王軍民

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司， 浙江寧波 315722)

煤粉燃燒器是鍋爐燃燒設(shè)備的重要組成部分，燃燒器燒損后將破壞爐內(nèi)燃燒工況，造成火焰中心偏斜，并帶來水冷壁結(jié)焦、高溫腐蝕以及飛灰可燃物含量不正常升高等問題，使鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性受到影響[1]。因此，筆者根據(jù)某電廠燃燒器燒損的實(shí)際狀況，對(duì)新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器的燒損原因及預(yù)防措施進(jìn)行了分析與探討。

1 設(shè)備概況

某廠鍋爐為超臨界本生直流鍋爐，型號(hào)為HG-1890/25.4-YM4，一次中間再熱、滑壓運(yùn)行，配內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)，固態(tài)排渣、單爐膛、平衡通風(fēng)、П形布置、全鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)、露天布置。

制粉系統(tǒng)為中速磨煤機(jī)正壓直吹系統(tǒng)，配置6臺(tái)HP1003型中速磨煤機(jī)，燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)，BMCR(鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)工況下5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。燃燒器為前后墻布置、對(duì)沖燃燒方式，前后墻各15只燃燒器，分3層對(duì)稱布置，前墻下層燃燒器配等離子點(diǎn)火裝置，燃燒器上部前后墻各布置2層OFA(燃盡風(fēng))裝置，每層各5只，見圖1。

圖1 燃燒器布置

2015年11月為配合鍋爐超低排放改造，除等離子燃燒器及OFA裝置未做改造，其他層25只燃燒器均更換為新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器。

鍋爐設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煙煤，校核煤種為大同塔山煙煤，常用煤種為高熱值煙煤。各煤種特性見表1。

表1 鍋爐各煤種特性

2 新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器工作原理

在新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器中，燃燒的空氣被分成中心風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)5股，見圖2。

圖2 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

中心風(fēng)管內(nèi)布置有油槍和點(diǎn)火裝置。中心風(fēng)的作用主要是向燃燒器中心供給適量的空氣以穩(wěn)定油火焰，防止油火焰沖刷中心風(fēng)管和油燃燒器旋流器，并防止油滴沉積在中心風(fēng)管；在燃燒器停運(yùn)時(shí)，冷卻中心風(fēng)噴口，防止噴口燒損。

一次風(fēng)由一次風(fēng)機(jī)提供，進(jìn)入磨煤機(jī)中攜帶煤粉形成一次風(fēng)粉混合物，經(jīng)燃燒器一次風(fēng)管送入爐膛。一次風(fēng)粉在一次風(fēng)管彎頭出口處通過一個(gè)均粉器，使煤粉濃度分布趨于均勻，再經(jīng)過文丘里煤粉濃縮器后，在一次風(fēng)管斷面上產(chǎn)生外濃內(nèi)淡的濃度分布，促進(jìn)煤粉著火。在一次風(fēng)管出口處設(shè)有一個(gè)多齒狀穩(wěn)燃器以穩(wěn)定火焰，在一次風(fēng)管的周向上產(chǎn)生煤粉濃淡分離，導(dǎo)致局部還原環(huán)境，減少NOx的生成。濃縮的煤粉氣流同二次風(fēng)、三次風(fēng)、四次風(fēng)配合，以保證在靠近燃燒器喉口處維持一個(gè)穩(wěn)定的火焰。

主燃燒空氣分為二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)，以加大空氣分級(jí)程度。二次風(fēng)、三次風(fēng)和四次風(fēng)通過燃燒器內(nèi)同心的環(huán)形通道，在燃燒的不同階段進(jìn)入爐膛，達(dá)到分級(jí)燃燒，有助于NOx總量的降低和燃料的燃盡。二次風(fēng)為直流，三次風(fēng)和四次風(fēng)為軸向旋流風(fēng)，在近燃燒器區(qū)形成環(huán)形回流，將高溫?zé)煔鈳Щ亟紵鲄^(qū)，加熱一次風(fēng)，點(diǎn)燃煤粉，保持火焰穩(wěn)定性，同時(shí)帶回的高溫?zé)煔夂趿康?，有利于NOx還原；在遠(yuǎn)燃燒器區(qū)通過三、四次風(fēng)來完成未燃盡碳的燃燒。每只燃燒器均配有獨(dú)立的風(fēng)箱，可以通過擋板調(diào)節(jié)同層燃燒器的風(fēng)量平衡，達(dá)到穩(wěn)定火焰，防止偏燒的目的。燃燒器還配有二次風(fēng)擋板、三次風(fēng)擋板，用以調(diào)節(jié)每個(gè)燃燒器的二次風(fēng)量、三次風(fēng)量和四次風(fēng)量間的比例。每個(gè)擋板均配有兩根拉桿，拉桿穿過燃燒器面板，可以在燃燒器外部調(diào)整擋板的位置，調(diào)節(jié)時(shí)根據(jù)燃燒器前部面板上的刻度尺準(zhǔn)確調(diào)整。運(yùn)行時(shí)三次風(fēng)和四次風(fēng)旋流器均可根據(jù)需要調(diào)整，以便產(chǎn)生最佳的流場(chǎng)。

