SZL鏈條燃煤鍋爐爐膛結(jié)焦原因分析

文 _ 王超群 三角輪胎股份有限公司

公司鍋爐房配置3臺(tái)SZL型10t鏈條燃煤飽和蒸汽鍋爐，于2007年4月投運(yùn)，設(shè)計(jì)燃料為AⅡ類煙煤。鍋爐一直使用低位發(fā)熱量為5000kcal/kg左右的Ⅱ類煙煤，運(yùn)行狀況良好，爐內(nèi)結(jié)焦情況輕微，平均每2個(gè)月停爐清焦一次。

1 鍋爐結(jié)焦及危害

2017年進(jìn)入冬季，考慮到生產(chǎn)負(fù)荷較去年同期增加30%的實(shí)際情況，在沒有經(jīng)過充分論證的情況下，自11月底更換了煤種。其燃燒熱值有了較大提高，低位發(fā)熱量達(dá)到5800kcal/kg，揮發(fā)分＞30%，灰分＜6%，全硫＜0.6%，全水分＜15%，1#鍋爐運(yùn)行7天后，爐膛嚴(yán)重結(jié)焦：兩側(cè)水冷壁結(jié)焦，平均厚度30～50mm；前拱掛焦嚴(yán)重，高度達(dá)到300mm；爐膛四周均有30mm以上的結(jié)焦和積灰；爐膛內(nèi)對流換熱區(qū)、煙道出口等處大量積灰，煙氣流道堵塞嚴(yán)重，無法正常運(yùn)行，被迫停爐。接著2#、3#鍋爐出現(xiàn)類似情況，對安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響。1#鍋爐結(jié)焦情況如圖1、圖2。

圖1 爐膛結(jié)焦圖

圖2 清除下的結(jié)焦塊狀物

爐膛結(jié)焦后，結(jié)焦部位熱阻變大，爐膛水冷壁管吸熱量減少，管內(nèi)水流速下降，而爐膛出口煙氣溫度增高，排煙損失增大，降低了鍋爐效率。經(jīng)實(shí)測，鍋爐熱效率降低3.8%～4.5%。

爐膛結(jié)焦后，煙氣通道變窄，阻力增大，引風(fēng)機(jī)出力降低，鍋爐蒸發(fā)量下降，制約鍋爐出力。原鍋爐出力8.35t/h，經(jīng)數(shù)據(jù)實(shí)測鍋爐出力只達(dá)到8t/h，降低出力率4.19%。

結(jié)焦不均勻分布，影響水冷壁管的熱循環(huán)效果。爐膛上部結(jié)焦塊數(shù)次掉落，發(fā)生損壞水冷壁管及除渣設(shè)備事故。目前，平均每臺(tái)鍋爐清焦周期由2個(gè)月變成7天，3臺(tái)鍋爐頻繁倒?fàn)t清焦，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。

2 爐膛結(jié)焦原因分析

爐膛結(jié)焦主要與煤灰性質(zhì)中灰熔融點(diǎn)、氧化物成分、灰粘度等結(jié)焦特性相關(guān)，還與鍋爐超過日常負(fù)荷運(yùn)行、爐內(nèi)空氣工況、爐膛結(jié)構(gòu)特性等密切相關(guān)。相對于此次因鍋爐負(fù)荷增加，盲目更換煤種造成的爐膛結(jié)焦，主要原因是煤質(zhì)特性和鍋爐超過日常負(fù)荷運(yùn)行所致，下面進(jìn)行深入分析。

2.1 煤質(zhì)特性分析

2.1.1 灰分的化學(xué)成分

SZL型燃煤鏈條鍋爐所使用AⅡ類煙煤中碳、氫、硫等可燃性物質(zhì)燃燒后，剩下灰分等有害物質(zhì)?；曳种懈鞣N氧化物的熔點(diǎn)不同（表1）。燃煤中Fe3O4、Fe2O3和FeO等鐵的氧化物熔點(diǎn)低，易被爐火熔化，少量附著在水冷壁等處，長期積聚形成焦渣。結(jié)焦造成受熱面受阻，溫度升高，灰分更容易粘結(jié)，使結(jié)焦加劇。

