謝建斌

（國能（泉州）熱電有限公司，泉州 362804）

為滿足國家節(jié)能減排、超低排放要求，國能（泉州）熱電有限公司（以下簡稱公司）在2015 年底對#3 鍋爐進行低氮改造，效果明顯。但是，采用分級燃燒原理改造后的鍋爐出現(xiàn)了水冷壁高溫腐蝕、鍋爐受熱面易結(jié)焦以及飛灰底渣含碳量高等問題。針對出現(xiàn)的問題，從低氮改造的結(jié)構(gòu)原理出發(fā)進行分析探討，結(jié)合運行實際，采取有效的應(yīng)對措施，避免損壞鍋爐設(shè)備，提高鍋爐運行的經(jīng)濟性。

1 設(shè)備及原理概況

1.1 設(shè)備介紹

公司二期#3、#4 鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)，為超臨界參數(shù)直流式、變壓運行、前后墻對沖燃燒、一次再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、露天全鋼構(gòu)架布置、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)π型鍋爐。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，等離子裝置點火，前后墻各布置3 層低NOx軸向旋流燃燒器（LNASB），每層各有5 只，對應(yīng)1 臺制粉系統(tǒng)，共30 只燃燒器、6 臺制粉系統(tǒng)。在最上層煤粉燃燒器上方，前后及左右側(cè)墻各布置1 層燃盡風(fēng)口。燃盡風(fēng)口具有一定的旋流強度，其中前后墻各布置5 只，左右墻各布置3 只，共16 只燃盡風(fēng)口，主要用來補充燃燒后期所需的空氣，同時實現(xiàn)分級燃燒，降低爐內(nèi)平均溫度，并減少NOx的生成。

1.2 煤粉燃燒過程

煤粉的燃燒過程可分為4 個階段，分別為預(yù)熱干燥階段、揮發(fā)分析出著火階段、燃燒階段以及燃盡階段[1]。

預(yù)熱干燥階段主要是蒸發(fā)出煤中水分。這個階段燃料不但不能發(fā)熱，而且要大量吸收爐膛煙氣中的熱量。揮發(fā)分析出著火階段主要是煤中所含的高分子碳氫化合物吸熱進行熱分解，分解出一種混合可燃氣體，即揮發(fā)分。揮發(fā)分一經(jīng)析出，便立即著火。燃燒階段包括揮發(fā)分和焦炭的燃燒。揮發(fā)分燃燒放出大量熱，為焦炭燃燒提供溫度條件。焦炭燃燒需要大量氧氣，以滿足燃燒的需要，從而放出大量熱，使溫度急劇上升，以保證燃料燃燒反應(yīng)所需的溫度條件。燃盡階段主要是殘余的焦炭最后燃盡成為灰渣。因為殘余的焦炭常被灰分和煙氣包圍，空氣很難與之接觸，故燃盡階段的燃燒反應(yīng)十分緩慢，易造成不完全燃燒損失。

2 原因分析

對比改造前后，#3 鍋爐結(jié)構(gòu)變化主要有以下兩點：一是將原來的低NOx軸向旋流燃燒器（LNSB）更換為HBS-LNSB Ⅲ燃燒器，即升級了燃燒器，如圖1所示；二是對燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)系統(tǒng)進行了改造，使得燃盡風(fēng)箱和風(fēng)道明顯加大。

圖1 HBS-LNSB Ⅲ燃燒器圖

與同工況下未進行低氮改造的#4 爐對比，#3 爐改造取得了一定效果，其選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR） 入口NOx降低了100 mg·Nm-3以上。表1 為運行中2 個月的對比數(shù)據(jù)，其中使用的均為國燃和印尼煤混燒。

