锅炉低氮燃烧改造与高温腐蚀控制分析

贾宏禄

(江苏利港电力有限公司，江苏 江阴 2 14444)

锅炉低氮燃烧改造与高温腐蚀控制分析

贾宏禄

(江苏利港电力有限公司，江苏 江阴 2 14444)

为满足国家最新氮氧化物排放要求，利港电厂1台370 MW机组前墙旋流燃烧器锅炉采用美国ABT公司技术进行了燃烧器低氮改造。针对其他锅炉低氮改造后的锅炉高温腐蚀情况，此燃烧系统改造设计增加了防止锅炉高温腐蚀内容。燃烧器低氮改造后氮氧化物排放的浓度有较大幅度的下降，降幅55.8%，改造后锅炉灰、渣可燃物含量和锅炉减温水有一定的增幅。增加的贴壁风也在一定程度和范围内起到防止高温腐蚀作用。燃烧系统改造配合增加SCR脱硝系统后锅炉的氮氧化物排放浓度已经达到了国家最新环保要求。锅炉防高温腐蚀的改造可为同类型锅炉的改造和优化提供参考。

高温腐蚀;贴壁风;NOx;氧量;燃烧

0 引言

利港电厂之前改造的3台墙式燃烧锅炉分别由两家公司进行，改造的主要内容是更换新的燃烧器和增加燃烬风，控制主燃烧区域的过量空气系数和还原性气体使已经生成的氮氧化物进行还原反应，降低锅炉氮氧化物排放量。没有考虑改造后炉膛增加的大量还原性气体带来的高温腐蚀问题，本次4号锅炉的低氮燃烧改造方案增加了防锅炉高温腐蚀的设计。在不改变总体分级配风的大原则下，设法在炉膛火焰的冲刷区域水冷壁表面补充少量的空气，在降低氮氧化物排放浓度的同时，控制降低炉膛水冷壁表面还原性气体含量，减少高温腐蚀概率。测量和试验证明，改造在防止高温腐蚀方面取得了一定的效果。

1 改造前燃烧设备情况及高温腐蚀原因分析

1.1 锅炉及燃烧器的结构特点

4号炉是武汉锅炉厂制造的型号为WGZ1246/18.15-1的亚临界汽包炉，一次中间再热、旋流燃烧器前墙布置、烟气挡板调再热汽温、固态排渣形式。24只燃烧器分成四层布置在炉膛前墙的风箱内，四层燃烧器由上向下依次对应ABCD磨煤机。LNASB双调风轴向调节旋流燃烧器的内外二次风风量和旋流强度均可在运行中调整。二次风箱分成四层，同一层的6只燃烧器共用一个二次风箱，并通过两侧进口的层二次风量挡板来调节本层燃烧器的二次风量。

1.2 改造前氮氧化物排放状况

4号炉1998年投产后氮氧化物排放水平较高，满负荷一般在600～700 mg/Nm3之间，有时超过800 mg/Nm3。由表1的改造前基准试验数据可以看出，四磨运行工况下氮氧化物排放浓度最高，燃烧器集中运行方式 (ABCD，ABC和BCD磨方式)下氮氧化物排放浓度比燃烧器隔层运行方式 (ABD和ACD磨方式)高。

1.3 锅炉改造前存在的问题或重点关注的问题

4号锅炉投产后一直存在的一个主要问题是燃烧器的着火性能不好，目测发现多数燃烧器在距一次风喷口0.9～1 m处气流才达到着火温度［1］。为稳定燃烧、降低锅炉减温水，运行中被迫采用增加燃烧器二次风的方法解决，层二次风箱的风压提高幅度高达数百Pa，这不但造成了锅炉过量空气系数偏大，排烟损失增加，也增大了减温水量。虽然锅炉减温水取自高加进口的“冷水”水源，但减温水量过大或不够用造成机组降负荷或频繁增加炉膛吹灰的事件仍经常发生。

表1 改造前基准试验测试及运行数据汇总

1.4 高温腐蚀原因分析

利港电厂1，2炉燃烧器低氮燃烧改造几年后就发生了炉膛水冷壁较严重的高温腐蚀，发生区域在炉膛后墙对应燃烧器标高区域和侧墙靠后墙区域的水冷壁向火侧［1］，在6～7年后就进行了大面积的水冷壁换管。通过对已改造过的3台前墙燃烧锅炉的后墙水冷壁表面烟气测量后发现所有测量位置的CO浓度均超过仪器5万μL/L的最大量程［2～4］。有研究表明，烟气中CO浓度越大，高温腐蚀就越严重;H2S的浓度大于0.01%时就会对金属管壁产生强烈的腐蚀，而且H2S产生速率受还原性气氛 (CO)的影响很大，还原性越强，产生H2S的速率越大。因为亚临界锅炉水冷壁壁内汽水温度约350℃左右，水冷壁外表面温度约在420℃左右，当管壁外表面氧量偏低、有还原性气体并出现H2S时，就可能发生硫化物腐蚀［5，6］。

