300MW貧煤鍋爐低氮燃燒改造后拓寬煤種適應性的技術研究

0 引言

受近些年來國際能源價格的攀升，煤炭價格的市場化等多方面因素影響，全國各省份電煤匱乏，各電廠都在多措并舉確保原煤采購量，力保機組長周期安全運行。我廠2021年累計消耗原煤約154萬噸。煤炭供貨商達到40多家，進廠煤種10種。購煤渠道多、煤源雜、煤種多、煤質穩定性差，針對困擾火力發電廠煤源雜、煤種多、煤質穩定性差、偏離設計值等問題，各廠都在探索燃煤機組拓寬煤種適應性技術，確保鍋爐燃燒調整穩定性及運行安全，力保達標排放。

自2015年以來，由于低氮改造和煤質波動等原因，我廠因嚴重結渣導致多次發生爐膛滅火引起MFT動作進而發生跳機事故，嚴重影響機組安全穩定運行。

1 鍋爐運行問題及分析

1.1 鍋爐概況

300MW機組鍋爐為上海鍋爐廠制造，亞臨界壓力參數、自然循環、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、固態排渣、半露天布置、全鋼構架的π型汽包爐，四角切圓燃燒。中儲式制粉系統采用鋼球磨、熱風送粉系統。鍋爐原設計煤種為山西貧煤，2014年進行了低氮燃燒器改造。

1.2 現狀調查

鍋爐專業技術骨干組織召開專業分析會，成立攻關小組，提出當前鍋爐所面臨的主要問題：

①煤種適應性差：除貧瘦煤外，摻燒無煙煤、煙煤期間均出現嚴重結渣現象，所有入爐煤灰熔點要求不低于1500℃，多次出現鍋爐塌焦滅火事故。

②燃燒穩定性差：鍋爐摻燒低揮發煤種和低熱值煤種期間燃燒穩定性差，曾發生因同時摻燒低揮發和低熱值煤種鍋爐滅火的現象；較小的負壓波動也容易引起鍋爐滅火。

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

1.3 原因分析

針對上述存在的問題，鍋爐專業從多方面進行分析，包括查閱理論資料和論文、咨詢同類機組經驗、借助電科院力量，最終查出問題癥結所在。

1.3.1 煤種適應性差的原因

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

燃燒組織較差：小組成員對爐內燃燒器噴口燒損情況進行檢查發現上兩層燃燒器存在燒損現象，煤粉氣流剛性較差且由于噴口附近流場紊亂，煤粉沖出噴口時快速擴散，部分煤粉貼壁燃燒，造成鍋爐腐蝕和結渣。

結渣加劇爐溫升高：鍋爐結渣后爐溫會有明顯升高，燃燒區中心溫度超過1500℃，使得灰成熔融狀態，更加劇了結渣。

1.3.2 燃燒穩定性差的原因

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

二次風剛性不足：低氮燃燒改造后主燃燒區二次風量明顯減少，二次風噴口面積大幅縮小，在低二次風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。

下三次風干擾鍋爐燃燒：我廠下三次風作為二次風補入主燃燒區CDE燃燒器之間，大量高速低溫三次風攜裹煤粉進入爐膛燃燒中心區域，降低了鍋爐燃燒穩定性。

燃燒器燒損：E、F層噴口中各燃燒器及部分二次風口均存在著鈍體和噴口燒損、開裂的現象，鈍體燒損會損壞鈍體后形成的回流區，不利于高溫煙氣回流至火焰根部、影響煤粉氣流著火和穩定燃燒。

1.3.3 抗腐蝕能力差的原因

燃燒組織差：燃燒器噴口燒損導致爐內燃燒組織較差，上層煤粉處于無組織燃燒狀態，部分未完全燃燒的煤粉貼附在水冷壁上導致近壁區呈現還原性氣氛，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缺氧嚴重但溫度很高，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、爐內燃燒器嚴重燒損、空氣動力場組織差是造成煤種適應性差、結渣、抗腐蝕能力差和燃燒不穩定的主要原因。

2 采取的措施

2.1 優化燃燒組織

2.1.1 燃燒切圓論證

2.1.1.1 切圓直徑對爐內O濃度的影響

圖1為鍋爐整體O濃度分布云圖，圖2為鍋爐內中心截面O濃度分布云圖。可以看出，在鍋爐爐膛，O濃度較高的區域為燃燒器入口區域，鍋爐幾何中心O濃度幾乎為0，這是因為O與煤粉反應速率極高，O在較短時間被完全消耗。在燃盡風區域，大量空氣用于燃燒燃燒區和還原區產生的CO和剩余焦炭等物質，由于過量空氣系數大于1，燃盡風輸入的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。這是因為切圓直徑增加，煤粉射流靠近爐膛壁面，煤粉火焰更容易到達鄰角煤粉入口，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 切圓直徑對爐內溫度的影響