3 新型燃燒器噴口燒損分析

3.1 燒損現(xiàn)象

2015年11月3號(hào)爐A級(jí)檢修，將A、C、D、E、F層燃燒器全部改造為新型低NOx環(huán)形回流旋流燃燒器，噴口結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 新安裝燃燒器噴口結(jié)構(gòu)

至2016年1月，3號(hào)機(jī)組連續(xù)在網(wǎng)運(yùn)行14月后，機(jī)組開始檢修，爐內(nèi)搭設(shè)升降平臺(tái)，全面檢查改造后燃燒器的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)以下問題：

(1) B層等離子燃燒器完好，無(wú)燒損、無(wú)結(jié)焦情況。

(2) 所有燃燒器的一次風(fēng)噴口及組件均完好，無(wú)燒損現(xiàn)象。

(3) 所有新型燃燒器的小二次風(fēng)噴口和四次風(fēng)擴(kuò)口燒損變形嚴(yán)重(見圖4)。

(4) C、D、F層大部分燃燒器的三次風(fēng)擴(kuò)口都產(chǎn)生變形，損壞嚴(yán)重。

(5) 所有新型燃燒器噴口附近水冷壁均掛焦嚴(yán)重，每只燃燒器的靠下區(qū)域和小二次風(fēng)噴口區(qū)域結(jié)焦較嚴(yán)重，燃盡風(fēng)區(qū)域結(jié)焦較輕(見圖4、圖5)。

圖4 新型燃燒器噴口燒損及結(jié)焦情況

圖5 新型燃燒器噴口附近水冷壁掛焦情況

3.2 原因分析

(1) 所有新型燃燒器一次風(fēng)噴口及組件完好、無(wú)燒損的原因分析。

燃燒器改造后，開展了熱態(tài)一次風(fēng)調(diào)平試驗(yàn)，測(cè)量出口粉管一次風(fēng)速均較高，平均達(dá)30 m/s，見表2。

表2 磨煤機(jī)出口粉管一次風(fēng)速 m/s

在正常運(yùn)行時(shí)，一次風(fēng)速較高，煤粉氣流溫度控制在75 ℃左右，煤粉氣流著火點(diǎn)離噴口有一定的安全距離，燒損燃燒器的可能性較小。磨煤機(jī)停運(yùn)后，雖然無(wú)一次風(fēng)冷卻，但是燃燒器設(shè)計(jì)有中心風(fēng)管，通過開大中心風(fēng)量，增加對(duì)一次風(fēng)組件的冷卻，能保證一次風(fēng)噴口及組件的安全。

(2) 所有新型燃燒器小二次風(fēng)噴口均嚴(yán)重?zé)龘p變形的原因分析。

燃燒器改造后熱態(tài)調(diào)試過程中，為了控制燃燒器回流區(qū)內(nèi)的氧量，減少燃燒初期NOx的生成量，將燃燒器的小二次風(fēng)擋板調(diào)至最小開度(10%)，拉桿調(diào)整前位置見表3。雖然有降低NOx質(zhì)量濃度的作用，但是由于小二次風(fēng)擋板開度過小，使得二次風(fēng)量過小，必然減弱二次風(fēng)噴口的冷卻效果。如果煤粉氣流著火點(diǎn)過近，或者回流區(qū)過于靠近燃燒器噴口，將導(dǎo)致二次風(fēng)噴口溫度長(zhǎng)期高于所用鋼材的最高許用溫度，最終使得噴口燒損變形。