表1中灰分中的Fe2O3、Fe3O4、FeO和FeS等氧化物熔點(diǎn)較低，都在1600℃以下，而主要氧化物SiO2、Al2O3、CaO和MgO等的熔點(diǎn)基本都在2000℃左右，通常不易熔化。現(xiàn)將近一段時(shí)間以來使用的鍋爐燃煤取樣，編號(hào)煤種1、2、3，聯(lián)系專業(yè)燃煤化驗(yàn)機(jī)構(gòu)對灰分成分進(jìn)行化驗(yàn)并記錄試樣相關(guān)參數(shù)表2。

表2中列出鍋爐燃煤的主要成分，灰分中的氧化物對灰渣熔融性的影響主要表現(xiàn)在Al2O3和TiO2含量增加能提高灰熔點(diǎn)，F(xiàn)e2O3和Na2O含量增加降低灰熔點(diǎn)，SiO2、CaO對灰熔點(diǎn)有雙重作用，MgO含量較小時(shí)對灰熔點(diǎn)影響不大。經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)研究，有如下結(jié)論：

煤灰中的SiO2在高溫狀態(tài)下易和其他金屬氧化物形成玻璃狀物質(zhì)。SiO2含量在45%以上時(shí)，軟化溫度ST隨SiO2含量增加而增大,煤灰熔融性溫度增高。

Al2O3熔點(diǎn)為2050℃，Al2O3含量大于30%時(shí)，F(xiàn)T＞1350℃，隨Al2O3含量增加，煤灰熔融性溫度越高。

煤灰中CaO含量較低時(shí)，能降低煤灰中熔融性溫度，但CaO＞30%，則煤灰熔融性溫度升高。

MgO本身熔點(diǎn)高達(dá)2800℃，MgO＞17%，則隨MgO含量增加而煤灰熔融性溫度升高，MgO含量較小時(shí)，煤灰熔融性溫度影響不大。

Fe2O3和Na2O只能降低煤灰熔融性溫度。

表1 灰分的組成及其物理化學(xué)性質(zhì)

表2 灰分成分含量與結(jié)焦特性

2.1.2 煙煤的結(jié)焦特性及評價(jià)結(jié)果

（1）硅比（G）

確定煤灰中的SiO2比是一種能反映結(jié)焦趨勢和進(jìn)行煤種相互比較的簡單方法。這個(gè)比值就是：

較大的硅比意味著較高的灰粘度，因?yàn)榉帜钢杏腥軇?。常以黃鐵礦形式出現(xiàn)的含鐵量越高，粘度越低。在一定范圍內(nèi)，含鈣量高，會(huì)導(dǎo)致早期成焦。

（2）酸堿比（B/A）

酸堿比是表示燃煤結(jié)焦的重要參數(shù)，這一系數(shù)越低，對燃煤鍋爐有利，因分子中有提高流動(dòng)性的氧化物，而分母中有提高粘滯性的SiO2，對于固態(tài)排渣爐，酸堿比盡可能低于0.5。

（3）鐵鈣比（Fe2O3/CaO）

鐵鈣比Fe2O3/CaO適用于Fe2O3＞（CaO+MgO）的煙煤型灰，其值接近1時(shí)嚴(yán)重結(jié)焦。

（4）結(jié)焦系數(shù)（Rs）

把硫分考慮進(jìn)去，建立結(jié)焦系數(shù)的公式：

結(jié)焦系數(shù)就是酸堿比和煤的干燥基含硫量的乘積。這里有同樣的趨勢：較低的結(jié)焦系數(shù)意味著較高的灰粘度，越小結(jié)焦趨勢。

（5）綜合指數(shù)（R）

表4 評價(jià)方式計(jì)算結(jié)果

雖然當(dāng)量Gmol較硅比G計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，為簡化計(jì)算和方便檢測燃煤成分含量，特以煤灰特性綜合指數(shù)R來表達(dá)結(jié)焦特性，其準(zhǔn)確率達(dá)到了90%左右。除了以上煤灰結(jié)焦特性評判方法之外，煤灰的軟化溫度ST評價(jià)相符率為100%，還有硅鋁比SiO2/Al2O3也可判斷煤灰結(jié)焦特性，下表列出各指標(biāo)與結(jié)焦的關(guān)系。

