670 MW 超臨界對沖燃燒直流鍋爐低氮改造技術(shù)探討

謝建斌

（國能（泉州）熱電有限公司，泉州 362804）

為滿足國家節(jié)能減排、超低排放要求，國能（泉州）熱電有限公司（以下簡稱公司）在2015 年底對#3 鍋爐進(jìn)行低氮改造，效果明顯。但是，采用分級燃燒原理改造后的鍋爐出現(xiàn)了水冷壁高溫腐蝕、鍋爐受熱面易結(jié)焦以及飛灰底渣含碳量高等問題。針對出現(xiàn)的問題，從低氮改造的結(jié)構(gòu)原理出發(fā)進(jìn)行分析探討，結(jié)合運(yùn)行實(shí)際，采取有效的應(yīng)對措施，避免損壞鍋爐設(shè)備，提高鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

1 設(shè)備及原理概況

1.1 設(shè)備介紹

公司二期#3、#4 鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)，為超臨界參數(shù)直流式、變壓運(yùn)行、前后墻對沖燃燒、一次再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、露天全鋼構(gòu)架布置、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)π型鍋爐。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，等離子裝置點(diǎn)火，前后墻各布置3 層低NOx軸向旋流燃燒器（LNASB），每層各有5 只，對應(yīng)1 臺制粉系統(tǒng)，共30 只燃燒器、6 臺制粉系統(tǒng)。在最上層煤粉燃燒器上方，前后及左右側(cè)墻各布置1 層燃盡風(fēng)口。燃盡風(fēng)口具有一定的旋流強(qiáng)度，其中前后墻各布置5 只，左右墻各布置3 只，共16 只燃盡風(fēng)口，主要用來補(bǔ)充燃燒后期所需的空氣，同時實(shí)現(xiàn)分級燃燒，降低爐內(nèi)平均溫度，并減少NOx的生成。

1.2 煤粉燃燒過程

煤粉的燃燒過程可分為4 個階段，分別為預(yù)熱干燥階段、揮發(fā)分析出著火階段、燃燒階段以及燃盡階段[1]。

預(yù)熱干燥階段主要是蒸發(fā)出煤中水分。這個階段燃料不但不能發(fā)熱，而且要大量吸收爐膛煙氣中的熱量。揮發(fā)分析出著火階段主要是煤中所含的高分子碳?xì)浠衔镂鼰徇M(jìn)行熱分解，分解出一種混合可燃?xì)怏w，即揮發(fā)分。揮發(fā)分一經(jīng)析出，便立即著火。燃燒階段包括揮發(fā)分和焦炭的燃燒。揮發(fā)分燃燒放出大量熱，為焦炭燃燒提供溫度條件。焦炭燃燒需要大量氧氣，以滿足燃燒的需要，從而放出大量熱，使溫度急劇上升，以保證燃料燃燒反應(yīng)所需的溫度條件。燃盡階段主要是殘余的焦炭最后燃盡成為灰渣。因?yàn)闅堄嗟慕固砍１换曳趾蜔煔獍鼑?，空氣很難與之接觸，故燃盡階段的燃燒反應(yīng)十分緩慢，易造成不完全燃燒損失。

2 原因分析

對比改造前后，#3 鍋爐結(jié)構(gòu)變化主要有以下兩點(diǎn)：一是將原來的低NOx軸向旋流燃燒器（LNSB）更換為HBS-LNSB Ⅲ燃燒器，即升級了燃燒器，如圖1所示；二是對燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，使得燃盡風(fēng)箱和風(fēng)道明顯加大。

圖1 HBS-LNSB Ⅲ燃燒器圖

與同工況下未進(jìn)行低氮改造的#4 爐對比，#3 爐改造取得了一定效果，其選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR） 入口NOx降低了100 mg·Nm-3以上。表1 為運(yùn)行中2 個月的對比數(shù)據(jù)，其中使用的均為國燃和印尼煤混燒。

