靖東平

(國電雙遼發(fā)電有限公司，吉林 雙遼 136400)

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旋流燃燒鍋爐低NOx改造后結(jié)渣分析與運行調(diào)整

靖東平

(國電雙遼發(fā)電有限公司，吉林 雙遼 136400)

為降低NOx排放，某電廠對其超臨界對沖旋流燃燒鍋爐進行了低氮改造，改造后NOx排放質(zhì)量濃度平均降幅達到50%以上，但鍋爐燃燒器周圍及燃盡風(fēng)區(qū)域均發(fā)生嚴(yán)重結(jié)渣問題。在現(xiàn)場測試和分析燃燒器特性的基礎(chǔ)上，找出了鍋爐結(jié)渣的原因，通過變旋流強度試驗、變煤粉細(xì)度試驗、變氧量試驗及變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量試驗，解決了鍋爐結(jié)渣問題。

旋流燃燒鍋爐；低NOx燃燒器；結(jié)渣；燃燒調(diào)整

0 引言

為降低NOx排放，滿足國家日益嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，某電廠對其超臨界對沖旋流燃燒鍋爐進行了低NOx改造。改造后鍋爐NOx生成量大幅降低，但出現(xiàn)爐內(nèi)嚴(yán)重結(jié)渣情況，在分析結(jié)渣原因的基礎(chǔ)上進行了運行調(diào)整。本文介紹鍋爐低氮改造情況及改造效果，重點闡述改造后鍋爐結(jié)渣原因及解決方法。

1 設(shè)備簡介

鍋爐型號為HG1956/25.4-YM，采用П型露天布置、一次再熱、固態(tài)排渣、平衡通風(fēng)、前后墻對沖旋流燃燒方式。鍋爐過熱器采用兩級噴水減溫器，再熱蒸汽采用尾部煙氣擋板調(diào)溫，并備有事故噴水減溫器。采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置6臺HP1003型中速磨煤機。排渣系統(tǒng)為水力除渣。燃燒器改造前，前后墻各布置3層低NOx軸向旋流燃燒器(LNASB)，每層各5只，共30只。其中E、C、D層燃燒器從下到上布置在前墻，B、F、A層燃燒器從下到上布置在后墻。在上層燃燒器上方，前后墻各布置1層燃盡風(fēng)(OFA)，每層布置5只燃盡風(fēng)噴口，共10只。國內(nèi)學(xué)者對LNASB燃燒系統(tǒng)已有較多研究[1-10]。鍋爐爐膛斷面尺寸為22.187 m×15.632 m,頂棚管標(biāo)高為66.55 m,其主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

燃燒系統(tǒng)改造后，除后墻最下層燃燒器保留外，其他5層均由AireJetTM低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器替代，在安裝過程中，為防止改造后燃燒器周圍出現(xiàn)結(jié)渣情況，將燃燒器噴口向爐內(nèi)方向移動141 mm。同時原有燃盡風(fēng)噴口更換為新型的雙風(fēng)區(qū)燃盡風(fēng)噴口[11]。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of boiler

2 低氮改造后運行狀況

表2和表3分別為鍋爐燃燒系統(tǒng)改造前后的性能試驗數(shù)據(jù)。改造前在600 MW，500 MW，400 MW等不同負(fù)荷工況下測得NOx排放質(zhì)量濃度(折算到6%O2)分別為801 mg/m3，761 mg/m3，526 mg/m3，NOx排放遠(yuǎn)超國家排放標(biāo)準(zhǔn)的要求[12]。燃燒系統(tǒng)改造后，經(jīng)過燃燒優(yōu)化調(diào)整，NOx排放質(zhì)量濃度較改造前降幅在50%以上，在600 MW，500 MW，400 MW負(fù)荷工況下測得的NOx排放質(zhì)量濃度分別為352 mg/m3，327 mg/m3，238 mg/m3。

表2 鍋爐改造前試驗數(shù)據(jù)Table 2 Test data before retrofit of boiler

表3 鍋爐改造后試驗數(shù)據(jù)Table 3 Test data after retrofit of boiler

從試驗結(jié)果還可以看出，改造后飛灰可燃物含量及CO體積分?jǐn)?shù)均有所上升，鍋爐熱效率略有下降。

3 結(jié)渣原因分析

鍋爐改造完成啟動運行后不久，便發(fā)現(xiàn)燃燒器周圍及燃盡風(fēng)區(qū)域結(jié)渣嚴(yán)重。致密大渣塊常會堵塞出渣口引起碎渣機故障，必須進行人工排渣，爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重已影響鍋爐安全穩(wěn)定運行。造成鍋爐結(jié)渣的原因較多，在分析新型燃燒系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場測試及煤質(zhì)分析結(jié)果，認(rèn)為鍋爐結(jié)渣嚴(yán)重主要有以下原因。

