鍋爐掉焦滅火的防治

郭曉峰

（華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453635）

1 概述

華電新鄉(xiāng)發(fā)電有限公司（以下簡稱新鄉(xiāng)發(fā)電公司）＃1，＃2鍋爐為超臨界壓力變壓運行直流鍋爐，單爐膛、一次中間再熱、尾部雙煙道采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、平衡通風、露天布置、選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝工藝、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π型布置燃煤鍋爐。自投運以來，2臺鍋爐掉焦影響燃燒問題突出，2014年以前每年都會發(fā)生鍋爐掉焦滅火事故，安全生產(chǎn)面臨較大壓力。通過對鍋爐掉焦現(xiàn)象及其規(guī)律的分析、總結(jié)，制訂了相應措施，取得了一定效果，但預防和控制鍋爐結(jié)焦、掉焦仍是運行中的一道難題。

2 鍋爐結(jié)焦的原因分析

結(jié)焦原因有2種，一種是灰渣顆粒隨著煙氣一起運動時，由于爐膛水冷壁受熱面吸熱，灰渣顆粒同煙氣一起被冷卻，若液態(tài)的渣粒在接近水冷壁或爐墻前已經(jīng)因溫度降低而凝固，則當渣粒附著在受熱面管壁上時會形成一層疏松的灰層，在運行中通過吹灰很容易被除掉；另一種是當爐膛內(nèi)溫度較高時，一部分灰渣顆粒已經(jīng)達到熔融或半熔融狀態(tài)，若這部分灰顆粒在接觸受熱面前未得到足夠冷卻至凝固狀態(tài)，具有較強的黏結(jié)能力，就容易黏附在受煙氣沖刷的受熱面或爐墻上，甚至達到熔化狀態(tài)，黏附熔融或半熔融狀態(tài)的灰顆粒和未燃盡的焦炭，不斷發(fā)展形成大面積結(jié)焦。

2.1 鍋爐設(shè)計參數(shù)的影響

新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐高87.00m，寬19.42m，深15.46m，設(shè)計的鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）工況下爐膛截面熱負荷和燃燒器區(qū)域面積熱負荷分別為5.48MW／m2和 1.83MW／m2。與國內(nèi)機組相比，如同區(qū)域、同類型的鶴壁豐鶴發(fā)電有限責任公司鍋爐截面熱負荷為4.68MW／m2，華能沁北電廠鍋爐截面熱負荷為5.10MW／m2，新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐的截面熱負荷和燃燒器區(qū)域面積熱負荷均偏高（見表1）。

由于新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐截面熱負荷偏高，當機組負荷超過500MW時，鍋爐燃盡風層觀火孔溫度可達1500℃，滿負荷時燃盡風層觀火孔溫度可達1 550℃，該溫度已超過河南貧煤的灰熔點軟化溫度，甚至高于燃用煤種的灰熔點流動溫度，所以新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐結(jié)焦原因?qū)儆谏鲜龇诸愔械牡?種，同時因鍋爐設(shè)計高度偏高、下部密封采用水密封方式，鍋爐掉大焦后對爐膛燃燒影響較大。

2.2 煤種的影響

表1 新鄉(xiāng)公司鍋爐與國內(nèi)其他大型機組鍋爐熱負荷的對照表

結(jié)焦受灰質(zhì)的組成成分和熔化溫度影響，所以燃用煤種的煤質(zhì)對電廠鍋爐的結(jié)焦影響巨大?？捎没胰埸c溫度及灰的主要成分來判斷煤灰的結(jié)渣指標，通?？捎没页煞种械拟}酸比、硅鋁比、鐵鈣比及硅值來判斷其結(jié)焦傾向，用Na2O的質(zhì)量分數(shù)可以判斷其沾污性和黏結(jié)指數(shù)。

新鄉(xiāng)發(fā)電公司＃1，＃2鍋爐設(shè)計煤種的灰熔點軟化溫度要求高于1500℃，Na2O質(zhì)量分數(shù)僅為0.7%，屬于高灰熔點、弱黏結(jié)指數(shù)煤種。而實際入爐煤受多種因素影響，如設(shè)計煤種供應緊張、采購不足等原因，直接燃用設(shè)計煤種可能性較小。新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐的燃煤主要以摻配煤為主，煤質(zhì)參數(shù)可控難度較大，因此，從煤質(zhì)方面防治鍋爐結(jié)焦的重點就體現(xiàn)在煤摻配的合理性上。

