狹縫式W火焰鍋爐翼墻上部結(jié)渣原因分析及消除

徐鵬志，劉鵬遠，高佳佳，黃建平，吳桂福，唐文

（1．華電電力科學研究院有限公司，浙江市 杭州市 310001；2．熱科學與動力工程教育部重點實驗室(清華大學熱能工程系)，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

W 火焰鍋爐是燃用低揮發(fā)分無煙煤的主力爐型[1-3]，適應我國難燃煤種占動力煤比例較大的特點，在國內(nèi)被廣泛應用[4-7]。因其特殊的燃燒組織方式和燃料特點，W火焰鍋爐下爐膛結(jié)渣問題普遍存在，并且是影響機組效率和安全運行的主要因素之一[8-10]。結(jié)渣會使受熱面熱阻變大，影響鍋爐經(jīng)濟性；另外爐膛內(nèi)大焦塊垮落時會引起爐內(nèi)負壓波動，甚至造成鍋爐滅火、設備損壞等嚴重影響機組安全運行的事件。因此分析爐內(nèi)結(jié)渣原因，采取對應的防治措施是十分必要的。

本文研究的600 MW超臨界W火焰鍋爐，長期存在下爐膛結(jié)渣的問題，出現(xiàn)過垮焦造成鍋爐熄火、撈渣機卡死、砸壞水冷壁管等運行事故。本文結(jié)合鍋爐實際情況，通過試驗研究的方式分析鍋爐下爐膛結(jié)渣的原因，并提出相應的解決辦法。

1 研究對象概況

1.1 鍋爐及燃燒器

本文研究對象為某600 MW超臨界W火焰鍋爐，采用一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、露天布置，爐膛采用帶有內(nèi)螺紋的低質(zhì)量流速垂直水冷壁。爐膛的高、深、寬分別為55.80、23.67、26.68 m，上爐膛深12.51 m，爐膛容積7 568 m3，在25.57 m爐拱處分為上、下2個部分。鍋爐具體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示。

鍋爐配備6臺雙進雙出磨煤機，燃燒器布置在拱部，前后墻各12只。采用旋風筒濃淡分離器進行煤粉濃縮，燃燒器為狹縫式直流燃燒器，拱上噴口布置為濃相噴口最靠爐膛中心，向外依次是內(nèi)二次風噴口、淡相噴口、最外面是外二次風噴口[11]。圖2給出了燃燒器結(jié)構(gòu)和燃燒器的噴口布置。

鍋爐運行期間始終受結(jié)渣問題的困擾，頻繁出現(xiàn)焦塊垮落的情況，引起鍋爐負壓波動，對燃燒產(chǎn)生嚴重影響，甚至造成鍋爐降負荷、熄火等。另外垮落的大焦塊還造成了砸壞撈渣機、在冷灰斗“搭橋”引起堵渣、甚至砸漏水冷壁等嚴重事故。為深入研究結(jié)渣原因，進行了現(xiàn)場試驗研究。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖Fig. 1 Schematic diagram of boiler structure and dimension

圖2 燃燒系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of combustion system

1.2 結(jié)渣位置分布

圖3 和圖4給出了爐內(nèi)檢查時發(fā)現(xiàn)的結(jié)渣位置的照片。

圖3 爐膛結(jié)渣位置檢查1Fig. 3 Result 1 of furnace slagging position detection

圖4 爐膛結(jié)渣位置檢查2Fig. 4 Result 2 of furnace slagging position detection

可以看出，結(jié)渣主要集中在下爐膛，衛(wèi)燃帶和燃燒器噴口上方均存在掛焦、結(jié)渣的情況，但結(jié)渣問題最嚴重的位置在翼墻部位，尤其是翼墻上部靠近爐拱的位置，包括翼墻與爐拱的連接處都有掛焦的情況。

一般認為，W火焰鍋爐翼墻、側(cè)墻部位結(jié)渣是由于由拱上燃燒器噴入的風粉混合氣流在向下俯沖的過程中，中間氣流會向兩邊擠壓，造成煤粉氣流向側(cè)邊偏斜，沖刷側(cè)墻、翼墻過程中熔融煤灰顆粒會直接撞擊墻面，造成結(jié)渣。但這無法解釋翼墻靠近爐拱部分尤其是與爐拱的連接處的掛焦情況，氣流的偏斜不可能影響噴口同一高度的翼墻位置。

2 試驗內(nèi)容和方法

2.1 下爐膛煙氣成分分析

使用水冷抽氣裝置從看火孔將爐膛內(nèi)煙氣抽出進行化驗，使用的看火孔如圖2所示，分別為標高 31.6、29.6、25.6 m燃燒器下方的看火孔。圖5給出了水冷抽氣槍結(jié)構(gòu)示意圖，全長6 m，可深入爐膛2.8 m進行測量，看火孔至邊緣燃燒器內(nèi)側(cè)邊緣正下方距離為約2.6 m。因此本次測試從2.6 m深度開始，平行于前后墻深入爐膛進行測量，深入距離分別為2.6、2、1.5、1 m。

