锅炉燃烧系统煤种适用性改造分析

杨光

内蒙古电力科学研究院 内蒙古 呼和浩特 010000

引言

近些年，煤炭供应越来越紧缺，燃煤电厂通常不能保障获取设计煤种，并且煤质变化明显，锅炉燃烧设备不能稳定运转，锅炉喷燃器烧坏、水冷壁焦化、高温腐蚀和爆管等问题十分普遍。怎样通过设备改造适应常常改变的煤种，是当下急需研究的话题。

某SG-420/13.7-M415型锅炉因近些年燃用高质量烟煤，一般有燃烧器范围水冷壁焦化、一次风喷嘴烧坏、再热气温较低等现象。根据不同工况和煤种对该锅炉展开细致的摸底测试和锅炉热力计量，找到了问题形成的原因与严重程度，制定了喷燃器改造计划，设置了再热器受热面增多的总数，性能考核测试显示，改造获得了预期成效。

1 设备改造前的现状

该锅炉炉膛截面深×宽=884cm×960cm，宽深比是1.085，设备选择正四角切向燃烧分布，其喷嘴从上至下分布是三、二、二、一、二、一、一、二次风，制粉装置采取钢球磨中储式制粉结构。SG-420/13.7-M415型锅炉是专门给发热量很少的贫煤规划的，一次风燃烧器选择统一分布，锅炉燃烧切圆很大，炉膛喷燃器周围的截面热负荷很高[1]。近几年，由于燃用高质量烟煤，锅炉燃烧设备周边水冷壁焦化严重，每年出现1-2次烧一次风喷嘴问题，左右两边主汽温差达到15-20℃，当旁路烟道挡板闭合、无减温水条件下，再热汽温依旧偏低10-15℃，进入炉膛吹灰设备后汽温更小。

2 设备改造综合方案

2.1 主要目标

结合常见问题，选择对锅炉在大修前组织全面细致的摸底测试，为设备改造带来依据。按照测试结果分析以及当下燃用煤质，实施浓淡分离燃烧方式，重新规划了一、二、三次风燃烧设备。此次改造目标如下：①基本处理炉膛与燃烧设备喷口结渣、焦化，避免烧毁喷嘴与一次风管；②一次风不投与尽可能少投压力冷风，减小排烟温度，提升锅炉效率；③增强煤种适用性，令锅炉在特定煤种范围内可以正常燃烧；④提高锅炉低负荷燃烧可靠性，并在锅炉高负荷状态下基本不焦化、不结渣；⑤减少飞灰含碳量，提升锅炉运行效率。

2.2 燃烧器改造的技术方法

2.2.1 下层一次风燃烧设备改成浓淡分离燃烧设备。规划把下层一次风燃烧设备改成新的浓淡分离燃烧设备。煤粉浓相燃烧存在着火热低、着火温度小、火焰扩散迅速等特征；煤粉着火后补给稀相气体，令燃烧更彻底，NOx排放更少，而且还可以增强煤种适用性[2]。该方法已得到国内外电站锅炉的普遍使用。浓淡分离燃烧设备的规划既要考量锅炉在低负荷状态下的燃烧可靠性，也要兼顾锅炉于高负荷状态下不结渣、焦化，不损坏喷嘴。

2.2.2 重新优化规划中、上一次风燃烧设备结构。因为下层一次风喷嘴选择浓淡分离燃烧设备，具备良好的稳燃效果，而且煤种适用性与符合变动适应性很强，所以，规划中、上层一次风喷嘴时不用强调稳燃作用，着重考量一次风刚性和对炉膛结焦性及火焰充满度的干扰。

第一，重新规划一次风周界风。

因为SG-420/13.7-M415型锅炉规划时考虑燃用很难着火的贫煤，选择了下两层一次风统一分布，而电厂燃用煤种不管是发热量或者挥发分都超过规划煤种，主要表现为燃烧时着火温度小、着火间隔短、燃烧强烈以及燃烧迅速，燃烧时极易产生局域供氧不够现象。添加一些周界风既可以发挥出补充氧量的功能，还可以有效维护喷嘴，减小喷嘴温度，很难结焦[3]。此外，科学利用周界风还可以提高一次风气流刚性，有利于避免水冷壁焦化。改造方法：采取偏置周界风，增多下、中一次风喷嘴附近周界风，类似于在两层一次风当中含小二次风，有助于局域补充氧量，避免焦化。此外，把扩大全部一次风喷嘴背火侧周界风范围，缩减向火侧周界风范围，由此增强水冷壁周围的氧化性环境，避免高温腐蚀。

