旋流燃烧锅炉低NOx改造后结渣分析与运行调整

靖东平

(国电双辽发电有限公司，吉林 双辽 136400)



旋流燃烧锅炉低NOx改造后结渣分析与运行调整

靖东平

(国电双辽发电有限公司，吉林 双辽 136400)

为降低NOx排放，某电厂对其超临界对冲旋流燃烧锅炉进行了低氮改造，改造后NOx排放质量浓度平均降幅达到50%以上，但锅炉燃烧器周围及燃尽风区域均发生严重结渣问题。在现场测试和分析燃烧器特性的基础上，找出了锅炉结渣的原因，通过变旋流强度试验、变煤粉细度试验、变氧量试验及变燃尽风风量试验，解决了锅炉结渣问题。

旋流燃烧锅炉；低NOx燃烧器；结渣；燃烧调整

0 引言

为降低NOx排放，满足国家日益严格的环保标准要求，某电厂对其超临界对冲旋流燃烧锅炉进行了低NOx改造。改造后锅炉NOx生成量大幅降低，但出现炉内严重结渣情况，在分析结渣原因的基础上进行了运行调整。本文介绍锅炉低氮改造情况及改造效果，重点阐述改造后锅炉结渣原因及解决方法。

1 设备简介

锅炉型号为HG1956/25.4-YM，采用П型露天布置、一次再热、固态排渣、平衡通风、前后墙对冲旋流燃烧方式。锅炉过热器采用两级喷水减温器，再热蒸汽采用尾部烟气挡板调温，并备有事故喷水减温器。采用正压直吹式制粉系统，配置6台HP1003型中速磨煤机。排渣系统为水力除渣。燃烧器改造前，前后墙各布置3层低NOx轴向旋流燃烧器(LNASB)，每层各5只，共30只。其中E、C、D层燃烧器从下到上布置在前墙，B、F、A层燃烧器从下到上布置在后墙。在上层燃烧器上方，前后墙各布置1层燃尽风(OFA)，每层布置5只燃尽风喷口，共10只。国内学者对LNASB燃烧系统已有较多研究[1-10]。锅炉炉膛断面尺寸为22.187 m×15.632 m,顶棚管标高为66.55 m,其主要设计参数如表1所示。

燃烧系统改造后，除后墙最下层燃烧器保留外，其他5层均由AireJetTM低NOx双调风旋流燃烧器替代，在安装过程中，为防止改造后燃烧器周围出现结渣情况，将燃烧器喷口向炉内方向移动141 mm。同时原有燃尽风喷口更换为新型的双风区燃尽风喷口[11]。

表1 锅炉主要设计参数Table 1 Main design parameters of boiler

2 低氮改造后运行状况

表2和表3分别为锅炉燃烧系统改造前后的性能试验数据。改造前在600 MW，500 MW，400 MW等不同负荷工况下测得NOx排放质量浓度(折算到6%O2)分别为801 mg/m3，761 mg/m3，526 mg/m3，NOx排放远超国家排放标准的要求[12]。燃烧系统改造后，经过燃烧优化调整，NOx排放质量浓度较改造前降幅在50%以上，在600 MW，500 MW，400 MW负荷工况下测得的NOx排放质量浓度分别为352 mg/m3，327 mg/m3，238 mg/m3。

表2 锅炉改造前试验数据Table 2 Test data before retrofit of boiler

表3 锅炉改造后试验数据Table 3 Test data after retrofit of boiler

从试验结果还可以看出，改造后飞灰可燃物含量及CO体积分数均有所上升，锅炉热效率略有下降。

3 结渣原因分析

锅炉改造完成启动运行后不久，便发现燃烧器周围及燃尽风区域结渣严重。致密大渣块常会堵塞出渣口引起碎渣机故障，必须进行人工排渣，炉内结渣严重已影响锅炉安全稳定运行。造成锅炉结渣的原因较多，在分析新型燃烧系统特性的基础上，结合现场测试及煤质分析结果，认为锅炉结渣严重主要有以下原因。

(1) 煤种特性。电厂燃用煤种较杂，煤质偏离设计值较大。表4给出了试验期间锅炉燃用煤种中几种灰熔点较低的煤种。现场测试结果显示燃烧器喷口周围烟温基本超过1200 ℃，高于常用煤种的软化温度。

