燃煤锅炉低氮燃烧稳定性试验研究
摘 要：针对某300 MW燃煤锅炉低氮燃烧改造后频繁出现锅炉灭火现象，开展了冷态动力场和燃烧调整试验研究。试验发现，锅炉配风不合理和一次风浓侧反切角偏大引起锅炉热态动力场旋转动量降低，是造成锅炉燃烧稳定性降低与炉内灭火的主要原因。重点针对锅炉配风方式和一次风浓侧反切角优化改进等进行研究，并分析了热态动力场旋转动量减小导致锅炉稳定性降低的影响机理，提出优化改进锅炉燃烧稳定性的设备改进和运行优化方案。方案实施改进后，锅炉燃烧稳定性明显提高，至今未发生锅炉灭火事故，研究对未来锅炉低氮燃烧改造与机组安全经济运行具有借鉴和指导作用。
关键词：燃煤锅炉;低氮燃烧;旋转动量;燃烧稳定性;灭火
0 引 言
低氮燃烧改造是直接减少燃煤锅炉NOx排放的重要技术。我国的能源分布结构特点决定了未来10～20 a煤炭消耗仍然占有主要地位。但煤炭燃烧过程中会释放大量污染物，包括SOx、NOx和微细粉尘。随着国家更为严格火电污染物排放标准的颁布，未来更加高效、清洁、安全的煤炭利用技术将是火电机组发展与技术改造的发展趋势。
目前，大型燃煤火电机组控制NOx低浓度排放的方法主要有低氮燃烧技术和尾部烟气脱硝技术。由于严格的NOx排放标准，燃煤火电厂均采用这2种方法联合脱除NOx以实现超低排放任务。卢红书[1]提出了对某台300 MW燃煤锅炉的燃烧器、一次风管道、二次风和空预器等系统较为具体的实施改造方案。朱利军[2]采用空气分级技术对某台直流燃煤锅炉进行了低氮燃烧改造，即增加3层三维可摆动的分离布置燃烬风以减少二次风喷口面积，实现炉内分级燃烧。黄俊杰[3]对某电厂300 MW燃煤锅炉进行了多维度深度分级燃烧改造，较好地实现了脱硝反应器入口烟气中NOx浓度低于300 mg/m3的排放标准。杨明等[4]分析了神华煤锅炉采用低氧与低氮结合的燃烧条件。朱磊[5]对某300 MW机组锅炉低氮改造后掉焦引起灭火事故进行了分析，发现由于改造后一次风浓侧反切角度过大，浓侧粉流和炉内主旋转气流融合较差，不利于稳定燃烧，主燃区过量空气系数应维持在0.8以上，过度缺氧燃烧不利于炉膛稳燃。池作和等[6]采用一次风微反切技术较好地解决了四角切圆燃烧锅炉稳燃和结渣的矛盾。陈刚等[7]研究了偏转二次风对炉内结渣的影响，并发现偏转二次风角度应该控制在15°之内。赵晴川[8]分析了同心切圆燃烧系统中偏转二次风对炉内动力场、结焦以及NOx排放的影响，并提出了相应的解决办法。
本文针对某台300 MW燃四角切圆燃煤锅炉低氮燃烧改造后频繁出现炉内灭火事故(运行3个月出现了6次灭火)，进行了试验研究。分析认为锅炉配风不合理和一次风浓侧反切角偏大是导致炉内燃烧稳定性差的主要原因，通过相应的优化改进，燃烧稳定性明显提高，杜绝了炉内灭火事故的发生。本研究对燃煤锅炉低氮改造后安全稳定运行积累了一定的工程经验。
1 锅炉低氮燃烧改造方案
为实现锅炉低氮燃烧稳定运行，对锅炉燃烧器和二次风进行了整体优化改进，采用一次风水平浓淡燃烧技术(水平浓淡燃烧器)、一次风水平分级技术(燃烧器一次风浓侧反切)、二次风垂直分级技术(主燃烧器区域二次风喷口面积缩小)，即燃烧器采用水平浓淡燃烧器，一次风淡侧和二次风的假想切圆直径相同(700 mm)，一次风浓侧和二次风反切12°，主燃烧器区域二次风喷口面积缩小约30%，增加4层分离型燃烬风，即SOFA(separated over fired air)，原燃烬风OFA1(over fired air)挡板封堵。锅炉燃烧器系统改造前后对比见表1，一次风浓侧反切原理结构如图1所示。
2 锅炉低氮改造冷态动力场试验
经调研锅炉低氮燃烧器系统实施情况，锅炉燃烧器、二次风喷口角度安装位置均符合要求。冷态动力场试验未发现异常，冷态时各层风速均在30 m/s左右，各层风速偏差保持在±5%内;各风门挡板特性良好，开关灵活，具有良好的调节性能，能满足热态运行需要;烟花示踪试验显示炉膛内的主气流旋转方向为逆时针方向，一次风切圆轨迹明显，燃烬风能与主气流充分混合，符合设计要求。
表1 锅炉燃烧器系统改造前后对比
Table 1 Comparison of boiler burner system before and after reform for a 300 MW coal-fired boiler
图1 锅炉燃烧器一次风结构原理
Fig.1 The structure principle of primary air from boiler burner
3 锅炉启动后配风原则及配风方式
锅炉低氮改造启动后，仍沿用原均等配风方式，燃烧器区域二次风挡板开度基本维持原开度运行;机组负荷195 MW时，辅助风与炉膛差压改造前后分别为0.6、0.8 kPa，改造后因主燃烧器区域二次风喷口面积缩小使得辅助风与炉膛差压在相同运行工况下提高了约0.2 kPa。
4 锅炉燃烧稳定性降低原因分析
4.1 锅炉四角切圆燃烧器稳燃机理分析
