420 t/h鍋爐爐膛結(jié)渣試驗研究

姜宏武

(安慶石化熱電廠，安徽 安慶 246002)

0 引言

爐膛結(jié)渣對鍋爐運行危害極大，輕則影響鍋爐負荷，重則會發(fā)生惡性事故。低氮燃燒易產(chǎn)生爐膛結(jié)渣。爐膛結(jié)渣與煤種燃燒特性和鍋爐運行狀態(tài)密切相關(guān)，在煤種無法改變的情況下，通過燃燒調(diào)整可減輕結(jié)渣。爐膛結(jié)渣具有緩慢發(fā)展的特點，在實際運行中，主要受爐膛溫度水平的影響，兩者互相促進。

通過對420 t/h煤粉鍋爐進行試驗，研究了運行方式與爐膛結(jié)渣的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明，在不影響鍋爐出力及效率的前提下，改變配風方式對爐膛溫度的影響不大;在不影響鍋爐出力及犧牲效率的條件下，全開一次風壓力冷風效果最好。降低鍋爐負荷可明顯減輕爐膛結(jié)渣，其效果與其降幅有關(guān)，負荷下降20%左右對爐膛溫度影響不大，而下降35%以上則會使爐膛溫度明顯降低。

1 結(jié)渣判斷依據(jù)

1．1 結(jié)渣機制簡述

結(jié)渣的本質(zhì)可概括地表述為:當溫度高于灰熔點的煙氣沖刷受熱面時，煙氣中熔融的灰渣黏附到受熱面上，造成結(jié)渣。燃煤鍋爐結(jié)渣是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，涉及煤的燃燒、爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)、煤的潛在結(jié)渣傾向、煤灰粒子在爐內(nèi)運動以及煤灰與管壁間的黏附等復(fù)雜過程。

煤中灰分是指存在于煤中的所有的無機物質(zhì)，灰分可分為3類，即原生礦物質(zhì)、次生礦物質(zhì)和外來礦物質(zhì)。3種灰分在煤中的存在形態(tài)不同，在爐內(nèi)的生成機制也不同。

灰顆粒向水冷壁面輸運是結(jié)渣的重要環(huán)節(jié)。其輸運機制主要有3類:第1類為揮發(fā)性灰的氣相擴散，第2類為熱遷移，第3類為慣性遷移。

由于灰粒的形成機制及輸運機制不同，灰渣在管壁上沉積存在2個不同的過程，即初始沉積和慣性沉積。導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)渣迅速增加并對鍋爐安全運行構(gòu)成威脅，其主要因素是慣性沉積。

1．2 影響結(jié)渣主要因素

由爐內(nèi)結(jié)渣機制可見，灰渣的慣性沉積是影響爐內(nèi)結(jié)渣的關(guān)鍵。而影響灰渣慣性沉積的非煤種原因的主要影響因素可歸結(jié)為2點。

(1)爐內(nèi)溫度水平和溫度場分布。由慣性輸送的灰粒在初始沉積層上的黏結(jié)除與初始層的性質(zhì)有關(guān)外，還與撞擊灰粒的溫度水平有關(guān)，當撞擊灰粒的溫度很高，呈熔融狀液態(tài)時，很容易發(fā)生黏結(jié)，致使結(jié)渣過程加劇。電站鍋爐爐內(nèi)中心溫度為1 500～1700℃，煤粒燃燒時其本身溫度要比爐內(nèi)溫度高200～300℃，因而煤灰在爐膛中心幾乎全部為液態(tài)。在液態(tài)灰顆粒受慣性作用而向水冷壁運動的過程中，由于灰顆粒運動速度快，受到的冷卻效果差，熔融的灰顆粒很容易黏附，使渣層迅速積聚長大。因此，慣性撞擊灰粒在撞擊水冷壁時的狀態(tài)對渣的積聚、長大具有重要影響。因此，爐內(nèi)溫度水平和溫度場分布是產(chǎn)生嚴重結(jié)渣的主要影響因素。

