煤粉鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題研究

李其華，馮偉忠

(1.上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090；2．上海申能電力科技有限公司，上海 200137)

大型燃煤發(fā)電廠以煤為主要燃料。在燃煤電廠的鍋爐運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象，影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。若結(jié)焦嚴(yán)重還可能誘發(fā)運(yùn)行事故，導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至造成人員傷亡。例如，1993年3月10日，我國(guó)浙江某電廠600 MW鍋爐，因?yàn)榇罅拷Y(jié)焦引發(fā)惡性爆炸事故，造成設(shè)備的嚴(yán)重破壞和重大的人員傷亡。該機(jī)組停運(yùn)132天，少發(fā)電近14億kWh[1]。至此以后，人們往往談焦色變。因此，鍋爐的結(jié)焦和防治問題，一直以來都是電廠鍋爐工作人員致力于研究和解決的問題。

1 燃煤鍋爐爐內(nèi)受熱面結(jié)焦概述

1.1 結(jié)焦的形成過程

我國(guó)電廠鍋爐主要是以煤作為燃料，由于燃煤品質(zhì)、成分的變化比較大，因此其灰分的成分也比較復(fù)雜。煤灰的軟化溫度(ST)作為評(píng)價(jià)鍋爐結(jié)焦特性的重要指標(biāo)，反映了鍋爐的結(jié)焦特性。當(dāng)灰粒溫度低于ST時(shí)，在受熱面上只能形成疏松的弱黏聚型灰渣，易脫落；當(dāng)灰?；蚍e灰溫度高于ST時(shí)，固態(tài)的灰粒將逐漸趨于熔融狀態(tài)，當(dāng)其溫度達(dá)到或高于FT時(shí)會(huì)迅速融化，而熔化的灰粒具有較強(qiáng)的粘性，當(dāng)它未得到及時(shí)冷卻而與受熱面接觸時(shí)，就會(huì)粘附在受熱面上形成結(jié)焦，導(dǎo)致傳熱惡化。

結(jié)焦本身是一種復(fù)雜的物理化學(xué)過程，有自動(dòng)加劇的特點(diǎn)。

1.2 判別煤結(jié)焦性能的方法

大量的研究及運(yùn)行實(shí)踐表明，煤的結(jié)焦性能主要是決定于煤灰的成分。目前尚無統(tǒng)一的判別煤的結(jié)焦性能的方法，通常從灰熔點(diǎn)及煤灰的酸堿性兩個(gè)方面進(jìn)行判斷[2]。上海外高橋第三發(fā)電廠(以下簡(jiǎn)稱外三)鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種為神華東勝煤，設(shè)計(jì)煤種主要特性見表1，煤灰主要成分分析見表2。

表1 設(shè)計(jì)煤種主要特性

表2 設(shè)計(jì)煤種煤灰特性

根據(jù)表1、表2可知，外三使用的設(shè)計(jì)煤種神華煤具有低灰、低硫、發(fā)熱量高的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤。但由于其灰熔點(diǎn)較低，具有較強(qiáng)的結(jié)焦傾向。因此，燃用此類煤種的電廠在持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，易發(fā)生爐膛出口對(duì)流受熱面的結(jié)焦問題。900 MW鍋爐過熱器結(jié)焦情況見圖1。

2 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦現(xiàn)象及其產(chǎn)生機(jī)理分析

因環(huán)保原因，我國(guó)沿海地區(qū)特別是沿海大城市煤電的設(shè)計(jì)煤種較多的選用灰分和硫分較低的神華煤，但該煤種具有較強(qiáng)的結(jié)焦傾向，有些批次煤的ST甚至低于1 200℃。ALSTOM公司曾委托德國(guó)Clausthal工程技術(shù)大學(xué)對(duì)該煤樣做了結(jié)焦特性試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該煤種的結(jié)焦速率較慢，但附著力極強(qiáng)，一旦結(jié)焦就很難去除。2004年9月，上海外高橋第二發(fā)電廠(以下簡(jiǎn)稱外二)6號(hào)爐168 h試運(yùn)行期間，進(jìn)行了純燒設(shè)計(jì)煤種神華煤的持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行。在過后的停爐檢查中，發(fā)現(xiàn)其爐膛出口的一級(jí)過熱器出現(xiàn)了結(jié)焦，其厚度不大且相當(dāng)均勻，但難以去除，結(jié)焦情況見圖1[3]。事實(shí)上，沿海地區(qū)從20世紀(jì)90年代起就普遍采用摻燒至少20%左右的山西大同煤以緩解結(jié)焦問題。

