低氮燃烧器改造后防范锅炉灭火的对策分析

崔修强

（华电国际电力股份有限公司技术服务分公司，山东 济南 250014）

除新投产的现代大型机组原设计即为低氮燃烧器，为满足燃煤火电机组达标排放要求，大部分在役锅炉陆续进行低氮燃烧器改造。锅炉低氮燃烧技术改造主要采用燃料分级及空气分级燃烧技术。直流切圆燃烧锅炉通常采用浓淡燃烧、“风包粉”、一次风反切等技术，采用紧凑型燃烬风（OFA），分离型燃烬风（SOFA）等分级燃烧技术。旋流墙式燃烧锅炉通常采用双调风技术，分离型燃烬风（SOFA）分级燃烧技术。锅炉进行低氮燃烧改造后，设备系统特性发生了较大变化，对锅炉运行的安全性、经济性、氮氧化物排放等方面均有一定影响，部分单位因出现了锅炉掉大焦、缺氧或操作不当等现象而发生锅炉灭火事件。分析锅炉稳定燃烧的规律特点，发现运行稳燃操作存在的问题，总结正确处理燃烧不稳定情况得出的经验，吸取因处理不当造成故障扩大的教训，系统性地提升运行稳燃操作能力，增强锅炉稳燃措施的实施效果。

1 锅炉灭火机理分析

煤粉的燃烧过程就是煤粉与空气在一定温度下发生剧烈的化学反应的过程。一次风粉气流进入炉膛后，首先必须被加热到着火温度，才能使煤粉气流稳定地着火燃烧。将煤粉气流加热到着火温度所需的热量称为着火热，着火热与燃料的性质(着火温度、燃料水分、灰分、煤粉细度)和运行工况(煤粉气流初温、一次风率和风速)有关，也与燃烧器结构特性及锅炉负荷等有关。如下表1为煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度。

当煤粉着火燃烧的条件中有任何一个发生变化时都将影响到着火和燃烧的稳定，严重时直接导致锅炉灭火的发生。当煤质、一次风量和煤粉细度发生变化，以及炉内温度水平变化时，可能导致煤粉气流的着火情况突变，引发锅炉灭火。

表1 煤粉气流中煤粉颗粒的着火温度

低NOx燃烧技术增加了30%左右的燃尽风（SOFA），主燃区域二次风量分配比例发生了变化，对锅炉燃烧影响较大。由于主燃烧区内缺氧，导致锅炉燃烧稳定性变差，形成还原性气氛使灰熔点降低，引起锅炉结渣、产生腐蚀，同时低氮燃烧分段进行，火焰拉长导致焦炭燃尽困难，引起炉膛出口处的受热面结渣。与结渣对应的燃煤特性是其灰熔点温度，低灰熔点的锅炉，在低氮燃烧器改造后大多发生了结渣问题，少数程度严重甚至影响锅炉安全运行。炉膛大焦掉落等异常情况导致炉内燃烧工况的剧烈变化、锅炉设备故障以及一些人为操作失误等情况也是导致锅炉灭火的因素。

2 运行优化调整对策分析

锅炉进行低氮燃烧器改造后，燃烧调整方式要根据设备特性的变化进行相应优化调整。燃烧优化调整应综合考虑锅炉运行经济性、锅炉及脱硝装置运行安全性以及环保排放要求，合理控制NOx排放浓度范围，平衡经济与环保二者的关系，制定锅炉燃烧优化指导意见，指导运行人员操作，防止锅炉灭火事件的发生。

2.1 运行氧量控制

对于采用低氮燃烧技术的锅炉，其运行氧量越高，则NOx排放浓度越高，但是低氧量运行会造成如排烟CO浓度高、飞灰可燃物升高、炉内结渣及高温腐蚀加剧等影响。氧量控制应通过燃烧优化调整，在NOx排放浓度与安全、经济性之间寻求平衡点。控制合理的锅炉运行氧量，应根据燃烧调整试验结果确定炉膛燃烧最佳氧量。对于应用低氮燃烧技术改造后的锅炉，依据现场调试情况，推荐运行氧量控制范围见表2。