(2)爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)及煤粉細度。在四角燃燒鍋爐中，氣流在爐內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，受慣性力作用，煤粉顆粒向旋轉(zhuǎn)氣流外側(cè)聚集。因此，煤粉濃度切圓和溫度切圓要比速度切圓大。減少爐內(nèi)氣流切圓直徑，降低煤粉細度均可減小煤灰顆粒向水冷壁的慣性遷移，有利于減輕結(jié)渣。

1．3 爐內(nèi)結(jié)渣的判斷依據(jù)

根據(jù)爐內(nèi)結(jié)渣機制，在非煤種因素中，影響結(jié)渣的主要因素為爐內(nèi)溫度水平和溫度場分布及爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)和煤粉細度等。

該試驗研究是以爐膛溫度進行測量比較為主，爐內(nèi)燃燒器區(qū)域結(jié)渣情況觀測對比為輔，結(jié)合鍋爐各段煙溫、汽溫和減溫水量等參數(shù)對爐內(nèi)結(jié)渣情況進行綜合評估。

2 試驗鍋爐

試驗鍋爐為SG－420/140－M415型煤粉鍋爐，熱風送粉、四角切圓、中間倉儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)，下2層一次風集中布置，燃燒器自下而上分別為二次風、一次風、一次風、二次風、一次風、二次風、三次風、二次風，設(shè)計煤種為淮北煙煤，常用煤種為大混煤，表1為鍋爐主要設(shè)計參數(shù)，表2為設(shè)計及常用煤種主要參數(shù)。該鍋爐燃燒器區(qū)域水冷壁經(jīng)常發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象，多次出現(xiàn)冷灰斗堵塞現(xiàn)象。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

表2 設(shè)計及常用煤種主要參數(shù)

3 主要測試方法

在試驗期間，保持鍋爐負荷穩(wěn)定，各運行參數(shù)基本不變，制粉系統(tǒng)投運方式不變，主要測試方法如下:

(1)著火與結(jié)渣情況觀測。一次風噴口附近著火情況觀察、噴口附近水冷壁結(jié)渣情況觀察。

(2)溫度測試。用紅外線測溫儀(IRT－3000A型)測量一次風和三次風噴口附近的風粉混合物的溫度，從每個觀火孔測量爐膛的溫度場，其爐膛溫度場測孔分布如圖1所示。

圖1 爐膛溫度場測孔分布

(3)煙氣成分測量及煤粉、飛灰、爐渣取樣分析。

(4)運行參數(shù)記錄。主汽壓力、溫度、流量、再熱汽壓力、溫度、給水壓力、溫度、流量、排煙溫度、熱風溫度、冷風溫度、爐膛出口(過熱器)氧量、系統(tǒng)風壓、一次風風壓及減溫水量等。

4 試驗結(jié)果

4．1 配風方式對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

鍋爐共配置4層二次風，習慣采用的運行方式為均等配風，為研究配風方式對爐內(nèi)結(jié)渣及溫度分布的影響，在其他主要參數(shù)不變的條件下，對正寶塔和倒寶塔2種方式與均等配風進行了對比，表3是主要對比數(shù)據(jù)。圖2為不同配風方式對溫度分布影響。

表3 配風方式對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖2 不同配風方式對溫度分布影響

由試驗分析的結(jié)果可見:

不同配風方式對爐內(nèi)燃燒工況的影響是明顯的，由于試驗煤種揮發(fā)分和發(fā)熱量較高，著火特性較好，燃燒初期需要充足的氧量供應(yīng)，正寶塔和倒寶塔配風均會發(fā)生煤粉氣流局部缺氧而產(chǎn)生難燃盡的炭黑，從而導(dǎo)致爐膛出口煙溫、各段煙溫、排煙溫度上升，減溫水量明顯增加，鍋爐熱效率下降。

爐膛下部溫度水平對冷灰斗堆渣有很大影響，而不同配風方式對爐膛下部溫度水平和一次風煤粉氣流溫度有較大的影響。煤粉在爐內(nèi)燃燒需要一定的時間，在正寶塔配風時，燃燒器下部區(qū)域的二次風并不完全參與燃燒，可起到冷卻作用，使燃燒器下部區(qū)域溫度水平降低，對減輕結(jié)渣有利，而倒寶塔配風時，一方面二次風的冷卻作用減弱，另一方面會產(chǎn)生還原性氣氛，促進了結(jié)渣并使溫度水平上升。