圖1 900 MW鍋爐過熱器結(jié)焦情況

與此相反，從2013年底起，外三全面實(shí)施廣義回?zé)峒夹g(shù)之后，就開始停止摻燒高灰熔點(diǎn)的大同煤，至今從未出現(xiàn)爐膛出口受熱面的結(jié)焦問題。在此期間，所用神華煤的ST最低達(dá)1 150℃，F(xiàn)T僅為1 170℃，遠(yuǎn)低于爐膛出口(屏底)煙溫1 232℃的設(shè)計(jì)值[3]。

與鍋爐相關(guān)的教科書甚至是鍋爐設(shè)計(jì)規(guī)范都明確表示，為了保證爐膛內(nèi)水冷壁和爐膛出口的受熱面不結(jié)焦，必須使?fàn)t膛出口煙溫低于煤灰的軟化溫度ST。由于鍋爐運(yùn)行中影響爐膛出口煙溫的因素很多，為留有一定安全裕度，通常當(dāng)燃用煤質(zhì)灰分的軟化溫度ST與變形溫度DT相差小于100℃時(shí)，爐膛的出口煙溫θ1”≤ST-100℃[4]。按照此理論，基于外三的爐膛出口(屏底)煙溫1 232℃的設(shè)計(jì)值和所用神華煤ST最低達(dá)1 150℃，F(xiàn)T也僅為1 170℃，很明顯純燒神華煤是不符合邏輯的，根據(jù)教科書和以往經(jīng)驗(yàn)，這必然會(huì)導(dǎo)致爐膛出口受熱面嚴(yán)重結(jié)焦，甚至引發(fā)重大事故。但事實(shí)上，從使用至今，外三純燒神華煤而從未出現(xiàn)鍋爐結(jié)焦問題。

進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，將爐膛出口煙溫與ST對(duì)比作為煤粉鍋爐結(jié)焦的判據(jù)并不科學(xué)。煙氣向上出了燃燒器區(qū)域后，溫度將逐步下降，而尚在燃燒中的顆粒的溫度必然高于煙氣溫度。而若顆粒已燃盡，其輻射散熱強(qiáng)度遠(yuǎn)高于以兩原子氣體為主要成分的煙氣，因此當(dāng)顆粒運(yùn)動(dòng)至爐膛出口處時(shí)，其溫度必然低于煙氣。即煙溫并不簡(jiǎn)單地等同于煤灰溫度，而產(chǎn)生結(jié)焦的是煤灰本身而不是煙氣，所以鍋爐受熱面結(jié)焦主要原因是煤灰顆粒與鍋爐受熱面接觸時(shí)灰粒自身溫度高于ST。

根據(jù)傳熱學(xué)，煤灰顆粒和煙氣的輻射特性相差很大，煙氣中N2、O2等二原子氣體無輻射特性，并且煙氣中二原子氣體占絕大部分，雖然煙氣中CO2、H2O 等三原子氣體具備輻射特性，但其輻射頻譜呈間斷性，如圖2所示[5]，其等效黑度遠(yuǎn)低于全頻譜輻射的煤灰顆粒。

總而言之，造成鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦的主要原因是當(dāng)易結(jié)焦類煤灰顆粒被煙氣攜帶到爐膛出口處時(shí)，自身溫度仍高于其軟化溫度(ST)而成熔融狀態(tài)，熔化的灰粒具有較強(qiáng)的粘性，就會(huì)粘附在受熱面上形成結(jié)焦。

圖2 CO2和H2O主要光帶示意圖

3 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題的數(shù)學(xué)建模分析

通過分析，要解決煤粉鍋爐爐膛出口受熱面的結(jié)焦問題，關(guān)鍵在于煤灰顆粒被煙氣攜帶到爐膛出口處受熱面時(shí)，自身溫度應(yīng)低于其ST，即無論采取何種措施，只要保證煤灰顆粒在爐膛出口處溫度低于ST，就能從根本上防止鍋爐爐膛出口受熱面的結(jié)焦問題。因此，基于外三電廠鍋爐總體結(jié)構(gòu)，以單個(gè)煤粉顆粒為研究對(duì)象，對(duì)其在爐內(nèi)燃燒器區(qū)域上方的豎直運(yùn)動(dòng)、燃燒和傳熱進(jìn)行建模分析，并推導(dǎo)出煤粉(煤灰)顆粒溫度隨爐膛豎直高度的變化關(guān)系，從而找到影響爐膛出口處煤灰顆粒溫度的關(guān)鍵因素。