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。由于氣流在爐內會受熱膨脹，且會受到上游氣流的沖擊，因而實際的切圓大小一般會膨脹到假想切圓的6-8倍。從鍋爐溫度分布云圖可以看出，鍋爐燃燒器產生切圓后，鍋爐中心區域將會出現低溫區，圖4可以看出鍋爐切圓直徑從850mm減小為600mm后，中心低溫區域面積減小，中心低溫區溫度增加，說明切圓面積減小使得火焰向爐膛中心移動。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增長，說明切圓直徑減小不利于A層鄰角火焰運動至煤粉氣流根部，促進煤粉迅速脫揮發分、著火，同時也可以說明切圓直徑減小，煤粉著火距離增長，這不利于煤粉的著火。切圓直徑減小，截面高溫區域面積下降。切圓直徑減小，煤粉著火難度增加，燃燒穩定性降低，燃燒存在燃燒推遲，尤其是在低負荷時容易造成燃燒不穩定和熄火。切圓直徑較大時，火焰溫度差別減小，溫度較為均勻，煤粉氣流容易著火。因此，從切圓角度對煤粉的著火和燃盡來說，切圓直徑減小，煤粉著火難度增加，在爐內行程較小，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，火焰區整體溫度升高，這是因為切圓增大煤粉著火提前。從700mm增加到850mm，火焰區整體溫度略有降低，這主要是因為隨著切圓直徑增大，中心低溫區增大，火焰會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，這主要是因為卷吸中心低溫氣體（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。可以看出，切圓角度減小，鍋爐中心區域溫度增加，這是因為煤粉火焰在低切圓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

聯系西安熱工院利用數值模擬對切圓直徑修改后在燃燒器區域爐膛溫度場進行建模計算，綜合考慮燃燒器切圓布置對煤粉氣流著火、中上層燃燒器爐溫分布和氣流運動等的影響，建議燃燒器一、二、三次風切圓直徑按照700mm原設計值進行布置。

2.1.2 燃燒器更換

機組檢修期間更換燒損嚴重一次風噴口共計6臺，分別是2D、3D、1E、3E、4E、4F，同時更換四角下兩層燃盡風噴口。調整后爐內所有燃燒器滿足原設計要求。

2.1.3 燃燒切圓調整

機組檢修期間進入爐膛內部采用激光發測量各噴口切圓，對切圓直徑偏離正常值得噴口進行調整，具體調整結果如表1、表2所示。

表1 調整前各層切圓情況

表2 調整后各層切圓情況

切圓調整前，1號爐燃燒器合計有11只一次風噴口、19只二三次風燃燒器噴口切圓直徑達不到700mm的設計要求；調整后各層燃燒器的假想切圓直徑基本達到設計值，偏差在50mm左右，滿足設計和數值建模計算要求。

2.1.4 進行冷態動力場試驗

燃燒器更換完畢、切圓調整正常后我廠進行了鍋爐冷態動力場試驗。通過冷態調平，將各一、三次風層風速偏差控制在±5%以內。在冷態通風條件下，各層一二三次風速均勻性較好，切圓居中，熱態時不易出現某面墻結渣加重問題；爐內空氣動力場組織良好，燃燒器切圓位于爐膛中心，不存在氣流偏斜刷墻現象，貼壁風速較低，不易發生煤粉氣流貼壁燃燒引起結渣。

2.1.5 熱態調整試驗

在鍋爐進行燃燒器切圓調整后，從運行情況來看，鍋爐掉焦影響運行安全已不是鍋爐運行中存在的主要問題，通過燃燒調整和吹灰優化可以保證鍋爐的安全穩定運行。

2.2 增加防結渣吹灰器

考慮到鍋爐燃燒器區和還原區吹灰器布置不足的情況，在中上層燃燒器區和還原區安裝三層吹灰器，以便做到易結渣區域吹灰全覆蓋，有效清除爐膛燃燒器區和還原區水冷壁結渣。根據吹灰器改造，修改了《鍋爐吹灰技術措施》，滿足防結渣功能的同時避免了水冷壁吹損，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，機組在高負荷連續運行，運行安全性得到了有效驗證。從撈渣機的渣量和渣型來看，目前爐渣多為松散型渣，在新增第三層（燃盡風下部）和B層吹灰器投運時偶有超過5cm的渣塊出現，但渣的硬度不高，容易擠碎。高負荷連續運行時，D層燃燒器至還原區上方B層及其上部C層吹灰器投運時渣量較大。低負荷連續運行時，易結渣部位主要位于D、G層燃燒器層、燃盡風下部吹灰器層和B、C層吹灰器區，吹灰器投入頻率可視渣型和渣量情況有針對性的進行吹灰。

2.3 優化燃燒調整

①合理控制一次風壓：根據煤種合理調整一次風壓力，在條件允許的情況下盡量降低一次風壓以減少一次風對燃燒的影響。

②提高二次風剛性：運行中要求保證二次風箱壓力不低于0.5kPa以保證切圓剛性，同時主燃燒區氧量得到一定補充避免了還原區過于濃厚的還原性氛圍，降低了高溫腐蝕。

③降低三次風燃燒的影響：運行中要求制粉系統再循環風門開度不低于60%，降低進入爐膛的三次風量。同時開大附近二次風門，補足由于三次風減少導致的鍋爐缺氧。

3 改造后的效果分析

通過上述改造，鍋爐燃燒切圓恢復到設計水平，各燃燒器噴口及二次風口未見燒損，爐內燃燒組織得到明顯改善，鍋爐結渣做到可控在控，燃燒穩定性明顯加強，高溫腐蝕明顯減輕，煤種適應性大大拓寬。全年摻燒劣質煤合計34.1萬噸，取得良好的經濟效益。

4 結語

改造后我廠先后進行了各類煤種的摻燒試驗，摻燒期間鍋爐未出現結渣、高溫腐蝕和燃燒波動的情況，從根本上解決了低氮燃燒改造后存在的一系列問題，保證了能源供應安全和機組運行安全，培養了技術人才。