分布云圖

聯(lián)系西安熱工院利用數(shù)值模擬對(duì)切圓直徑修改后在燃燒器區(qū)域爐膛溫度場(chǎng)進(jìn)行建模計(jì)算，綜合考慮燃燒器切圓布置對(duì)煤粉氣流著火、中上層燃燒器爐溫分布和氣流運(yùn)動(dòng)等的影響，建議燃燒器一、二、三次風(fēng)切圓直徑按照700mm原設(shè)計(jì)值進(jìn)行布置。

2.1.2 燃燒器更換

機(jī)組檢修期間更換燒損嚴(yán)重一次風(fēng)噴口共計(jì)6臺(tái)，分別是2D、3D、1E、3E、4E、4F，同時(shí)更換四角下兩層燃盡風(fēng)噴口。調(diào)整后爐內(nèi)所有燃燒器滿足原設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 燃燒切圓調(diào)整

機(jī)組檢修期間進(jìn)入爐膛內(nèi)部采用激光發(fā)測(cè)量各噴口切圓，對(duì)切圓直徑偏離正常值得噴口進(jìn)行調(diào)整，具體調(diào)整結(jié)果如表1、表2所示。

表1 調(diào)整前各層切圓情況

表2 調(diào)整后各層切圓情況

切圓調(diào)整前，1號(hào)爐燃燒器合計(jì)有11只一次風(fēng)噴口、19只二三次風(fēng)燃燒器噴口切圓直徑達(dá)不到700mm的設(shè)計(jì)要求；調(diào)整后各層燃燒器的假想切圓直徑基本達(dá)到設(shè)計(jì)值，偏差在50mm左右，滿足設(shè)計(jì)和數(shù)值建模計(jì)算要求。

2.1.4 進(jìn)行冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)

燃燒器更換完畢、切圓調(diào)整正常后我廠進(jìn)行了鍋爐冷態(tài)動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)冷態(tài)調(diào)平，將各一、三次風(fēng)層風(fēng)速偏差控制在±5%以內(nèi)。在冷態(tài)通風(fēng)條件下，各層一二三次風(fēng)速均勻性較好，切圓居中，熱態(tài)時(shí)不易出現(xiàn)某面墻結(jié)渣加重問(wèn)題；爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)組織良好，燃燒器切圓位于爐膛中心，不存在氣流偏斜刷墻現(xiàn)象，貼壁風(fēng)速較低，不易發(fā)生煤粉氣流貼壁燃燒引起結(jié)渣。

2.1.5 熱態(tài)調(diào)整試驗(yàn)

在鍋爐進(jìn)行燃燒器切圓調(diào)整后，從運(yùn)行情況來(lái)看，鍋爐掉焦影響運(yùn)行安全已不是鍋爐運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題，通過(guò)燃燒調(diào)整和吹灰優(yōu)化可以保證鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 增加防結(jié)渣吹灰器

考慮到鍋爐燃燒器區(qū)和還原區(qū)吹灰器布置不足的情況，在中上層燃燒器區(qū)和還原區(qū)安裝三層吹灰器，以便做到易結(jié)渣區(qū)域吹灰全覆蓋，有效清除爐膛燃燒器區(qū)和還原區(qū)水冷壁結(jié)渣。根據(jù)吹灰器改造，修改了《鍋爐吹灰技術(shù)措施》，滿足防結(jié)渣功能的同時(shí)避免了水冷壁吹損，具體加裝位置如圖8所示。

圖8 吹灰器改造安裝位置示意圖

在鍋爐改造完成后，機(jī)組在高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行安全性得到了有效驗(yàn)證。從撈渣機(jī)的渣量和渣型來(lái)看，目前爐渣多為松散型渣，在新增第三層（燃盡風(fēng)下部）和B層吹灰器投運(yùn)時(shí)偶有超過(guò)5cm的渣塊出現(xiàn)，但渣的硬度不高，容易擠碎。高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行時(shí)，D層燃燒器至還原區(qū)上方B層及其上部C層吹灰器投運(yùn)時(shí)渣量較大。低負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行時(shí)，易結(jié)渣部位主要位于D、G層燃燒器層、燃盡風(fēng)下部吹灰器層和B、C層吹灰器區(qū)，吹灰器投入頻率可視渣型和渣量情況有針對(duì)性的進(jìn)行吹灰。

2.3 優(yōu)化燃燒調(diào)整

①合理控制一次風(fēng)壓：根據(jù)煤種合理調(diào)整一次風(fēng)壓力，在條件允許的情況下盡量降低一次風(fēng)壓以減少一次風(fēng)對(duì)燃燒的影響。

②提高二次風(fēng)剛性：運(yùn)行中要求保證二次風(fēng)箱壓力不低于0.5kPa以保證切圓剛性，同時(shí)主燃燒區(qū)氧量得到一定補(bǔ)充避免了還原區(qū)過(guò)于濃厚的還原性氛圍，降低了高溫腐蝕。

③降低三次風(fēng)燃燒的影響：運(yùn)行中要求制粉系統(tǒng)再循環(huán)風(fēng)門(mén)開(kāi)度不低于60%，降低進(jìn)入爐膛的三次風(fēng)量。同時(shí)開(kāi)大附近二次風(fēng)門(mén)，補(bǔ)足由于三次風(fēng)減少導(dǎo)致的鍋爐缺氧。

3 改造后的效果分析

通過(guò)上述改造，鍋爐燃燒切圓恢復(fù)到設(shè)計(jì)水平，各燃燒器噴口及二次風(fēng)口未見(jiàn)燒損，爐內(nèi)燃燒組織得到明顯改善，鍋爐結(jié)渣做到可控在控，燃燒穩(wěn)定性明顯加強(qiáng)，高溫腐蝕明顯減輕，煤種適應(yīng)性大大拓寬。全年摻燒劣質(zhì)煤合計(jì)34.1萬(wàn)噸，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

改造后我廠先后進(jìn)行了各類(lèi)煤種的摻燒試驗(yàn)，摻燒期間鍋爐未出現(xiàn)結(jié)渣、高溫腐蝕和燃燒波動(dòng)的情況，從根本上解決了低氮燃燒改造后存在的一系列問(wèn)題，保證了能源供應(yīng)安全和機(jī)組運(yùn)行安全，培養(yǎng)了技術(shù)人才。