3.1 外三鍋爐簡(jiǎn)介

上海外高橋第三發(fā)電廠2X 1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐為2 955 t/h超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼懸吊構(gòu)造、露天布置。鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煤。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)的正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐額定工況時(shí)，5臺(tái)磨運(yùn)行(從下到上依次為B、C、D、E、F磨)，1臺(tái)磨(A磨)備用。鍋爐總體布置見圖3。

圖3 外三鍋爐總體布置圖

3.2 煤粉顆粒豎直運(yùn)動(dòng)分析

在此，主要研究爐膛出口半輻射受熱面以及對(duì)流受熱面的結(jié)焦問題。因此，可假設(shè)煤粉顆粒在燃燒器區(qū)域上方的運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)碰到四周水冷壁即不發(fā)生撞墻現(xiàn)象。即在此只需研究煤粉顆粒的豎直運(yùn)動(dòng)，以球形顆粒為典型，首先研究煤粉球形顆粒在靜止煙氣流中的自由沉降。以煤粉球形顆粒為研究對(duì)象，對(duì)其在爐膛內(nèi)的豎直方向上進(jìn)行受力分析，如圖4所示。

圖4 球形顆粒自由沉降時(shí)受力分析圖

直徑為d的球形顆粒從靜止開始在靜止煙氣流中自由下落，在重力的作用下降落的速度逐漸增大，同時(shí)受到的流體阻力也逐漸增大。當(dāng)作用在球形顆粒的重力W與作用在其上的流體的浮力FB、流體的阻力FD達(dá)到平衡，即

W=FB+FD

(1)

則，顆粒在流體中將以等速度uf自由沉降。uf即煤粉顆粒的自由沉降速度[6]。將煤粉顆粒的重力、流體的浮力和流體的阻力帶入式(1)，得

(2)

式中d——顆粒直徑，m；CD——阻力系數(shù)；ρs——顆粒密度，kg/m3；ρg——煙氣密度，kg/m3。

現(xiàn)在考慮煤粉顆粒在煤粉鍋爐爐膛內(nèi)煙氣中豎直向上運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，即當(dāng)煤粉顆粒被以速度ug垂直上升的煙氣流帶走時(shí)，煤粉顆粒的絕對(duì)速度為

up=ug-uf

(3)

其中，煙氣流速ug的計(jì)算可以通過鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)的煙氣容積流量mg與爐膛橫截面積A的比值計(jì)算，即：

ug=mg/A

(4)

因此，隨著煤粒的燃燒，煤粒在爐膛內(nèi)的豎直高度H(m)隨其燃燒時(shí)間t(s)變化的表達(dá)式如下：

H=H0+upt

(5)

式中H0——煤粒剛開始燃燒時(shí)的豎直高度，m。

3.3 煤粉顆粒燃燒分析

燃料在爐膛內(nèi)的燃燒，其關(guān)鍵環(huán)節(jié)是著火和燃盡這兩步。而對(duì)于煤粉鍋爐，其燃燒過程大致要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：煤粉受熱，水分析出；繼續(xù)受熱，絕大部分揮發(fā)分析出；揮發(fā)分的著火與燃燒；焦炭的形成和著火燃燒；灰渣的形成。

大部分揮發(fā)分著火及燃盡時(shí)間僅占整個(gè)燃燒過程的10%[4]，為0.2～0.5 s；而焦炭燃盡的過程所占的時(shí)間很長(zhǎng)，約為90%。從燃燒放熱量來看，焦炭占煤粉總放熱量的60%～95%。著火過程主要取決于煤中干燥無灰基揮發(fā)分的大小，而燃盡過程主要取決于焦炭的燃燒速度。而焦炭主要由固定碳和灰分組成，其中灰為氧和燃燒產(chǎn)物的擴(kuò)散增加了障礙。氧氣必須克服這個(gè)障礙才能到達(dá)焦炭表面，產(chǎn)物也需要克服灰阻力才能到達(dá)表面，尤其是在接近燃盡時(shí)，灰分將阻礙燃燒[7]。因此，在焦炭的燃燒過程中，可將焦炭的燃燒速率與焦炭含灰量近似處理為反比例關(guān)系。

3.4 煤粉顆粒傳熱分析

假設(shè)在爐內(nèi)燃燒工況相同的情況下，煤粉從離爐膛出口最近的一層燃燒器即F層燃燒器噴口噴出時(shí)，其燃程最短，相應(yīng)煤灰降溫的時(shí)間最短，最易引起爐膛出口受熱面結(jié)焦。因此，以F層燃燒器出口的煤粉顆粒為研究對(duì)象，而通常爐內(nèi)煤粉顆粒的熱平衡可以寫成以下形式：

