低氮燃烧器改造对锅炉运行影响探析

崔修强

(华电国际电力股份有限公司技术服务分公司，济南 250014)

0 引言

为满足燃煤火电机组的排放要求，众多在役锅炉陆续进行了低氮燃烧器改造[1]。低氮燃烧器采用煤粉浓缩、分级送粉、降低燃烧器区域氧浓度和火焰温度等方法，大幅减少了炉膛出口的氮氧化物。低氮燃烧器的特点决定了燃烧效率的降低，并改变了炉内温度场的分布，使燃烧稳定性相对降低，同时易产生炉内高温腐蚀、汽温偏离正常范围、壁温超限等问题[2-4]。

本文分析了低氮燃烧器改造对锅炉运行的安全性、经济性指标、氮氧化物排放浓度等方面的影响，并以发生灭火的5台改造机组为重点对低氮燃烧器改造及运行优化调整提出了有益的建议。

1 低NOx分级燃烧技术特点

锅炉低氮燃烧技术改造主要采用燃料分级及空气分级燃烧技术。直流切圆燃烧锅炉通常采取浓淡燃烧、风包粉、一次风反切等燃料分级技术，并结合紧凑型燃烬风(OFA)、分离型燃烬风(SOFA)等空气分级燃烧技术。旋流墙式燃烧锅炉则通常采用双调风技术和SOFA分级燃烧技术。

燃料分级燃烧技术是将煤粉分成浓相和淡相两部分，分级既有利于浓相煤粉的着火稳燃，又能降低NOx的生成。空气分级燃烧技术将炉膛整个燃烧空间分成主燃烧区、NOx还原区、SOFA燃尽区3个部分：主燃烧区域的过量空气系数控制在0.75～0.85之间，实现缺氧燃烧；30%左右的SOFA燃烬风在距离主燃烧区域较远的位置喷入炉膛，保证煤粉和CO的燃尽。采用SOFA空气分级燃烧技术进行改造的烟煤锅炉，NOx排放控制在280～300 mg/m3；贫煤锅炉的控制在450～500 mg/m3；无烟煤锅炉的控制在700～800 mg/m3。

2 低氮燃烧器改造的情况

某公司系统完成41台锅炉低氮燃烧器改造，统计分析发现低氮燃烧器改造后主要存在7个方面的问题:锅炉燃烧稳定性变差；飞灰可燃物含量升高，锅炉固体不完全燃烧损失增加，对煤粉细度要求提高，制粉电耗增加；水冷壁壁面腐蚀性还原性气氛加重，炉膛水冷壁的高温腐蚀加重；烟气中CO含量增加，锅炉化学不完全燃烧损失增加；燃烧过程的推迟以及SOFA 的应用对炉膛出口烟气温度产生影响，使主再热蒸汽温度降低，达不到设计值；炉膛热负荷分配发生变化，炉内严重结渣，管壁出现超温问题及严重的高温腐蚀，造成受热面管壁超温等问题；锅炉的NOx排放量高，达不到设计值。

2.1 安全性影响

低氮燃烧器改造后出现了多种影响锅炉安全性的问题，个别机组还出现了灭火现象，见表1。

表1 低氮燃烧器改造对锅炉安全性影响 台

2.2 环保指标情况

低氮燃烧器改造后，大多数脱硝装置入口的NOx排放质量浓度≤(设计值+50 mg/m3)，但其中有7台机组出现了严重超标(较设计值超出50 mg/m3以上)，见表2。

表2 低氮燃烧器改造环保指标情况

2.3 经济性影响

根据现场试验和调研情况统计，低氮燃烧器改造对机组的经济性影响较大，锅炉飞灰、大渣含碳量、排烟温度、减温水量均有不同幅度升高。由表3可知，飞灰要比设计值普遍高出0.5%～2.0%，严重超标时会高出2%以上；发生再热蒸汽温度降低的机组，平均温降约为5 ℃。

表3 低氮燃烧器改造对经济性的影响

表4 设备改造及运行情况统计

3 影响低氮燃烧改造效果的因素分析

针对低氮燃烧器改造后发生灭火的5台机组进行统计分析，见表4。5次发生锅炉灭火事件的锅炉都采用了燃料浓淡分级加空气分级的四角切圆锅炉。炉膛主燃烧区域过量空气系数降低，二次风量减少，煤粉燃烧抗干扰能力下降，入炉煤质、煤粉细度、运行调整方式的偏离，均对燃烧产生很大影响。

3.1 运行方式调整原因导致锅炉燃烧稳定性差

低氮燃烧器改造后，锅炉一、二次风的喷口尺寸、假想切圆、燃烧区域二次风与SOFA比例等会发生改变。运行人员应掌握改造后的设备性能，燃烧调整方式也要相应变化，尤其在燃烧器运行方式、二次风配风方式、燃烧最佳氧量、煤粉细度等方面，需要根据改造后的设备性能进行相应优化调整。

LC#3锅炉灭火有2点主要原因：燃烧器运行方式不合理，A1层(最底层)一次风的#2角和#4角火嘴停运，导致A1层火焰切圆被破坏，锅炉燃烧稳定性变差；火嘴停运，而与其相对应的二次风门并未关闭，增加了无组织风量，使得主燃烧区存在缺氧的可能。

