低氮燃燒器改造后防范鍋爐滅火的對策分析

崔修強

（華電國際電力股份有限公司技術服務分公司，山東 濟南 250014）

除新投產的現代大型機組原設計即為低氮燃燒器，為滿足燃煤火電機組達標排放要求，大部分在役鍋爐陸續進行低氮燃燒器改造。鍋爐低氮燃燒技術改造主要采用燃料分級及空氣分級燃燒技術。直流切圓燃燒鍋爐通常采用濃淡燃燒、“風包粉”、一次風反切等技術，采用緊湊型燃燼風（OFA），分離型燃燼風（SOFA）等分級燃燒技術。旋流墻式燃燒鍋爐通常采用雙調風技術，分離型燃燼風（SOFA）分級燃燒技術。鍋爐進行低氮燃燒改造后，設備系統特性發生了較大變化，對鍋爐運行的安全性、經濟性、氮氧化物排放等方面均有一定影響，部分單位因出現了鍋爐掉大焦、缺氧或操作不當等現象而發生鍋爐滅火事件。分析鍋爐穩定燃燒的規律特點，發現運行穩燃操作存在的問題，總結正確處理燃燒不穩定情況得出的經驗，吸取因處理不當造成故障擴大的教訓，系統性地提升運行穩燃操作能力，增強鍋爐穩燃措施的實施效果。

1 鍋爐滅火機理分析

煤粉的燃燒過程就是煤粉與空氣在一定溫度下發生劇烈的化學反應的過程。一次風粉氣流進入爐膛后，首先必須被加熱到著火溫度，才能使煤粉氣流穩定地著火燃燒。將煤粉氣流加熱到著火溫度所需的熱量稱為著火熱，著火熱與燃料的性質(著火溫度、燃料水分、灰分、煤粉細度)和運行工況(煤粉氣流初溫、一次風率和風速)有關，也與燃燒器結構特性及鍋爐負荷等有關。如下表1為煤粉氣流中煤粉顆粒的著火溫度。

當煤粉著火燃燒的條件中有任何一個發生變化時都將影響到著火和燃燒的穩定，嚴重時直接導致鍋爐滅火的發生。當煤質、一次風量和煤粉細度發生變化，以及爐內溫度水平變化時，可能導致煤粉氣流的著火情況突變，引發鍋爐滅火。

表1 煤粉氣流中煤粉顆粒的著火溫度

低NOx燃燒技術增加了30%左右的燃盡風（SOFA），主燃區域二次風量分配比例發生了變化，對鍋爐燃燒影響較大。由于主燃燒區內缺氧，導致鍋爐燃燒穩定性變差，形成還原性氣氛使灰熔點降低，引起鍋爐結渣、產生腐蝕，同時低氮燃燒分段進行，火焰拉長導致焦炭燃盡困難，引起爐膛出口處的受熱面結渣。與結渣對應的燃煤特性是其灰熔點溫度，低灰熔點的鍋爐，在低氮燃燒器改造后大多發生了結渣問題，少數程度嚴重甚至影響鍋爐安全運行。爐膛大焦掉落等異常情況導致爐內燃燒工況的劇烈變化、鍋爐設備故障以及一些人為操作失誤等情況也是導致鍋爐滅火的因素。

2 運行優化調整對策分析

鍋爐進行低氮燃燒器改造后，燃燒調整方式要根據設備特性的變化進行相應優化調整。燃燒優化調整應綜合考慮鍋爐運行經濟性、鍋爐及脫硝裝置運行安全性以及環保排放要求，合理控制NOx排放濃度范圍，平衡經濟與環保二者的關系，制定鍋爐燃燒優化指導意見，指導運行人員操作，防止鍋爐滅火事件的發生。

2.1 運行氧量控制

對于采用低氮燃燒技術的鍋爐，其運行氧量越高，則NOx排放濃度越高，但是低氧量運行會造成如排煙CO濃度高、飛灰可燃物升高、爐內結渣及高溫腐蝕加劇等影響。氧量控制應通過燃燒優化調整，在NOx排放濃度與安全、經濟性之間尋求平衡點。控制合理的鍋爐運行氧量，應根據燃燒調整試驗結果確定爐膛燃燒最佳氧量。對于應用低氮燃燒技術改造后的鍋爐，依據現場調試情況，推薦運行氧量控制范圍見表2。