第二，变更一、二次风假想切圆直径占比。

直流锅炉燃烧设备假想切圆尺寸，直接关系火焰可靠性与煤粉燃尽度。事实上，气流切圆直径越大，火焰可靠性越好，煤粉于炉膛中的停留时间越长，有助于煤粉燃尽，可是煤粉气流与火焰越会冲击水冷壁，引起结渣与高温腐蚀[4]。确定二次风与一次风切圆尺寸并有效配合，是处理稳燃与结渣问题的关键因素。采取的措施为：二次风大切圆，一次风小切圆。主要方法是把2号、4号角一次风假想切圆直径从φ80cm改造成中φ40cm，1号、3号角一次风假想切圆直径由正切20cm改为反切20cm。三次风切圆保持原设计不变。采取大二次风切圆与小一次风切圆分布模式，不仅能保障炉膛中心燃料的相对高含量及高稳焰性能，还能使燃料旋转时持续补充氧量，可以混合和燃尽，也能避免燃烧器周围因煤粉扩散冲击水冷壁而出现高温腐蚀，实践显示有较好效果。

第三，把中、下二次风切圆正偏13°。

设备适应性改造前，燃烧器附近水冷壁存在高温腐蚀情况。炉中烟气物质研究显示，在后墙左边还原性气氛较强。所以，燃烧器改造时，基于原有条件对中、下二次风切圆正偏13°， 由此削弱燃烧器周围水冷壁部位的还原性环境。

对调三次风喷口与上二次风喷口，因三次风含粉量在15%～20%以内 ，将三次风喷嘴安装在喷燃器上方，令三次风内的细粉无充足的燃尽时间就已离开炉膛，增多了锅炉飞灰含碳量。对调上层二次风和三次风位置，能够减少飞灰含碳量，提高锅炉效率，还可以减少NOx排放。

3 设备改造具体情况

3.1 改造前摸底测试准备

为了了解该锅炉因近些年燃用高质量烟煤而出现事故的原因与受损程度，逐步掌握锅炉运转工况，大修前开展了多次系统的摸底测试，为设备改造带来依据，具体情况如下：

3.1.1 一次风汽温调节测试。燃用dh、fd1与fd2煤种时，于125MW负荷的测试条件下，不管是单投磨或者双磨，就算是一次风冷风门全开，三种煤种都有一次风喷嘴带火情况，且4号角

水冷壁周围存在暗色火焰；在100MW负荷状态下，三种煤种都有两个喷口有带火情况，且所用煤种热值越大，一次风喷口带火情况越严重。

3.1.2 炉膛汽温检测。燃用dh、fd1与fd2煤种时，燃烧设备范围炉膛汽温整体水平稳定，伴随所燃用煤种热值增大，炉膛汽温整体水平稍有提升。燃烧器周围炉膛汽温水平于投单磨时平均高于投双磨时的10℃，燃烧设备范围结渣现象基本类似，结渣位置基本聚集于1号、3号角的上一次风与三次风周围水冷壁。

3.1.3 旁路烟气挡板调节性质测试。旁路烟气挡板全闭时，低再测烟气速度会增大39%，烟气速度达到约13m/s，大大提升低再的磨损量。为考虑再热系统汽温的调节性与低再的磨损速度，要令烟气挡板在稳定条件下保持30%～50%开度，通过测试，再热器汽温会减小约10℃，要适当扩大低再受热范围，使之工质出口汽温提高10℃，将能够适应以上要求。通过热力估算，要扩大低再受热范围8%左右，即450m2。如此能够令低再出口烟气温度降低18℃左右，排烟温度减小1-2℃，和烟道挡板开启而引起的排烟温度上升相抵，优化后排烟温度基本一样。

3.1.4 烟道挡板调节。使用fd煤种时，炉膛出口汽温高于燃用dh煤种，所以对流段后的烟温也很高，进而主汽温度与再热器汽温在旁路烟道挡板全开状态下基本稳定。但使用dh煤种时，相同工况下汽温尤其是再热汽温略低一点[5]。

