鍋爐燃燒系統煤種適用性改造分析

楊光

內蒙古電力科學研究院 內蒙古 呼和浩特 010000

引言

近些年，煤炭供應越來越緊缺，燃煤電廠通常不能保障獲取設計煤種，并且煤質變化明顯，鍋爐燃燒設備不能穩定運轉，鍋爐噴燃器燒壞、水冷壁焦化、高溫腐蝕和爆管等問題十分普遍。怎樣通過設備改造適應常常改變的煤種，是當下急需研究的話題。

某SG-420/13.7-M415型鍋爐因近些年燃用高質量煙煤，一般有燃燒器范圍水冷壁焦化、一次風噴嘴燒壞、再熱氣溫較低等現象。根據不同工況和煤種對該鍋爐展開細致的摸底測試和鍋爐熱力計量，找到了問題形成的原因與嚴重程度，制定了噴燃器改造計劃，設置了再熱器受熱面增多的總數，性能考核測試顯示，改造獲得了預期成效。

1 設備改造前的現狀

該鍋爐爐膛截面深×寬=884cm×960cm，寬深比是1.085，設備選擇正四角切向燃燒分布，其噴嘴從上至下分布是三、二、二、一、二、一、一、二次風，制粉裝置采取鋼球磨中儲式制粉結構。SG-420/13.7-M415型鍋爐是專門給發熱量很少的貧煤規劃的，一次風燃燒器選擇統一分布，鍋爐燃燒切圓很大，爐膛噴燃器周圍的截面熱負荷很高[1]。近幾年，由于燃用高質量煙煤，鍋爐燃燒設備周邊水冷壁焦化嚴重，每年出現1-2次燒一次風噴嘴問題，左右兩邊主汽溫差達到15-20℃，當旁路煙道擋板閉合、無減溫水條件下，再熱汽溫依舊偏低10-15℃，進入爐膛吹灰設備后汽溫更小。

2 設備改造綜合方案

2.1 主要目標

結合常見問題，選擇對鍋爐在大修前組織全面細致的摸底測試，為設備改造帶來依據。按照測試結果分析以及當下燃用煤質，實施濃淡分離燃燒方式，重新規劃了一、二、三次風燃燒設備。此次改造目標如下：①基本處理爐膛與燃燒設備噴口結渣、焦化，避免燒毀噴嘴與一次風管；②一次風不投與盡可能少投壓力冷風，減小排煙溫度，提升鍋爐效率；③增強煤種適用性，令鍋爐在特定煤種范圍內可以正常燃燒；④提高鍋爐低負荷燃燒可靠性，并在鍋爐高負荷狀態下基本不焦化、不結渣；⑤減少飛灰含碳量，提升鍋爐運行效率。

2.2 燃燒器改造的技術方法

2.2.1 下層一次風燃燒設備改成濃淡分離燃燒設備。規劃把下層一次風燃燒設備改成新的濃淡分離燃燒設備。煤粉濃相燃燒存在著火熱低、著火溫度小、火焰擴散迅速等特征；煤粉著火后補給稀相氣體，令燃燒更徹底，NOx排放更少，而且還可以增強煤種適用性[2]。該方法已得到國內外電站鍋爐的普遍使用。濃淡分離燃燒設備的規劃既要考量鍋爐在低負荷狀態下的燃燒可靠性，也要兼顧鍋爐于高負荷狀態下不結渣、焦化，不損壞噴嘴。

2.2.2 重新優化規劃中、上一次風燃燒設備結構。因為下層一次風噴嘴選擇濃淡分離燃燒設備，具備良好的穩燃效果，而且煤種適用性與符合變動適應性很強，所以，規劃中、上層一次風噴嘴時不用強調穩燃作用，著重考量一次風剛性和對爐膛結焦性及火焰充滿度的干擾。

第一，重新規劃一次風周界風。

因為SG-420/13.7-M415型鍋爐規劃時考慮燃用很難著火的貧煤，選擇了下兩層一次風統一分布，而電廠燃用煤種不管是發熱量或者揮發分都超過規劃煤種，主要表現為燃燒時著火溫度小、著火間隔短、燃燒強烈以及燃燒迅速，燃燒時極易產生局域供氧不夠現象。添加一些周界風既可以發揮出補充氧量的功能，還可以有效維護噴嘴，減小噴嘴溫度，很難結焦[3]。此外，科學利用周界風還可以提高一次風氣流剛性，有利于避免水冷壁焦化。改造方法：采取偏置周界風，增多下、中一次風噴嘴附近周界風，類似于在兩層一次風當中含小二次風，有助于局域補充氧量，避免焦化。此外，把擴大全部一次風噴嘴背火側周界風范圍，縮減向火側周界風范圍，由此增強水冷壁周圍的氧化性環境，避免高溫腐蝕。