锅炉正常运行时，炉膛内热态动力场为逆时针旋转的高温烟气气流(图2)，即炉膛内由逆时针旋转向上的高温烟气气流来组织炉膛燃烧，实现煤粉燃烬。每只燃烧器实现稳定燃烧的热源主要有3种：① 燃烧器本身加装的稳燃钝体，实现局部烟气回流，卷吸高温烟气实现引燃;② 高速一次风射流的卷吸作用，卷吸高温烟气实现引燃;③ 来自逆时针旋转的上游燃烧器的高温烟气，高温卷吸到下游燃烧器火焰根部，实现煤粉引燃。而数值模拟和热态试验证明，来自上游的高温烟气卷吸是提供燃烧器着火热的主要热源，若此着火热源发生弱化或瞬间失去，将导致锅炉燃烧稳定性降低或灭火。根据四角切圆煤粉炉稳燃机理分析，入炉煤煤质在锅炉允许范围之内时，若要提高锅炉燃烧稳定性，必须确保锅炉逆时针旋转的热态动力场动量强劲，上游燃烧器能够为下游燃烧器提供稳定的着火热源。
图2 四角切圆燃烧锅炉稳燃机理
Fig.2 Combustion stability mechanism of coal-fired boiler with four corner tangentially burning
4.2 锅炉燃烧热态动力场旋转动量降低
4.2.1 锅炉燃烧器设计方面的原因
影响锅炉热态动力场旋转动量的因素分析。一次风浓侧动量Mn，一次风淡侧动量Md，主燃烧器区域二次风动量Mf，一次风淡侧动量和主燃烧器区域二次风动量方向相同，一次风浓侧动量与二次风动量反切角度α;根据锅炉燃烧器系统设计分析，一次风淡侧和主燃烧器区域二次风动量为锅炉主旋转动量。根据矢量计算原理，则总旋转动量M将低于[Mn+(Md+Mf)]算术和，即采用一次风浓侧反切技术后，总旋转动量降低;并且一次风浓侧动量越大、反切角度越大、二次风动量越小，总旋转动量将更小，导致锅炉热态逆时针旋转的气流速度变慢，上游燃烧器为下游燃烧器提供着火热的能力和抗干扰能力降低，表现为锅炉燃烧稳定性降低;若出现锅炉掉焦或辅机RB(runback)等异常扰动时，锅炉热态旋转火球将瞬间停止转动或发生紊乱，燃烧器将失去上游燃烧器的点火源，锅炉发生灭火事故。其中一次风和二次风动量计算公式如下
根据以上分析，由于本锅炉燃烧器采用水平浓淡燃烧器浓侧反切角度12°，导致锅炉热态旋转动量降低、燃烧稳定性降低。为验证本结论，利用停机机会，组织了专项诊断冷态动力场试验，即按模拟动量比组织正常动力场试验，根据“十字飘带”飘动情况，判定主切圆为逆时针旋转;逐步降低二次风量，主切圆旋转动量明显降低，当二次风量降低至初始二次风量的20%时，主切圆变为顺时针旋转，即冷态动力场切圆旋转方向发生了逆转，验证了一次风浓侧动量有降低锅炉热态动力场旋转动量的作用。
4.2.2 运行方式控制方面的原因
锅炉低氮改造后，因主燃烧器区域二次风喷口面积缩小了30%，但运行人员仍沿用原均等配风方式，机组负荷195 MW时，辅助风与炉膛差压较改造前提高了约0.2 kPa，表明主燃烧器区域进入炉膛的二次风量明显减少，进而使得锅炉热态动力场旋转动量降低，燃烧稳定性也进一步降低。
5 提高燃烧稳定性的改进措施
5.1 优化改进一次风浓侧反切角度
采用一次风浓侧反切低氮燃烧改造技术，一次风浓侧动量有抵消主旋转动量的作用;并且一次风浓侧反切角度越大，总旋转动量降低越多，锅炉燃烧稳定性影响更大,因此将一次风浓侧反切角度由12°改进为5°;利用机组检修机会，将燃烧器水平浓淡的反切钝体更换，将一次风浓侧反切角度由12°改进为5°。
5.2 优化调整磨煤机分离器挡板
为优化改进煤粉均匀性指数，强化锅炉燃烧，将磨煤机分离器下挡板开度由42°调整至38°;磨煤机启动后取样化验，磨煤机煤粉均匀性指数由1.05提高至1.12，磨煤机出力基本未变，煤粉细度R90(未通过90 μm筛上煤粉质量占试样质量的百分数)为7%左右，表明基本达到了优化调整目的。
5.3 二次风挡板检查及风门特性试验
二次风挡板动作一致性和风门特性是影响炉膛燃烧的重要因素。利用机组检修机会对所有二次风挡板进行了彻底检查和修复，确保了二次风挡板DCS开度与就地挡板实际开度对应;经锅炉启动前进行的冷态动力场试验验证，二次风挡板调节特性良好。
5.4 一次风热态调平
四角切圆燃烧锅炉同层一次风风速的均匀性也是影响炉膛燃烧稳定性和炉膛偏烧的重要因素，虽然已进行了一次风冷态调平工作，但考虑到一次风热态时风粉阻力特性发生较大变化，可能使同层一次风风速偏差超过5%，从而影响锅炉燃烧。为消除此因素的不利影响，锅炉启动后进行了热态一次风调平，试验发现热态情况下同层一次风风速偏差基本超过了10%，其中偏差最大的在40%以上，通过试验将所有同层一次风风速偏差绝对值均调整至5%以下。
5.5 锅炉配风方式优化
为增加燃烧器区域二次风动量，提高锅炉燃烧稳定性，提出优化配风方式方案(表2)，即保持锅炉主燃烧器区域上、中、下至少3层主二次风挡板开度维持70%及以上，其他二次风挡板开度维持40%，以确保NOx排放的基础上提高热态旋转动量和锅炉燃烧稳定性;SOFA风挡板以从上层到下层控制为原则，且SOFA风挡板开度最低控制在40%以上，以增加SOFA风补风覆盖率和动量。
表2 锅炉优化配风方式
Table 2 Optimization of boiler air distribution
注：A、B、C是区分锅炉本体设置的各层二次风、一次风、燃烬风和周界风喷口。
6 锅炉低氮燃烧系统改进后运行情况