結(jié)合以上各種評價(jià)方式，將表2中的三種煤質(zhì)分別進(jìn)行計(jì)算，得出表4。

表4中煤種3灰分軟化溫度最高，結(jié)焦綜合指數(shù)最低，7項(xiàng)指數(shù)中有5項(xiàng)屬于輕微結(jié)焦趨勢，煤種3是結(jié)焦特性最好煤種；煤種1和煤種2指數(shù)分別有4項(xiàng)和5項(xiàng)屬于中等結(jié)焦趨勢，相對比較來說，煤種1較煤種2有更高的結(jié)焦系數(shù)Rs，在同等的鍋爐燃燒工礦下，煤種1更具結(jié)焦趨勢。以上分析結(jié)果對照當(dāng)初選擇煤種時(shí)的編號(hào)順序，發(fā)現(xiàn)煤種1和煤種2是更換煤種后所使用的燃煤，與生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐相一致。從以上數(shù)據(jù)分析可以看出，根據(jù)燃煤的灰分特性可以判斷煤種的結(jié)焦趨勢。

表3 煤灰結(jié)焦各指標(biāo)評判依據(jù)

煤質(zhì)發(fā)熱量也是影響結(jié)焦的主要因素，發(fā)熱量過低或過高都會(huì)對結(jié)焦才造成影響。發(fā)熱量過低，煤中灰分含量高，為結(jié)焦提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；發(fā)熱量過高，爐中燃燒溫度升高，造成灰分軟化、熔融、結(jié)焦。經(jīng)與原煤化驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，煤種1和煤種2的發(fā)熱量分別是5816kcal/kg和5783kcal/kg，鍋爐使用超出設(shè)計(jì)煤種指標(biāo)的燃煤造成結(jié)焦，與實(shí)際運(yùn)行狀況相符，更換煤種是此次鍋爐結(jié)焦事故的直接原因。

2.2鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀分析

2013年8月，威海能源檢測中心對1#蒸汽鍋爐進(jìn)行熱工測試，測得鍋爐平均出力8.35t/h，鍋爐平均熱效率74.46%，爐膛出口過量空氣系數(shù)2.54。進(jìn)入2017年冬季，2臺(tái)10t鍋爐平均產(chǎn)汽405t，鍋爐出力8.44t/h，出力率達(dá)到100%以上，較往年平均產(chǎn)汽320t，鍋爐出力6.67t/h，出力率提高26.5%，2臺(tái)鍋爐處于超過日常負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

鍋爐的運(yùn)行狀況對鍋爐的影響很大。圖3中為水冷壁表面溫度與鍋爐負(fù)荷的關(guān)系圖。從圖中可以看出，隨著鍋爐運(yùn)行負(fù)荷增加，水冷壁表面溫度也快速增加，當(dāng)鍋爐接近或處于滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水冷壁表面接近1400℃的高溫，表面的沉積物變成粘著狀，積聚結(jié)焦?？梢?，在鍋爐運(yùn)行中，負(fù)荷的變化是造成鍋爐結(jié)焦的主要原因。

圖3 水冷壁表面溫度與負(fù)荷的關(guān)系圖

超過日常負(fù)荷運(yùn)行，必然要增大送風(fēng)、引風(fēng)量。目前，鍋爐引風(fēng)機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，鼓風(fēng)風(fēng)門調(diào)整到接近最大值進(jìn)行強(qiáng)化燃燒，鍋爐本身鼓風(fēng)室串風(fēng)，局部煤層不完全燃燒，產(chǎn)生了大量CO、H2、H2S等還原性氣體，使灰中熔點(diǎn)較高的Fe2O3還原成熔點(diǎn)較低的FeO，整體降低煤質(zhì)灰熔點(diǎn)300～350℃，導(dǎo)致結(jié)焦。

