不同煤種混燒預防鍋爐結焦技術分析

盧熠然，江雪珍，王文強

（華能（福建）能源開發(fā)有限公司福州分公司，福建 長樂 350299）

引言

為適應煤炭市場化需要，降低燃料成本，加大經(jīng)濟煤種摻燒力度是必由之路。隨著摻燒煤種的多樣化、復雜化，防止鍋爐結焦是確保鍋爐安全運行的首要任務。一般鈉鉀等堿金屬含量高的煤種，灰熔點較低，鍋爐在燃燒該煤種時交易結渣[1-2]，造成鍋爐受熱面換熱效率降低，排煙溫度升高，甚至會堵塞鍋爐排渣，引發(fā)鍋爐事故。周永剛等研究發(fā)現(xiàn)鈉鉀質量分數(shù)大于3%，摻燒比例超過80%，可能造成嚴重的鍋爐結焦，摻燒弱結焦特性的煤種、增加吹灰等方式，可以減弱結焦的風險[3]。多次機組調(diào)停檢查發(fā)現(xiàn)，前屏過熱器、折焰角區(qū)域容易發(fā)生結焦。本文通過監(jiān)測前屏過熱器溫升率，試驗不同煤種加倉方式對鍋爐結焦的影響。

1 設備概況

1.1 鍋爐及燃燒系統(tǒng)

華能福州電廠三期2×660 MW超超臨界機組鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司引進日本三菱重工業(yè)株式會社技術制造，為變壓運行直流鍋爐，鍋爐型號為HG-2042/26.15-YM3。該鍋爐采用П型布置，單爐膛、墻式切圓燃燒方式，MPM+SOFA燃燒器，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁，一次中間再熱。調(diào)溫方式除煤/水比外，還采用煙氣出口調(diào)節(jié)擋板、燃燒器擺動、噴水減溫等方式。鍋爐尾部煙道豎井過熱側和再熱側均布置有省煤器。從下往上逐層布置A、B、C、D、E、F 6套燃燒器噴燃口。

1.2 主要設計參數(shù)（見表1）

表1 前屏過熱器設計溫升 ℃

1.3 煤質參數(shù)（見表2）

表2 煤質參數(shù)

2 摻燒方式

試驗按照1∶1∶1的比例進行摻燒，摻燒方式見表3。

表3 摻燒方式

3 試驗結果及分析

試驗結果表明，方式三、方式四在連續(xù)穩(wěn)定負荷運行4 h以后前屏過熱器溫升明顯下降，均發(fā)生了較強的鍋爐結焦現(xiàn)象，方式二未發(fā)生明顯鍋爐結焦特性，見表4。

表4 運行4 h后屏過溫升（澳煤混） ℃

澳煤含碳量較高，其低位發(fā)熱值較高，燃燒后的火焰溫度高，將與之相鄰的印尼煤加熱到其灰熔點以上，造成印尼煤結焦。澳煤雖然其自身的灰熔點與印尼煤相近，但因其鈉鉀堿金屬質量比重較低，表現(xiàn)的結焦特性明顯弱于印尼煤。當澳煤與褐煤相鄰時，因褐煤含碳量低，低位發(fā)熱值低且其灰熔點較高，混合摻燒時，表現(xiàn)出來的結焦特性也弱于印尼煤。

印尼煤揮發(fā)分相對較高，在煤粉燃燒初期，揮發(fā)分大量析出燃燒，消耗大量的氧氣，使其附近區(qū)域形成強還原性氛圍。通常認為主燃燒區(qū)水冷壁附近的CO的體積分數(shù)一般控制在2%或3%以內(nèi)，而O2體積分數(shù)控制在2%以上，此時主燃燒區(qū)處于氧化性或弱還原性氣氛[4-5]。當CO體積分數(shù)上升到5%~10%，O2體積分數(shù)下降到1%左右，即弱還原性轉變?yōu)閺娺€原性氛圍時，灰熔點下降28~62℃[6]，進一步加劇其與澳煤相鄰時的結焦。