锅炉低氮燃烧改造的一个重要内容就是增加燃烬风，实现多级配风燃烧［6］，形成主燃烧区域欠氧，提高氮氧化物的还原反应，以达到降低锅炉氮氧化物排放浓度的目的。这样必然使纯前墙燃烧锅炉主燃烧区域的后墙和侧墙后部水冷壁表面存在大量的CO和H2S。分析燃烧器改造后高温腐蚀的主要原因:(1)前几年电煤煤质变差，含硫量增大幅度较多;(2)一次风速高造成的煤粉火焰气流冲刷水冷壁;(3)燃烧器低氮改造后燃烧器区域水冷壁面表面还原性气体含量高。

2 燃烧系统改造的实施和运行机理

2.1 燃烧系统实际改造情况

2.1.1 增加燃烬风

如图1所示，在前墙A层燃烧器的上方增加了6只OFA(燃烬风)喷口，不但每只OFA喷口流量电动可调，两侧入口风道还有两只气动调节挡板可调。后墙对应位置 (略低)也增加了6只OFA喷口和2只侧冀风喷口，其两侧入口风道有两只气动调节挡板。

图1 燃烧系统改造示意图

2.1.2 设置防高温腐蚀空气

(1)利用后墙6个燃烬风喷口和两只侧冀风喷口喷入的少量空气，向该位置以上区域的后墙和侧后墙表面补氧，以降低还原性气体浓度。

(2)在后墙D层燃烧器高度靠近侧墙各开一个矩形喷口作为边界风，主要是向燃烧器位置区域的侧后墙区域补充空气。

(3)在后墙略低于B层和C层燃烧器高度位置的水冷壁鳍片上开孔，喷入有一定角度的空气作为贴壁风，这二层贴壁风的主要作用是向后墙水冷壁表面补充空气。

2.1.3 燃烧器部分

改造时保留了燃烧器原二次风箱，同一层的6只燃烧器仍共用一个二次风箱，并通过两侧进口的层二次风量挡板来调节本层燃烧器的二次风量。燃烧器更换为Opti-FlowTM低氮燃烧器。在磨煤机出口一次风管上增加平衡阀调节各粉管间一次风的均衡。

2.2 燃烧系统改造后的设计运行机理

改造后的系统可以控制各燃烧器之间及燃烧器内部煤粉的不均匀性，强化燃烧，使挥发分着火提前，保证其在二次风混入前着火、燃烧，就是让挥发分在还原性气氛 (过量空气系数约为0.6～0.7)中着火、燃烧，将煤粉中氮元素转化为氮气。通过二次风调风器来控制二次风和一次风的混合点，保证燃烧器区空气和煤粉火焰进行充分混合，保证煤粉燃烧的稳定和完全燃烬。增加OFA系统并适度投入OFA，可以实现充分燃烧和进一步提高NOx的还原率，减少氮氧化物的生成和排放。向后墙和侧墙后部水冷壁表面补充空气，降低还原性气体浓度，控制高温腐蚀。

3 燃烧系统改造后锅炉高温腐蚀控制分析

3.1 燃烧改造后水冷壁表面还原性气体分布规律及调整情况

(1)改造后在前墙和侧墙前部测量水冷壁表面烟气中CO只有几十，可以认为不存在高温腐蚀的可能。

(2)表2是4号炉改造后下部边界风全开，贴壁风50%开度下炉膛后墙水冷壁表面还原性气体分布状况。

表2 4号炉改造后炉膛后墙还原性气体分布 μL·L－1

(3)实测4号炉改造前炉膛后墙水冷壁表面烟气的CO在500～600 μL/L之间，虽然燃烧器改造时增加了防高温腐蚀设施，但改造后炉膛水冷壁表面CO仍有很大幅度的升高。尤其是D层燃烧器对应的后墙没有贴壁风的位置，CO浓度基本都超过仪器5万μL/L的最大量程。而烟气中H2S浓度也已经达到200 μL/L(0.02%)左右。

(4)由表4可以看出，后墙增加贴壁风后对于降低水冷壁表面还原性气体是有明显的作用，尤其是增加贴壁风的位置［4，6］。

(5)由表4可以看出炉膛后墙水冷壁表面还原性气体分布两侧高、中间低。分析认为是贴壁风小风箱从两端进风方式造成了沿炉膛宽度的风压分布是两侧低、中间高，且在设计水冷壁鳍片开缝时考虑不足，造成后墙靠两侧的贴壁风量比中间小、还原性气体浓度高。因为炉膛后墙D层燃烧器区域没有设置贴壁风，CO和H2S浓度含量都很高，所以该区域高温腐蚀的概率高。