表1 ＃3、#4 爐NOx 對比表

從NOx生成機(jī)理和鍋爐運(yùn)行實(shí)際可知，為減少NOx的生成，爐內(nèi)不能同時形成“三高”（高溫、高氧、高煤粉濃度）環(huán)境。因此，目前鍋爐的低氮改造技術(shù)主要是使煤粉在燃燒階段（即高煤粉濃度、高溫區(qū)域，主要在燃燒器區(qū)域）提供較低的過量空氣系數(shù)，缺氧燃燒，形成還原性氛圍，在燃盡階段（即煤粉已部分燃燒、煙溫相對較低的區(qū)域）補(bǔ)充所需的氧量，實(shí)現(xiàn)分級燃燒，降低NOx的產(chǎn)生。對于對沖燃燒鍋爐，主燃區(qū)二次風(fēng)配風(fēng)少，旋流強(qiáng)度減弱，煤粉在主燃區(qū)域停留時間短，可進(jìn)一步強(qiáng)化分級效果。運(yùn)行一段時間后，鍋爐陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題。

2.1 鍋爐受熱面結(jié)焦

鍋爐結(jié)焦與煤種的灰分性質(zhì)、燃燒周圍介質(zhì)的成分、運(yùn)行的操作調(diào)整、爐膛容積熱負(fù)荷大小以及吹灰、除焦及時性有關(guān)。

進(jìn)行#3 鍋爐水冷壁和屏過吹灰時，經(jīng)常出現(xiàn)掉大焦塊的現(xiàn)象。從紋路看，水冷壁區(qū)域結(jié)焦居多，嚴(yán)重時造成撈渣機(jī)過載跳閘，甚至大焦塊積在鍋爐底部的冷灰斗上。結(jié)焦的原因主要有以下3 個。一是分級燃燒減少煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒階段的氧量，導(dǎo)致爐內(nèi)局部出現(xiàn)還原性氛圍，產(chǎn)生CH4、CO、H2等還原性氣體，使灰熔點(diǎn)降低約200 ℃，增加了爐膛結(jié)焦的概率，甚至造成冷渣斗都有結(jié)焦的現(xiàn)象；二是在爐內(nèi)還原性氣氛中，受煤種含鐵的影響，F(xiàn)e2O3被還原成FeO，灰熔點(diǎn)隨之下降，黏附力增加，且FeO 易與灰渣中的堿性氧化物SiO2形成熔點(diǎn)很低的2FeO·SiO2（2FeO·SiO2的灰熔點(diǎn)低于1 100 ℃，明顯低于鍋爐爐膛出口設(shè)計(jì)溫度1 200 ℃）；三是由于上部燃盡風(fēng)增加，相對進(jìn)入下部燃燒器的二次進(jìn)風(fēng)減少，使風(fēng)的旋流強(qiáng)度和剛性均減弱，導(dǎo)致燃燒區(qū)域無規(guī)則擴(kuò)大，燃燒變得紊亂，存在火焰貼邊刷墻現(xiàn)象，在高負(fù)荷時易出現(xiàn)水冷壁結(jié)焦。

水冷壁結(jié)焦嚴(yán)重，爐膛吸熱減少，分級燃燒造成火焰中心拉長，爐膛出口煙溫升高，加劇高溫受熱面結(jié)焦，主要結(jié)焦區(qū)域?yàn)槠潦竭^熱器。停爐時，對該受熱面檢查均有不同程度掛焦，嚴(yán)重時甚至造成屏式過熱器嚴(yán)重結(jié)焦，堵塞煙道，增大阻力。大焦塊脫落時容易引起爐膛負(fù)壓波動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鍋爐滅火。此外，由于整個燃燒過程拉長，煤粉在爐內(nèi)停留時間變短，高負(fù)荷運(yùn)行時會造成過熱器、再熱器超溫。減溫水量不足，爐內(nèi)吸熱相對下降，爐膛出口煙溫升高，水平煙道受熱面換熱增強(qiáng)，導(dǎo)致主熱器、再熱器溫度升高，減溫水量明顯加大。過熱器和再熱器管壁溫度超溫，且排煙溫度升高，降低了鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 水冷壁高溫腐蝕

