三廢混燃流化床鍋爐結(jié)焦的原因分析及預(yù)防措施

高 紅 鄧洪遠(yuǎn)

(安徽三星化工有限責(zé)任公司 安徽渦陽233610)

0 前言

安徽三星化工有限公司(以下簡稱三星化工公司)目前具備200 kt/a合成氨、330 kt/a尿素和100 kt/a聯(lián)產(chǎn)甲醇生產(chǎn)能力，共有18臺(tái)造氣爐(4臺(tái)Φ3 600 mm和14臺(tái)Φ2 600 mm/Φ2 800 mm錐形爐)。2004年建成1套Φ7 500 mm聯(lián)產(chǎn)熱電的3.85 MPa，35 t/h的吹風(fēng)氣系統(tǒng)，以回收4臺(tái)Φ3 600 mm 及3臺(tái)Φ2 600 mm造氣爐的吹風(fēng)氣；2008年底擴(kuò)產(chǎn)改造時(shí)，增加了6臺(tái)Φ2 800 mm錐形爐，故吹風(fēng)氣氣量增多，造成資源浪費(fèi)和環(huán)保壓力增大。根據(jù)三星化工公司的生產(chǎn)負(fù)荷，經(jīng)論證，決定新增1套60 t/h，3.85 MPa三廢余熱回收裝置，并入發(fā)電系統(tǒng)，不僅可節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，而且能取得經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 工藝流程

1.1 煙氣流程

造氣產(chǎn)生的廢渣、廢灰、廢氣和提氫后的合成放空氣及部分無煙煤末，同時(shí)在混燃爐內(nèi)燃燒，產(chǎn)生的高溫?zé)煔饨?jīng)組合式除塵器除塵后，依次進(jìn)入蒸汽過熱器、余熱鍋爐、省煤器、空氣預(yù)熱器、靜電除塵器，達(dá)到環(huán)保排放指標(biāo)的煙氣由引風(fēng)機(jī)送入煙囪放空。組合式除塵器的細(xì)灰由下部水封排出。

1.2 汽水流程

來自鍋爐崗位的除鹽除氧水經(jīng)給水泵提壓后進(jìn)入省煤器換熱，換熱后進(jìn)余熱鍋爐對流管束換熱汽化，再經(jīng)鍋筒汽水分離，飽和蒸汽經(jīng)蒸汽過熱器過熱，由主汽閥輸出，供汽輪機(jī)使用。

2 鍋爐結(jié)焦的主要原因

2.1 煤質(zhì)特性

結(jié)焦的先決條件是煤中的灰熔化，而各種不同的煤，其灰的熔化溫度相差很大，此溫度又稱灰熔點(diǎn)。煤的灰熔點(diǎn)有3個(gè)特性溫度，即變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)及流動(dòng)溫度(FT)，煤質(zhì)的結(jié)焦性一般以ST作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

煤中灰分(以下簡稱煤灰)的熔融性是判斷鍋爐結(jié)焦的主要因素之一。實(shí)際上，影響煤灰熔融性的因素是多方面的。

(1)煤的化學(xué)組成，即酸性氧化物(如SiO2，Al2O3和TiO3等)和堿性氧化物(如Fe2O3，CaO，MgO，Na2O和K2O等)。煤灰中酸性組分增加，會(huì)使灰熔點(diǎn)提高，當(dāng)酸性組分超過80%～85%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，煤灰往往是難熔的；相反，煤灰中堿性金屬氧化物增加，則會(huì)使灰熔點(diǎn)下降。實(shí)際上，煤灰是多種化合物的混合物，在燃燒時(shí)將結(jié)合為熔點(diǎn)更低的共晶體。

(2)煤灰周圍介質(zhì)的性質(zhì)對煤灰的熔融性有較大的影響。當(dāng)煤處于氧化性介質(zhì)中時(shí)，煤灰中的鐵呈氧化狀態(tài)(Fe2O3)，熔點(diǎn)較高。但在還原性和半還原性氣氛中，F(xiàn)e2O3可被還原為FeO，并可能與其他氧化物形成共熔體，熔點(diǎn)隨鐵量的增加而迅速下降。因此，煤灰周圍的介質(zhì)不同，會(huì)使煤的灰熔點(diǎn)升高或降低200～300 ℃。