表2 應用低氮燃燒技術改造后鍋爐運行氧量控制范圍

2.2 防止鍋爐掉大焦滅火

低氮燃燒器改造后，由于主燃燒區內缺氧，容易形成還原性氣氛使灰熔點降低，容易引起結渣、產生腐蝕，同時低氮燃燒分段進行，火焰拉長，焦炭燃盡困難，會引起爐膛出口處的受熱面結渣。

（1）鍋爐運行中，均衡各燃燒器熱負荷,風粉配比適宜，均勻對稱燃燒，防止個別燃燒器熱負荷過高造成局部結焦。旋流燃燒器各燃燒器的旋流強度一致，防止旋流角度偏大加劇燃燒器區域結焦。（2）嚴密監視鍋爐燃燒情況及結渣情況，及時清除噴口等部位的焦渣，減少落大渣隱患。鍋爐結焦后，應分階段緩慢降低負荷運行，防止大幅度降負荷后掉大焦滅火。（3）及時吹灰是防止大焦形成的重要措施，嚴格執行鍋爐吹灰制度，確保吹灰器運行正常，利用每高負荷時段投入吹灰器運行，加強對吹灰器運行的監視。吹灰時為防止大量焦渣脫落造成滅火，可考慮采取投油助燃的防范措施。（4）在運行中就地觀察煤粉著火情況和受熱面沾污情況，是掌握鍋爐燃燒狀況、提高燃燒穩定性的必要手段，應建立鍋爐定期就地觀察的制度和執行辦法，尤其在煤質變化或爐膛負壓波動頻繁的時段，更應加強就地觀察，及時發現著火異常及受熱面結焦的情況，防范鍋爐滅火及其它異常現象發生。

2.3 爐膛負壓的監視與控制

爐膛負壓是反應燃燒工況穩定性及判斷滅火事故的重要參數。鍋爐燃燒不穩定，爐膛壓力會產生強烈波動，爐膛負壓即相應作出大幅度的劇烈波動。發生爐膛負壓劇烈脈動，往往是滅火或爐膛掉大焦的前兆，這時必須加強監視和檢查爐內燃燒工況、分析原因，并及時進行調整和處理。

2.4 一次風速監視與控制

一次風速過高時，風粉混合物的著火點增加，會推遲著火，著火點遠離一次風噴口，不利于維持較高的著火區溫度，導致煤粉氣流著火不穩定，遇有燃燒工況波動，一次風速大于火焰傳播速度時，就會吹滅火焰或者引起“脫火”，容易發生鍋爐滅火現象。

根據鍋爐設計提供的一次風速，對各臺鍋爐的一次風速進行監測和控制。一次風速的選取主要與燃用煤種的干燥無灰基揮發份（即著火穩燃性）有關，同時要適當考慮燃用煤種的結渣性和磨損性。原則上，只要不發生粉管堵塞和噴口燒損，降低一次風速可以提高燃燒穩定性。在煤質偏離設計值較大時，直流燃燒器的一次風速可以參照表3進行調節。

表3 四角布置燃燒器配風風速的推薦值

為提高鍋爐燃燒穩定性，防范鍋爐滅火，應重視鍋爐負荷變化及制粉系統運行工況變化時一次風速的變化，防止一次風速的突然變化對燃燒工況的擾動。

2.5 一次及二次風溫調整

提高一次風／煤粉氣流初溫，可減少煤粉氣流的著火熱，并提高爐內溫度水平，使著火提前，能在低負荷時穩定燃燒。煤粉氣流的初溫從20℃提高到300℃時，著火熱可降低60%左右。設計煤種為煙煤或褐煤的鍋爐，其一次風溫及直吹式制粉系統的出口溫度應在保證系統安全的前提下進行調整，針對一次風溫不正常的情況，應制定處理方案和相應的操作措施。

提高二次風溫，可以強化燃燒，尤其在低負荷運行時增強著火的穩定性。各單位應根據煤質設計和鍋爐設計提供的熱風溫度，對各臺鍋爐的二次風溫進行監測和控制。若二次風溫受到空氣預熱器傳熱面積、堵塞影響降低，應及時采取消除措施。