改造后，锅炉燃烧稳定性明显提高，锅炉运行氧含量波动幅度降低，NOx更易于控制并稍优于原控制水平，飞灰可燃物降低了约0.5%。自本锅炉低氮燃烧系统改进后，未出现锅炉灭火事故，锅炉灭火综合治理工作取得了成功。
6.1 锅炉燃烧稳定性变化
锅炉燃烧稳定性明显改善，具体体现在炉膛负压和运行氧含量波动幅度明显降低;即在同样大小渣块掉落的情况下，炉膛负压修前波动值达到300 Pa以上,且底层燃烧器火检频闪，而修后锅炉负压基本无明显波动。
6.2 锅炉结渣特性变化
修后锅炉结渣特性无明显变化，仍可在除渣输送带发现个别体积稍大渣块，但未出现过锅炉燃烧器火检闪动情况。
6.3 锅炉燃烧经济特性变化
因主燃烧器区域形成了较为良好的热态动力场，热态旋转火球后期扰动强烈、风粉混合均匀，煤粉燃烧更加充分;根据修前、修后飞灰可燃物化验结果分析，飞灰可燃物平均降低了约0.5%。
6.4 锅炉NOx排放特性变化
锅炉炉膛出口NOx指标水平未发生明显变化，但因炉膛燃烧稳定性明显提高，炉膛具有了低氧运行的条件，为降低主燃烧器区域过量空气系数提供了条件，从而为降低NOx的生成提供了调整空间。
7 结 语
从四角切圆燃烧器稳燃机理研究入手，分析了配风方式及配风量对某300 MW燃烟煤四角切圆锅炉低氮燃烧改造后稳定燃烧的影响，说明配风不合理是导致锅炉频繁灭火的主要原因，对相应设备及运行工况进行了改进和调整，有效提高了设备运行的稳定性。
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Low nitrogen combustion stability of coal-fired boiler
Abstract:The extinguishment was frequently occurred in a 300 MW coal-fired boiler with low nitrogen combustion reformation.Testing investigation was performed to analyze the reasons.It was found that unreasonable air distribution and the larger reverse tangent angle of primary air decreased the rotation momentum of thermal primary air.It also was the main reason for combustion stability decrease and extinguishment in boiler.Therefore,the research on optimization of air distribution mode and reverse tangential angle were carried out to analyze the influence mechanism of decreasing rotation momentum thermal dynamic field on combustion stability.The operation optimization and improvement scheme was proposed for enhancing the combustion stability for boiler.The boiler combustion stability was improved obviously through the operation optimization and improvement scheme. The research results could provide some reference and guidance for operating economically and low nitrogen combustion reformation.
Key words:coal-fired boiler;low nitrogen combustion;rotation momentum;combustion stability;extinguishment
中图分类号：TM621.2
文献标志码：A
文章编号：1006-6772(2016)05-0123-04
收稿日期：2016-02-04;责任编辑孙淑君
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.2016.05.024
引用格式：王承亮,谭厚章.燃煤锅炉低氮燃烧稳定性试验研究[J].洁净煤技术，2016，22(5)：123-126,129.
WANG Chengliang,TAN Houzhang.Low nitrogen combustion stability of coal-fired boiler[J].Clean Coal Technology，2016，22(5)：123-126,129.