表2 应用低氮燃烧技术改造后锅炉运行氧量控制范围

2.2 防止锅炉掉大焦灭火

低氮燃烧器改造后，由于主燃烧区内缺氧，容易形成还原性气氛使灰熔点降低，容易引起结渣、产生腐蚀，同时低氮燃烧分段进行，火焰拉长，焦炭燃尽困难，会引起炉膛出口处的受热面结渣。

（1）锅炉运行中，均衡各燃烧器热负荷,风粉配比适宜，均匀对称燃烧，防止个别燃烧器热负荷过高造成局部结焦。旋流燃烧器各燃烧器的旋流强度一致，防止旋流角度偏大加剧燃烧器区域结焦。（2）严密监视锅炉燃烧情况及结渣情况，及时清除喷口等部位的焦渣，减少落大渣隐患。锅炉结焦后，应分阶段缓慢降低负荷运行，防止大幅度降负荷后掉大焦灭火。（3）及时吹灰是防止大焦形成的重要措施，严格执行锅炉吹灰制度，确保吹灰器运行正常，利用每高负荷时段投入吹灰器运行，加强对吹灰器运行的监视。吹灰时为防止大量焦渣脱落造成灭火，可考虑采取投油助燃的防范措施。（4）在运行中就地观察煤粉着火情况和受热面沾污情况，是掌握锅炉燃烧状况、提高燃烧稳定性的必要手段，应建立锅炉定期就地观察的制度和执行办法，尤其在煤质变化或炉膛负压波动频繁的时段，更应加强就地观察，及时发现着火异常及受热面结焦的情况，防范锅炉灭火及其它异常现象发生。

2.3 炉膛负压的监视与控制

炉膛负压是反应燃烧工况稳定性及判断灭火事故的重要参数。锅炉燃烧不稳定，炉膛压力会产生强烈波动，炉膛负压即相应作出大幅度的剧烈波动。发生炉膛负压剧烈脉动，往往是灭火或炉膛掉大焦的前兆，这时必须加强监视和检查炉内燃烧工况、分析原因，并及时进行调整和处理。

2.4 一次风速监视与控制

一次风速过高时，风粉混合物的着火点增加，会推迟着火，着火点远离一次风喷口，不利于维持较高的着火区温度，导致煤粉气流着火不稳定，遇有燃烧工况波动，一次风速大于火焰传播速度时，就会吹灭火焰或者引起“脱火”，容易发生锅炉灭火现象。

根据锅炉设计提供的一次风速，对各台锅炉的一次风速进行监测和控制。一次风速的选取主要与燃用煤种的干燥无灰基挥发份（即着火稳燃性）有关，同时要适当考虑燃用煤种的结渣性和磨损性。原则上，只要不发生粉管堵塞和喷口烧损，降低一次风速可以提高燃烧稳定性。在煤质偏离设计值较大时，直流燃烧器的一次风速可以参照表3进行调节。

表3 四角布置燃烧器配风风速的推荐值

为提高锅炉燃烧稳定性，防范锅炉灭火，应重视锅炉负荷变化及制粉系统运行工况变化时一次风速的变化，防止一次风速的突然变化对燃烧工况的扰动。

2.5 一次及二次风温调整

提高一次风／煤粉气流初温，可减少煤粉气流的着火热，并提高炉内温度水平，使着火提前，能在低负荷时稳定燃烧。煤粉气流的初温从20℃提高到300℃时，着火热可降低60%左右。设计煤种为烟煤或褐煤的锅炉，其一次风温及直吹式制粉系统的出口温度应在保证系统安全的前提下进行调整，针对一次风温不正常的情况，应制定处理方案和相应的操作措施。

提高二次风温，可以强化燃烧，尤其在低负荷运行时增强着火的稳定性。各单位应根据煤质设计和锅炉设计提供的热风温度，对各台锅炉的二次风温进行监测和控制。若二次风温受到空气预热器传热面积、堵塞影响降低，应及时采取消除措施。