(3)灰熔點(diǎn)還與煤灰的含量有關(guān)，在其他條件相同的情況下，煤灰含量不同，灰熔點(diǎn)也會(huì)發(fā)生變化。這是因?yàn)樵诩訜徇^程中，煤灰中各組分相互接觸越頻繁，產(chǎn)生化合、分解、助熔的機(jī)會(huì)也越多，則降低灰熔點(diǎn)的可能性也越大。

在實(shí)際運(yùn)行中，可根據(jù)灰渣的顏色判斷熔融性。灰渣越紅，表示其中Fe2O3含量越高，灰熔融性越低，一般灰渣紅色較明顯時(shí)的ST<1 350 ℃；若灰渣呈白色，ST>1 250 ℃；煤灰中CaO達(dá)到20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，則ST通常在1 250 ℃左右，有的甚至低于1 150 ℃。

煤的ST隨著其中的Al2O3含量增加而升高：Al2O3>20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，ST>1 250 ℃；Al2O3>30%時(shí)，ST>1 350 ℃；Al2O3>45%時(shí)，ST>1 400 ℃。

煤灰中的SiO2能與灰中其他組分共熔而使灰熔點(diǎn)降低，SiO2>40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，由于灰中已存在部分SiO2單體，會(huì)使ST升高約100 ℃；SiO2在40%～60%時(shí)，SiO2對ST影響不明顯。

由于煤灰中的CaO與SiO2可形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，從而使灰熔點(diǎn)降低。CaO>35%時(shí)，由于出現(xiàn)單體CaO，使灰熔點(diǎn)升高；MgO，TiO3，K2O和Na2O都是降低熔點(diǎn)的組分，但它們的含量較少，影響也較小。

煤灰中的Fe2O3是能降低灰熔點(diǎn)的組分，灰中的鐵，由于在不同氣氛下的存在形態(tài)不同，所以ST也不同。在強(qiáng)還原性氣氛下，灰中的鐵以元素形態(tài)存在，其ST為1 530 ℃左右；在強(qiáng)氧化氣氛下，鐵以Fe2O3的形態(tài)存在，ST為1 560 ℃左右；在弱還原性氣氛下，以FeO存在，ST為1 420 ℃左右。當(dāng)煤灰中Fe2O3<20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，每增加1% Fe2O3，ST降低18 ℃。

根據(jù)上述關(guān)系，一般可作如下判斷：Al2O3/(CaO +Fe2O3)(質(zhì)量比，下同)>4.0的煤，ST>1 400 ℃；Al2O3/(CaO +Fe2O3)>5.7的煤，ST>1 500 ℃；Al2O3/(CaO +Fe2O3)<1.0的煤，ST<1 300 ℃。

2.2 爐膛內(nèi)溫度

爐膛內(nèi)溫度越高，飛灰就越容易達(dá)到軟化狀態(tài)或熔融狀態(tài)，產(chǎn)生結(jié)焦的可能性也越大；另外，煤粉中易揮發(fā)的物質(zhì)氣化越強(qiáng)烈越易結(jié)焦。具體表現(xiàn)：①爐膛內(nèi)溫度高，將使煤中一些易揮發(fā)的堿性氧化物氣化或升華(1 400 ℃以上)，使堿金屬化合物在受熱面上凝結(jié)而形成致密的強(qiáng)黏結(jié)性的灰；②在初始灰層中形成產(chǎn)生低熔點(diǎn)復(fù)合硫酸鹽反應(yīng)的條件，能使含有堿性化合物的積灰外表層黏結(jié)性增強(qiáng)，加速積灰過程；③煤灰呈熔化或半熔化狀態(tài)時(shí)，熔融灰會(huì)直接黏在受熱面上，形成嚴(yán)重的結(jié)渣層。