表3 新型低NOx旋流燃燒器調(diào)整前、后拉桿位置對(duì)比

(3) 所有新型燃燒器四次風(fēng)擴(kuò)口嚴(yán)重變形，部分三次風(fēng)擴(kuò)口變形的原因分析。

旋流燃燒器葉片角度越大旋流強(qiáng)度越強(qiáng)，環(huán)形回流區(qū)越大，越靠近燃燒器噴口[2]，且由于旋流強(qiáng)度強(qiáng)，卷吸高溫?zé)煔獾哪芰σ蚕鄳?yīng)增強(qiáng)，回流區(qū)溫度必然更高。新型燃燒器不同三、四次風(fēng)角度的冷態(tài)試驗(yàn)回流區(qū)見圖6。三、四次風(fēng)角度均為45°工況的回流區(qū)明顯大于角度均為30°的工況，且回流區(qū)與噴口的距離更近。新型低NOx旋流燃燒器改造后，為了提高煤粉燃盡率，以及考慮低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，將燃燒器三次風(fēng)和四次風(fēng)旋流葉片角度均設(shè)置在45°(見表3調(diào)整前位置)，必然使得旋流強(qiáng)度很強(qiáng)，環(huán)形回流區(qū)過于靠近噴口。雖然燃燒器四次風(fēng)擴(kuò)口內(nèi)側(cè)有二次風(fēng)冷卻，但是四次風(fēng)擴(kuò)口外側(cè)卻無(wú)冷卻風(fēng)，僅靠燃燒器噴口的水冷壁繞管通過高導(dǎo)熱性能的耐火澆注料導(dǎo)熱冷卻，冷卻效果明顯不足，因此大部分燃燒器四次風(fēng)擴(kuò)口超溫變形。燃燒器三次風(fēng)擴(kuò)口雖然也靠近高溫回流區(qū)，但是由于三次風(fēng)擴(kuò)口內(nèi)外均有大量二次風(fēng)冷卻，因此三次風(fēng)擴(kuò)口變形較小。

圖6 新型燃燒器冷態(tài)試驗(yàn)環(huán)形回流區(qū)示意圖

(4) 鍋爐上層和中層燃燒器噴口較下層燃燒器噴口變形更嚴(yán)重的原因分析。

鍋爐處于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，上層2臺(tái)或3臺(tái)磨煤機(jī)停運(yùn)。在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，上層1臺(tái)磨煤機(jī)停運(yùn)。停運(yùn)層燃燒器的二次風(fēng)量相對(duì)于運(yùn)行燃燒器的二次風(fēng)量少得多，同時(shí)上層和中層燃燒器對(duì)應(yīng)區(qū)域溫度較高，輻射熱較大，燃燒器噴口更容易超溫變形[3]。

(5) 燃燒器噴口附近水冷壁及噴口靠下區(qū)域結(jié)焦嚴(yán)重的原因分析。

燃燒器旋流強(qiáng)度過大，不僅燃燒器回流區(qū)離噴口過近，燃燒器二次風(fēng)擴(kuò)展角也過大，導(dǎo)致部分熔融狀態(tài)灰渣被甩到噴口附近水冷壁，造成噴口附近水冷壁嚴(yán)重結(jié)焦。高溫熔融狀態(tài)的焦渣，在重力的作用下流到燃燒器噴口靠下區(qū)域并凝固、堆積。

4 防止燃燒器燒損及結(jié)焦的對(duì)策

(1) 通過關(guān)小旋流葉片角度，降低三、四次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，減小回流區(qū)并推遲著火，降低燃燒器噴口附近的溫度。

考慮設(shè)備安全，三、四次風(fēng)旋流角度調(diào)整分別進(jìn)行了30°、45°兩個(gè)工況的調(diào)整試驗(yàn)，小二次風(fēng)門開度50%不變，其他各級(jí)配風(fēng)的拉桿位置不變(見表3調(diào)整前位置)。試驗(yàn)結(jié)果見表4(φ(O2)為O2體積分?jǐn)?shù))。