表4 试验煤质分析Table 4 Quality analysis of test coal

(2) 外二次风及燃尽风旋流强度较大。通过观火孔发现燃烧器火炬及燃尽风喷口出口处卷吸较大，外侧回流强烈。燃烧器外二次风及燃尽风旋流强度较大，容易卷吸炉内的高温烟气到喷口根部，造成结渣。

(3) 燃烧火焰中心上移。低氮改造后，燃烧火焰中心上移，上层燃烧器至OFA区域热负荷升高。根据现场炉膛各高度烟温测试分析，上层燃烧器至OFA区域烟温在1300 ℃以上，有时能达到1400 ℃，该区域也是结渣相对严重的区域。同时，不同燃烧器区域烟温存在一定偏差，这与磨煤机出口各粉管风粉速度分布均匀性有关。

(4) 煤粉较粗。现场对磨煤机取粉样分析显示，6台磨煤机平均煤粉细度R90基本都在28%以上，煤粉偏粗。粗煤粉颗粒因惯性作用会直接冲刷受热面而粘接成渣，煤粉粗燃尽时间也更长，以致火焰中心上移，致使燃烧区域上部热负荷较高。同时，煤粉粗还会加重炉内还原性气氛，使燃煤灰熔点降低，增加炉内结渣风险[13，14]。

(5) 炉膛主燃烧区域过剩空气系数较低。低氮改造后，为实现分级送风，炉膛主燃烧区域过剩空气系数较改造前明显降低，该区域还原性气氛增强，这势必会降低燃煤灰熔点，进一步增加炉内结渣的可能。

4 燃烧优化调整及效果分析

为缓解炉内结渣严重问题，根据上述结渣原因进行了燃烧优化调整试验。

4.1 变旋流强度试验

AireJetTM燃烧系统的特性相关文献已作过详细报道[11]。其燃烧器及燃尽风喷口均设置有手动可调叶片，用于调节外二次风及燃尽风的旋流强度，叶片对应刻度越大，旋流强度越弱，其调节范围均为40～80。通过看火孔发现燃烧器火炬和燃尽风喷口出口卷吸较大，此时燃烧器的外二次风可调叶片开度为60，燃尽风喷口旋流可调叶片开度为45。为降低旋流强度，将燃烧器外二次风可调叶片开度调整至70，燃尽风喷口旋流强度可调叶片开度调整至70。运行2 d后发现，炉内结渣情况较调整前有所减轻，燃尽风区域前墙较严重，燃烧器周围结渣情况则有较大缓解。

4.2 变煤粉细度试验

为缓解炉内结渣并降低飞灰含碳量，首先对试验锅炉制粉系统进行了调整。在调整之前，对各磨煤机煤粉细度、煤粉分配均匀性及风速分布偏差进行了测试，发现6台磨煤机煤粉均偏粗，R90基本在28%左右，但单台磨5根支管粉量及风速分布偏差均较好，粉量偏差在20%以内，风速分布偏差在10%以内。调整磨煤机旋转分离器转速后，BDE磨煤粉细度基本满足燃烧要求，而ACF磨在提高分离器转速后煤粉细度、磨电流及磨碗差压基本没变化。经现场检查发现，旋转分离器转向与厂家规定转向相反，在ACF磨分离器转向反置后，3台磨煤粉细度基本达到要求。制粉系统调整后，现场观火孔发现，各燃烧器周围区域结渣状况有所缓解。制粉系统调整前后各磨煤机煤粉细度如表5所示。

表5 变煤粉细度试验结果Table 5 Test results of changing fineness of pulverized coal %

4.3 变氧量试验

一般情况下，煤粉变细后，对炉内结渣和NOx排放均有积极作用，同时，由于煤粉变细，锅炉运行方式如最佳运行氧量、燃尽风比例等均应有相应的变化[15，16]。基于此，在制粉系统运行较佳的情况下，进行了氧量调整试验。

维持机组电负荷在600 MW左右，ABDEF 5台磨煤机运行，OFA风门开度在60%左右，维持蒸汽参数及其他参数稳定，控制运行氧量分别在2.0%、2.4%和2.7%进行试验，结果如表6所示。

