燃用新疆準(zhǔn)東煤鍋爐防結(jié)渣設(shè)計(jì)

趙國(guó)柱，黃 羽，杜永安

(吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130022)

近年來，準(zhǔn)東地區(qū)煤炭資源勘探工作進(jìn)展較快，已探明的煤炭資源具有相當(dāng)規(guī)模。準(zhǔn)東煤田東西長(zhǎng)220 km，南北寬60 km，預(yù)測(cè)資源量39×1010t，通過地質(zhì)勘探已探明資源量18.36×1010t，主要以煙煤為主。新疆國(guó)信準(zhǔn)東工程建設(shè)2×660 MW超臨界間接空冷燃煤機(jī)組，燃用準(zhǔn)東煤，同步建設(shè)煙氣脫硫脫硝設(shè)施。由于該煤種屬于易結(jié)渣型，結(jié)渣是影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素，因此針對(duì)煤質(zhì)特性結(jié)合工程實(shí)際，進(jìn)行鍋爐防結(jié)渣設(shè)計(jì)具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 結(jié)渣的成因及危害

鍋爐結(jié)渣是十分復(fù)雜的物理化學(xué)過程，當(dāng)爐膛內(nèi)的溫度較高時(shí)，一部分灰已呈熔融或半熔融狀態(tài)，若這部分灰在到達(dá)受熱面前未得到足夠冷卻成為凝固狀態(tài)，而仍然具有較高粘結(jié)能力時(shí)，就容易粘附在受煙氣(火焰)沖刷的受熱面或爐墻上。因渣層熱阻較高，外表面溫度便升高，甚至達(dá)熔化狀態(tài)，這樣容易粘附熔融或半熔融狀態(tài)的灰粒和未燃盡的焦炭，使結(jié)渣不斷發(fā)展。另外，在燃燒過程中，煤中所含的易熔或易氣化的物質(zhì)(多系堿金屬化合物)迅速揮發(fā)，呈氣態(tài)進(jìn)入煙氣中，當(dāng)溫度降低時(shí)即凝結(jié)，粘附在受熱面或爐墻上，粘著其他顆粒，凝結(jié)在飛灰顆粒表面，成為熔融的堿化物膜，然后粘附在受熱面上形成初始結(jié)渣層，成為結(jié)渣繼續(xù)發(fā)展的條件。

結(jié)渣會(huì)引起過熱蒸汽、再熱蒸汽溫度升高，并導(dǎo)致過熱蒸汽、再熱蒸汽減溫水開大，甚至?xí)?dǎo)致汽水管爆破。使鍋爐出力降低，嚴(yán)重時(shí)造成被迫停爐，縮短鍋爐設(shè)備的使用壽命，排煙損失增大，鍋爐效率降低，引風(fēng)機(jī)消耗電量增加，對(duì)強(qiáng)制循環(huán)鍋爐水冷壁的熱偏差帶來不利影響。結(jié)渣易成灰渣大塊，使撈渣機(jī)、碎渣機(jī)運(yùn)輸困難，有時(shí)會(huì)過載跳閘，嚴(yán)重時(shí)使渣溝受堵，引起鍋爐不安全事件的發(fā)生。鍋爐的大渣塊掉落后，對(duì)水冷壁的安全造成很大威脅，加重了吹灰器負(fù)擔(dān)，增大了運(yùn)行維護(hù)量。

2 新疆準(zhǔn)東地區(qū)煤種特性分析

新疆準(zhǔn)東工程的鍋爐為單爐膛，П型布置、平衡通風(fēng)、一次中間再熱、前后墻對(duì)沖燃燒、尾部雙煙道，復(fù)合變壓運(yùn)行的660 MW超臨界鍋爐。燃用煤種特性見表1。

表1 準(zhǔn)東工程的燃用煤種特性

表1表明本工程燃用的煤種屬于易著火、易燃盡、易結(jié)渣、嚴(yán)重沾污、輕微磨損煤種。在設(shè)計(jì)時(shí)需要著重考慮爐膛的結(jié)渣和受熱面的沾污。

3 防結(jié)渣設(shè)計(jì)

3.1 采用前后墻對(duì)沖燃燒П型爐

對(duì)沖燃燒系統(tǒng)的燃燒器布置方式能夠使熱量輸入沿爐膛寬度方向均勻分布，并且具有良好的火焰形狀，可避免火焰沖刷水冷壁產(chǎn)生結(jié)渣。由于火焰不需要在爐膛形成旋轉(zhuǎn)火球，氣流沖刷水冷壁的機(jī)會(huì)較少。通過在側(cè)墻合理布置吹灰器，對(duì)可能受煙氣沖刷的水冷壁區(qū)域的積灰進(jìn)行有效吹掃，防止結(jié)渣。低NOx旋流燃燒器獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可有效避免單個(gè)燃燒器區(qū)域的結(jié)渣。