3.1.5 性质测试。烟道挡板测试显示：①负荷125MW，烟道挡板开度从0%变成100%，主汽温度减小3.5℃，再热器温度减小21℃，省煤器出口水气温增大7℃，排烟气温升高3.5℃；②烟道挡板开度处于0～50%范围内时，对汽温影响很大，开度超过50%之后对汽温影响较小。

3.1.6 负荷增减速度变化测试。该测试旨在考察负荷增减速度的快慢对主汽与再热汽气温的干扰，通过测试结果分析，在负荷增减速度是1MW/min、1.5MW/min、2MW/min、2.5MW/min与3MW/min的状态下，都没有产生超温情况。

3.2 摸底测试结论

①改造燃烧设备，关键是提高锅炉煤种适用性，提升锅炉经济性与安全性；②合理扩大再热器受热范围，由此增大再热汽温，如此既能提升汽机效率，还因为能适当开启旁路烟道挡板，减小主烟道气体流速，进而减少受热面磨损；③优化一、二次风速度与风量监测设备，令锅炉运转有监测措施，有助于调节锅炉燃烧；④优化锅炉装置，如复原一次风总风门、周界风选择电动风门、二次风支总风门的调节等；⑤当下乙磨煤机出力很小，2台磨煤机对燃烧的干扰也不同。有条件时要调节制粉结构，找到制粉结构最好运转工况。

3.3 设备改造安装

设备大修时改造了锅炉燃烧设备，留下中下排与下排二次风喷嘴，拆卸其余的一、二次风喷嘴。设置改造后的一、二次风喷嘴，针对下排一次风喷嘴采用浓淡分离设备，对换三次风喷嘴和上排二次风喷嘴，每层喷嘴从上到下是上二次风、三次风、中上二次风、上一次风、中下二次风、中一次风、浓淡隔离一次风与下二次风，以上淡下浓分布；喷嘴倾角都是0°；炉膛切圆调整：一、二次风切圆从原本的Φ80cm缩减成Φ40cm，小切圆从原本的正切Φ20cm改成反切Φ20cm。周界风门操控机构改为电动操控机构，方便调整，采取偏置周界风，增多下一次风喷嘴顶部周界风与中一次风喷嘴底部周界风。

此外，在低温再热设备出口段增设350m2受热蛇形管组，以便顺利调整汽温，增大再热汽温。而且能够适当开启旁路烟道挡板，减小主烟道气体流速，以防止受热面磨损。

4 改造后的运转状况

设备改造投用后，各运转指标基本稳定，相较于大修前变化很小，锅炉主汽温与再热汽温都较稳定，锅炉运行情况基本正常。设备改造后，一次风喷嘴烧坏情况已彻底消除，运行过程可以有效管理和调整着火点部位。一、三次风周界风门改成电动形式后，调节比较简便，对修改着火点起到了显著作用。改造之后1年多时间内，因电力用煤供给更为紧张，煤种变动越来越明显，通过改造后的设备能够通过调整周界风门和一次风压等手段，基本可以管理一次风喷嘴着火点稳定，不出现喷嘴带火，相较于电厂其他锅炉具备更好的煤种适用性[6]。此外，改造后设备各喷嘴与附近水冷壁很干净，结渣不多。燃烧设备改造后明显提升锅炉低负荷稳燃水平，能够在53MW负荷下正常运转。

大修后锅炉效率大大提升，委托第三方检测显示，锅炉效率提升了1.36%。

5 结束语

①锅炉燃烧设备改造后，当一次风压力冷风门全闭状态下，一次风喷口煤粉气流着火稳定，无明显带火情况，有效避免了喷嘴和一次风管好坏问题的出现。②锅炉炉中燃烧工况得到改善，燃烧设备范围与炉膛温度整体水平稳定。燃烧器周围无明显结渣、炉中水冷壁基本洁净，结渣不多。③改造后，燃烧设备附近水冷壁原本的还原性气氛明显削减，水冷壁高温腐蚀趋势大大减少。④设备改造后，主汽、再热汽温度与压力等运作指标都满足规划要求，锅炉出力也可以适应汽机需求，锅炉运转稳定。⑤锅炉效率大大提升，飞灰含碳量减少，固体没有彻底燃烧热损失q4削减，运行效率平均上升了1.36%。

简而言之，锅炉燃烧设备改造是成功的，实现了预期目标。