表4 熱風溫度的推薦數值

2.6 風量控制及配風調整原則

（1）鍋爐燃燒器配風方式。對直流切圓燃燒方式，100%、75%、50%（60%）三個負荷下分別進行“均等”、“正寶塔”、“縮腰”、“倒寶塔”配風調整，同時進行OFA、SOFA風門開度、周界風（側邊風、貼壁風）開度等調整，選取合適的配風方式。對旋流墻式燃燒方式，分別調整內外二次風旋流葉片角度、內外二次風風量、各層風箱兩端擋板開度、SOFA風量、SOFA燃燒器直旋流比例等，選取合適的配風方式。（2）配風原則。低氮燃燒器系統改造后二次風量分配比例發生了較大變化，30%左右二次風總風量轉化為燃盡區燃盡風（SOFA），不論是直流切圓燃燒還是旋流墻式燃燒鍋爐，配風方式的變化主要是改變燃燒初期的供氧，達到降低NOx，提高鍋爐燃燒穩定性的目的。（3）二次風配風。燃燒器配風應保證風粉配比、爐膛主燃燒區域過量空氣系數合理；燃燒器停止運行，其對應的二次風門應及時關小；設備改造后，二次風門開度應根據二次風門的流量特性曲線確定；運行中控制合理的二次風箱壓差，保證二次風射流剛性；在煙氣NOX濃度不超標的前提下，盡量關小SOFA擋板開度，減小主燃區缺氧程度；加強爐膛、撈渣機及制粉系統漏風治理，盡量減少無組織風量，保證主燃燒區域合理配風，以達到最佳燃燒工況。（4）一次風配風。控制合適的配風參數，一次風率上限配風參數推薦范圍見表5。（5）周界風調整。高速周界風有利于卷吸高溫煙氣，促進著火，并加速一、二次風的混合過程。但周界風量過大或風速過小時，在煤粉氣流與高溫煙氣之間形成“屏蔽”，反而阻礙加熱煤粉氣流。在煤質較差時，周界風往往對煤粉氣流的著火產生不利影響。配有周界風的燃燒器對周界風的調節應有明確的運行調節措施，以保證燃燒穩定性。

表5 一次風率推薦數值

2.7 制粉系統調整與管理

調整煤粉系統，使得最佳煤粉細度條件下NOx減排空間最大化，對采用SOFA風空氣分級技術的鍋爐，應適當降低煤粉細度。在100%、75%負荷下，分別進行不同磨煤機組合調整，探求鍋爐效率、NOx排放濃度的平衡點。

（1）煤粉細度調整。煤粉的燃燒反應主要是在顆粒表面上進行的，煤粉顆粒越細，單位質量的煤粉表面積越大，火焰傳播速度越快，燃燒速度就越高，燃燒放熱速度越快，煤粉顆粒就越容易被加熱，因而也越容易穩定燃燒。適當的煤粉細度，可促使燃燒初期揮發份迅速而大量析出燃燒消耗氧份，造成局部出現還原性氣氛，從而抑制NOx的生成量。當鍋爐燃用煤質一定時，提高煤粉細度能顯著提高煤粉氣流著火的穩定性。煤粉細度R90的數值應控制在的范圍內。（2）鍋爐的煤粉細度應定期檢測。中儲式制粉系統的煤粉細度應每班檢驗；直吹式制粉系統煤粉細度應每天檢測，檢測范圍應覆蓋各種制粉出力、風壓、風溫等運行工況，檢測記錄應備案。在煤質變化或制粉系統運行狀況發生變化時，應增加取樣分析頻率。應特別重視制粉系統運行工況變化時煤粉細度的變化，防止煤粉突然變粗導致燃燒穩定性變差。（3）制粉系統為中儲式的機組，正常運行中須保持較高的粉倉粉位，最低粉位高度應控制在三分之一粉倉總高度以上，且須具有完善可靠的粉位測量及顯示、報警系統，防止粉倉粉位低煤粉自流造成一次風管堵塞，影響鍋爐燃燒的穩定性。