4 結果驗證

為驗證不同煤種混燒方式的結焦特性，采用華能優(yōu)代替澳煤進一步進行試驗驗證，結果如下表5。試驗結果符合分析結論。

表5 運行4 h后屏過溫升（華能優(yōu)混） ℃

5 結論

5.1 鍋爐結焦發(fā)生機制

鍋爐結焦后會導致整個內(nèi)部的溫度升高，尤其在過熱器部位以及熱氣部位的溫度會進一步的上升，一旦管壁溫度不斷升高超過了原本設計的溫度會導致鍋爐整體的運行受到影響。當然在實踐過程中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)發(fā)生管爆事件與管壁長期的溫度超過所設計的溫度界限，因此給電廠帶來很大的經(jīng)濟損失[7]。這主要還是和鍋爐爐膛內(nèi)部產(chǎn)生的結焦情況息息相關，主要的是結焦部位由于水冷壁熱量吸收降低，導致整個水循環(huán)的熱量發(fā)生變化，因此整體的安全性會受到一定的影響，當然嚴重情況下可能導致水冷發(fā)生爆炸。同時大量的結焦發(fā)生脫落或掉焦情況，水冷以及除渣儀器設備極大概率會受到影響，結焦掉落至撈渣系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽會對整個撈渣的水封形成破壞，從而導致冷風大量的從爐底部位滲透進入鍋爐，一旦冷風進入，燃燒部位的火焰著火情況會產(chǎn)生惡化，時間過長會導致鍋爐內(nèi)的負壓變化強烈，最終可能引起鍋爐滅火的可能[8]。

5.2 鍋爐結焦與煤的關系

電廠使用的燃煤品種較多，本文研究的主要分為澳煤、印尼、褐煤、華能優(yōu)，由于不同煤的質量存在很大的差異，一旦采用質量較差的煤很可能會導致鍋爐結焦的情況，當然不同質量煤中成分不同，比如富含氧化硅或鋁的煤就不容易產(chǎn)生結焦的情況，這主要是由于該成分的煤熔點較高，但是如果富含大量堿性氧化物的煤很可能會導致鍋爐結焦的情況，這主要是由于堿性氧化物的煤熔點較低[9]。同時不同濃度的煤產(chǎn)生的熱負荷不同，濃度較高的煤在燃燒器的出口部位產(chǎn)生的熱負荷較高，一旦與爐墻的距離較近，鍋爐墻附件極易產(chǎn)生還原性的氣氛，這樣就極易導致鍋爐發(fā)生結焦的情況。再比如，煤粒的大小粗細也可能對結焦產(chǎn)生一定的影響，這主要是粗煤粒通過燃燒器后極易脫離主流，所以處于燃燒狀態(tài)的粉粒及灰粒容易撞上水冷壁管，進而使鍋爐結焦[10]。

5.3 鍋爐結焦與爐膛內(nèi)溫度

相關實踐研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐的結焦與燃燒器的溫度密切相關，一旦燃燒器的溫度超過常規(guī)溫度時，極易導致煤灰發(fā)生軟化和熔融，這個時候就比較容易形成結焦的情況。在實踐過程中，在一般爐膛溫度下，某些灰熔點中等的煤并不會結焦，但熱負荷集中于燃燒器區(qū)域壁面且火焰溫度較高時，灰熔點中等的煤有可能結焦。因為爐膛內(nèi)溫度升高時，煤中含有的容易揮發(fā)的物質就會發(fā)生強烈的氣化反應[11]。比如，當爐膛出口溫度較高時，極易使爐膛上部因屏式受熱面、高溫產(chǎn)生結焦現(xiàn)象。又如，當爐膛出口煙溫不均勻時，會使溫度較高的部分結渣

5.4 本次研究的結論

本文通過研究發(fā)現(xiàn)，第一，在混煤摻燒時，同等比例摻燒量，不同的組合方式，表現(xiàn)出較大差異的鍋爐結焦特性，這主要和不同煤的成分以及混合后產(chǎn)生的化學反應有很大的相關性。第二，鈉鉀等堿金屬含量高的煤種混燒時，應控制其摻燒量并應與高熱值、低揮發(fā)分煤種隔開摻燒，避免摻燒的量過多以及成分不同導致的結焦更為嚴重。第三，屏式過熱器進出口溫升，可以有效表征鍋爐結焦現(xiàn)象，需要注意控制好出口溫升，減少或避免發(fā)生結焦的情況。第五，灰熔點和焦渣特性不能完全反應爐內(nèi)混燒的結焦特性，但是對鍋爐的結焦還是有一定的影響，不可忽視。