(6)

式中mp——煤粒的質(zhì)量，kg；cp——煤粒的比熱容，J/(kg·K)；Tp——煤粒的溫度，K；t——煤粒在爐內(nèi)豎直方向的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；Q0——煤粒燃燒的放熱量，W；Q1——爐內(nèi)火焰中心與煤粒間的輻射換熱量，W；Q2——爐膛內(nèi)受熱面與煤粒間的輻射換熱量，W；Q3——煙氣與煤粒間的換熱量，W。

根據(jù)傳熱學(xué)基本知識(shí)[5]，Q1、Q2的表達(dá)式如下：

(7)

(8)

式中ε——煤粒的黑度；σ0——黑體輻射常數(shù)，W/(m2·K4)；r——煤粒半徑，m；X1——爐膛火焰中心相對(duì)于煤粒的輻射角系數(shù)；X2——爐膛內(nèi)受熱面相對(duì)于煤粒的輻射角系數(shù)；T0——爐膛火焰中心溫度，K；Tw——爐膛內(nèi)受熱面壁面溫度，K。

根據(jù)燃燒學(xué)基本理論[8]，Q0、Q3的表達(dá)式如下：

(9)

(10)

式中 ——煤粒燃燒速率，kg/s；Δhc——煤粒燃燒反應(yīng)熱，J/kg；cpg——煙氣比熱容，J/(kg·K)；kg——煙氣導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Tg——煙氣溫度，K。

4 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題計(jì)算結(jié)果分析

通過外三塔式爐的設(shè)計(jì)參數(shù)，依據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)同一顆粒不同燃燒速率下煤粒溫度沿爐膛豎直高度的變化進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖6為ALSTOM公司采用計(jì)算機(jī)三維數(shù)字仿真計(jì)算得到的外二電廠鍋爐爐膛內(nèi)煙氣沿高度方向的平均溫度分布圖[9]。而外三鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)上除了爐膛豎直高度比外二高了幾米之外，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均與外二一致，因此外三鍋爐爐膛內(nèi)煙氣沿高度方向的平均溫度變化曲線可由圖6滿負(fù)荷曲線模擬得出。

圖5中曲線1代表著煤粉顆粒在正常燃燒速率情況下的溫度分布；曲線2代表著煤粉顆粒在較低燃燒速率下的溫度分布。從圖5中可以很明顯的看出，煙氣溫度與煤粉顆粒溫度是有區(qū)別的，且正常燃燒速率情況下爐膛出口處煤灰溫度低于表1中設(shè)計(jì)煤種的ST(1 170℃)，更低于此處煙氣的設(shè)計(jì)溫度1 232℃，不會(huì)發(fā)生結(jié)焦；但在較低燃燒速率下，爐膛出口處煤灰溫度會(huì)高于設(shè)計(jì)煤種的ST，從而會(huì)發(fā)生結(jié)焦問題。此外，由圖5可知，煤粉顆粒從進(jìn)入爐膛到燃盡變?yōu)槊夯翌w粒的過程中，經(jīng)歷了升溫和降溫兩個(gè)階段。而此前提到的外二6號(hào)爐168試運(yùn)行期間發(fā)生了結(jié)焦現(xiàn)象就是因?yàn)槠錉t膛高度比外三低，使煤灰沒有充足的降溫時(shí)間而使其在與爐膛出口的一級(jí)過熱器接觸時(shí)溫度仍高于ST，從而出現(xiàn)了結(jié)焦現(xiàn)象。

圖5 煤粒及煙氣沿爐膛高度方向的溫度分布圖

圖6 900 MW鍋爐爐膛沿高度方向的平均溫度分布圖

通過分析可知，在鍋爐設(shè)計(jì)上適當(dāng)提高爐膛高度或在鍋爐運(yùn)行中適當(dāng)提高煤粉顆粒燃燒速率，從而給煤灰足夠的降溫時(shí)間，最終使其與爐膛出口處受熱面接觸時(shí)溫度低于ST，都可以使鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除。當(dāng)然直接摻燒高灰熔點(diǎn)煤來提高ST同樣可行。