(1) 煤種特性。電廠燃用煤種較雜，煤質(zhì)偏離設(shè)計值較大。表4給出了試驗期間鍋爐燃用煤種中幾種灰熔點較低的煤種。現(xiàn)場測試結(jié)果顯示燃燒器噴口周圍煙溫基本超過1200 ℃，高于常用煤種的軟化溫度。

表4 試驗煤質(zhì)分析Table 4 Quality analysis of test coal

(2) 外二次風(fēng)及燃盡風(fēng)旋流強度較大。通過觀火孔發(fā)現(xiàn)燃燒器火炬及燃盡風(fēng)噴口出口處卷吸較大，外側(cè)回流強烈。燃燒器外二次風(fēng)及燃盡風(fēng)旋流強度較大，容易卷吸爐內(nèi)的高溫?zé)煔獾絿娍诟?，造成結(jié)渣。

(3) 燃燒火焰中心上移。低氮改造后，燃燒火焰中心上移，上層燃燒器至OFA區(qū)域熱負(fù)荷升高。根據(jù)現(xiàn)場爐膛各高度煙溫測試分析，上層燃燒器至OFA區(qū)域煙溫在1300 ℃以上，有時能達到1400 ℃，該區(qū)域也是結(jié)渣相對嚴(yán)重的區(qū)域。同時，不同燃燒器區(qū)域煙溫存在一定偏差，這與磨煤機出口各粉管風(fēng)粉速度分布均勻性有關(guān)。

(4) 煤粉較粗?，F(xiàn)場對磨煤機取粉樣分析顯示，6臺磨煤機平均煤粉細(xì)度R90基本都在28%以上，煤粉偏粗。粗煤粉顆粒因慣性作用會直接沖刷受熱面而粘接成渣，煤粉粗燃盡時間也更長，以致火焰中心上移，致使燃燒區(qū)域上部熱負(fù)荷較高。同時，煤粉粗還會加重爐內(nèi)還原性氣氛，使燃煤灰熔點降低，增加爐內(nèi)結(jié)渣風(fēng)險[13，14]。

(5) 爐膛主燃燒區(qū)域過?？諝庀禂?shù)較低。低氮改造后，為實現(xiàn)分級送風(fēng)，爐膛主燃燒區(qū)域過?？諝庀禂?shù)較改造前明顯降低，該區(qū)域還原性氣氛增強，這勢必會降低燃煤灰熔點，進一步增加爐內(nèi)結(jié)渣的可能。

4 燃燒優(yōu)化調(diào)整及效果分析

為緩解爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重問題，根據(jù)上述結(jié)渣原因進行了燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗。

4.1 變旋流強度試驗

AireJetTM燃燒系統(tǒng)的特性相關(guān)文獻已作過詳細(xì)報道[11]。其燃燒器及燃盡風(fēng)噴口均設(shè)置有手動可調(diào)葉片，用于調(diào)節(jié)外二次風(fēng)及燃盡風(fēng)的旋流強度，葉片對應(yīng)刻度越大，旋流強度越弱，其調(diào)節(jié)范圍均為40～80。通過看火孔發(fā)現(xiàn)燃燒器火炬和燃盡風(fēng)噴口出口卷吸較大，此時燃燒器的外二次風(fēng)可調(diào)葉片開度為60，燃盡風(fēng)噴口旋流可調(diào)葉片開度為45。為降低旋流強度，將燃燒器外二次風(fēng)可調(diào)葉片開度調(diào)整至70，燃盡風(fēng)噴口旋流強度可調(diào)葉片開度調(diào)整至70。運行2 d后發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)結(jié)渣情況較調(diào)整前有所減輕，燃盡風(fēng)區(qū)域前墻較嚴(yán)重，燃燒器周圍結(jié)渣情況則有較大緩解。