表1 ＃3、#4 爐NOx 對比表

從NOx生成機理和鍋爐運行實際可知，為減少NOx的生成，爐內(nèi)不能同時形成“三高”（高溫、高氧、高煤粉濃度）環(huán)境。因此，目前鍋爐的低氮改造技術(shù)主要是使煤粉在燃燒階段（即高煤粉濃度、高溫區(qū)域，主要在燃燒器區(qū)域）提供較低的過量空氣系數(shù)，缺氧燃燒，形成還原性氛圍，在燃盡階段（即煤粉已部分燃燒、煙溫相對較低的區(qū)域）補充所需的氧量，實現(xiàn)分級燃燒，降低NOx的產(chǎn)生。對于對沖燃燒鍋爐，主燃區(qū)二次風(fēng)配風(fēng)少，旋流強度減弱，煤粉在主燃區(qū)域停留時間短，可進一步強化分級效果。運行一段時間后，鍋爐陸續(xù)出現(xiàn)了一些問題。

2.1 鍋爐受熱面結(jié)焦

鍋爐結(jié)焦與煤種的灰分性質(zhì)、燃燒周圍介質(zhì)的成分、運行的操作調(diào)整、爐膛容積熱負荷大小以及吹灰、除焦及時性有關(guān)。

進行#3 鍋爐水冷壁和屏過吹灰時，經(jīng)常出現(xiàn)掉大焦塊的現(xiàn)象。從紋路看，水冷壁區(qū)域結(jié)焦居多，嚴重時造成撈渣機過載跳閘，甚至大焦塊積在鍋爐底部的冷灰斗上。結(jié)焦的原因主要有以下3 個。一是分級燃燒減少煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒階段的氧量，導(dǎo)致爐內(nèi)局部出現(xiàn)還原性氛圍，產(chǎn)生CH4、CO、H2等還原性氣體，使灰熔點降低約200 ℃，增加了爐膛結(jié)焦的概率，甚至造成冷渣斗都有結(jié)焦的現(xiàn)象；二是在爐內(nèi)還原性氣氛中，受煤種含鐵的影響，F(xiàn)e2O3被還原成FeO，灰熔點隨之下降，黏附力增加，且FeO 易與灰渣中的堿性氧化物SiO2形成熔點很低的2FeO·SiO2（2FeO·SiO2的灰熔點低于1 100 ℃，明顯低于鍋爐爐膛出口設(shè)計溫度1 200 ℃）；三是由于上部燃盡風(fēng)增加，相對進入下部燃燒器的二次進風(fēng)減少，使風(fēng)的旋流強度和剛性均減弱，導(dǎo)致燃燒區(qū)域無規(guī)則擴大，燃燒變得紊亂，存在火焰貼邊刷墻現(xiàn)象，在高負荷時易出現(xiàn)水冷壁結(jié)焦。

水冷壁結(jié)焦嚴重，爐膛吸熱減少，分級燃燒造成火焰中心拉長，爐膛出口煙溫升高，加劇高溫受熱面結(jié)焦，主要結(jié)焦區(qū)域為屏式過熱器。停爐時，對該受熱面檢查均有不同程度掛焦，嚴重時甚至造成屏式過熱器嚴重結(jié)焦，堵塞煙道，增大阻力。大焦塊脫落時容易引起爐膛負壓波動，嚴重時會導(dǎo)致鍋爐滅火。此外，由于整個燃燒過程拉長，煤粉在爐內(nèi)停留時間變短，高負荷運行時會造成過熱器、再熱器超溫。減溫水量不足，爐內(nèi)吸熱相對下降，爐膛出口煙溫升高，水平煙道受熱面換熱增強，導(dǎo)致主熱器、再熱器溫度升高，減溫水量明顯加大。過熱器和再熱器管壁溫度超溫，且排煙溫度升高，降低了鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性。