表4 热风温度的推荐数值

2.6 风量控制及配风调整原则

（1）锅炉燃烧器配风方式。对直流切圆燃烧方式，100%、75%、50%（60%）三个负荷下分别进行“均等”、“正宝塔”、“缩腰”、“倒宝塔”配风调整，同时进行OFA、SOFA风门开度、周界风（侧边风、贴壁风）开度等调整，选取合适的配风方式。对旋流墙式燃烧方式，分别调整内外二次风旋流叶片角度、内外二次风风量、各层风箱两端挡板开度、SOFA风量、SOFA燃烧器直旋流比例等，选取合适的配风方式。（2）配风原则。低氮燃烧器系统改造后二次风量分配比例发生了较大变化，30%左右二次风总风量转化为燃尽区燃尽风（SOFA），不论是直流切圆燃烧还是旋流墙式燃烧锅炉，配风方式的变化主要是改变燃烧初期的供氧，达到降低NOx，提高锅炉燃烧稳定性的目的。（3）二次风配风。燃烧器配风应保证风粉配比、炉膛主燃烧区域过量空气系数合理；燃烧器停止运行，其对应的二次风门应及时关小；设备改造后，二次风门开度应根据二次风门的流量特性曲线确定；运行中控制合理的二次风箱压差，保证二次风射流刚性；在烟气NOX浓度不超标的前提下，尽量关小SOFA挡板开度，减小主燃区缺氧程度；加强炉膛、捞渣机及制粉系统漏风治理，尽量减少无组织风量，保证主燃烧区域合理配风，以达到最佳燃烧工况。（4）一次风配风。控制合适的配风参数，一次风率上限配风参数推荐范围见表5。（5）周界风调整。高速周界风有利于卷吸高温烟气，促进着火，并加速一、二次风的混合过程。但周界风量过大或风速过小时，在煤粉气流与高温烟气之间形成“屏蔽”，反而阻碍加热煤粉气流。在煤质较差时，周界风往往对煤粉气流的着火产生不利影响。配有周界风的燃烧器对周界风的调节应有明确的运行调节措施，以保证燃烧稳定性。

表5 一次风率推荐数值

2.7 制粉系统调整与管理

调整煤粉系统，使得最佳煤粉细度条件下NOx减排空间最大化，对采用SOFA风空气分级技术的锅炉，应适当降低煤粉细度。在100%、75%负荷下，分别进行不同磨煤机组合调整，探求锅炉效率、NOx排放浓度的平衡点。

（1）煤粉细度调整。煤粉的燃烧反应主要是在颗粒表面上进行的，煤粉颗粒越细，单位质量的煤粉表面积越大，火焰传播速度越快，燃烧速度就越高，燃烧放热速度越快，煤粉颗粒就越容易被加热，因而也越容易稳定燃烧。适当的煤粉细度，可促使燃烧初期挥发份迅速而大量析出燃烧消耗氧份，造成局部出现还原性气氛，从而抑制NOx的生成量。当锅炉燃用煤质一定时，提高煤粉细度能显著提高煤粉气流着火的稳定性。煤粉细度R90的数值应控制在的范围内。（2）锅炉的煤粉细度应定期检测。中储式制粉系统的煤粉细度应每班检验；直吹式制粉系统煤粉细度应每天检测，检测范围应覆盖各种制粉出力、风压、风温等运行工况，检测记录应备案。在煤质变化或制粉系统运行状况发生变化时，应增加取样分析频率。应特别重视制粉系统运行工况变化时煤粉细度的变化，防止煤粉突然变粗导致燃烧稳定性变差。（3）制粉系统为中储式的机组，正常运行中须保持较高的粉仓粉位，最低粉位高度应控制在三分之一粉仓总高度以上，且须具有完善可靠的粉位测量及显示、报警系统，防止粉仓粉位低煤粉自流造成一次风管堵塞，影响锅炉燃烧的稳定性。