第二，變更一、二次風假想切圓直徑占比。

直流鍋爐燃燒設備假想切圓尺寸，直接關系火焰可靠性與煤粉燃盡度。事實上，氣流切圓直徑越大，火焰可靠性越好，煤粉于爐膛中的停留時間越長，有助于煤粉燃盡，可是煤粉氣流與火焰越會沖擊水冷壁，引起結渣與高溫腐蝕[4]。確定二次風與一次風切圓尺寸并有效配合，是處理穩燃與結渣問題的關鍵因素。采取的措施為：二次風大切圓，一次風小切圓。主要方法是把2號、4號角一次風假想切圓直徑從φ80cm改造成中φ40cm，1號、3號角一次風假想切圓直徑由正切20cm改為反切20cm。三次風切圓保持原設計不變。采取大二次風切圓與小一次風切圓分布模式，不僅能保障爐膛中心燃料的相對高含量及高穩焰性能，還能使燃料旋轉時持續補充氧量，可以混合和燃盡，也能避免燃燒器周圍因煤粉擴散沖擊水冷壁而出現高溫腐蝕，實踐顯示有較好效果。

第三，把中、下二次風切圓正偏13°。

設備適應性改造前，燃燒器附近水冷壁存在高溫腐蝕情況。爐中煙氣物質研究顯示，在后墻左邊還原性氣氛較強。所以，燃燒器改造時，基于原有條件對中、下二次風切圓正偏13°， 由此削弱燃燒器周圍水冷壁部位的還原性環境。

對調三次風噴口與上二次風噴口，因三次風含粉量在15%～20%以內 ，將三次風噴嘴安裝在噴燃器上方，令三次風內的細粉無充足的燃盡時間就已離開爐膛，增多了鍋爐飛灰含碳量。對調上層二次風和三次風位置，能夠減少飛灰含碳量，提高鍋爐效率，還可以減少NOx排放。

3 設備改造具體情況

3.1 改造前摸底測試準備

為了了解該鍋爐因近些年燃用高質量煙煤而出現事故的原因與受損程度，逐步掌握鍋爐運轉工況，大修前開展了多次系統的摸底測試，為設備改造帶來依據，具體情況如下：

3.1.1 一次風汽溫調節測試。燃用dh、fd1與fd2煤種時，于125MW負荷的測試條件下，不管是單投磨或者雙磨，就算是一次風冷風門全開，三種煤種都有一次風噴嘴帶火情況，且4號角

水冷壁周圍存在暗色火焰；在100MW負荷狀態下，三種煤種都有兩個噴口有帶火情況，且所用煤種熱值越大，一次風噴口帶火情況越嚴重。

3.1.2 爐膛汽溫檢測。燃用dh、fd1與fd2煤種時，燃燒設備范圍爐膛汽溫整體水平穩定，伴隨所燃用煤種熱值增大，爐膛汽溫整體水平稍有提升。燃燒器周圍爐膛汽溫水平于投單磨時平均高于投雙磨時的10℃，燃燒設備范圍結渣現象基本類似，結渣位置基本聚集于1號、3號角的上一次風與三次風周圍水冷壁。

3.1.3 旁路煙氣擋板調節性質測試。旁路煙氣擋板全閉時，低再測煙氣速度會增大39%，煙氣速度達到約13m/s，大大提升低再的磨損量。為考慮再熱系統汽溫的調節性與低再的磨損速度，要令煙氣擋板在穩定條件下保持30%～50%開度，通過測試，再熱器汽溫會減小約10℃，要適當擴大低再受熱范圍，使之工質出口汽溫提高10℃，將能夠適應以上要求。通過熱力估算，要擴大低再受熱范圍8%左右，即450m2。如此能夠令低再出口煙氣溫度降低18℃左右，排煙溫度減小1-2℃，和煙道擋板開啟而引起的排煙溫度上升相抵，優化后排煙溫度基本一樣。

3.1.4 煙道擋板調節。使用fd煤種時，爐膛出口汽溫高于燃用dh煤種，所以對流段后的煙溫也很高，進而主汽溫度與再熱器汽溫在旁路煙道擋板全開狀態下基本穩定。但使用dh煤種時，相同工況下汽溫尤其是再熱汽溫略低一點[5]。