2.2 水冷壁高溫腐蝕

鍋爐高溫腐蝕是指鍋爐金屬管壁與爐內(nèi)介質(zhì)在高溫環(huán)境下發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的化學(xué)反應(yīng)，使金屬管壁性能退化的過程。爐內(nèi)介質(zhì)指的是受熱面積灰靠近管壁層含有較多的堿性金屬，加上煙氣飛灰中的鐵和鋁等成分，與煙氣中通過外灰層松散孔隙擴散進來的氧化硫長時間的化學(xué)作用生成堿金屬的硫酸鹽等復(fù)合物。處于熔化或半熔化狀態(tài)的堿金屬硫酸鹽復(fù)合會與鍋爐受熱面的合金鋼發(fā)生強烈的氧化反應(yīng)，使壁厚腐蝕變薄，應(yīng)力增大，以致引起管子產(chǎn)生蠕變，使管壁變得更薄，最終導(dǎo)致管道受損而發(fā)生爆管。

高溫腐蝕主要發(fā)生在水冷壁區(qū)域。由水冷壁積灰結(jié)焦引起的高溫腐蝕主要有硫酸鹽型和硫化物型兩種。此外，爐內(nèi)SO3、H2S 和HCl 氣體會對水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕。硫酸鹽型腐蝕主要有兩種途徑：一種是灰渣層中的堿金屬硫酸鹽與SO3共同作用產(chǎn)生腐蝕；另一種是堿金屬焦硫酸熔鹽腐蝕。當(dāng)管壁附近呈現(xiàn)還原性氣氛和有H2S 存在時，會產(chǎn)生硫化物型腐蝕。

進行低氮改造后的超臨界對沖燃燒直流爐容易發(fā)生水冷壁高溫腐蝕。#3 鍋爐出現(xiàn)過水冷壁嚴重高溫腐蝕造成泄漏的問題，停爐檢查發(fā)現(xiàn)，左右側(cè)墻存在大面積腐蝕現(xiàn)象，腐蝕區(qū)域集中在水冷壁燃燒器中上部區(qū)域，主要由還原性氣氛和高硫煤摻燒引起。

2.3 飛灰、底渣含碳量升高

燃用同種煤種，對比#3、#4 爐，#3 爐飛灰底渣含碳量偏高，底渣肉眼看已偏黑。因主燃區(qū)二次配風(fēng)少，旋流強度減弱，煤粉與空氣混合效果差，煤粉在爐內(nèi)停留時間短（在爐內(nèi)以空間換取時間效果差），燃燒不完全。下部爐膛的進風(fēng)量減少，使二次風(fēng)的托扶能力減弱，排渣量增加，排渣含碳量升高，尤其是在高負荷時。在燃盡階段，殘余的焦炭常被灰分和煙氣包圍，旋流擾動減弱，空氣很難與之接觸。在高負荷時，大量煤粉的燃燒時間拉長，未完全燃燒的煤粉被帶入煙道，造成飛灰含碳量增加。

通過改造運行發(fā)現(xiàn)存在矛盾，即為了降低NOx的生成要降低鍋爐燃燒器區(qū)域的氧量，而為了避免結(jié)焦和高溫腐蝕又不能形成還原性氣氛。為了兼顧兩面，需綜合考慮調(diào)整燃燒和提升技改。

3 防范措施

3.1 提高氧量

爐膛氧量是鍋爐運行過程中的一個重要監(jiān)測參數(shù)。氧量變化是鍋爐燃燒發(fā)生變化的重要體現(xiàn)。從鍋爐氧量的變化判斷鍋爐產(chǎn)汽量，進而判斷引起的機組負荷變化[2]。氧量過大和過小各有利弊。當(dāng)爐內(nèi)氧量過大時，輸入爐內(nèi)空氣增多，煤粉燃燒完全，減小了不完全燃燒損失，但爐膛溫度下降，水冷壁吸熱變少，煙氣量增加，增加了送、引風(fēng)耗能，廠用電率增加，且氮氧化物增加，耗氨增加；當(dāng)爐內(nèi)氧量過小時，煤粉在爐內(nèi)與二次風(fēng)混合減弱，并且由于缺氧燃燒不完全，飛灰含碳量增加，未完全燃燒的煤粉進入尾部煙道可能會造成再燃燒，威脅鍋爐的安全運行[3]。因此，鍋爐運行中要保持鍋爐燃燒合理的氧量，通過運行調(diào)整和試驗，確定合理的過量空氣系數(shù)，保證鍋爐安全運行，同時提高鍋爐燃燒換熱效率。此外，根據(jù)集團和行業(yè)技術(shù)監(jiān)督對低氮改造鍋爐的要求，空預(yù)器入口氧量任何時候都不低于3%，以避免過低氧量運行引起鍋爐爆管停運。