3.2 合理選擇爐膛熱力指標(biāo)和爐膛結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用合理的爐膛斷面積和爐膛容積，控制較低的爐膛容積熱負(fù)荷和斷面熱負(fù)荷，在保證著火和燃燒完全的前提下，適當(dāng)降低爐膛溫度水平，減小爐膛內(nèi)結(jié)渣的可能性。在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)負(fù)荷時(shí)，爐膛出口的平均煙氣溫度低于灰的初始變形溫度，有效避免對(duì)流受熱面出現(xiàn)結(jié)渣。鍋爐設(shè)計(jì)中保證沿爐膛寬度方向的對(duì)稱點(diǎn)上，爐膛出口煙氣溫度的偏差不大于50℃，防止?fàn)t膛出口煙氣溫度偏差引起的高溫受熱面沾污結(jié)渣。

3.3 合理布置燃燒器

燃燒系統(tǒng)采用前后墻對(duì)沖布置的雙風(fēng)旋流燃燒器，燃燒器數(shù)量合理，控制單只噴口熱功率，分散輸入熱量，消除煙氣旋轉(zhuǎn)，減少火焰沖刷水冷壁的幾率，有效防止結(jié)渣。

燃燒器前后墻對(duì)稱布置在爐膛的合理位置，燃燒器之間的間距及邊排燃燒器與側(cè)墻的距離布置合理，防止火焰相互干涉及沖刷側(cè)墻水冷壁;下排燃燒器到冷灰斗拐點(diǎn)的距離選取合理，避免火焰直接沖刷冷灰斗;選取合適的上排燃燒器至屏底距離，適當(dāng)控制屏底煙溫，避免屏底結(jié)渣和管屏沾污;燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮控制燃燒器燃料和空氣的分布，可有效保證沿整個(gè)爐膛寬度的均勻燃燒并防止還原區(qū)的形成，有效防止結(jié)渣;在燃燒器上部、中部布置側(cè)燃盡風(fēng)(貼壁風(fēng))，對(duì)爐膛上部側(cè)墻形成保護(hù)，防止燃燒器區(qū)域火焰上升擴(kuò)散的過程中沖刷水冷壁側(cè)而結(jié)渣。

3.4 優(yōu)化單個(gè)燃燒器

提高一次風(fēng)的動(dòng)量，確保煤粉氣流不在著火、燃燒的位置，不在噴口附近;降低二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度，確保單個(gè)燃燒器的火焰形狀不會(huì)擴(kuò)散太快和太大;減少燃燒器擴(kuò)錐的角度，控制單個(gè)燃燒器的火焰擴(kuò)散;優(yōu)化燃燒器的穩(wěn)燃齒環(huán)配置，減少燃燒器對(duì)高溫?zé)煔獾木砦突亓?，防止火焰過渡擴(kuò)撒。

3.5 通過數(shù)值模擬計(jì)算預(yù)測(cè)防結(jié)渣效果

通過利用三維數(shù)字模擬技術(shù)對(duì)工程鍋爐進(jìn)行預(yù)測(cè)，驗(yàn)證工程爐型選取、爐膛設(shè)計(jì)及燃燒器布置的合理性，爐內(nèi)煤粉的燃盡、爐內(nèi)火焰的偏斜、爐膛出口煙溫偏差分布等均達(dá)到了滿意的效果，有效解決了爐膛結(jié)渣問題。

3.6 其他防結(jié)渣措施

受熱面清潔的爐膛，水冷壁附近的煙氣受到足夠的冷卻使灰粒固化，有利于防止結(jié)渣。全面有效吹灰是防止結(jié)渣的重要手段，本工程鍋爐設(shè)計(jì)中在爐膛容易結(jié)渣的區(qū)域布置了足夠數(shù)量的吹灰器，可以有效地保證爐膛水冷壁的清潔。

另外根據(jù)燃燒器喉口尺寸，精確設(shè)計(jì)制造燃燒器噴口周圍的水冷壁彎管，使二者緊密結(jié)合，有效降低燃燒器喉口的表面溫度，防止單個(gè)燃燒器區(qū)域出現(xiàn)結(jié)渣。過熱器和再熱器管屏采用大橫向節(jié)距布置，以防止掛焦產(chǎn)生阻塞，獲得穩(wěn)定的吸熱。在有效吹灰的情況下，可防止發(fā)生受熱面的過度粘污。過熱器和再熱器管屏之間采用成熟可靠的定位滑動(dòng)塊結(jié)構(gòu)形式，防止管子出列變形引起的結(jié)渣。

4 結(jié)束語

本工程燃用煤種具有強(qiáng)結(jié)渣性和強(qiáng)沾污性，特別是受熱面的沾污和積灰會(huì)嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行。通過對(duì)鍋爐進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，改善燃燒器氣流結(jié)構(gòu)，降低旋流強(qiáng)度，使燃燒器噴口著火推遲，降低燃燒器噴口溫度，可有效控制結(jié)渣的產(chǎn)生，保證鍋爐能夠安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行。