煤粉爐結(jié)焦運(yùn)行淺析

黃華

摘 要：火力發(fā)電廠以在鍋爐燃煤為主要燃料，由于設(shè)計煤種和實(shí)際煤種有差距，現(xiàn)實(shí)中燃燒的有很多灰熔點(diǎn)低的煤種，特別容易結(jié)焦的煤種，這樣給鍋爐帶來很不利的安全因素，危害機(jī)組的安全。

關(guān)鍵詞：結(jié)焦;燃燒器;受熱面

中圖分類號：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0161-02

1 概述

華潤電力（常熟）有限公司鍋爐是由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)三井巴布科克能源公司技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，固態(tài)排渣、結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。型號為HG1928/25.4-YM1。鍋爐燃燒方式為前后墻對沖燃燒，前后墻各布置4層低NOX軸向旋流燃燒器。鍋爐設(shè)計煤種為神府東勝煤、混煤及大同煤?，F(xiàn)在，由于根據(jù)市場、安全、經(jīng)濟(jì)的需要，摻燒別的煤種都有可能，帶來燃燒煤種的復(fù)雜性，這樣在燃燒方面，偏離鍋爐的設(shè)計類型，因此，要求鍋爐燃燒適應(yīng)性更廣，并且又要預(yù)防鍋爐的結(jié)焦，鍋爐的結(jié)焦不僅影響鍋爐的傳熱、安全性和經(jīng)濟(jì)性，更使得鍋爐穩(wěn)定性受到危害。

結(jié)焦的危害：（1）掉焦損傷冷灰斗掉焦時對爐底灰斗造成較大的沖擊，嚴(yán)重時砸傷水冷壁。（2）對于水力除渣，掉落的熱焦在爐底撈渣機(jī)水中?；懦鰺崃繉⑺罅科纬伤羝?，水蒸汽上行到達(dá)燃燒器下部時，引起燃燒器下部爐膛溫度降低，對燃燒的穩(wěn)定性帶來不利影響，造成爐膛壓力大幅波動，嚴(yán)重時引起鍋爐滅火。（3）結(jié)焦影響鍋爐換熱爐內(nèi)的結(jié)焦使該部位受熱面換熱量減少，引起下游受熱面入口煙氣溫度升高，改變了各級受熱面的換熱比例，引起受熱面壁溫、汽溫超限及排煙溫度升高（如圖1）。（4）鍋爐結(jié)焦發(fā)生時，鍋爐運(yùn)行參數(shù)異常。如：減溫水量、主再熱汽溫、爐膛出口煙溫、各級受熱面煙溫及壓力等變化，影響鍋爐的效率和安全性。

2 結(jié)焦機(jī)理

鍋爐結(jié)焦機(jī)理可概括為：

煤粉燃燒過程中，產(chǎn)生（<30μm）細(xì)小的灰粒在受熱面表面不斷地沉積，其初期結(jié)構(gòu)松散，厚度在鍋爐運(yùn)行后不久會趨于相對穩(wěn)定，形成初始積灰層，這些積灰煤灰的主要化學(xué)成份是SiO2、Ai2O3、CaO、Fe2O3、MgO、NaKO。煤灰的熔點(diǎn)也就決業(yè)于這些成份含量的變化，灰熔融溫度與灰份含量也有一定關(guān)系，它反映煤的結(jié)渣性高低，將影響變形溫度，軟化溫度，和流動溫度（t1、t2、t3）。同時，灰中含有酸性氧化物：SiO2、Ai2O3;堿性氧化有：CaO、Fe2O3、MgO等，試驗證明，在堿性及弱還原性兩種氛下，灰的變形溫度均隨灰中的堿性氧化物的含量增大而下降。初始積灰層含有鐵、堿金屬的氧化物或硫化物時，會形成低熔點(diǎn)的共熔混合物，這種沉積層的結(jié)構(gòu)致密，粘附強(qiáng)度大，會使沉積灰層厚度逐漸增加，導(dǎo)致受熱面結(jié)焦。