4．2 運行氧量對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

共進行了2組氧量調(diào)整試驗，第1組是在前述正寶塔配風的基礎(chǔ)上進一步提高了氧量，第2組是在均等配風的基礎(chǔ)上降低了氧量，表4是主要對比數(shù)據(jù)，圖3為提高氧量對溫度分布的影響，圖4是降低氧量對溫度分布的影響。

表4 運行氧量對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖3 提高氧量對溫度分布的影響

由試驗分析的結(jié)果可見:在正寶塔配風4%氧量的基礎(chǔ)上進一步提高運行氧量，可明顯降低爐膛平均溫度水平，燃燒器上部區(qū)域下降幅度尤為明顯，爐膛結(jié)渣情況有所減輕，而減溫水量和各段煙溫變化不大，由于排煙氧量增加，鍋爐效率下降明顯。

在均等配風條件下運行氧量由4%降低到

圖4 降低氧量對溫度分布的影響

2．5%，盡管爐膛結(jié)渣情況尚未出現(xiàn)明顯增加趨勢，但爐膛溫度水平出現(xiàn)明顯提高，特別是減溫水量和爐膛出口附近煙溫明顯提高，飛灰含碳量明顯增加，由于排煙氧量明顯下降，鍋爐效率反而有所提高。

4．3 壓力冷風對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

在均等配風、正常氧量條件下全開一次風壓力冷風門的對比試驗，表5是主要對比數(shù)據(jù)，圖5是壓力冷風對溫度分布的影響。

表5 壓力冷風對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖5 壓力冷風對溫度分布的影響

由試驗分析的結(jié)果可見:全開6m層人孔門可明顯降低爐膛總體溫度水平，特別是冷灰斗附近溫度下降達100℃左右，可減輕爐膛結(jié)渣，明顯緩解冷灰斗堆渣，對減溫水量和各段煙溫影響不大，但排煙溫度卻明顯提高，鍋爐效率有所下降，其主要原因是通過空氣預(yù)熱器的風量降低。

全開一次風壓力冷風門的效果最為明顯，爐膛平均溫度下降達6．34%，其主要原因為一次風煤全開壓力冷風，粉氣流溫度明顯下降，著火推遲。爐膛結(jié)渣有所減輕，而減溫水量和各段煙溫變化不大。由于通過空氣預(yù)熱器風量減少，導(dǎo)致排煙溫度明顯上升，鍋爐效率明顯下降。

4．4 運行負荷對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

分別在鍋爐發(fā)電功率128MW，100MW，80MW條件下進行了對比試驗，表6是運行負荷對結(jié)渣影響的主要對比數(shù)據(jù)，圖6是運行負荷變化對溫度分布的影響。

表6 運行負荷對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖6 運行負荷對溫度分布影響

由試驗分析的結(jié)果可見:發(fā)電功率從128MW下降到100MW，爐膛結(jié)渣和爐內(nèi)溫度水平變化不大，而發(fā)電功率進一步降低到80MW，結(jié)渣情況明顯減輕，爐膛溫度水平明顯下降。

5 結(jié)論

采用3種燃燒調(diào)整方法對爐內(nèi)結(jié)渣影響試驗進行了分析，得出如下結(jié)論:

(1)在保證鍋爐出力的前提下，采用全開一次風壓力冷風門的方法可明顯降低爐膛總體溫度水平，減輕結(jié)渣。但摻入冷風會使排煙溫度明顯升高，鍋爐效率明顯下降。

(2)既要保證鍋爐出力，又要減輕對鍋爐效率的影響，采用正寶塔配風可小幅降低燃燒器區(qū)域下部溫度水平，減輕結(jié)渣，若能夠21進一步提高運行氧量，則效果更好。

(3)降低鍋爐負荷可明顯減輕爐膛結(jié)渣，但與其降幅有關(guān)，負荷下降20%左右對爐膛溫度影響不大，而下降35%以上則會明顯降低爐膛溫度。