若流化床層溫度(簡稱床溫)低于800 ℃，雖采取了增煤、減風(fēng)措施，床溫仍然下降，鍋爐有熄火的可能。此時(shí)需注意空氣富余量，如果富余量偏大，應(yīng)進(jìn)一步減少空氣加入量，但要保持正常流化；如果富余量偏小，應(yīng)立即停止加煤，適當(dāng)增大空氣加入量；如床溫仍然下降并低于600 ℃，可投油槍助燃，并密切注意床溫變化，如床溫急劇升高并超過700 ℃，可停油槍；如床溫超過1 050 ℃，雖然加大了空氣量，床溫仍急劇升高，應(yīng)立即停爐；如床溫達(dá)1 100 ℃，采取加風(fēng)、減煤措施后，床溫仍繼續(xù)上升，應(yīng)停爐并關(guān)嚴(yán)所有排煙閥，待床溫降低后，檢查床內(nèi)結(jié)焦?fàn)顩r，如焦塊多，應(yīng)清除焦塊并重新更換底料后再重新啟動(dòng)鍋爐。

2.3 鍋爐內(nèi)空氣動(dòng)力場

三星化工公司的三廢混燃流化床鍋爐由于風(fēng)帽安裝角度不正和配風(fēng)不合理，導(dǎo)致鍋爐內(nèi)空氣動(dòng)力場不良，造成偏離燃燒中心，使高溫?zé)煔鉀_刷水冷壁面，熔渣在未凝固前接觸壁面而結(jié)焦。

3 鍋爐結(jié)焦的危害

鍋爐結(jié)焦不但增加了鍋爐運(yùn)行和檢修的工作量，嚴(yán)重影響汽輪發(fā)電機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，甚至可能被迫停爐。其危害性具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)降低鍋爐出力。水冷壁結(jié)焦時(shí)，吸熱量減少，使蒸發(fā)量下降。為保持蒸發(fā)量不變，就必須增加燃料量和空氣加入量，這一方面會(huì)使?fàn)t膛出口煙氣溫度和過熱蒸汽溫度升高，另一方面也使送、引風(fēng)量增加。由于送、引風(fēng)等通風(fēng)設(shè)備容量有限，可能引起風(fēng)量不足而被迫降低鍋爐出力。

(2)降低鍋爐的熱效率。受熱面出現(xiàn)結(jié)焦時(shí)，由于渣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，導(dǎo)致工質(zhì)吸熱減少，煙氣溫度升高，增加排煙的顯熱損失；燃燒室出口結(jié)渣，堵塞通道，導(dǎo)致鍋爐通風(fēng)不暢，會(huì)造成煤粒未完全燃燒而增加其潛熱損失。

(3)損壞設(shè)備、造成事故。爐內(nèi)結(jié)焦后，爐膛出口煙氣溫度升高，使過熱蒸汽溫度上升，且結(jié)焦會(huì)造成熱偏差，容易引起過熱蒸汽管道超溫破裂；爐膛上部結(jié)焦時(shí)，會(huì)導(dǎo)致爐膛熄火；焦塊掉落時(shí)，還可能砸壞水冷壁或堵塞出渣機(jī)，引發(fā)事故。

4 防止鍋爐結(jié)焦的主要措施

4.1 選擇合適煤種，控制燃煤質(zhì)量

煤質(zhì)發(fā)生變化，應(yīng)加強(qiáng)配煤管理，使煤質(zhì)達(dá)到鍋爐設(shè)計(jì)允許變化范圍內(nèi)。不同煤種摻燒能在一定程度上綜合所摻燒煤種的結(jié)焦特性，低灰熔點(diǎn)煤灰分仍在受熱面上沉積，但高熔點(diǎn)固態(tài)灰對受熱面有一定的沖刷作用，使沉積量減少，從而緩和及避免鍋爐結(jié)焦。

(1)入廠煤質(zhì)量控制。因三星化工公司的煤種是按照有關(guān)指標(biāo)進(jìn)行公開招標(biāo)，有時(shí)供應(yīng)商提供的煤種的質(zhì)量會(huì)有很大差別。因此，燃料煤進(jìn)廠時(shí)需嚴(yán)格把關(guān)，取樣人員按照《三星化工公司煤樣采取方法》采樣后，應(yīng)及時(shí)送至化驗(yàn)室進(jìn)行水分、揮發(fā)分、固定碳、灰分及焦結(jié)性等有關(guān)煤質(zhì)指標(biāo)化驗(yàn)，并在24 h內(nèi)出具化驗(yàn)報(bào)告；熱電分廠對新進(jìn)的煤種進(jìn)行試燒并提出意見；管理部門在綜合各方情況的基礎(chǔ)上，對提供不符合質(zhì)量合同規(guī)定的煤的供應(yīng)商進(jìn)行警告，甚至退煤和取消下次投標(biāo)資格，從而從源頭上把好燃料煤進(jìn)廠質(zhì)量關(guān)。