2.8 燃烧器运行方式

同样炉膛参数、同样煤质条件下，单只燃烧器功率越小，NOx减排能力越大。锅炉运行过程中，投用的燃烧器过于分散或单只燃烧器的出力过低，都不利于提高炉膛温度和煤粉气流的着火稳定性，锅炉低负荷运行时现象更为突出。为提高燃烧稳定性，应尽量使投用的燃烧器集中，提高投用燃烧器的出力，保证下层燃烧器出力稳定，达到稳定燃烧的目的。

低氮燃烧器改造后，燃烧器运行方式应利于提高炉膛温度和煤粉气流的着火稳定性，避免出现底层燃烧器停运、单层燃烧器出力较低、四角切圆燃烧器隔层燃烧等工况。在特殊情况下隔层运行时，应提前做好相应稳燃措施，四角切圆燃烧的直流燃烧器应避免缺角运行。

2.9 入炉煤掺烧掺配管理

加强燃煤掺配掺烧管理工作，制定锅炉入炉和入厂煤质量标准，燃用与锅炉相匹配的燃料，把灰熔点做为燃煤采购的考核指标，杜绝采购跨煤种混煤，防止煤种灰熔点降低造成的锅炉结焦结渣。掺配方案应根据采购煤源和厂内存煤情况确定，对出现的异常问题及时组织分析并采取对策。

加强入炉煤质化验管理，重视入炉煤的灰熔点指标，入炉煤煤质化验结果及时准确提供，为运行人员及时调整锅炉燃烧提供指导。遇有锅炉燃烧不稳时，要及时投油助燃，确保燃烧稳定。

燃煤掺配要关注燃煤着火、燃尽及煤灰结渣特性对炉膛热力特性参数值的影响（见表5）。控制实际燃煤低位发热量Qnet在低氮燃烧器改造设计值±15%之间，控制干燥无灰基挥发分Vdaf在低氮燃烧器改造设计值±10%之间，灰分、水分及灰熔点符合低氮燃烧器改造设计要求。

2.10 专项问题调整策略

（1）锅炉结焦专项调整。直流切圆燃烧可通过调整偏置风（贴壁风）开度、周界（侧边风）风开度、运行氧量、SOFA风量、风箱与炉膛差压等参数缓解。旋流墙式燃烧可通过调整左右侧墙燃烧器旋流强度、运行氧量、SOFA风量、风箱与炉膛差压等参数缓解。（2）飞灰可燃物高专项调整。飞灰可燃物含量主要通过调整煤粉细度、运行氧量、二次风配风等参数来实现降低飞灰可燃物。（3）高温腐蚀问题专项调整。减缓高温腐蚀问题基本思路是降低燃烧器区域还原性气氛。一是增加运行氧量；二是燃烧器运行方式调整，双调风低NOx旋流燃烧器通过参数调整改善壁面气氛；三是改善配风方式，关小SOFA风门，增加燃烧器区域的过量空气系数，避免出现局部高温或严重的还原性气氛。（4）炉膛出口烟温偏差、汽温偏差专项调整。直流切圆燃烧锅炉可通过调整SOFA风水平摆角、偏置风门开度、启/消旋风门开度等参数实现。旋流墙式燃烧锅炉可通过调整左右侧SOFA风道风门开度、主燃烧器风道风门开度、左右侧SOFA燃烧器直/旋流风比例等参数实现。

3 设备检修维护对策

对低氮燃烧器改造后频繁发生锅炉掉焦、灭火的锅炉，应进行动力场动量平衡校核计算，校核燃烧器假想切圆、燃烧器反切角、燃烧器结构改造对锅炉燃烧动力工况的影响。对存在设计缺陷的锅炉，应对燃烧系统优化改进，在降低NOx排放的同时，确保锅炉运行处于最佳的状态。