圖5 水冷抽氣槍結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 5 Schematic diagram of water cooled tube

2.2 下爐膛溫度分布

爐膛溫度測量使用由美國 Raytek公司生產(chǎn)紅外測溫儀，測溫范圍500～2000℃，精度為1℃，其測溫原理是根據(jù)被測對象紅外光強判斷溫度高低，測得溫度是沿鏡頭一條直線上溫度的峰值[12-13]。溫度測量與氣氛分布同時進行。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 煤質(zhì)分析

鍋爐燃燒煤設計為西南地區(qū)無煙煤，煤質(zhì)特性如表1所示。

可以看出，設計及校核煤種基本屬于中等熔融特性的煤[14]，在現(xiàn)場采集實際燃用的煤種進行了化驗，結(jié)果如表2所示。

可以看出，實際燃用煤質(zhì)同樣屬于中等熔融特性煤種，灰熔點最低的煤種 1，其軟化溫度比設計煤低近50℃，這是造成鍋爐結(jié)渣嚴重的原因之一。

3.2 下爐膛煙氣成分分布

圖6給出了燃燒器不同位置距測試看火孔的距離，可以看出4個測量點分別位于燃燒器內(nèi)邊緣下方、燃燒器中間下方、燃燒器外邊緣下方和燃燒器外下方。

圖7給出了煙氣分布測量結(jié)果，由于所用煙氣分析儀CO含量的最大量程為10 000 μL/L，超出量程的位置標注為10 000+ μL/L。

表1 研究對象設計煤質(zhì)特性Tab. 1 Design characteristics of coal

表2 實際燃用煤質(zhì)灰熔點Tab. 2 Ash melting point of actual burning coal

圖6 邊緣燃燒器不同位置距測試看火孔的距離Fig. 6 The distance between the fire hole and different positions of edge burner

圖7 下爐膛煙氣成分測試結(jié)果Fig. 7 Measurements of flue gas composition in the down furnace

由圖7(a)和(b)可以看出，在翼墻靠上部距翼墻看火孔1.5 m以內(nèi)氧氣濃度非常低，CO濃度很高，呈現(xiàn)還原性氣氛，存在明顯的結(jié)渣傾向。

由圖 7(c)可以看出，燃燒器下方區(qū)域存在圖中曲線范圍內(nèi)的還原區(qū)，拱上射流經(jīng)過還原區(qū)NOx濃度有減小的趨勢，但翼墻角部區(qū)域(31.6 m標高，1 m深度)NO濃度較高。

3.3 溫度分布

圖8給出了溫度分布測量結(jié)果?？梢钥闯?，在燃燒器下方靠上兩層看火孔溫度測量結(jié)果均高于1300℃，高于入爐煤軟化溫度，為結(jié)渣提供了溫度環(huán)境。

3.4 下爐膛流場分析

由上述分析可知，下爐膛上部翼墻區(qū)域溫度高達1 300 ℃以上，氧氣濃度低，CO濃度在10 000 μL/L以上，呈強還原性氣氛，存在明顯的結(jié)渣傾向。除氣氛和溫度條件外，另外一項造成爐內(nèi)結(jié)渣的關(guān)鍵因素在于爐內(nèi)流場。從爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)的結(jié)渣位置和試驗結(jié)果分析，燃燒器下方與翼墻之間的位置存在側(cè)面向上的渦流，將熔融狀態(tài)的煤灰顆粒帶至翼墻上部墻面，這種特殊的流場是造成翼墻上部結(jié)渣的主要原因。

從圖 7(a)的氧氣含量測量結(jié)果可以看出：在標高31.6 m和29.6 m測點位置，氧氣含量從內(nèi)之外呈現(xiàn)降低再升高的趨勢；在2.6 m和2.0 m深度，氧氣含量隨燃燒過程由上到下逐漸降低；而在1 m深度，31.6 m標高，氧氣含量低于29.6 m位置，這是存在側(cè)面向上渦流的一個證明。因為它卷吸3次風補充的氧氣，造成了翼墻壁面附近氧氣含量上低下高的現(xiàn)象，同時將未燃盡的煤粉帶至翼墻上部區(qū)域繼續(xù)燃燒。這也說明圖7(c)中31.6 m標高、1 m深度處的NO濃度較高以及上部翼墻壁面附近存在高溫區(qū)的原因，是由未燃盡煤粉在翼墻與爐拱相接角部區(qū)域燃燒造成的。