4.2 變煤粉細(xì)度試驗

為緩解爐內(nèi)結(jié)渣并降低飛灰含碳量，首先對試驗鍋爐制粉系統(tǒng)進行了調(diào)整。在調(diào)整之前，對各磨煤機煤粉細(xì)度、煤粉分配均勻性及風(fēng)速分布偏差進行了測試，發(fā)現(xiàn)6臺磨煤機煤粉均偏粗，R90基本在28%左右，但單臺磨5根支管粉量及風(fēng)速分布偏差均較好，粉量偏差在20%以內(nèi)，風(fēng)速分布偏差在10%以內(nèi)。調(diào)整磨煤機旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速后，BDE磨煤粉細(xì)度基本滿足燃燒要求，而ACF磨在提高分離器轉(zhuǎn)速后煤粉細(xì)度、磨電流及磨碗差壓基本沒變化。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)向與廠家規(guī)定轉(zhuǎn)向相反，在ACF磨分離器轉(zhuǎn)向反置后，3臺磨煤粉細(xì)度基本達到要求。制粉系統(tǒng)調(diào)整后，現(xiàn)場觀火孔發(fā)現(xiàn)，各燃燒器周圍區(qū)域結(jié)渣狀況有所緩解。制粉系統(tǒng)調(diào)整前后各磨煤機煤粉細(xì)度如表5所示。

表5 變煤粉細(xì)度試驗結(jié)果Table 5 Test results of changing fineness of pulverized coal %

4.3 變氧量試驗

一般情況下，煤粉變細(xì)后，對爐內(nèi)結(jié)渣和NOx排放均有積極作用，同時，由于煤粉變細(xì)，鍋爐運行方式如最佳運行氧量、燃盡風(fēng)比例等均應(yīng)有相應(yīng)的變化[15，16]。基于此，在制粉系統(tǒng)運行較佳的情況下，進行了氧量調(diào)整試驗。

維持機組電負(fù)荷在600 MW左右，ABDEF 5臺磨煤機運行，OFA風(fēng)門開度在60%左右，維持蒸汽參數(shù)及其他參數(shù)穩(wěn)定，控制運行氧量分別在2.0%、2.4%和2.7%進行試驗，結(jié)果如表6所示。

表6 變氧量試驗結(jié)果Table 6 Test results of changing oxygen volumetric fraction

從試驗結(jié)果可以看出，隨著運行氧量的增加，鍋爐熱效率呈先增后降趨勢，當(dāng)氧量在2.4%時，鍋爐熱效率最高。鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度隨氧量的增加而呈上升趨勢。

圖1 不同運行氧量下爐膛煙溫變化情況Fig.1 Influence of oxygen volumetric fraction on gas temperature of furnace

圖1給出了爐膛不同高度的煙溫隨運行氧量的變化情況，從圖中可以看出，不同氧量條件下，主燃燒區(qū)煙溫相差不大，當(dāng)氧量增加至2.7%左右時，上層燃燒器至爐膛出口區(qū)域內(nèi)的溫度有所升高，這會增加該區(qū)域內(nèi)結(jié)渣風(fēng)險。而氧量較低時爐膛內(nèi)峰值溫度更低，有利于減輕爐內(nèi)結(jié)渣，此外較低的運行氧量也有利于抑制NOx生成。在額定負(fù)荷下，建議運行氧量控制在2.5%左右。

4.4 變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量試驗

從爐膛煙溫測試結(jié)果可知，燃盡風(fēng)區(qū)域煙溫水平最高，該區(qū)域結(jié)渣也最嚴(yán)重，適當(dāng)降低該區(qū)域的熱負(fù)荷有利于減輕該區(qū)域結(jié)渣。適當(dāng)比例的燃盡風(fēng)對煤粉燃盡率、NOx排放及爐內(nèi)結(jié)渣均有重要的影響[17]，因而進行了燃盡風(fēng)量調(diào)整試驗。

維持機組電負(fù)荷在600 MW左右，保持運行氧量在2.5%左右，5臺磨煤機運行，中層1臺停運。試驗中保持鍋爐蒸汽參數(shù)及磨煤機運行工況穩(wěn)定。調(diào)整燃盡風(fēng)風(fēng)門開度分別在60%，70%，80%，其他風(fēng)門開度及整體配風(fēng)方式基本維持不變，試驗主要結(jié)果如表7所示。

表7 變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量試驗結(jié)果Table 7 Test results of changing flow rate of OFA