2.8 燃燒器運行方式

同樣爐膛參數、同樣煤質條件下，單只燃燒器功率越小，NOx減排能力越大。鍋爐運行過程中，投用的燃燒器過于分散或單只燃燒器的出力過低，都不利于提高爐膛溫度和煤粉氣流的著火穩定性，鍋爐低負荷運行時現象更為突出。為提高燃燒穩定性，應盡量使投用的燃燒器集中，提高投用燃燒器的出力，保證下層燃燒器出力穩定，達到穩定燃燒的目的。

低氮燃燒器改造后，燃燒器運行方式應利于提高爐膛溫度和煤粉氣流的著火穩定性，避免出現底層燃燒器停運、單層燃燒器出力較低、四角切圓燃燒器隔層燃燒等工況。在特殊情況下隔層運行時，應提前做好相應穩燃措施，四角切圓燃燒的直流燃燒器應避免缺角運行。

2.9 入爐煤摻燒摻配管理

加強燃煤摻配摻燒管理工作，制定鍋爐入爐和入廠煤質量標準，燃用與鍋爐相匹配的燃料，把灰熔點做為燃煤采購的考核指標，杜絕采購跨煤種混煤，防止煤種灰熔點降低造成的鍋爐結焦結渣。摻配方案應根據采購煤源和廠內存煤情況確定，對出現的異常問題及時組織分析并采取對策。

加強入爐煤質化驗管理，重視入爐煤的灰熔點指標，入爐煤煤質化驗結果及時準確提供，為運行人員及時調整鍋爐燃燒提供指導。遇有鍋爐燃燒不穩時，要及時投油助燃，確保燃燒穩定。

燃煤摻配要關注燃煤著火、燃盡及煤灰結渣特性對爐膛熱力特性參數值的影響（見表5）。控制實際燃煤低位發熱量Qnet在低氮燃燒器改造設計值±15%之間，控制干燥無灰基揮發分Vdaf在低氮燃燒器改造設計值±10%之間，灰分、水分及灰熔點符合低氮燃燒器改造設計要求。

2.10 專項問題調整策略

（1）鍋爐結焦專項調整。直流切圓燃燒可通過調整偏置風（貼壁風）開度、周界（側邊風）風開度、運行氧量、SOFA風量、風箱與爐膛差壓等參數緩解。旋流墻式燃燒可通過調整左右側墻燃燒器旋流強度、運行氧量、SOFA風量、風箱與爐膛差壓等參數緩解。（2）飛灰可燃物高專項調整。飛灰可燃物含量主要通過調整煤粉細度、運行氧量、二次風配風等參數來實現降低飛灰可燃物。（3）高溫腐蝕問題專項調整。減緩高溫腐蝕問題基本思路是降低燃燒器區域還原性氣氛。一是增加運行氧量；二是燃燒器運行方式調整，雙調風低NOx旋流燃燒器通過參數調整改善壁面氣氛；三是改善配風方式，關小SOFA風門，增加燃燒器區域的過量空氣系數，避免出現局部高溫或嚴重的還原性氣氛。（4）爐膛出口煙溫偏差、汽溫偏差專項調整。直流切圓燃燒鍋爐可通過調整SOFA風水平擺角、偏置風門開度、啟/消旋風門開度等參數實現。旋流墻式燃燒鍋爐可通過調整左右側SOFA風道風門開度、主燃燒器風道風門開度、左右側SOFA燃燒器直/旋流風比例等參數實現。

3 設備檢修維護對策

對低氮燃燒器改造后頻繁發生鍋爐掉焦、滅火的鍋爐，應進行動力場動量平衡校核計算，校核燃燒器假想切圓、燃燒器反切角、燃燒器結構改造對鍋爐燃燒動力工況的影響。對存在設計缺陷的鍋爐，應對燃燒系統優化改進，在降低NOx排放的同時，確保鍋爐運行處于最佳的狀態。