(6)分析5种燃烧器组合在高负荷下后墙水冷壁表面烟气的CO含量分布规律，ABD磨运行工况下分布最均匀，CO和H2S的平均浓度含量较小。而四磨运行方式较差，所以无论从机组经济性还是从降低NOX排放方面，或从防止高温腐蚀的角度应尽量避免该方式运行。BCD磨组合是除四磨运行方式外最差的一个工况。

(7)降低负荷使炉膛水冷壁表面还原性气体有一定幅度的下降，但并不显著，270 MW负荷及两磨运行的低负荷工况下水冷壁表面还原性气体也常出现超量程现象。

(8)通过试验发现一次风量 (风速)对炉膛还原性气体的影响较明显，降低一次风速后CO和H2S有相对较明显的降低，只是不同区域的幅度不同。

(9)后墙下部边界风主要作用是保护二侧墙以防止高温腐蚀，但通过试验证明其作用有限，主要原因可能是喷口小，覆盖范围不大所致。

3.2 还原性气体分布状况分析

(1)除了燃烧系统改造在炉膛内形成大量还原性气氛造成了水冷壁表面的CO和H2S还原性气体浓度高，磨出口一次风管粉量偏差较大，个别燃烧器燃烧不好，也是造成炉膛局部区域还原性气体成分高的原因之一。试验发现A磨的A1粉管最大粉量偏差为+34.61%;B磨的B2和B5粉管最大粉量偏差为+18.34%和－30.12%。

(2)因风道布置原因，一次风流量测量装置线性较差，显示风量较实际风量明显偏小，就很容易造成运行中控制的一次风量偏大。热态下测量发现4台磨煤机的实测风量分别为表盘风量的1.2～1.35倍，平均一次风速在29 m/s。一次风速偏高直接造成煤粉火焰气流直接冲刷后墙，不但造成水冷壁的腐蚀，严重时还会造成后墙结渣。

(3)通过试验发现贴壁风量挡板从正常的50%开度到全开时，对应炉膛后墙的CO和H2S变化也不明显，说明贴壁风挡板线特性较差，这也是水冷壁表面的还原性气体含量高的原因之一。

3.3 调整策略

(1)根据烟气网格法测量结果以及煤粉管浓度偏差情况，对每一只燃烧器进行配风调整，可以控制局部区域不因为燃烧和配风不均匀出现大量CO。

(2)控制总风量、氧量时注意兼顾氮氧化物排放和CO，控制好燃烬风比率。在控制NOX排放浓度的前提下，烬量降低燃烬风的用量，以确保参与燃烧所需氧量。做到燃烧安全性、环保排放和锅炉经济性三者的平衡。

(3)因为磨出口煤粉量偏差很难通过平衡阀调整，所以根据磨出口粉管粉量偏差对单个燃烧器二次风进行配风调整来优化个别燃烧器的燃烧，降低局部区域出现大量还原性气体的可能是细化燃烧的必要选择。

(4)根据冷、热态一次风量标定情况修改控制系统中磨煤机风量系数，运行中控制相对较低的一次风压和风速，避免火焰冲刷后墙［7］。

(5)根据机组和磨煤机等实际情况选择合适的磨煤机组合方式。

4 低氮改造效果及运行情况分析

4.1 低氮改造效果

对比表1和表3可以看出，改造后氮氧化物排放的浓度下降了55.81%，平均值达到了350.5 mg/Nm3，锅炉减温水率升高了13.3%，锅炉灰、渣可燃物含量分别升高了25.19%和79.17%，炉效下降了1.08个百分点。

表3 改造后验收试验测试及运行数据汇总

4.2 改造后运行工况分析

(1)热态测量燃烧器着火点和改造前相比明显提前，大多数燃烧器着火点在距离出口 (以炉墙为界)100 mm以内。

(2)经过对比试验发现在其他参数不变情况下，调整燃烧器旋流强度对锅炉NOX排放浓度基本没有影响，但对灰、渣可燃物影响很大。在上三层燃烧器运行工况下，试验将外调风器从最大旋流开度每次减小10 mm的开度，调整二次的试验结果是:灰、渣加权平均含碳量从3.33%分别增加到3.54%和6.56%，但实测的NOX和CO排放浓度基本没有改变。

