燃煤鏈條爐排工業(yè)鍋爐結(jié)焦原因分析

陸建國(guó) 黃 懿 謝啟強(qiáng)

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院太倉(cāng)分院)

燃煤鏈條爐排工業(yè)鍋爐結(jié)焦原因分析

陸建國(guó)*黃 懿 謝啟強(qiáng)

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院太倉(cāng)分院)

燃煤鏈條爐排工業(yè)鍋爐普遍存在結(jié)焦等問(wèn)題。列舉了幾種常見(jiàn)的引起鍋爐結(jié)焦的問(wèn)題，并結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析探討。

燃煤鏈條爐排 工業(yè)鍋爐 結(jié)焦 節(jié)能

燃煤工業(yè)鍋爐是高耗能特種設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中。截止到2007年年底，我國(guó)在用工業(yè)鍋爐52.44萬(wàn)臺(tái)[1]，其中燃煤工業(yè)鍋爐占80%以上，燃油 （氣）鍋爐約占15%，電加熱鍋爐占1%左右，其余的鍋爐以沼氣、黑液、甘蔗渣、生物質(zhì) （垃圾）等為燃料，并且燃煤工業(yè)鍋爐中層燃鍋爐約占95%[2]。通過(guò)對(duì)太倉(cāng)市在用工業(yè)鍋爐進(jìn)行內(nèi)外部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燃煤工業(yè)鍋爐大多存在熱效率偏低、堵灰、輔機(jī)電耗偏大和鍋爐結(jié)焦等問(wèn)題。鍋爐結(jié)焦不僅影響鍋爐的熱效率，使鍋爐出力降低，還嚴(yán)重威脅到鍋爐的安全運(yùn)行，迫使鍋爐停爐檢修。筆者從十幾年來(lái)鍋爐定期檢驗(yàn)和安裝、改造的監(jiān)督檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，就燃煤鏈條爐排工業(yè)鍋爐結(jié)焦問(wèn)題的原因進(jìn)行分析探討。

1 爐內(nèi)結(jié)焦原因分析

爐內(nèi)結(jié)焦原因主要包括下述方面：配風(fēng)不合理，爐內(nèi)存在較多的還原性氣體，煤質(zhì)本身的結(jié)焦性能，鍋爐節(jié)能改造的影響和鍋爐運(yùn)行管理的影響。

1.1 配風(fēng)不合理

原煤在爐排上由前往后的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其燃燒分為三個(gè)階段：首先是預(yù)熱干燥并分解揮發(fā)物；其次是著火燃燒；最后是燃盡出渣。由于煤炭在鏈條爐排上的燃燒是沿長(zhǎng)度分階段進(jìn)行的，因此爐排下供應(yīng)的一次風(fēng)必須分倉(cāng)﹑分區(qū)調(diào)節(jié)，爐前著火區(qū)和爐后燃盡區(qū)的風(fēng)量要少，中間燃燒旺盛區(qū)的風(fēng)量要大。沿爐排寬度方向上的合理配風(fēng)方法是均勻配風(fēng)，可使燃燒均勻，防止出現(xiàn)火口等不正常燃燒現(xiàn)象。鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，由于給風(fēng)設(shè)備的損壞或者司爐人員對(duì)配風(fēng)調(diào)整不當(dāng)，使鍋爐配風(fēng)不能按照合理的配風(fēng)要求進(jìn)行，就會(huì)造成鍋爐結(jié)焦。各分段供風(fēng)量的比例關(guān)系，需要根據(jù)煤質(zhì)好壞、爐排上煤層厚度、煙氣含氧量、CO含量、負(fù)荷大小等因素確定。不同負(fù)荷和不同燃燒情況下的供風(fēng)配比需要根據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，形成一整套數(shù)據(jù)，才能用于指導(dǎo)操作，保障鍋爐的安全節(jié)能運(yùn)行。燃煤鏈條爐排鍋爐普遍存在漏風(fēng)問(wèn)題，左右兩側(cè)煤灰被大量吹起，火焰又貼壁燃燒，使高溫區(qū)接近水冷壁管，從而使一部分尚在燃燒的高溫炭粒和呈熔融狀態(tài)的煤灰在還未燃盡和得到充分冷卻之前，就隨著煙氣流動(dòng)與水冷壁管相碰，使之無(wú)法凝固而導(dǎo)致結(jié)焦。