鍋爐超過日常負(fù)荷運(yùn)行，風(fēng)量過大，爐膛出口過量空氣系數(shù)達(dá)到2.54，高出正常值（鏈條爐1.2～1.35）一倍。漏風(fēng)使燃煤著火推遲，火焰集中程度差，并使火焰中心上移，促使局部受熱面結(jié)焦。

鍋爐給水溫度65℃，低于設(shè)計(jì)值90℃，增加了給水在鍋爐的吸熱量。為滿足生產(chǎn)需求，在鍋爐的蒸發(fā)量一定的情況下，必須通過增強(qiáng)燃燒來滿足外界的需要。這種狀態(tài)，使得鍋爐的燃燒系統(tǒng)處于一種過負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行，爐膛容積熱強(qiáng)度、斷面熱強(qiáng)度、以及理論燃燒溫度等均會(huì)超過正常值，引發(fā)結(jié)焦。

3 爐膛結(jié)焦防范措施

爐膛結(jié)焦原因找到后，將煤種恢復(fù)到結(jié)焦以前用煤，燃煤發(fā)熱值標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)地不變，并對灰分和熔融特性引進(jìn)《原煤使用規(guī)范》中。同時(shí)，將2臺(tái)鍋爐均衡分配運(yùn)行負(fù)荷，增開第3臺(tái)鍋爐，避免鍋爐超過日常負(fù)荷運(yùn)行，經(jīng)4周運(yùn)行觀察，鍋爐結(jié)焦情況輕微，屬正常情況。為防范爐膛結(jié)焦再次發(fā)生，提出如下監(jiān)管措施：

3.1 煤質(zhì)監(jiān)管

要確保鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，燃煤特性要符合鍋爐的設(shè)計(jì)要求。近年來，煤炭市場燃煤性能參差不齊，化驗(yàn)指標(biāo)只是針對煤質(zhì)灰分、揮發(fā)分、發(fā)熱量、含硫、水分等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控，對于煤種灰分中氧化物成分和灰分熔融特性等關(guān)系結(jié)焦趨勢的關(guān)鍵指標(biāo)，一般用煤單位無法檢測，無法提出具體指標(biāo)要求，造成煤質(zhì)來源摻配混亂，鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象嚴(yán)重。對同類型鍋爐使用的煤種，應(yīng)盡可能滿足設(shè)計(jì)要求，不要盲目更換煤種，嚴(yán)格把好進(jìn)煤檢驗(yàn)關(guān)，做好煤的灰分分析和熔融點(diǎn)測試，確保煤質(zhì)的穩(wěn)定性和符合性。

3.2 燃燒工況監(jiān)管

超過日常負(fù)荷運(yùn)行是目前鍋爐爐膛結(jié)焦的重要原因，運(yùn)行過程中存在氧含量偏低、漏風(fēng)增大、給水溫度低使鍋爐運(yùn)行狀況更趨惡化，因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中，盡量避免鍋爐超過日常負(fù)荷運(yùn)行，選取適當(dāng)?shù)倪^量空氣系數(shù)，能夠減輕鍋爐的結(jié)焦的發(fā)生，也是運(yùn)行調(diào)整中最直接的措施。另一方面改善爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況，能夠減少還原性氣體的產(chǎn)生，降低FeO的生成量，減輕結(jié)焦趨勢。

4結(jié)語

燃煤鏈條鍋爐結(jié)焦是普遍存在的問題，本次結(jié)焦停爐事故的直接原因是煤種的更換，同時(shí)，鍋爐本身還存在著誘發(fā)結(jié)焦的多種因素。對于鍋爐結(jié)焦的問題要引起足夠重視，因?yàn)榻Y(jié)焦不僅降低鍋爐熱效率，而且對鍋爐本身造成損害，嚴(yán)重影響鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。但鍋爐結(jié)焦過程十分復(fù)雜，必須針對性地對具體情況進(jìn)行具體分析，采取切實(shí)可行的措施，才能取得良好防范效果。