此外，當(dāng)較大的熔融或半熔融狀顆粒，特別是邊燃燒邊打到壁面時，由于熔焦對金屬和耐火材料，以灰焦之間的相互濕潤性，粘附強(qiáng)度大，會使沉積層厚度增加，由于熱阻加大而灰層表面溫度升高，同時因吸熱減少而煙氣溫度升高，結(jié)焦速度加快。如此惡性循環(huán)，直到沉積層表面呈熔融狀。

結(jié)渣是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)、動力學(xué)過程，除了和煤質(zhì)密切相關(guān)外，還與鍋爐結(jié)構(gòu)、燃燒器型式及布置、爐膛溫度水平、煙氣氣氛、爐內(nèi)動力工況等因素有關(guān)。

3 結(jié)焦原因影響因素

（1）不同煤種煤灰的結(jié)焦特性相差甚遠(yuǎn)，主要與灰的化學(xué)成分及其礦巖結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，煤的灰成分對煤的潛在結(jié)焦性起決定作用。

（2）燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置對運(yùn)行性能有直接影響，為防止?fàn)t內(nèi)受熱面結(jié)焦，應(yīng)組織良好的爐內(nèi)空氣動力場，不良的空氣動力場會出現(xiàn)火焰偏斜，不僅燃燒不完全，而且會出現(xiàn)局部還原性氣氛、氣流刷墻和局部高溫等現(xiàn)象，往往引起結(jié)焦。

（3）爐內(nèi)燃燒的氣氛條件對灰熔點(diǎn)有較大影響，當(dāng)爐內(nèi)氣氛為還原性時，灰熔點(diǎn)溫度會有較大幅度的降低。原來抵達(dá)壁面時灰可能已冷卻到熔點(diǎn)溫度以下變成了固態(tài)，灰熔點(diǎn)下降后，可能在抵達(dá)壁面時仍呈液態(tài)，造成爐內(nèi)結(jié)焦。

（4）在鍋爐運(yùn)行方面，鍋爐負(fù)荷、風(fēng)量大?。ㄒ?、二次風(fēng)）、煤粉細(xì)度、燃燒器之間風(fēng)粉分布的均勻性、吹灰方式等因素都可能會引起鍋爐結(jié)焦。

4 煤種結(jié)焦的特點(diǎn)

煤種結(jié)焦特性判別首先應(yīng)掌握煤灰熔點(diǎn)指標(biāo)和灰成分結(jié)果，而后根據(jù)化驗結(jié)果結(jié)合常用的判別準(zhǔn)則對煤種的結(jié)焦特性進(jìn)行判斷，用以指導(dǎo)燃煤摻配工作。常用灰軟化溫度ST、堿/酸比及結(jié)焦綜合判別指數(shù)Rz來作為結(jié)焦判據(jù)：

（1）ST（℃）>1470為低、1470～1380為中、1380～1290為高和<1290為嚴(yán)重。

（2）酸堿比判據(jù)B/A：B/A=（Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+ K2O）/（SiO2+Al2O3+TiO2）<0.5為低、0.5～1.0為中、>1.0～1.75為高～嚴(yán)重。

（3）綜合結(jié)焦判別指數(shù)Rz判據(jù)：Rz=1.24（B/A）+0.28（SiO2/Al2O3）-0.0023ST-0.019G+5.4。

G=（100SiO2）/（SiO2+CaO+MgO+Fe2O3）<1.5為輕微、1.5～1.75為中偏輕、1.75～2.25為中等、2.25～2.5為中偏重、>2.5為嚴(yán)重。