表4 燃燒器三、四次風(fēng)旋流角度調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

三次風(fēng)旋流角度30°降低NOx質(zhì)量濃度的效果優(yōu)于45°，四次風(fēng)旋流角度45°降低NOx質(zhì)量濃度的效果優(yōu)于30°。造成這種現(xiàn)象的原因是兩股風(fēng)在燃燒中起到的作用不同，三次風(fēng)起到的主要作用在于形成環(huán)形回流，通過回流將高溫?zé)煔饩砦羾娍诟浇济悍凵淞?，三次風(fēng)旋流角度減小會(huì)造成回流區(qū)減弱，推后著火距離，降低燃燒初期的溫度，實(shí)現(xiàn)降低NOx質(zhì)量濃度的效果；同時(shí)需要指出三次風(fēng)角度不是越小越好，進(jìn)一步降低三次風(fēng)旋流會(huì)使著火進(jìn)一步惡化，可能會(huì)造成燃燒穩(wěn)定性變差，同時(shí)三次風(fēng)旋流角度減小會(huì)使三次風(fēng)阻力降低，增加燃燒初期的空氣量，反而可能使NOx生成量增大。四次風(fēng)在燃燒中起到的作用主要是燃燒初期的分級(jí)供風(fēng)，四次風(fēng)角度越大，則這股風(fēng)與火焰接觸的時(shí)間越晚，容易形成缺氧環(huán)境，減少NOx的生成量，同時(shí)四次風(fēng)的角度也不是越大越好，過大的四次風(fēng)角度可能會(huì)造成“飛邊”的現(xiàn)象，因此噴口結(jié)焦，同時(shí)過大的四次風(fēng)角度不利于煤粉的燃盡。綜合考慮以上各項(xiàng)影響因素，將三次風(fēng)和四次風(fēng)的旋流葉片角度均設(shè)置為30°。

(2) 開大燃燒器小二次風(fēng)門，增加二次風(fēng)量，增強(qiáng)對(duì)二次風(fēng)噴口的冷卻能力。

將燃燒器三、四次風(fēng)旋流角度分別設(shè)置為30°、30°，其他拉桿位置不變。為觀察小二次風(fēng)門不同開度對(duì)NOx質(zhì)量濃度的影響，將小二次風(fēng)門開度設(shè)置為10%、50%、100%分別進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 燃燒器小二次風(fēng)門調(diào)整試驗(yàn)結(jié)果

從表5可以看出：小二次風(fēng)門從10%開到50%，SCR進(jìn)口煙氣NOx質(zhì)量濃度有一定程度的升高，但升高幅度不大。從50%開到100%，NOx質(zhì)量濃度變化不大，主要原因是開度至50%后，小二次風(fēng)門的開度對(duì)風(fēng)量影響已很小，因此將小二次風(fēng)門開度設(shè)置為50%。經(jīng)過燃燒器熱態(tài)調(diào)試后，拉桿詳細(xì)位置見表3(調(diào)整后位置)。

(3) 停運(yùn)層燃燒器的二次冷卻風(fēng)量相對(duì)于運(yùn)行燃燒器的二次風(fēng)量小得多，為降低停運(yùn)層燃燒器噴口溫度，提高停運(yùn)燃燒器的二次冷卻風(fēng)量至15%運(yùn)行燃燒器二次風(fēng)量以上。另外，定期切換停運(yùn)磨煤機(jī)，避免同一磨煤機(jī)停運(yùn)時(shí)間過長(zhǎng)。

(4) 每只燃燒器均設(shè)置有打焦孔，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)燃用煤種定期檢查燃燒器結(jié)焦情況，利用打焦孔及時(shí)除焦。

(5) 在灰熔點(diǎn)低于1 400 ℃時(shí)，結(jié)焦傾向增加。如果不可避免燃用低灰熔點(diǎn)煤種，不宜采用分磨摻燒，應(yīng)采用爐外預(yù)混摻燒方式，并控制好摻燒低灰熔點(diǎn)煤種比例不低于50%。

(6) 增加燃燒器一次風(fēng)噴口壁溫?zé)犭娕?，?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃燒器噴口金屬溫度，若發(fā)生異常升高，應(yīng)及時(shí)采取降溫措施[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 需要優(yōu)化燃燒器配風(fēng)，降低三次風(fēng)、四次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，減小燃燒器回流區(qū)，以及拉大回流區(qū)與燃燒器噴口的距離，保證燃燒器安全。

(2) 為降低停運(yùn)層燃燒器噴口溫度，提高停運(yùn)燃燒器的二次冷卻風(fēng)量至15%的運(yùn)行燃燒器二次風(fēng)量以上，增強(qiáng)冷卻效果。

(3) 將三次風(fēng)和四次風(fēng)的旋流葉片角度均設(shè)置為30°，小二次風(fēng)門開度設(shè)置為50%，機(jī)組經(jīng)過長(zhǎng)期并網(wǎng)運(yùn)行，NOx排放質(zhì)量濃度未出現(xiàn)明顯升高，燃燒器噴口燒損及結(jié)焦異常已得到有效解決。