3.2 入炉煤掺配原因导致锅炉结焦灭火

QD#2锅炉设计贫煤，运行中掺烧高挥发份煤种(烟煤或褐煤)比例大，入炉煤质灰熔点低导致锅炉结焦、掉焦灭火1次。YH#2锅炉在掺配煤试验过程中，试烧焦煤比例大，锅炉出现了结焦、掉焦等异常问题未及时处置，造成锅炉灭火1次。

炉膛的结渣与高温腐蚀是电站燃煤锅炉一直存在的难题，结渣程度严重时甚至影响锅炉安全运行。随着低NOx燃烧技术的应用，主燃烧区内缺氧形成还原性气氛，使灰熔点降低，引起炉膛结渣、高温腐蚀；同时炉内分级燃烧造成火焰拉长、焦炭燃尽困难，导致炉膛出口处的受热面结渣。燃煤灰熔点温度影响锅炉结渣性能，对于燃用低灰熔点煤炭的锅炉，低氮燃烧器改造后大多会发生结渣问题，少数程度严重的甚至影响锅炉安全运行。

3.3 锅炉设计原因导致锅炉灭火

QD#1锅炉燃烧器设计水平切角可调，依据锅炉冷态动力场试验，结合炉膛着火情况，判断低氮燃烧器改造后锅炉A层一次风粉对应的二次风存在反切，使下层炉内旋转气流不稳定，同时各层燃烧器一次风风速不均匀、锅炉燃烧稳定性差、折焰角积灰塌扰动，导致炉膛灭火1次。

SLQ#5低氮燃烧器改造设计不合理，浓淡分离燃烧器浓侧反切角度设计偏大(12°)；设计改变了原假想切圆，二次风切圆偏大；燃烧器改造增加了水平、垂直钝体和稳燃齿，燃烧器区域回流卷吸强烈；主燃区形成切圆的二次风率偏小，造成二次风旋转动量不足，使炉内火焰不稳定、抗干扰能力差，易发生火焰偏斜和贴壁，造成水冷壁结焦。

4 低氮燃烧器改造及运行措施建议

经现场试验调整、统计分析与专家研讨，影响低氮燃烧器改造效果的因素中约70%与设计相关，约30%的与施工、冷态、热态调整有关。改造过程应重视低氮燃烧器改造方案论证与校核计算、改造厂家选择、制造和施工监管理、启动前的冷态验收和改造后燃烧调试等全过程管理。

4.1 锅炉校核计算

在进行低氮燃烧改造设计时，改造方案应经过锅炉校核计算：校核计算燃烧系统与汽水系统匹配平衡性；校核计算动力场动量平衡及燃烧器改造对锅炉燃烧动力工况的影响。确保对燃烧系统改造在降低NOx排放的同时，锅炉运行在最佳的状态。

4.2 燃烧器改造安装工作

在安装阶段，须按设计要求严格校准燃烧器水平角度。做好燃烧器安装偏转角测量及校核，燃烧器同角、同层摆动同步性测量及校核，确保燃烧器喷口尺寸、喷口轴线、燃烧器切圆直径符合设计要求。

4.3 燃烧器改造冷态验收工作

燃烧器改造冷态验收时，应做好燃烧器静态切圆验收与冷态一次风速的标定与调平，严格开展炉内空气动力场的试验工作。

4.4 低氮燃烧器改造后燃烧优化调整工作

低氮燃烧器改造后，燃烧调整方式要根据设备特性的变化进行相应优化调整。燃烧优化调整应综合考虑锅炉及脱硝装置运行安全性以及环保排放要求，合理控制NOx排放浓度范围，平衡经济与环保的关系，指导运行人员操作。

(1)燃烧器运行方式。低氮燃烧器改造后，燃烧器运行方式应利于提高炉膛温度和煤粉气流的着火稳定性，避免出现底层燃烧器停运、单层燃烧器出力较低等工况。

(2)锅炉二次风配风方式。二次风配风应保证风粉配比、炉膛主燃烧区域过量空气系数合理；燃烧器停止运行，其对应的二次风门应及时关小；设备改造后，二次风门开度应根据二次风门的流量特性曲线确定；运行中控制合理的二次风箱压差，保证二次风射流刚性。

(3)锅炉运行氧量。控制合理的锅炉运行氧量，应根据燃烧调整试验结果确定炉膛燃烧最佳氧量。

(4)煤粉细度控制。对采用SOFA风技术的锅炉，应适当调整煤粉细度。

4.5 加强低氮燃烧器改造后入炉煤掺烧掺配管理

进一步加强完善燃煤掺配掺烧管理工作，把灰熔点作为燃煤采购的考核指标，杜绝采购跨煤种混煤。掺配方案应根据采购煤源和厂内存煤情况确定，对出现的异常问题及时组织分析并采取对策。加强入炉煤质化验管理，为运行人员燃烧调整提供指导。燃煤掺配要关注燃煤着火、燃尽及煤灰结渣对炉膛热力特性参数值的影响，见表5。

表5 机组容量、煤质变化对炉膛热力特性参数的影响趋势

5 结束语

低氮燃烧器技术改造对锅炉运行的安全性、经济性、氮氧化物排放等方面均有一定影响，为确保改造后机组安全经济运行，改造前须做好低氮燃烧器改造方案论证与校核计算、改造厂家选择工作。改造过程中做好制造和施工监管工作，改造后做好启动前的冷态验收、启动后的燃烧优化调整。应通过规范低氮燃烧器改造全过程管理工作，提高锅炉的运行可靠性，保证机组环保达标排放。