新鄉(xiāng)發(fā)電公司對鍋爐集中掉焦的時間段進行了統(tǒng)計、分析，發(fā)現(xiàn)鍋爐頻繁掉焦期間燃用的煤種有以下3點共性：一是燃用了陜西區(qū)域的大同田錦界、隆德、陜煤化等煙煤，灰熔點一般在1200℃左右；二是燃用的入爐煤灰分在40%左右，低位發(fā)熱量低于18810 kJ／kg；三是入爐煤硫分偏高，鈣酸比偏高。機組高負荷時段多燃用了高揮發(fā)分煙混煤，由于入爐煤灰熔點對鍋爐結(jié)焦影響較大，所以鍋爐結(jié)焦與摻燒煙煤有直接關(guān)系，下層燃燒器摻燒煙煤與單燒貧煤的爐膛溫度對比見表2。

由表2可見，在機組不同負荷段，下層磨煤機摻配煙煤、貧煤與鍋爐單燒貧煤相比，鍋爐兩側(cè)燃燒器區(qū)域溫度明顯偏高，入爐煤揮發(fā)分偏高會造成爐膛溫度上升，當爐膛燃燒器區(qū)域溫度高于入爐煤灰熔點時，鍋爐燃燒器區(qū)域就會出現(xiàn)結(jié)焦。

2014年4月，新鄉(xiāng)發(fā)電公司改變?nèi)霠t煤摻配方式，以降低機組高負荷時段爐膛熱負荷、減少燃燒器周圍區(qū)域結(jié)焦為出發(fā)點，采用在機組高負荷時段降低入爐煤揮發(fā)分和熱值、提高入爐煤灰熔點的方式來控制鍋爐結(jié)焦。4月下層磨煤機僅在白班第2趟摻配煙煤，且不再摻配隆德煤（煙煤）與坡底煤（干燥無灰基揮發(fā)分為20%的次煙煤），改用揮發(fā)分相對偏低、灰熔點高的山西區(qū)域貧煤與隆德煤摻配，另外，坡底煤也只在中班第1趟摻配，其他時段下層磨煤機均燃用山西區(qū)域的適燒貧煤，中、上層磨煤機入爐煤開始摻燒低熱值的地銷河南煤，比前期入爐煤熱值降低約 2092 kJ／kg。

改變?nèi)霠t煤摻配方式后，在機組不同負荷段對爐膛溫度進行了測量、對比，通過數(shù)據(jù)可知，當入爐煤揮發(fā)分和熱值均比設(shè)計煤種高時，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度明顯偏高；當入爐煤揮發(fā)分與設(shè)計煤種相近，熱值降低近2508 kJ／kg時，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度與燃用設(shè)計煤種相比約降低20℃，變化幅度較?。辉跈C組負荷為410MW左右，入爐煤揮發(fā)分與設(shè)計煤種相近，熱值降低1254 kJ／kg左右時，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度與燃用設(shè)計煤種相比變化不明顯；機組負荷在450～480MW，入爐煤熱值與設(shè)計煤種相近、甚至略低的情況下，揮發(fā)分比設(shè)計煤種偏高3百分點，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度比燃用設(shè)計煤種時升高近50℃；機組負荷在510MW左右，揮發(fā)分與設(shè)計煤種相近，熱值降低約2074 kJ／kg時，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度與燃用設(shè)計煤種時相差并不明顯；機組負荷高于550MW，入爐煤揮發(fā)分和熱值與設(shè)計煤種均相近時，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度與燃用設(shè)計煤種時相差并不明顯，但與機組高負荷摻燒煙煤相比，爐膛溫度降低約50℃。

根據(jù)上述分析可知，與燃用設(shè)計煤種相比，當入爐煤熱值降低2 074 kJ／kg以內(nèi)時，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度相差不明顯，當入爐煤揮發(fā)分上升3百分點時，爐膛兩側(cè)觀火孔處火焰溫度將會出現(xiàn)明顯上升。自2014年4月開始，新鄉(xiāng)發(fā)電公司在白天機組高負荷段入爐煤選用貧煤摻配，僅在夜班低負荷時段（50%負荷率）考慮采取預防鍋爐掉焦的穩(wěn)燃措施，下層磨煤機采用煙煤與貧煤摻配的方式，其他時段各層燃燒器均燃用干燥無灰基揮發(fā)分在15%左右、灰熔點高（高于1 500℃）的貧瘦煤，鍋爐掉焦現(xiàn)象明顯好轉(zhuǎn)。

2.3 燃燒調(diào)整的影響

表2 下層燃燒器摻燒煙煤與單燒貧煤的爐膛溫度對比

2014年3月，＃1機組負荷高于400MW時進行三次風開度的調(diào)整試驗，分別將燃燒器三次風門開度由60%調(diào)整為70%，80%，90%及100%，測量了對應開度下A，B，D層燃燒器兩側(cè)觀火孔處爐膛火焰溫度及燃燒器二次風口管壁溫度。試驗結(jié)果顯示，爐膛兩側(cè)觀火孔煙氣溫度隨著三次風門開度的增加略呈上升趨勢，下層燃燒器著火點距離也小幅度增加，這會降低燃燒器區(qū)域熱負荷，緩解燃燒器噴口結(jié)焦。