1.2 還原性氣體降低了灰的熔點(diǎn)溫度

爐內(nèi)存在還原性氣體，主要是鍋爐給風(fēng)量不足或者鍋爐局部缺氧造成的。煤不能充分燃燒，爐內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生大量的CO、H2S、S、SO2等還原性氣體。

爐內(nèi)氣氛對(duì)燃煤的灰熔點(diǎn)以及煤灰的粘附強(qiáng)度都有較大的影響。煤灰的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、K2O等，煤灰的熔點(diǎn)取決于各組分的熔點(diǎn)及所占的比例。CO、H2S、S、SO2等還原性氣體與煤灰接觸時(shí)，會(huì)將煤灰中高熔點(diǎn)的Fe2O3還原成低熔點(diǎn)的FeO，其反應(yīng)式為：

反應(yīng)產(chǎn)物FeO在煤灰中的CaO助熔下，進(jìn)一步與煤粉中的Al2O3生成低熔點(diǎn)的共熔混合物FeO·SiO2+Al2O3·2SiO2+SiO2和 CaO·FeO+CaO·Al2O3，從而導(dǎo)致煤灰的軟化溫度下降50～200℃，結(jié)焦幾率增大。還原氣氛中煤灰不僅熔點(diǎn)較低，而且其粘附性也較強(qiáng)。由式 (2)、式 (3)可知，煤灰中所含的Fe2O3在還原氣氛下分解成FeO，F(xiàn)eO是灰熔點(diǎn)降低、粘附力增大的主要因素[3]。

1.3 煤種本身的結(jié)焦性

燃煤工業(yè)鍋爐使用的燃料是未經(jīng)篩選的原煤，其中小于3 mm顆粒度的粉煤比例大，大于30 mm顆粒度甚至大于45 mm顆粒度的塊煤也占相當(dāng)?shù)谋壤颐禾抗?yīng)緊張時(shí)燃煤質(zhì)量不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞。由于燃用煤種的煤質(zhì)對(duì)鍋爐的結(jié)焦有著根本的影響，因此要加強(qiáng)對(duì)煤的品質(zhì)的控制。國(guó)內(nèi)普遍采用煤的灰熔點(diǎn)的高低來(lái)估計(jì)結(jié)渣傾向。灰熔點(diǎn)有三個(gè)特性溫度：變形溫度DT、軟化溫度ST、流動(dòng)溫度FT，一般以ST做評(píng)價(jià)指標(biāo)。用角錐法測(cè)得的灰熔融特性相似的煤種具有不同的結(jié)焦性能。其原因在于在緩慢加熱灰的角錐時(shí)，氣體釋放后會(huì)產(chǎn)生一些小的空穴，緊接著開(kāi)始熔化，這些空穴又被填滿，因而試樣形狀并沒(méi)有改變，但卻造成了測(cè)量誤差。因此，常用灰的成分含量來(lái)輔助判斷煤的結(jié)焦性能，分別用硅鋁比SiO2/Al2O3、堿酸比B/A和硅比G等。其中：

根據(jù)灰熔點(diǎn)溫度和灰成分的不同來(lái)判別煤的結(jié)焦程度指標(biāo)，如表1所示[4]。

表1 用灰熔點(diǎn)溫度和灰成分判別結(jié)焦情況

1.4 鍋爐節(jié)能改造不當(dāng)