3.1 燃燒器改造驗收對策

（1）燃燒器檢修檢查工作。鍋爐大修時應認真檢查校核燃燒器安裝角度，四角燃燒鍋爐還應檢查調整同層燃燒器擺角的一致性。做好燃燒器安裝偏轉角測量及校核，燃燒器同角、同層擺動同步性測量及校核，確保燃燒器噴口尺寸及軸線符合設計要求，燃燒器切圓直徑符合設計要求。（2）燃燒器檢修驗收工作。做好燃燒器靜態切圓驗收。開展冷態一次風速的標定與調平，檢查一次風速均勻性，確保一次風速均勻性滿足運行要求。進行爐內空氣動力場試驗，觀測多層四角射流形成的強風環大小及位置，觀察爐膛氣流的充滿度；觀測爐膛斷面上的氣流分布，觀察氣流是否沖刷爐壁和爐底；觀察各燃燒器射流間的相互影響及三次風、燃燼風及SOFA風射流對燃燒器主射流的影響。（3）風門系統檢查驗收。鍋爐修后啟動前應對燃燒系統、風煙系統的各個風門的動作情況、實際位置、就地指示、位置反饋等進行檢查，排除故障，確認動作可靠，位置正確。

3.2 設備維護管理對策

（1）定期檢查校核風速、風量測量裝置。對鍋爐的一次風速應定期檢測，鍋爐檢修后應開展在線監測系統標定試驗，檢測范圍應覆蓋各種制粉出力、風壓、風溫等運行工況，校驗情況應記錄在案備查，以保證監測系統的數據可靠性。（2）應經常檢查磨煤機分配器、煤粉分離器的磨損情況，對磨損嚴重的分配器、分離器要及時更換，避免熱態時一次風速不均勻。（3）加強日常的設備維護工作，及時消除制粉及燃燒系統等設備缺陷，及時恢復設備性能。鍋爐的制粉系統、燃燒系統、煤粉取樣設備及吹灰器應確保完好，有故障影響燃燒調整和參數測量時應及時消缺、完善，保證鍋爐調整的需要。加強對爐本體漏風情況的檢查與消除，防止鍋爐底部漏風。

3.3 熱工保護動作可靠性對策

（1）鍋爐大修后啟動前，應認真執行檢修規程、運行規程規定，對熱工保護進行試驗檢查，確保設備完好、動作正確可靠。（2）火檢裝置應進行定期試驗，確保可靠。火檢內部參數設置調整應合理，避免造成火檢不穩定。火檢放大器內不得有對火焰喪失信號的延時，在火焰喪失MFT保護邏輯中適當設置火焰喪失信號后MFT的延時時間。根據實際需要在DCS內增加臨界火焰報警功能；火檢模擬量信號應顯示在操作員站上，方便運行人員全面監視火的檢變化情況。（3）優化鍋爐保護內部的延時時間，應根據機組實際情況進行調整。對與燃燒有關的信號，如二次風壓、爐膛負壓、送風流量、出口煙壓等，不得在變送器內加延時，以保證DCS能夠顯示、記錄真實的過程變量的變化。（4）加強火檢定值等滅火保護定值的管理，保護定值表更新后，應嚴格執行。（5）保證氧量信號準確可靠，除氧量變送器定期校驗外，還應對氧量表指示氧量和實際運行氧量進行經常性的比較，使運行人員全面掌握實際運行氧量。

3.4 高溫腐蝕技改對策

為減緩水冷壁高溫腐蝕問題,目前普遍采用加裝側燃盡風、增設貼壁風、增設防護涂層(噴涂)等方法來防止高溫腐蝕。設置貼壁風，可以改善壁面氣氛，墻式燃燒方式更容易實施這一措施，貼壁風的量應足夠大，其對鍋爐效率的影響較大；噴涂保護層，加強噴涂質量過關管理，維持1個大修期以上；對經常性掉焦的鍋爐，可以進行渣斗防爆裝置改造。

4 結語

低氮燃燒器技術改造對鍋爐運行的安全性、經濟性、氮氧化物排放等方面均有一定影響，為確保改造后機組安全經濟運行，在運行優化調整方面應做好防鍋爐掉焦滅火、運行氧量控制、配風優化調整、燃燒器運行方式配煤摻燒管理等工作，在檢修維護方面應做好燃燒器改造驗收、提高熱工保護可靠性、專項問題技術改造等工作，提高鍋爐的運行可靠性，實現機組運行的可靠性、經濟性，保證機組環保達標排放。