表6 变氧量试验结果Table 6 Test results of changing oxygen volumetric fraction

从试验结果可以看出，随着运行氧量的增加，锅炉热效率呈先增后降趋势，当氧量在2.4%时，锅炉热效率最高。锅炉NOx排放质量浓度随氧量的增加而呈上升趋势。

图1 不同运行氧量下炉膛烟温变化情况Fig.1 Influence of oxygen volumetric fraction on gas temperature of furnace

图1给出了炉膛不同高度的烟温随运行氧量的变化情况，从图中可以看出，不同氧量条件下，主燃烧区烟温相差不大，当氧量增加至2.7%左右时，上层燃烧器至炉膛出口区域内的温度有所升高，这会增加该区域内结渣风险。而氧量较低时炉膛内峰值温度更低，有利于减轻炉内结渣，此外较低的运行氧量也有利于抑制NOx生成。在额定负荷下，建议运行氧量控制在2.5%左右。

4.4 变燃尽风风量试验

从炉膛烟温测试结果可知，燃尽风区域烟温水平最高，该区域结渣也最严重，适当降低该区域的热负荷有利于减轻该区域结渣。适当比例的燃尽风对煤粉燃尽率、NOx排放及炉内结渣均有重要的影响[17]，因而进行了燃尽风量调整试验。

维持机组电负荷在600 MW左右，保持运行氧量在2.5%左右，5台磨煤机运行，中层1台停运。试验中保持锅炉蒸汽参数及磨煤机运行工况稳定。调整燃尽风风门开度分别在60%，70%，80%，其他风门开度及整体配风方式基本维持不变，试验主要结果如表7所示。

表7 变燃尽风风量试验结果Table 7 Test results of changing flow rate of OFA

从试验结果可以看出，将OFA风门开度从60%调整至70%,80%时，锅炉效率先升高后降低。NOx排放浓度随OFA风门开度的变化并不明显。此次改造，考虑NOx风箱内流场的均匀性和各NOx喷口的风量调平方便，在原NOx风箱上部加装了一层旁路风道，旁路风道从总风道引出二次风，由旁路风道将一部分风量引入NOx风箱，而风道上的OFA风门挡板则装在旁路风量引出之后，OFA风门开关对旁路风量的影响不同于预期，在总风量及二次风压基本不变的情况下，OFA开大后，旁路风量会略有降低，亦即总OFA风量的增加随着OFA风门开度的增加会愈不明显。因而，OFA风门开度大于60%后，NOx排放质量浓度降低并不明显。

图2给出了炉膛不同高度的烟温随OFA风门开度的变化情况。从图中可以看出，OFA风门开度在60%和70%左右时，主燃烧区火焰温度相差不大；当OFA风门开度增加到80%时，主燃烧区火焰温度则有所降低；而在煤粉燃烧的关键区域(燃尽区30～40 m)，OFA开度在60%左右时烟气温度最高，而进一步开大到80%时该区域烟温则明显降低。开大OFA风门对减轻炉膛结渣有利，但也会影响燃烧效率，综合考虑，在额定负荷下，OFA风门开度宜控制在70%左右。

图2 不同OFA风门开度下炉膛烟温变化情况Fig.2 Influence of OFA damper opening on gas temperature of furnace

经过一系列调整，炉内结渣情况明显减轻，除上层燃烧器周围有轻微挂渣外，其他燃烧器周围基本无渣，燃尽风层前墙结渣情况较调整前有所减轻，后墙则略为严重，炉底则基本不用人工放渣。

5 结语

试验锅炉经低氮改造后，NOx排放质量浓度降幅在50%以上，达到了预期的效果。但由于入炉煤灰熔点低、外二次风及燃尽风旋流强度大、燃尽风区域烟温较高、煤粉偏粗及炉膛主燃烧区域过剩空气系数低等原因，造成炉内结渣严重，威胁锅炉安全运行。通过一系列优化调整试验，如变旋流强度试验、变煤粉细度试验、变氧量试验及变燃尽风风量试验等，解决了炉内严重结渣问题，保证锅炉安全稳定运行，同时还提高了锅炉燃烧的经济性。

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(编辑 刘晓燕)

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

靖东平

靖东平(1984—)，男，吉林双辽人，工程师，从事发电运行技术研究工作。