(2)入爐煤控制。對易結(jié)焦的入廠煤應(yīng)專門存放在煤場的指定地點(diǎn)，在每次上煤時(shí)與不易結(jié)焦的煤種按一定比例進(jìn)行摻配混合，工段長應(yīng)跟蹤混合煤種的燃燒情況并及時(shí)調(diào)整摻配比例。

4.2 加強(qiáng)運(yùn)行管理，提高操作水平

操作人員應(yīng)隨時(shí)對鍋爐結(jié)焦情況進(jìn)行監(jiān)視與檢查，發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重結(jié)焦情況及時(shí)匯報(bào)、處理；定期分析鍋爐運(yùn)行工況，對易結(jié)焦的燃料煤應(yīng)重點(diǎn)分析減溫水量的變化和爐膛出口溫度的變化規(guī)律以及過熱器管溫變化情況。鍋爐在額定工況運(yùn)行時(shí)，若發(fā)現(xiàn)減溫水量異常增大和過熱器壁超溫，應(yīng)適當(dāng)降低負(fù)荷運(yùn)行。熱電分廠應(yīng)防止負(fù)荷大幅度變化、鍋爐出現(xiàn)大焦塊而導(dǎo)致鍋爐熄火。做好燃燒調(diào)整工作主要從以下幾個(gè)方面入手。

(1)選擇合理的運(yùn)行氧量。如果鍋爐運(yùn)行氧量偏低，爐內(nèi)還原性介質(zhì)較強(qiáng)，煤的灰熔點(diǎn)就會(huì)下降，鍋爐容易結(jié)焦。因?yàn)榛胰埸c(diǎn)隨著含鐵量的增加而下降，當(dāng)爐內(nèi)過量空氣系數(shù)過低時(shí)，容易造成氧量不足，在爐內(nèi)出現(xiàn)還原性介質(zhì)，熔點(diǎn)較高的Fe2O3被還原為熔點(diǎn)較低的FeO，從而使煤的灰熔點(diǎn)大幅降低；且FeO最容易與灰渣中的SiO2形成低熔點(diǎn)的2FeO·SiO2(灰熔點(diǎn)約為1 065 ℃)，這大大增加了鍋爐結(jié)焦的可能性。

(2)采用各種運(yùn)行措施控制爐內(nèi)溫度水平?？商岣哌\(yùn)行中過量空氣系數(shù)、增強(qiáng)配風(fēng)的均勻性、防止局部熱負(fù)荷過高和局部產(chǎn)生還原性介質(zhì)等措施來控制爐內(nèi)溫度水平，必須嚴(yán)禁長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行。若鍋爐高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，特別是超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐膛熱負(fù)荷增大、溫度升高，灰粒得不到冷卻，在爐膛和煙道角落以及轉(zhuǎn)彎處易形成積灰，如不及時(shí)采取吹灰清焦措施，熔融軟化的灰粘結(jié)在這些區(qū)域時(shí)會(huì)形成大面積結(jié)焦。防止超負(fù)荷運(yùn)行需從控制給煤量、給水量、送風(fēng)量、引風(fēng)量和調(diào)整燃燒工況以及負(fù)荷過大時(shí)應(yīng)及時(shí)投用備用爐等方面加以落實(shí)。

(3)選擇合理的爐膛出口煙氣溫度。對爐膛出口煙氣溫度進(jìn)行在線監(jiān)視，在保證鍋爐主參數(shù)合格的前提下，建立在線的優(yōu)化運(yùn)行指導(dǎo)系統(tǒng)；通過合理調(diào)節(jié)一次風(fēng)和二次風(fēng)的運(yùn)行風(fēng)門開度及運(yùn)行氧量，在保證主參數(shù)合格和爐膛出口煙氣溫度低于燃煤灰熔點(diǎn)的同時(shí)來保證蒸汽質(zhì)量，從而防止?fàn)t膛出口處結(jié)焦。