燃煤工業(yè)鍋爐大都存在熱效率偏低、排煙溫度高和出力偏低等問(wèn)題，因此通過(guò)爐膛改造和增加低溫受熱面等措施可達(dá)到鍋爐節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。然而在實(shí)際中燃煤鏈條爐排鍋爐的節(jié)能改造往往是僅考慮提高熱效率，常常忽視了鍋爐的安全運(yùn)行。以下從幾個(gè)方面來(lái)加以分析。

1.4.1 爐拱改造造成的結(jié)焦

鏈條爐排鍋爐的爐拱是按設(shè)計(jì)煤種配置的，按照實(shí)際使用的煤種，適當(dāng)改變爐拱的形狀與位置，可以改善燃燒狀況，提高燃燒效率，減少燃煤消耗。在實(shí)際的鍋爐改造中往往是單一地追求高的燃燒效率，與鍋爐實(shí)際運(yùn)行狀況相脫離。燃煤鏈條爐排工業(yè)鍋爐的實(shí)際出力與額定出力還是有很大差距的，如當(dāng)前使用得較多的節(jié)能型爐拱改造，目的是為了提高爐膛容積熱負(fù)荷，強(qiáng)化燃燒和提高鍋爐的出力。為了使煤燃燒得更加充分，節(jié)能型爐拱采取了降低前拱壓火高度、前延燃煤引火區(qū)，后拱則采取強(qiáng)化輻射和對(duì)流的方式。通過(guò)采取合理的拱形和尺寸以及前后拱的最佳配合，可以使低品質(zhì)煤種充分燃盡，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。而有的企業(yè)為了提高出力，通過(guò)節(jié)能型爐拱改造來(lái)燃燒不相匹配的高品質(zhì)煤種，這就大大強(qiáng)化了燃煤的前期燃燒，造成引火區(qū)太前、主燃區(qū)燃燒過(guò)猛。由于引火太前燒到煤閘門，燃燒區(qū)域集中在鍋爐中前部，在爐排中部的燃燒層中存在著還原區(qū)，不斷產(chǎn)生還原性氣體，在復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)作用下降低了煤灰的灰熔點(diǎn)溫度，以至造成過(guò)熱結(jié)焦并產(chǎn)生惡性循環(huán)，給鍋爐的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患[5-6]。

1.4.2 加裝尾部余熱利用設(shè)備造成的結(jié)焦

在鍋爐尾部煙道加裝余熱利用設(shè)備，如空氣預(yù)熱器，可提高鍋爐的給風(fēng)溫度，降低空氣的密度，提高空氣通過(guò)爐排時(shí)的速度，但卻變相造成單位體積含氧量的減少，在鍋爐配風(fēng)不良的情況下會(huì)造成爐內(nèi)局部缺氧，產(chǎn)生還原性氣體，降低煤灰的灰熔點(diǎn)溫度，從而引起結(jié)焦。同時(shí)更多的灰渣被吹起，也增加了鍋爐結(jié)焦的傾向。提高鍋爐的給風(fēng)溫度，提高爐膛的理論燃燒溫度并強(qiáng)化爐膛的輻射傳熱，有可能造成超溫引起鍋爐結(jié)焦。加裝尾部余熱利用設(shè)備后，除了余熱設(shè)備自身的阻力外，還由于鍋爐改造后鍋爐房后部剩余空間的減少，導(dǎo)致煙道出現(xiàn)一些急轉(zhuǎn)彎，這就會(huì)大大增加煙氣流阻。煙氣比較容易在低溫受熱面中造成積灰，且缺乏足夠有效的清灰措施。流阻增大后，引風(fēng)機(jī)的吸力相對(duì)變小，進(jìn)一步加劇了受熱面積灰的程度，從而降低了爐內(nèi)受熱面的傳熱能力，使鍋爐無(wú)法維持在滿負(fù)荷下運(yùn)行，只好增加投煤量，于是引起爐膛出口煙溫進(jìn)一步提高。引風(fēng)機(jī)吸力變小，爐膛造成正壓燃燒，會(huì)造成爐膛局部缺氧。在高溫和缺氧的雙重條件下，灰渣更容易粘結(jié)在受熱面上造成結(jié)焦，形成惡性循環(huán)，導(dǎo)致一系列鍋爐惡性事故發(fā)生。