3.1 燃烧器改造验收对策

（1）燃烧器检修检查工作。锅炉大修时应认真检查校核燃烧器安装角度，四角燃烧锅炉还应检查调整同层燃烧器摆角的一致性。做好燃烧器安装偏转角测量及校核，燃烧器同角、同层摆动同步性测量及校核，确保燃烧器喷口尺寸及轴线符合设计要求，燃烧器切圆直径符合设计要求。（2）燃烧器检修验收工作。做好燃烧器静态切圆验收。开展冷态一次风速的标定与调平，检查一次风速均匀性，确保一次风速均匀性满足运行要求。进行炉内空气动力场试验，观测多层四角射流形成的强风环大小及位置，观察炉膛气流的充满度；观测炉膛断面上的气流分布，观察气流是否冲刷炉壁和炉底；观察各燃烧器射流间的相互影响及三次风、燃烬风及SOFA风射流对燃烧器主射流的影响。（3）风门系统检查验收。锅炉修后启动前应对燃烧系统、风烟系统的各个风门的动作情况、实际位置、就地指示、位置反馈等进行检查，排除故障，确认动作可靠，位置正确。

3.2 设备维护管理对策

（1）定期检查校核风速、风量测量装置。对锅炉的一次风速应定期检测，锅炉检修后应开展在线监测系统标定试验，检测范围应覆盖各种制粉出力、风压、风温等运行工况，校验情况应记录在案备查，以保证监测系统的数据可靠性。（2）应经常检查磨煤机分配器、煤粉分离器的磨损情况，对磨损严重的分配器、分离器要及时更换，避免热态时一次风速不均匀。（3）加强日常的设备维护工作，及时消除制粉及燃烧系统等设备缺陷，及时恢复设备性能。锅炉的制粉系统、燃烧系统、煤粉取样设备及吹灰器应确保完好，有故障影响燃烧调整和参数测量时应及时消缺、完善，保证锅炉调整的需要。加强对炉本体漏风情况的检查与消除，防止锅炉底部漏风。

3.3 热工保护动作可靠性对策

（1）锅炉大修后启动前，应认真执行检修规程、运行规程规定，对热工保护进行试验检查，确保设备完好、动作正确可靠。（2）火检装置应进行定期试验，确保可靠。火检内部参数设置调整应合理，避免造成火检不稳定。火检放大器内不得有对火焰丧失信号的延时，在火焰丧失MFT保护逻辑中适当设置火焰丧失信号后MFT的延时时间。根据实际需要在DCS内增加临界火焰报警功能；火检模拟量信号应显示在操作员站上，方便运行人员全面监视火的检变化情况。（3）优化锅炉保护内部的延时时间，应根据机组实际情况进行调整。对与燃烧有关的信号，如二次风压、炉膛负压、送风流量、出口烟压等，不得在变送器内加延时，以保证DCS能够显示、记录真实的过程变量的变化。（4）加强火检定值等灭火保护定值的管理，保护定值表更新后，应严格执行。（5）保证氧量信号准确可靠，除氧量变送器定期校验外，还应对氧量表指示氧量和实际运行氧量进行经常性的比较，使运行人员全面掌握实际运行氧量。

3.4 高温腐蚀技改对策

为减缓水冷壁高温腐蚀问题,目前普遍采用加装侧燃尽风、增设贴壁风、增设防护涂层(喷涂)等方法来防止高温腐蚀。设置贴壁风，可以改善壁面气氛，墙式燃烧方式更容易实施这一措施，贴壁风的量应足够大，其对锅炉效率的影响较大；喷涂保护层，加强喷涂质量过关管理，维持1个大修期以上；对经常性掉焦的锅炉，可以进行渣斗防爆装置改造。

4 结语

低氮燃烧器技术改造对锅炉运行的安全性、经济性、氮氧化物排放等方面均有一定影响，为确保改造后机组安全经济运行，在运行优化调整方面应做好防锅炉掉焦灭火、运行氧量控制、配风优化调整、燃烧器运行方式配煤掺烧管理等工作，在检修维护方面应做好燃烧器改造验收、提高热工保护可靠性、专项问题技术改造等工作，提高锅炉的运行可靠性，实现机组运行的可靠性、经济性，保证机组环保达标排放。