(4)建立合理而良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場，保證空氣與燃料煤混合良好。運(yùn)行中，灰渣在撞擊爐壁時(shí)若仍保持軟化或熔化狀態(tài)，則易黏附于爐壁上形成結(jié)焦，因此，必須保證負(fù)壓燃燒并保持燃燒中心適中。若爐膛漏風(fēng)，則會(huì)破壞正常的燃燒工況，造成火焰的充滿度和攪拌混合情況惡化，火焰中心升高或偏斜，會(huì)加速結(jié)焦的形成。

(5)加強(qiáng)吹灰，及時(shí)除焦。運(yùn)行中，受熱面上積聚一些飛灰是難免的，若不及時(shí)清除，積灰后的受熱面變得粗糙，當(dāng)有黏性的灰粒撞擊其表面時(shí)很容易在上面形成結(jié)焦，因此，鍋爐受熱面應(yīng)定期吹灰，防止受熱面積灰后影響傳熱；運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)結(jié)焦時(shí)，應(yīng)及時(shí)清除，防止繼續(xù)惡化。

4.3 進(jìn)行技術(shù)改造，采用先進(jìn)工藝

(1)對鍋爐受熱面進(jìn)行改造。實(shí)際運(yùn)行中，根據(jù)受熱面情況，利用藍(lán)泥技術(shù)在爐膛四周制作間隔不等的防磨裙帶。防磨裙帶的施工高度為100 mm，并將防磨裙帶延伸至爐膛稀相區(qū)，使自由下滑的燃燒顆粒的正常運(yùn)行軌跡受到防磨裙帶的多重?cái)r截作用而重新被卷入爐膛中央燃燒區(qū)，有效保護(hù)管壁。

在空氣預(yù)熱器之后設(shè)置省煤器，不僅提高了給水溫度，而且可將排煙溫度降至設(shè)計(jì)值(150 ℃左右)，以提高鍋爐效率，并大幅改善鍋爐的結(jié)焦性，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

(2)煤中添加除焦劑。除焦劑能通過化學(xué)的方法有效提高煤的灰熔點(diǎn)，破壞煤灰的黏結(jié)性，改變焦渣的物理狀態(tài)與化學(xué)反應(yīng)性能，使焦渣變酥軟易粉化，從而達(dá)到減少或防止結(jié)焦的目的。除焦劑添加方法：可將溶解于水中的除焦劑連續(xù)、均勻、微量地加至給煤機(jī)內(nèi)的入爐煤上，也可采用加藥器直接噴入爐膛高溫區(qū)或焦塊上。

(3)通風(fēng)分布器改造。風(fēng)帽安裝角度不正或配風(fēng)不合理會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況不良，造成燃燒切圓過大、燃燒中心偏離，使高溫?zé)煔鉀_刷水冷壁面及熔渣在未凝固前接觸壁面而結(jié)焦。將原設(shè)計(jì)布風(fēng)板風(fēng)帽的通風(fēng)孔孔徑由Φ3.0 mm擴(kuò)至Φ4.5 mm，確?？諝馀c燃料良好混合，避免在水冷壁附近形成還原性條件，防止鍋爐局部積灰、結(jié)焦。

5 結(jié)語

在實(shí)際操作運(yùn)行與管理中，通過大量數(shù)據(jù)分析，要從根本上解決鍋爐結(jié)焦問題的關(guān)鍵是適應(yīng)生產(chǎn)負(fù)荷率和煤種變化，對爐內(nèi)燃燒工況及時(shí)進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，嚴(yán)格防止燃料煤煤種偏離設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際有針對性地進(jìn)行工藝及設(shè)備改造，充分發(fā)揮新技術(shù)、新材料的優(yōu)勢。鍋爐結(jié)焦的防治工作是一項(xiàng)長期的任務(wù)，需要切實(shí)抓好日常管理工作。