圖9給出了翼墻區(qū)域向上的渦流示意圖。產(chǎn)生這種向上渦流的原因主要有2點：

1）拱上風粉射流向下運動時，由于引射的作用將卷吸周圍的介質(zhì)，將其卷入射流中去，在拱下側(cè)面區(qū)域產(chǎn)生一定范圍的低壓區(qū)，低壓區(qū)的存在為渦流提供了向上的動量。

2）運行中爐內(nèi)流場受熱后向兩側(cè)膨脹，導致外側(cè)燃燒器煤粉射流向兩側(cè)偏斜，為渦流提供了向側(cè)面的動量，同時也是渦流中煤灰的來源。

拱上風引射帶來的低壓區(qū)與爐中心高溫造成的膨脹相互疊加，就出現(xiàn)了圖9所示側(cè)面向上的渦流，導致翼墻上部區(qū)域結(jié)渣嚴重。

圖8 下爐膛溫度分布測量結(jié)果Fig. 8 Measurements of temperature distribution in the down furnace

圖9 翼墻區(qū)域向上的渦流示意圖Fig. 9 Upward vortex of wing wall area

4 改進措施及效果

4.1 燃燒調(diào)整

燃燒調(diào)整的思路為減弱側(cè)面渦流，改善翼墻近壁面區(qū)域的高還原氣氛，主要方法包括：

1）在保證機組負荷的條件下，適當降低靠近兩側(cè)墻4個燃燒器對應磨煤機的出力，若發(fā)現(xiàn)翼墻結(jié)焦，通過輪流停用邊緣燃燒器進行調(diào)整，低負荷情況下優(yōu)先停用邊緣燃燒器[15]。

2）拱上風采用兩側(cè)小中間大的調(diào)整方式，減小邊緣燃燒器拱上風量，使射流的引射作用減弱，減小拱下的低壓區(qū)，以減弱側(cè)面渦流。

3）拱下風采用兩側(cè)大中間小的調(diào)整方式，兩側(cè)的拱下風量增加，有利于側(cè)墻、翼墻區(qū)域的氧氣含量增加，CO減少，爐內(nèi)的還原氣氛減少，使該區(qū)域結(jié)焦性降低。

4.2 燃燒器噴口布置優(yōu)化

在燃燒器濃相周圍邊界風兩側(cè)各增加一個邊界風噴口，并增加靠近翼墻的邊緣燃燒器的側(cè)邊風面積。圖10給出了調(diào)整后的邊緣燃燒器噴口布置，點劃線框內(nèi)為邊緣燃燒器增加的燃燒器噴口。

圖10 優(yōu)化后邊緣燃燒器噴口布置Fig. 10 Nozzle arrangement of optimized edge burner

4.3 防結(jié)焦風優(yōu)化

原有防結(jié)焦風取風自燃盡風道，經(jīng)過防結(jié)焦風道引至風箱，通過翼墻水冷壁管件鰭片開縫吹入爐膛。優(yōu)化后，調(diào)整翼墻防焦風風道取風位置，由燃盡風道改至二次風母管，增加入口風壓，提高防焦風動量，并在最上層看火孔上部增加防焦風箱，如圖11所示。這樣，一方面可以改善壁面附近的高還原氣氛，另一方面在結(jié)渣區(qū)域通入防焦風，在壁面處形成氣膜可以隔絕熔融灰粒的粘附，從而防止嚴重結(jié)渣。

通過上述措施的采用，鍋爐基本未再出現(xiàn)嚴重結(jié)渣的現(xiàn)象．大焦塊垮落造成的燃燒不穩(wěn)等問題也得到解決，鍋爐運行可靠性得到了明顯提高。

圖11 優(yōu)化后防結(jié)焦風結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 11 Schematic diagram of optimized structure of the anti-slagging wind

5 結(jié)論

1）在翼墻靠上部近壁面區(qū)域氧氣濃度非常低，CO濃度很高，呈現(xiàn)還原性氣氛，存在明顯的結(jié)渣傾向。

2）試驗結(jié)果均表明，下爐膛上部翼墻壁面附近存在高溫區(qū)，溫度最高可達 1 400 ℃左右，高于入爐煤軟化溫度，為結(jié)渣提供了溫度環(huán)境。

3）從爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)的結(jié)渣位置和試驗結(jié)果分析，燃燒器下方與翼墻之間的位置應存在側(cè)面向上的渦流，將熔融狀態(tài)的煤灰顆粒帶至翼墻上部墻面，這種特殊的流場是造成翼墻上部結(jié)渣的主要原因。

4）通過采用燃燒調(diào)整、燃燒器噴口布置優(yōu)化、防結(jié)焦風優(yōu)化等措施，可解決W火焰鍋爐的下爐膛嚴重結(jié)渣問題，鍋爐運行可靠性得到明顯提高。

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