1.4.3 鍋爐燃料的改變

由于煤價(jià)持續(xù)上漲和環(huán)境保護(hù)的因素，對(duì)燃煤鍋爐的煙氣排放要求越來(lái)越嚴(yán)格，越來(lái)越多的鍋爐使用生物質(zhì)燃料。生物質(zhì)燃料中由于含有較高的堿金屬成分，生物質(zhì)的灰熔點(diǎn)較低，密度小、揮發(fā)分高，特別是木屑或稻殼等粉碎性燃料燃燒時(shí)燃料處于懸浮狀態(tài)，燃燒主要在爐膛空間進(jìn)行。根據(jù)我國(guó)工業(yè)鍋爐專家的推薦，層燃鍋爐的爐膛容積熱負(fù)荷一般為230～350 kW/m3，而小型室燃鍋爐的爐膛容積熱負(fù)荷一般為140～260 kW/m3[7]，這樣同一臺(tái)層燃鍋爐在同樣負(fù)荷條件下改為室燃鍋爐，其爐膛容積熱負(fù)荷要比推薦值大一倍左右，結(jié)果必然造成爐膛溫度升高，導(dǎo)致?tīng)t膛結(jié)焦。結(jié)焦后爐膛容積更小，爐膛溫度更高，形成惡性循環(huán)。

1.5 運(yùn)行管理不當(dāng)

鍋爐的管理人員和運(yùn)行操作人員的技術(shù)水平對(duì)鍋爐安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。有的鍋爐為了提高出力，鍋爐管理人員就采用高品質(zhì)的煤代替設(shè)計(jì)煤種，以提高鍋爐爐膛溫度，但由于鍋爐配風(fēng)等沒(méi)有隨之改變，這樣在高溫和還原性氣氛的條件下就容易造成鍋爐嚴(yán)重結(jié)焦。如果司爐人員技術(shù)水平低，沒(méi)有根據(jù)煤種、鍋爐負(fù)荷等因素的變化而改變鍋爐的配風(fēng)，也容易造成鍋爐結(jié)焦。

2 案例分析

2.1 典型案例

某造紙廠一臺(tái)SZL6-1.25-AⅡ鏈條爐1996年投入生產(chǎn)。在多年的運(yùn)行過(guò)程中，長(zhǎng)期存在排煙溫度高的問(wèn)題，溫度高達(dá)265℃，爐內(nèi)有輕微的結(jié)焦。由于采用冷凝水作為鍋爐的給水，省煤器損壞也沒(méi)有引起企業(yè)的重視。為了降低排煙熱損失，在爐膛出口處加裝了熱管式空氣預(yù)熱器，運(yùn)行三天后發(fā)現(xiàn)鍋爐開(kāi)始結(jié)焦，一周后發(fā)現(xiàn)鍋爐爐內(nèi)大量結(jié)焦，鍋爐排煙溫度持續(xù)升高，溫度高達(dá)296℃，鍋爐出力低，無(wú)法滿足企業(yè)供汽要求，企業(yè)被迫停產(chǎn)。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)下列問(wèn)題：

（1）鍋爐煤閘門、前中部側(cè)密封塊等燒損嚴(yán)重，側(cè)密封塊變形后與爐排摩擦造成爐排運(yùn)轉(zhuǎn)困難。

（2）鍋爐爐膛左右兩側(cè)水冷壁結(jié)焦，平均厚度30～50 mm，前拱有大塊結(jié)焦，高度為450 mm，爐膛四周均有20 mm左右的結(jié)焦和積灰。爐膛內(nèi)、對(duì)流換熱區(qū)、煙道出口等處大量積灰，煙氣流道堵塞嚴(yán)重。