自2014年4月開始，新鄉(xiāng)發(fā)電公司適當降低了中、夜班的入爐煤熱值，機組低負荷期間磨煤機運行臺數(shù)由3臺改為4臺，合理調(diào)整磨煤機出力，降低投運單個燃燒器的熱負荷，均衡燃燒器區(qū)域的溫度場，減少因下層磨煤機燃用煙混煤造成燃燒器的結(jié)焦量，鍋爐掉焦造成爐膛負壓波動的情況明顯好轉(zhuǎn)。

2014年5月，＃2鍋爐小修工作結(jié)束后，對＃2鍋爐進行了空氣動力場試驗，試驗數(shù)據(jù)與爐內(nèi)工況對比發(fā)現(xiàn)，當二次風箱壓力在0.40～0.65 kPa、三次風開度在45%～70%時，燃燒器的配風可有效組織氣流，達到良好的燃燒效果，超出上述范圍，煤粉氣流的著火就可能出現(xiàn)散亂飛邊，甚至造成鍋爐結(jié)焦。

此外，結(jié)焦還有以下原因：運行中煤粉過粗使其在爐膛內(nèi)燃燒不盡、燃燒器配風不合理、二次風量不足、三次風旋流強度不當、煤粉氣流的著火點位置距離水冷壁過近、雙進雙出磨煤機煤粉管的煤粉濃度不均勻、火焰偏斜到爐墻或水冷壁附近及吹灰或除焦不及時等。

3 鍋爐結(jié)焦的防治對策

3.1 煤場接、卸煤分層、分類堆放

合理堆放原煤是做好燃煤摻配、摻燒工作的關(guān)鍵，新鄉(xiāng)發(fā)電公司采購的煤種復雜，煤質(zhì)特性跨度較大，針對上述情況，在來煤接、卸時將相近特性的同類煤種按同一位置分層堆放，合理、有效地利用煤場存煤的有限空間，特性參數(shù)相差較大的不同類煤種采用不同區(qū)域分堆、分類堆放，便于摻配時精確取煤，滿足鍋爐不同層燃燒器的摻燒要求。

3.2 入爐煤分層、分煤種摻配

根據(jù)新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐的設(shè)計參數(shù)和設(shè)計煤種，入爐煤盡可能燃用貧煤，尤其在機組高負荷期間，不宜摻配高揮發(fā)分、低灰熔點的煤種，由于新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐燃燒器的布置方式為前、后墻3層對沖布置，爐膛熱負荷逐層上升，這就會對各層磨煤機的入爐煤品質(zhì)提出要求，下層E，F(xiàn)層磨煤機不宜摻配熱值低于18828 kJ／kg、揮發(fā)分低于15%的煤種，摻混后入爐煤加權(quán)計算低位發(fā)熱量不應低于20 083.2 kJ／kg，干燥無灰基揮發(fā)分范圍為 16% ～20%，這樣既能提高下層燃燒器穩(wěn)燃和抗干擾的能力，又能避免揮發(fā)分過高煤種提前著火燒壞鍋爐一次風管、燃燒器等設(shè)備；中層A，D層磨煤機不宜摻配灰熔點低于1350℃、揮發(fā)分高于20%的煤種，摻混后入爐煤加權(quán)計算揮發(fā)分應在15%～18%、低位發(fā)熱量不應低于18 828 kJ／kg。由于中層燃燒器區(qū)域爐內(nèi)溫度高（1400℃左右），若摻入灰熔點較低的煤種很容易在此區(qū)域結(jié)焦，若摻入揮發(fā)分高于20%的煤種，煤粉氣流容易提前著火，造成該區(qū)域爐內(nèi)溫度場過高而發(fā)生結(jié)焦；上層B，C層磨煤機不宜摻配揮發(fā)分低于11%的貧瘦煤或無煙煤，摻混后加權(quán)計算低位發(fā)熱量不低于18409.6 kJ／kg，干燥無灰基揮發(fā)分應在13%～16%。該層燃燒器區(qū)域爐內(nèi)溫度雖然較高（1500℃左右），但由于該層燃燒器區(qū)域距屏式過熱器區(qū)域較近，煤粉氣流燃盡時間短，若有揮發(fā)分過低的煤種摻入，勢必會造成未燃盡煤粉在屏式過熱器區(qū)域燃燒，容易造成屏式過熱器區(qū)域結(jié)焦。