從試驗結(jié)果可以看出，將OFA風(fēng)門開度從60%調(diào)整至70%,80%時，鍋爐效率先升高后降低。NOx排放濃度隨OFA風(fēng)門開度的變化并不明顯。此次改造，考慮NOx風(fēng)箱內(nèi)流場的均勻性和各NOx噴口的風(fēng)量調(diào)平方便，在原NOx風(fēng)箱上部加裝了一層旁路風(fēng)道，旁路風(fēng)道從總風(fēng)道引出二次風(fēng)，由旁路風(fēng)道將一部分風(fēng)量引入NOx風(fēng)箱，而風(fēng)道上的OFA風(fēng)門擋板則裝在旁路風(fēng)量引出之后，OFA風(fēng)門開關(guān)對旁路風(fēng)量的影響不同于預(yù)期，在總風(fēng)量及二次風(fēng)壓基本不變的情況下，OFA開大后，旁路風(fēng)量會略有降低，亦即總OFA風(fēng)量的增加隨著OFA風(fēng)門開度的增加會愈不明顯。因而，OFA風(fēng)門開度大于60%后，NOx排放質(zhì)量濃度降低并不明顯。

圖2給出了爐膛不同高度的煙溫隨OFA風(fēng)門開度的變化情況。從圖中可以看出，OFA風(fēng)門開度在60%和70%左右時，主燃燒區(qū)火焰溫度相差不大；當(dāng)OFA風(fēng)門開度增加到80%時，主燃燒區(qū)火焰溫度則有所降低；而在煤粉燃燒的關(guān)鍵區(qū)域(燃盡區(qū)30～40 m)，OFA開度在60%左右時煙氣溫度最高，而進一步開大到80%時該區(qū)域煙溫則明顯降低。開大OFA風(fēng)門對減輕爐膛結(jié)渣有利，但也會影響燃燒效率，綜合考慮，在額定負(fù)荷下，OFA風(fēng)門開度宜控制在70%左右。

圖2 不同OFA風(fēng)門開度下爐膛煙溫變化情況Fig.2 Influence of OFA damper opening on gas temperature of furnace

經(jīng)過一系列調(diào)整，爐內(nèi)結(jié)渣情況明顯減輕，除上層燃燒器周圍有輕微掛渣外，其他燃燒器周圍基本無渣，燃盡風(fēng)層前墻結(jié)渣情況較調(diào)整前有所減輕，后墻則略為嚴(yán)重，爐底則基本不用人工放渣。

5 結(jié)語

試驗鍋爐經(jīng)低氮改造后，NOx排放質(zhì)量濃度降幅在50%以上，達到了預(yù)期的效果。但由于入爐煤灰熔點低、外二次風(fēng)及燃盡風(fēng)旋流強度大、燃盡風(fēng)區(qū)域煙溫較高、煤粉偏粗及爐膛主燃燒區(qū)域過剩空氣系數(shù)低等原因，造成爐內(nèi)結(jié)渣嚴(yán)重，威脅鍋爐安全運行。通過一系列優(yōu)化調(diào)整試驗，如變旋流強度試驗、變煤粉細(xì)度試驗、變氧量試驗及變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量試驗等，解決了爐內(nèi)嚴(yán)重結(jié)渣問題，保證鍋爐安全穩(wěn)定運行，同時還提高了鍋爐燃燒的經(jīng)濟性。

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(編輯 劉曉燕)

Analysis and Operation Adjustment for Slagging After Low NOxCombustion Retrofit of Boiler with Swirl Burner

JING Dongping

(Guodian Shuangliao Generting Co. Ltd., Shuangliao 136400,China)

In order to reduce NOxemission, technical retrofit of low NOxcombustion had been carried out for opposed-firing supercritical boiler with swirl burner in a power plant. After retrofit the mass concentration of NOxemission declined by more than 50% compared with the test results before retrofit. But the serious slagging was found and research was conducted to analyse the reason of the slagging based on testing and analysing the characteristics of the new burner. The serious slagging problem was solved by a series of experiments such as changing the swirl intensity of secondary air, fineness of pulverized coal, oxygen volumetric fraction and flow rate of over-fire air(OFA) etc.

opposed-firing boiler；low NOxcombustion；slagging；combustion adjustment

2017-01-01；

2017-02-21

TK229.2

B

2096-3203(2017)03-0120-05

靖東平

靖東平(1984—)，男，吉林雙遼人，工程師，從事發(fā)電運行技術(shù)研究工作。