鍋爐高溫腐蝕是指鍋爐金屬管壁與爐內(nèi)介質(zhì)在高溫環(huán)境下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)，使金屬管壁性能退化的過程。爐內(nèi)介質(zhì)指的是受熱面積灰靠近管壁層含有較多的堿性金屬，加上煙氣飛灰中的鐵和鋁等成分，與煙氣中通過外灰層松散孔隙擴(kuò)散進(jìn)來的氧化硫長時間的化學(xué)作用生成堿金屬的硫酸鹽等復(fù)合物。處于熔化或半熔化狀態(tài)的堿金屬硫酸鹽復(fù)合會與鍋爐受熱面的合金鋼發(fā)生強(qiáng)烈的氧化反應(yīng)，使壁厚腐蝕變薄，應(yīng)力增大，以致引起管子產(chǎn)生蠕變，使管壁變得更薄，最終導(dǎo)致管道受損而發(fā)生爆管。

高溫腐蝕主要發(fā)生在水冷壁區(qū)域。由水冷壁積灰結(jié)焦引起的高溫腐蝕主要有硫酸鹽型和硫化物型兩種。此外，爐內(nèi)SO3、H2S 和HCl 氣體會對水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕。硫酸鹽型腐蝕主要有兩種途徑：一種是灰渣層中的堿金屬硫酸鹽與SO3共同作用產(chǎn)生腐蝕；另一種是堿金屬焦硫酸熔鹽腐蝕。當(dāng)管壁附近呈現(xiàn)還原性氣氛和有H2S 存在時，會產(chǎn)生硫化物型腐蝕。

進(jìn)行低氮改造后的超臨界對沖燃燒直流爐容易發(fā)生水冷壁高溫腐蝕。#3 鍋爐出現(xiàn)過水冷壁嚴(yán)重高溫腐蝕造成泄漏的問題，停爐檢查發(fā)現(xiàn)，左右側(cè)墻存在大面積腐蝕現(xiàn)象，腐蝕區(qū)域集中在水冷壁燃燒器中上部區(qū)域，主要由還原性氣氛和高硫煤摻燒引起。

2.3 飛灰、底渣含碳量升高

燃用同種煤種，對比#3、#4 爐，#3 爐飛灰底渣含碳量偏高，底渣肉眼看已偏黑。因主燃區(qū)二次配風(fēng)少，旋流強(qiáng)度減弱，煤粉與空氣混合效果差，煤粉在爐內(nèi)停留時間短（在爐內(nèi)以空間換取時間效果差），燃燒不完全。下部爐膛的進(jìn)風(fēng)量減少，使二次風(fēng)的托扶能力減弱，排渣量增加，排渣含碳量升高，尤其是在高負(fù)荷時。在燃盡階段，殘余的焦炭常被灰分和煙氣包圍，旋流擾動減弱，空氣很難與之接觸。在高負(fù)荷時，大量煤粉的燃燒時間拉長，未完全燃燒的煤粉被帶入煙道，造成飛灰含碳量增加。

通過改造運(yùn)行發(fā)現(xiàn)存在矛盾，即為了降低NOx的生成要降低鍋爐燃燒器區(qū)域的氧量，而為了避免結(jié)焦和高溫腐蝕又不能形成還原性氣氛。為了兼顧兩面，需綜合考慮調(diào)整燃燒和提升技改。

3 防范措施

3.1 提高氧量

爐膛氧量是鍋爐運(yùn)行過程中的一個重要監(jiān)測參數(shù)。氧量變化是鍋爐燃燒發(fā)生變化的重要體現(xiàn)。從鍋爐氧量的變化判斷鍋爐產(chǎn)汽量，進(jìn)而判斷引起的機(jī)組負(fù)荷變化[2]。氧量過大和過小各有利弊。當(dāng)爐內(nèi)氧量過大時，輸入爐內(nèi)空氣增多，煤粉燃燒完全，減小了不完全燃燒損失，但爐膛溫度下降，水冷壁吸熱變少，煙氣量增加，增加了送、引風(fēng)耗能，廠用電率增加，且氮氧化物增加，耗氨增加；當(dāng)爐內(nèi)氧量過小時，煤粉在爐內(nèi)與二次風(fēng)混合減弱，并且由于缺氧燃燒不完全，飛灰含碳量增加，未完全燃燒的煤粉進(jìn)入尾部煙道可能會造成再燃燒，威脅鍋爐的安全運(yùn)行[3]。因此，鍋爐運(yùn)行中要保持鍋爐燃燒合理的氧量，通過運(yùn)行調(diào)整和試驗(yàn)，確定合理的過量空氣系數(shù)，保證鍋爐安全運(yùn)行，同時提高鍋爐燃燒換熱效率。此外，根據(jù)集團(tuán)和行業(yè)技術(shù)監(jiān)督對低氮改造鍋爐的要求，空預(yù)器入口氧量任何時候都不低于3%，以避免過低氧量運(yùn)行引起鍋爐爆管停運(yùn)。