3.3 改變鍋爐燃燒工況進行擾動除焦

為防止鍋爐結(jié)焦后焦塊集中掉落，新鄉(xiāng)發(fā)電公司設(shè)法使已經(jīng)形成的焦塊分散掉落，采用鍋爐燃燒擾動除焦的操作方式改變結(jié)焦區(qū)域的溫度場變化，達到爐內(nèi)焦塊可控、分散掉落的目的。通過長時間試驗，發(fā)現(xiàn)通過擾動除焦可有效減少鍋爐集中掉焦。

擾動除焦通常有以下4種方法。

（1）變負荷擾焦法。如機組負荷持續(xù)較高，接到機組減負荷命令后，可利用機組降負荷機會，快速停運1臺上層磨煤機，爐膛熱負荷短時間內(nèi)快速下降，促使爐膛結(jié)焦部分掉路。

（2）吹掃煤粉管擾焦法。機組負荷高于400MW時，關(guān)閉磨煤機煤粉關(guān)斷門，并利用清掃風進行吹掃，降低燃燒器區(qū)域溫度，使燃燒器區(qū)域結(jié)焦掉落。

（3）變風量擾焦法。停運上層燃燒器，打開上層燃盡風和二次風門，使鍋爐組織配風發(fā)生變化，改變爐內(nèi)的燃燒工況，促使鍋爐結(jié)焦掉落。

（4）切換制粉系統(tǒng)擾焦法。機組負荷高于400 MW時，通過切換磨煤機，改變鍋爐局部受熱面的吸熱量，從而達到脫焦的目的。

4 提高鍋爐穩(wěn)燃能力的措施

新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐的燃燒器為前后墻對沖式布置，實際運行中發(fā)現(xiàn)，在低負荷時，對沖燃燒式鍋爐的穩(wěn)燃對底火要求較高，對各燃燒器的著火支撐依賴性較強。另外，新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐下部密封采用水封方式，除渣系統(tǒng)選用水浸式刮板撈渣機，當鍋爐掉焦時，由于瞬間產(chǎn)生的蒸汽會對鍋爐底火燃燒造成一定程度的破壞性沖擊，因此，保證下層燃燒器著火工況、提高其著火的抗干擾能力是鍋爐穩(wěn)燃的關(guān)鍵。提高燃燒器著火穩(wěn)燃能力主要是控制燃燒器的著火距離。

根據(jù)新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐的設(shè)計特性，下層燃燒器著火工況是鍋爐穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)。新鄉(xiāng)發(fā)電公司鍋爐燃用貧煤溫度達700℃以上時可正常著火，根據(jù)此特點，通過下層燃燒器安裝的少油點火裝置看火孔，將熱電偶測溫元件深入到燃燒器中心測量煤粉氣流的溫度，將煤粉氣流達到700℃的位置判斷為著火點，煤粉氣流的著火點距離燃燒器口的遠近程度可以直觀反映出燃燒器的著火穩(wěn)定性。

經(jīng)過多次測量及分析，新鄉(xiāng)發(fā)電公司總結(jié)出了＃1，＃2鍋爐下層燃燒器煤粉氣流的著火點對鍋爐燃燒穩(wěn)定性的影響：當煤粉氣流的著火點與燃燒器噴口的距離小于30 cm時，燃燒器噴口區(qū)域溫度達800℃以上，這會造成燃燒器燒損；當煤粉氣流的著火點與燃燒器噴口的距離在30～70 cm時，鍋爐燃燒穩(wěn)定，抗干擾能力較強，鍋爐掉焦后爐膛負壓、火檢信號波動較小，不會對鍋爐燃燒造成影響，可作為燃燒調(diào)整時控制煤粉氣流著火的最佳距離；當煤粉氣流的著火點與燃燒器噴口的距離在70～110 cm時，鍋爐掉大焦后，爐膛壓力變化幅度較大，火檢信號波動大，抗干擾能力下降；當煤粉氣流的著火點與燃燒器噴口的距離在110 cm以上時，如出現(xiàn)鍋爐掉大焦，容易造成鍋爐掉焦滅火，燃燒調(diào)整時應避免煤粉氣流在該區(qū)域著火。

5 結(jié)論

掌控入爐煤的煤質(zhì)參數(shù)和特性是防止鍋爐結(jié)焦的主要手段，燃煤摻配要將鍋爐的設(shè)計特性和設(shè)計煤種的煤質(zhì)參數(shù)作為重要依據(jù)，根據(jù)爐膛熱負荷的分布情況合理摻配煤，鍋爐截面熱負荷及燃燒器區(qū)域熱負荷偏高的鍋爐不宜摻燒低灰熔點煤種，特別是中、上層燃燒器區(qū)域。同時，鍋爐燃燒調(diào)整對鍋爐結(jié)焦也有重要影響，控制一次風速、二次風量和風壓、三次風旋流強度在合理范圍內(nèi)，不僅可有效減少鍋爐結(jié)焦，而且可提高鍋爐的穩(wěn)燃能力。