不同煤種煤灰的結(jié)焦特性相差甚遠(yuǎn)，主要與灰的化學(xué)成分及其礦巖結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，煤的灰成分對煤的潛在結(jié)焦性起決定作用。煤的灰成分主要由十種氧化物組成，包括：二氧化硅（SiO2）、三氧化二鋁（Al2O3）、三氧化二鐵（Fe2O3）、氧化鈣（CaO）、氧化鎂（MgO）、氧化鈉（Na2O）、氧化鉀（K2O）、二氧化鈦（TiO2）、三氧化硫（SO3）、二氧化錳（MnO2）、氧化磷（Pi2O5），這些純凈氧化物的熔化溫度一般都較高，基本都在1500℃以上，有的甚至高達(dá)2800℃，不易結(jié)焦。但是，由于煤灰是各組成成分的復(fù)合化合物和混合物，故其熔化溫度并不是各組成成分熔化溫度的算術(shù)平均值?；业娜刍瘻囟戎饕Q于灰的成分及各成分含量的比例，由于灰中各成分的占比不同，使灰的熔融特性溫度不同，由此呈現(xiàn)不同的潛在結(jié)焦特性。結(jié)焦特性判別準(zhǔn)則主要包括灰的熔融溫度、灰焦粘溫特性和灰成分?；页煞种蠧aO、MgO、Na2O、K2O與Fe2O3含量高的結(jié)焦性強(qiáng)，其中Na2O、K2O含量高者灰沾污性強(qiáng);一般，煤灰中的SiO2和A12O3的含量愈高，則灰的熔化溫度就愈高。Al2O3和SiO2的含量高的結(jié)焦性就弱;Al2O3是增高灰熔點(diǎn)的主要成分，當(dāng)其含量>20%時，一般ST>1250℃，當(dāng)其含量>30%時，ST>1350℃，當(dāng)>45%時，ST>1400℃;SiO2也是增高灰熔點(diǎn)的主要成分，但它能與灰中其他組分共熔使熔點(diǎn)降低，SiO2在40-60%之間，SiO2的增減對ST無明顯影響。當(dāng)SiO2的含量與A1203的含量之比大于1.18時，自由SiO2易于與CaO、MgO、FeO等形成共晶體，這些共晶體的熔化溫度較低，降低了灰的熔化溫度，容易結(jié)焦。

一般情況下，根據(jù)設(shè)計煤種可磨系數(shù)確定的煤粉細(xì)度R90降低2～6%。燃用易結(jié)焦煤種時，適當(dāng)降低燃盡風(fēng)量，改善主燃燒區(qū)還原性氛圍，促使燃料更快燃盡。建議控制燃盡風(fēng)率不高于25%。

5 預(yù)防鍋爐結(jié)焦措施

（1）選擇合理的鍋爐運(yùn)行氧量。鍋爐運(yùn)行氧量即爐內(nèi)的氧化或還原性氣氛，它對鍋爐的結(jié)焦有非常大的影響，如果鍋爐運(yùn)行氧量偏低，爐內(nèi)還原性氣氛較強(qiáng)，煤的灰熔點(diǎn)就會下降，鍋爐就容易結(jié)焦，因此，控制鍋爐氧量，能有效減少鍋爐結(jié)焦。對于燃用易結(jié)焦煤種時，在爐膛出口NOx不超標(biāo)前提下，可適當(dāng)提高鍋爐運(yùn)行氧量，防止?fàn)t內(nèi)缺氧燃燒。

1）對于燃用煙煤鍋爐，建議氧量控制不小于2.0%;

2）對于燃用貧煤鍋爐，建議氧量控制不小于2.5%;

3）對于燃用無煙煤鍋爐，建議氧量控制不小于3.0%。

（2）選擇適當(dāng)?shù)亩物L(fēng)配風(fēng)方式，必要時宜將燃燒器分成二或三段，其間拉開一定距離，改善兩側(cè)補(bǔ)氣條件，燃燒器射流兩側(cè)壓差減小，以避免氣流嚴(yán)重偏轉(zhuǎn)或貼壁;此外，采用墻式切圓燃燒方式也有利于避免氣流偏轉(zhuǎn)或貼壁，防止火焰直接沖墻。粉細(xì)度（R90）2～6%、采用下層磨煤機(jī)組合方式、消除爐底漏風(fēng)、降低一次風(fēng)風(fēng)速2～4m/s（最小不低于20m/s）、采用倒寶塔配風(fēng)方式等。