5 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題解決方法的探究

雖然受熱面結(jié)焦過程與多種復(fù)雜因素有關(guān)，但由結(jié)焦機(jī)理可知，任何原因的結(jié)焦都由兩個(gè)基本條件構(gòu)成，一是煙氣中的煤灰顆粒與受熱面接觸，二是與受熱面接觸時(shí)煤灰顆粒溫度高于其軟化溫度而呈熔融狀態(tài)。也就是說，只要破壞其中任一一個(gè)必要條件即可從根本上防止結(jié)焦現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5.1 常規(guī)措施分析

(1)摻燒高灰熔點(diǎn)煤如大同煤等，從而提高煤灰顆粒的ST。

(2)加裝屏區(qū)吹灰器，及時(shí)吹灰，防治積灰過多而使積灰外表面溫度升至ST而結(jié)焦。

(3)爐膛放大和受熱面調(diào)整，而使煤灰顆粒有足夠的降溫時(shí)間。

通過摻燒高灰熔點(diǎn)大同煤、加裝屏區(qū)吹灰器、爐膛放大等措施可以極大改善鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致鍋爐造價(jià)和運(yùn)行成本上升[10]。

5.2 廣義回?zé)峒夹g(shù)及成效分析

5.2.1廣義回?zé)峒夹g(shù)基本原理

現(xiàn)有的熱力循環(huán)理論，完全建立在孤立的汽水系統(tǒng)上。如果將熱力循環(huán)的視角拓展至整個(gè)汽輪發(fā)電機(jī)組甚至全發(fā)電廠，情況就會(huì)發(fā)生很大的變化。事實(shí)上，鍋爐輸入的介質(zhì)除了給水，還有空氣(進(jìn)風(fēng))和煤(煤粉)。如果將回?zé)岬慕橘|(zhì)從單純的給水拓展至水、風(fēng)、煤，汽輪機(jī)抽汽熱能的利用空間將被拓寬，排汽損失將減少。

廣義回?zé)嵫h(huán)理論[11]，就是從降低汽輪機(jī)排汽損失的角度出發(fā)，將回?zé)嵫h(huán)從汽水系統(tǒng)拓展至機(jī)組、電廠甚至整個(gè)社會(huì)，如圖7所示。

圖7 廣義回?zé)嵯盗屑夹g(shù)示意圖

5.2.2成效分析

進(jìn)風(fēng)回?zé)嵯盗屑夹g(shù)及送粉回?zé)峒夹g(shù)實(shí)施后，煤粉顆粒在進(jìn)入爐膛前絕大部分都已充分干燥并預(yù)熱。內(nèi)水分在析出過程中形成大量微孔，這使得顆粒的孔隙率及與氧氣的接觸概率大增，在進(jìn)入爐膛后能迅速著火、升溫并燃燒，并且燃燒速率和顆粒質(zhì)量的下降速率很快，制粉干燥出力的大大改善以及二次風(fēng)熱風(fēng)溫度的進(jìn)一步提升，使得煤粉的燃燒速率和燃盡率顯著上升[12]。

基于廣義回?zé)岬娘L(fēng)粉加熱技術(shù)正是充分保證了著火和燃燒的高效，煤粉顆粒的燃盡時(shí)間縮短，從而留有足夠的降溫時(shí)間使其在爐膛出口處的溫度低于ST。因此，此技術(shù)可以在提高機(jī)組效率(包括鍋爐效率及循環(huán)熱效率)的基礎(chǔ)上，使鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除。

6 結(jié)語

(1)神華煤種具有低灰、低硫、發(fā)熱量高的特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)動(dòng)力煤，但灰熔點(diǎn)較低，具有較強(qiáng)的結(jié)焦傾向。因此，燃用神華煤的電廠在持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，易發(fā)生結(jié)焦問題，嚴(yán)重影響電站鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)造成鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦的主要原因是當(dāng)煤灰顆粒被煙氣攜帶到爐膛出口處受熱面時(shí)，自身溫度仍高于軟化溫度ST而成熔融狀態(tài)，熔化的灰粒具有較強(qiáng)的粘性，就會(huì)粘附在受熱面上形成結(jié)焦。

(3)研究結(jié)果表明，在鍋爐設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)提高爐膛高度或在鍋爐運(yùn)行中適當(dāng)提高煤粉顆粒燃燒速率從而給煤灰足夠的降溫時(shí)間，最終使煤灰顆粒在爐膛出口處的溫度低于ST，都可以使煤粉鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除。

(4)廣義回?zé)峒夹g(shù)可以在提高機(jī)組效率的基礎(chǔ)上使鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除，給其他燃煤機(jī)組提供了很高的參考價(jià)值和借鑒意義。