（3）引風(fēng)機(jī)噪音變大，振動(dòng)加劇，引風(fēng)電流增大。

（4）鍋爐補(bǔ)給水為冷凝水，水溫92℃，加裝熱管式空氣預(yù)熱器后，鍋爐給風(fēng)溫度高達(dá)152℃，與鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)的給水和給風(fēng)溫度嚴(yán)重不符。

2.2 原因分析

根據(jù)分析可知，造成鍋爐嚴(yán)重結(jié)焦大致有以下幾個(gè)方面的原因：

（1）該鍋爐改造前一直處于滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，由于生產(chǎn)需要，燃用了高品質(zhì)的燃煤，與設(shè)計(jì)時(shí)的煤種不符。經(jīng)角錐法測(cè)量燃煤的灰熔點(diǎn)，灰熔點(diǎn)溫度為1296℃，結(jié)焦程度中等。

（2）加裝了熱管式空氣預(yù)熱器后，改善了燃料的著火條件和燃燒過(guò)程，提高了爐膛理論燃燒溫度并強(qiáng)化了爐膛的輻射傳熱，使鍋爐前中部燃燒過(guò)猛而后部相對(duì)較弱，高溫引起爐內(nèi)大量結(jié)焦。

（3）鍋爐給風(fēng)溫度與設(shè)計(jì)時(shí)相比提高了132℃，空氣密度由20℃的1.29 kg/m3降低到152℃的0.89 kg/m3，空氣的密度下降了31%，含氧量也相對(duì)減小，在還原性氣氛的條件下煤灰發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，降低了煤灰的灰熔點(diǎn)。給風(fēng)溫度的提高，使給風(fēng)體積膨脹了31%，提高了給風(fēng)通過(guò)爐排時(shí)的速度，增加了爐膛中被吹起的飛灰的總量，改變了爐膛空氣的分布[8]。

（4）鍋爐的補(bǔ)給水采用冷凝水，溫度高達(dá)92℃，與設(shè)計(jì)不符。

（5）鍋爐的改造方案未經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的論證和研究，特別是鍋爐給風(fēng)的改造，嚴(yán)重脫離了原有的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，改變了熱力平衡，為追求經(jīng)濟(jì)效益而忽視了鍋爐的安全運(yùn)行。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析和研究，找到了問(wèn)題的癥結(jié)，并采取了如下措施：修復(fù)損壞的省煤器；加裝二次風(fēng)；加強(qiáng)擾動(dòng)和燃燒，使鍋爐產(chǎn)生的還原性氣體充分燃燒；嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)時(shí)的煤種要求采購(gòu)燃煤；加大引風(fēng)機(jī)的功率，采取有效措施定期除灰；合理控制爐膛的溫度和煙氣中的含氧量，防止鍋爐結(jié)焦。此外，冷凝水的回收和熱管式空氣預(yù)熱器的使用，也節(jié)約了大量的能源。

3 結(jié)語(yǔ)

燃煤鏈條爐排工業(yè)鍋爐結(jié)焦是普遍存在的問(wèn)題，本文分析了鍋爐結(jié)焦的原因。預(yù)防鍋爐結(jié)焦的措施有如下幾方面：對(duì)燃煤品質(zhì)嚴(yán)格把關(guān)；進(jìn)行合理的配風(fēng)；加強(qiáng)司爐人員技能培訓(xùn)；根據(jù)負(fù)荷大小合理調(diào)控煤層厚度和煙氣含氧量。此外，對(duì)鍋爐的節(jié)能改造要加強(qiáng)論證，要經(jīng)過(guò)合理的分析計(jì)算，這樣才能防止結(jié)焦，確保鍋爐的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

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Analysis on Slagging in Coal-fired Chain Grate Industrial Boilers

Lu Jianguo Huang YiXie Qiqiang

Coal-fired chain grate industrial boilers general present slagging and other issues.The paper lists several common causes of slagging in boilers,and analyzes and discusses the causes combining practical experience.

Coal-fired chain grate;Industrial boilers;Slagging;Energy saving

TK 22

*陸建國(guó)，男，1967年生，工程師。蘇州市，215400。

2012-04-20）