（3）調(diào)整燃燒器合適配風(fēng)擋板位置，燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與布置對運(yùn)行性能有直接影響，為防止?fàn)t內(nèi)受熱面結(jié)焦，應(yīng)組織良好的爐內(nèi)空氣動力場，不良的空氣動力場會出現(xiàn)火焰偏斜，不僅燃燒不完全，而且會出現(xiàn)局部還原性氣氛、氣流刷墻和局部高溫等現(xiàn)象，往往引起結(jié)焦。對旋流燃燒器應(yīng)注意出口擴(kuò)展角不應(yīng)太大，旋流強(qiáng)度不宜過大，防止因出現(xiàn)“飛邊”或直接沖墻現(xiàn)象而造成結(jié)焦。對于燃燒器噴口發(fā)生的結(jié)焦，應(yīng)及時調(diào)整燃燒器噴口一次風(fēng)風(fēng)速，適當(dāng)降低噴口著火強(qiáng)度，改善結(jié)焦?？梢韵鄬μ岣咭淮物L(fēng)速2～4m/s，增加燃燒器噴口著火距離。保證良好的煤粉濃度及各燃燒器配風(fēng)應(yīng)盡量均勻，煤粉噴口煤粉量分配不均勻的狀況必然造成爐膛局部缺氧和負(fù)荷分配不均勻，在燃燒空氣不足的情況下，爐膛結(jié)焦?fàn)顩r惡化。

（4）加強(qiáng)爐膛出口煙溫在線監(jiān)視。爐膛煙溫達(dá)到620℃以上時加強(qiáng)爐膛結(jié)焦情況關(guān)注，尤其對于容易結(jié)焦的屏式過熱器，發(fā)現(xiàn)屏過溫升低于80℃，且在二級減溫水關(guān)閉的情況下，主汽溫度低于額定值時，聯(lián)系吹灰人員進(jìn)行局部加吹。

（5）運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)撈渣機(jī)渣量較正常時的少，及時分析原因，發(fā)現(xiàn)結(jié)焦時，及時聯(lián)系進(jìn)行吹灰。鍋爐結(jié)焦發(fā)生時，及時優(yōu)化吹灰方式及頻率，提高受熱面清灰效果。水冷壁發(fā)生結(jié)焦時，提高爐膛短吹投入頻率，增加吹灰效果;屏過、高過、高再區(qū)域發(fā)生結(jié)焦時，提高對應(yīng)區(qū)域長吹的投入頻率，判斷吹灰效果如何。

（6）發(fā)現(xiàn)爐膛結(jié)焦時，通過同臺磨煤機(jī)兩臺給煤機(jī)煤量偏置，降低神華、褐煤等低灰熔點(diǎn)煤種的摻燒量，多摻燒些不易結(jié)焦的煤種。如：提高中煤、大同等煤種摻燒量，但控制兩側(cè)給煤機(jī)煤量，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)定。

（7）加強(qiáng)鍋爐左、右側(cè)溫度偏差的監(jiān)視，出現(xiàn)偏差，及時檢查磨煤機(jī)回粉管堵塞情況及爐膛結(jié)焦情況，必要時切換磨煤機(jī)運(yùn)行，優(yōu)化磨煤機(jī)的組合方式。

6 結(jié)語

一般說來，灰的熔融溫度特性中，軟化溫度越低，則結(jié)焦性越強(qiáng)，軟化溫度與變形溫度越接近，結(jié)焦性越強(qiáng)，因此，灰熔融溫度低和熔焦粘度低的煤灰易結(jié)焦，在實(shí)際運(yùn)行中，多總結(jié)經(jīng)驗和分析。加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。

參考文獻(xiàn)

[1] 周強(qiáng)泰.鍋爐原理[M].中國電力出版社，2013.