3.2 配風(fēng)調(diào)整

不能只為了降低NOx，減少噴氨量和氨逃逸及防止空預(yù)器堵塞而長期保持燃盡風(fēng)大開度運行。實際運行中，需要根據(jù)煤種、負荷工況及時關(guān)小燃盡風(fēng)（開度最低20%），開大主燃區(qū)的二次風(fēng)，同時根據(jù)實際工況，采用均等、束腰、鼓腰、正塔、倒塔等配風(fēng)方式形成配風(fēng)卡[4]。目前，#3 爐SCR 入口NOx控制在350 mg·Nm-3左右，燃盡風(fēng)基本要關(guān)小運行。

集團運行優(yōu)化導(dǎo)則要求：在保證鍋爐受熱面（主要指水冷壁）不產(chǎn)生異常高溫腐蝕、嚴重結(jié)焦、燃燒器燒損的前提下，綜合考慮灰渣含碳量、氮氧化物產(chǎn)生量、過再熱減溫水量、主再熱器溫度、排煙溫度等參數(shù)的控制。就生產(chǎn)實際看，鍋爐發(fā)生水冷壁高溫腐蝕爆管和嚴重結(jié)焦，必須停爐處理，且處理時間長，造成非停。空預(yù)器堵塞問題可采取在線清洗，無須停爐。現(xiàn)在#3、#4 爐SCR 均進行噴氨優(yōu)化改造，大大減少了先前的氨逃逸現(xiàn)象。

3.3 配煤管理

進行低氮改造的鍋爐，需減少高硫煤的摻燒（公司目前主要指印尼高熱煤），特別是高負荷和環(huán)境溫度低時。由于高負荷、高溫、低氧條件下，燃用高硫煤容易發(fā)生水冷壁高溫腐蝕。#3 爐水冷壁增加貼壁風(fēng)，但仍要關(guān)注預(yù)防效果及是否存在死區(qū)。環(huán)境溫度低時燃用高硫煤，空預(yù)器容易發(fā)生低溫腐蝕，同時易生成硫酸氫銨造成空預(yù)器冷端堵塞[5]。因此，在配煤時#3 爐可減少高硫煤摻燒比例，合理安排煤種采購。

3.4 燃燒器檢查和動力場試驗

利用停爐檢查燃燒器存在的燒損壞現(xiàn)象，待修復(fù)后進行空氣動力場試驗，從而判斷氣流是否沖刷墻壁。若存在，爐膛容易結(jié)焦或產(chǎn)生高溫腐蝕。氣流在爐膛斷面上應(yīng)分布均勻，若存在偏斜，則會造成偏斜一側(cè)的溫度過高。氣溫產(chǎn)生偏差，受熱面超溫，會發(fā)生結(jié)焦等不正常情況[6]。

4 結(jié)語

通過鍋爐低氮改造的分析和探討，了解他廠同類型鍋爐改造后的運行情況，發(fā)現(xiàn)超臨界對沖燃燒鍋爐低氮改造后都會遇到這樣的共性問題。此外，每個電廠結(jié)合鍋爐燃燒的實際特性，通過技術(shù)改造、燃燒調(diào)整等手段，既能兼顧NOx排放要求，又能較好地解決鍋爐結(jié)焦和高溫腐蝕問題，進一步提高鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性。采取上述措施后，目前#3 鍋爐基本能保持長周期穩(wěn)定運行，可為保電保供提供強有力的支撐。