3.2 配風(fēng)調(diào)整

不能只為了降低NOx，減少噴氨量和氨逃逸及防止空預(yù)器堵塞而長期保持燃盡風(fēng)大開度運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行中，需要根據(jù)煤種、負(fù)荷工況及時關(guān)小燃盡風(fēng)（開度最低20%），開大主燃區(qū)的二次風(fēng)，同時根據(jù)實(shí)際工況，采用均等、束腰、鼓腰、正塔、倒塔等配風(fēng)方式形成配風(fēng)卡[4]。目前，#3 爐SCR 入口NOx控制在350 mg·Nm-3左右，燃盡風(fēng)基本要關(guān)小運(yùn)行。

集團(tuán)運(yùn)行優(yōu)化導(dǎo)則要求：在保證鍋爐受熱面（主要指水冷壁）不產(chǎn)生異常高溫腐蝕、嚴(yán)重結(jié)焦、燃燒器燒損的前提下，綜合考慮灰渣含碳量、氮氧化物產(chǎn)生量、過再熱減溫水量、主再熱器溫度、排煙溫度等參數(shù)的控制。就生產(chǎn)實(shí)際看，鍋爐發(fā)生水冷壁高溫腐蝕爆管和嚴(yán)重結(jié)焦，必須停爐處理，且處理時間長，造成非停。空預(yù)器堵塞問題可采取在線清洗，無須停爐。現(xiàn)在#3、#4 爐SCR 均進(jìn)行噴氨優(yōu)化改造，大大減少了先前的氨逃逸現(xiàn)象。

3.3 配煤管理

進(jìn)行低氮改造的鍋爐，需減少高硫煤的摻燒（公司目前主要指印尼高熱煤），特別是高負(fù)荷和環(huán)境溫度低時。由于高負(fù)荷、高溫、低氧條件下，燃用高硫煤容易發(fā)生水冷壁高溫腐蝕。#3 爐水冷壁增加貼壁風(fēng)，但仍要關(guān)注預(yù)防效果及是否存在死區(qū)。環(huán)境溫度低時燃用高硫煤，空預(yù)器容易發(fā)生低溫腐蝕，同時易生成硫酸氫銨造成空預(yù)器冷端堵塞[5]。因此，在配煤時#3 爐可減少高硫煤摻燒比例，合理安排煤種采購。

3.4 燃燒器檢查和動力場試驗(yàn)

利用停爐檢查燃燒器存在的燒損壞現(xiàn)象，待修復(fù)后進(jìn)行空氣動力場試驗(yàn)，從而判斷氣流是否沖刷墻壁。若存在，爐膛容易結(jié)焦或產(chǎn)生高溫腐蝕。氣流在爐膛斷面上應(yīng)分布均勻，若存在偏斜，則會造成偏斜一側(cè)的溫度過高。氣溫產(chǎn)生偏差，受熱面超溫，會發(fā)生結(jié)焦等不正常情況[6]。

4 結(jié)語

通過鍋爐低氮改造的分析和探討，了解他廠同類型鍋爐改造后的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)超臨界對沖燃燒鍋爐低氮改造后都會遇到這樣的共性問題。此外，每個電廠結(jié)合鍋爐燃燒的實(shí)際特性，通過技術(shù)改造、燃燒調(diào)整等手段，既能兼顧NOx排放要求，又能較好地解決鍋爐結(jié)焦和高溫腐蝕問題，進(jìn)一步提高鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。采取上述措施后，目前#3 鍋爐基本能保持長周期穩(wěn)定運(yùn)行，可為保電保供提供強(qiáng)有力的支撐。