(3)控制好锅炉OFA比率 (占总风量)不但对降低NOX和还原性气体浓度非常重要［8］，对于防止金属超温、降低减温水率和提高燃烧效率同样有直接影响。不同燃烧器组合方式下的最佳配风比率不同，根据试验工况对比后发现:下三层燃烧器运行在额定负荷时，4号炉的最佳OFA比率为25%，锅炉灰、渣平均含碳量降到2.7%的最低点，同时NOX排放浓度下降到相对低点，而且烟道CO只有29 μL/L。而在270 MW负荷及上三层燃烧器运行在额定负荷工况时，最佳的OFA配风比率分别为15%和21%，在这种OFA配风比率工况下也达到相同工况下锅炉灰渣含碳量最低，同时NOX及CO排放浓度最低的优良工况［9］。

(4)改造投运后的调试阶段共进行了30个工况的试验测量，通过对比26个满负荷工况测试结果 (表4)发现，锅炉灰、渣可燃物含量均比改造前基准试验低。说明改造后锅炉灰、渣可燃物含量能在较低的合理范围内正常运行。

表4 改造后满负荷调试阶段实测数据及运行数据汇总

5 结论

锅炉燃烧系统改造时增加贴壁风能够降低炉膛水冷壁表面烟气中CO和H2S浓度，在一定程度和范围内起到防止高温腐蚀作用，但贴壁风的配置、进风方式仍不够完善，应进一步优化。从运行角度，对于前墙燃烧方式锅炉控制合适的燃烬风比率和控制相对较低的一次风速，以及进行合理的二次风配风，尽可能减小火焰直接冲后墙也是防止水冷壁高温腐蚀的重要手段。当然控制入炉的硫份可以从根源上起到减少水冷壁高温腐蚀的作用。

改进建议:

(1)为了进一步改进炉膛后墙水冷壁表面环境，建议在后墙下部增加一层贴壁风。

(2)为更好地发挥贴壁风的作用，应该根据贴壁风小风箱的进风方式和风压分布规律改进沿炉膛宽度布置的贴壁风通流面积的设置或对贴壁风小风箱的进风接入方式改进，达到均匀降低炉膛后墙还原性气体的目的。

(3)改进后墙下部边界风喷口，增大其对侧墙后部的覆盖范围，保护两侧墙以防止高温腐蚀。

［1］贾宏禄．370 MW机组锅炉低氮燃烧改造分析 ［J］．电力科学与工程，2014，30(12):24－29．

［2］姚露，陈天杰，刘建民，等．组合式贴壁风对660 MW锅炉燃烧过程的影响［J］．东南大学学报 (自然科学版)，2015，45(1):85－90．

［3］陈鸿伟，李永华，梁化忠．锅炉高温腐蚀实验研究［J］．中国电机工程学报，2003，23(1):167－170．

［4］陈敏生，廖晓春．600 MW超临界锅炉防止高温腐蚀技术改造和运行调整 ［J］．中国电力，2014，47(4):56－59，117．

［5］郭鲁阳，孙旭光，刘志超，等．锅炉水冷壁高温腐蚀原因分析及预防对策 ［J］．中国电力，2000，33(11):17－20．

［6］张萍，鲁常春．配风对煤粉炉水冷壁高温腐蚀影响分析及措施 ［J］．齐鲁石油化工，2014，42(3):240－243．

［7］林益明，贾宏禄，金李强．基于优化燃烧调整降低锅炉氮氧化物的试验分析 ［J］．电力科学与工程，2011，27(10):69－73．

［8］吕玉坤，彭鑫．300 MW燃煤锅炉NOx排放特性试验研究［J］．华北电力大学学报 (自然科学版)，2010，37(5):78－82．

［9］王东平，贾宏禄，刘小平．利港电厂2×350 MW机组锅炉低氮燃烧改造及其对锅炉运行的影响 ［J］．热力发电，2008，37(12):38－44．

Analysis of Low NOx Combustion System Retrofit and High Temperature Corrosion Control

Jia Honglu
(Jiangsu Ligang Electrical Power Co.Ltd.，Jiangyin 214444，China)

In order to reduce the high NOx for a 370 MW front wall fired unit in Ligang power plant，the ABT low NOx combustion system was installed．In order to prevent the high temperature corrosion in other units，the additional rear wall anti-corrosion system was designed and installed．After low NOx retrofit，55.8%NOx was reduced comparing with the pre-retrofit baseline．After retrofit the UBC and spray were slightly increased．In addition，the rear wall anti-corrosion system helped to reduce the corrosion risks with the help of SCR，this unit can meet the government newest emission standards．Therefore，the anti-corrosion system design can provide good reference for similar boiler retrofit and optimization．

high temperature corrosion;curtain air;NOx;O2;combustion

TK227.1

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2015.06.013

2015－03－05。

贾宏禄 (1956－)，男，工程师，从事热力试验工作，E-mail:jiahl@jlepc.com.cn。