3.1.5 性質測試。煙道擋板測試顯示：①負荷125MW，煙道擋板開度從0%變成100%，主汽溫度減小3.5℃，再熱器溫度減小21℃，省煤器出口水氣溫增大7℃，排煙氣溫升高3.5℃；②煙道擋板開度處于0～50%范圍內時，對汽溫影響很大，開度超過50%之后對汽溫影響較小。

3.1.6 負荷增減速度變化測試。該測試旨在考察負荷增減速度的快慢對主汽與再熱汽氣溫的干擾，通過測試結果分析，在負荷增減速度是1MW/min、1.5MW/min、2MW/min、2.5MW/min與3MW/min的狀態下，都沒有產生超溫情況。

3.2 摸底測試結論

①改造燃燒設備，關鍵是提高鍋爐煤種適用性，提升鍋爐經濟性與安全性；②合理擴大再熱器受熱范圍，由此增大再熱汽溫，如此既能提升汽機效率，還因為能適當開啟旁路煙道擋板，減小主煙道氣體流速，進而減少受熱面磨損；③優化一、二次風速度與風量監測設備，令鍋爐運轉有監測措施，有助于調節鍋爐燃燒；④優化鍋爐裝置，如復原一次風總風門、周界風選擇電動風門、二次風支總風門的調節等；⑤當下乙磨煤機出力很小，2臺磨煤機對燃燒的干擾也不同。有條件時要調節制粉結構，找到制粉結構最好運轉工況。

3.3 設備改造安裝

設備大修時改造了鍋爐燃燒設備，留下中下排與下排二次風噴嘴，拆卸其余的一、二次風噴嘴。設置改造后的一、二次風噴嘴，針對下排一次風噴嘴采用濃淡分離設備，對換三次風噴嘴和上排二次風噴嘴，每層噴嘴從上到下是上二次風、三次風、中上二次風、上一次風、中下二次風、中一次風、濃淡隔離一次風與下二次風，以上淡下濃分布；噴嘴傾角都是0°；爐膛切圓調整：一、二次風切圓從原本的Φ80cm縮減成Φ40cm，小切圓從原本的正切Φ20cm改成反切Φ20cm。周界風門操控機構改為電動操控機構，方便調整，采取偏置周界風，增多下一次風噴嘴頂部周界風與中一次風噴嘴底部周界風。

此外，在低溫再熱設備出口段增設350m2受熱蛇形管組，以便順利調整汽溫，增大再熱汽溫。而且能夠適當開啟旁路煙道擋板，減小主煙道氣體流速，以防止受熱面磨損。

4 改造后的運轉狀況

設備改造投用后，各運轉指標基本穩定，相較于大修前變化很小，鍋爐主汽溫與再熱汽溫都較穩定，鍋爐運行情況基本正常。設備改造后，一次風噴嘴燒壞情況已徹底消除，運行過程可以有效管理和調整著火點部位。一、三次風周界風門改成電動形式后，調節比較簡便，對修改著火點起到了顯著作用。改造之后1年多時間內，因電力用煤供給更為緊張，煤種變動越來越明顯，通過改造后的設備能夠通過調整周界風門和一次風壓等手段，基本可以管理一次風噴嘴著火點穩定，不出現噴嘴帶火，相較于電廠其他鍋爐具備更好的煤種適用性[6]。此外，改造后設備各噴嘴與附近水冷壁很干凈，結渣不多。燃燒設備改造后明顯提升鍋爐低負荷穩燃水平，能夠在53MW負荷下正常運轉。

大修后鍋爐效率大大提升，委托第三方檢測顯示，鍋爐效率提升了1.36%。

5 結束語

①鍋爐燃燒設備改造后，當一次風壓力冷風門全閉狀態下，一次風噴口煤粉氣流著火穩定，無明顯帶火情況，有效避免了噴嘴和一次風管好壞問題的出現。②鍋爐爐中燃燒工況得到改善，燃燒設備范圍與爐膛溫度整體水平穩定。燃燒器周圍無明顯結渣、爐中水冷壁基本潔凈，結渣不多。③改造后，燃燒設備附近水冷壁原本的還原性氣氛明顯削減，水冷壁高溫腐蝕趨勢大大減少。④設備改造后，主汽、再熱汽溫度與壓力等運作指標都滿足規劃要求，鍋爐出力也可以適應汽機需求，鍋爐運轉穩定。⑤鍋爐效率大大提升，飛灰含碳量減少，固體沒有徹底燃燒熱損失q4削減，運行效率平均上升了1.36%。

簡而言之，鍋爐燃燒設備改造是成功的，實現了預期目標。