燃煤鍋爐結(jié)焦及預(yù)防措施研究

王志強(qiáng)

（煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013）

我國(guó)“富煤、貧油、少氣”的資源特點(diǎn)，以及煤炭作為一次能源的低成本， 決定了未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)我國(guó)以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。

煤炭根據(jù)使用目的， 有提供動(dòng)力和煉焦兩大用途，鍋爐作為提供動(dòng)力的設(shè)備，在燃用煤炭時(shí)，極易發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，鍋爐結(jié)焦危害很大，影響燃煤鍋爐的安全性及經(jīng)濟(jì)性，10%以上的鍋爐非正常停機(jī)是由于結(jié)焦造成的，同時(shí)也導(dǎo)致了許多現(xiàn)場(chǎng)事故。

爐膛水冷壁結(jié)焦，會(huì)使熱負(fù)荷增加、對(duì)流傳熱量提高，導(dǎo)致蒸汽溫度和金屬管壁超過溫度限制，同時(shí)也會(huì)引起爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)不均、燃燒火焰發(fā)生偏斜，導(dǎo)致水冷壁管污垢嚴(yán)重、擾亂鍋爐的燃燒、爐膛因受熱不均勻致使?fàn)t壁被撕裂。 燃燒器噴口及其周圍區(qū)域結(jié)焦，會(huì)干擾煤粉的射流軌跡，引起爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的變化，并干擾風(fēng)粉的混合以及煤粉的燃燒。爐膛出口受熱面上的結(jié)焦，不僅會(huì)干擾熱交換，使通風(fēng)阻力增大，嚴(yán)重的情況下還有可能堵住煙氣通道，令燃燒惡化。特別是灰渣集聚并從受熱面脫落，會(huì)砸到冷灰斗，嚴(yán)重時(shí)甚至造成鍋爐停運(yùn)打焦[1]。

1 燃煤鍋爐結(jié)焦的研究

鍋爐運(yùn)行時(shí)，煤灰、煤渣在靠近水冷壁、燃燒器和爐膛內(nèi)壁前， 如果軟化的灰渣顆粒溫度降低凝結(jié)成固態(tài)，就會(huì)在受熱面上形成一層疏松的灰層，吹灰操作即可清除。當(dāng)燃燒區(qū)域高溫過熱時(shí)，一部分灰渣在接觸到水冷壁前，沒有經(jīng)過足夠的降溫放熱，處于熔融和半熔融狀態(tài)，此時(shí)的灰渣有較高的粘性，容易吸附在燃燒器和水冷壁上， 已粘附的顆粒物極易粘附其他灰渣顆粒物，使結(jié)渣面繼續(xù)擴(kuò)大。

1.1 鍋爐燃燒結(jié)焦的機(jī)理研究

煤炭燃燒是煤炭利用的主要方式， 在各類鍋爐中，爐內(nèi)結(jié)渣是普遍問題。 煤粉在鍋爐內(nèi)燃燒，熔化或部分熔化的顆粒被夾帶在煙氣中， 它們碰到水冷壁后沉積，形成初始層，隨后厚度不斷增加，水冷壁傳熱效率降低，表面溫度上升，使表面灰粒熔融，形成結(jié)渣[2]。究其原因，可以分為以下幾個(gè)因素：煤質(zhì)灰熔點(diǎn)的高低、鍋爐設(shè)備熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)、煤粉顆粒的粗細(xì)、一二次風(fēng)的配比及動(dòng)力場(chǎng)、鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷及燃燒環(huán)境。

1.2 鍋爐燃燒結(jié)焦的煤質(zhì)因素研究

煤的灰熔點(diǎn)是一個(gè)溫度范圍，通常為1 000～1 600℃。軟化溫度＞1 350 ℃稱為難熔煤，軟化溫度在1 200～1 350 ℃之間，稱為中熔灰分煤，軟化溫度＜1 200 ℃稱為易熔煤。 灰熔點(diǎn)越低越容易結(jié)渣，灰中的化學(xué)成分和礦物質(zhì)對(duì)灰熔點(diǎn)有較大影響。

1.2.1 化學(xué)成分對(duì)灰熔點(diǎn)的影響

煤灰的化學(xué)成分，主要是一些無(wú)機(jī)氧化物[3-4]，如堿性氧化物和酸性氧化物。 其中，F(xiàn)e2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O為堿性氧化物，SiO2、Al2O3、TiO2為酸性氧化物。煤灰處于一定的環(huán)境氛圍中，氧化物的多少?zèng)Q定了灰熔點(diǎn)的高低。一般來(lái)說，酸性氧化物可以提高煤的灰熔點(diǎn)，堿性氧化物能夠降低煤的灰熔點(diǎn)[5-6]。 但是，灰中化學(xué)成分在高溫下會(huì)相互作用，影響灰熔點(diǎn)的高低，富含堿性金屬氧化物的煤，灰熔點(diǎn)較低，因?yàn)楦邷貢r(shí)，堿性金屬氧化物與灰中SiO2和Al2O3作用，生成長(zhǎng)石類、硬石膏等一些低熔點(diǎn)的礦物。

CaO含量對(duì)灰熔點(diǎn)有雙重作用，在高溫下，含量低于35%時(shí)，容易與灰中Al2O3和SiO2作用，生成低熔點(diǎn)的礦物，降低了煤的灰熔點(diǎn)；超過此量后，會(huì)提高灰熔點(diǎn)[7]。

SiO2和Al2O3自身熔點(diǎn)比較高， 是煤灰的主要成分。Al2O3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，起骨架作用，能使灰熔點(diǎn)升高。煤灰中SiO2呈玻璃體結(jié)構(gòu)，SiO2含量低于40%時(shí)， 與灰中其它組分作用， 生成共熔物， 使灰熔點(diǎn)降低；在40%～60%之間，對(duì)灰熔點(diǎn)基本沒有影響；超過70%時(shí)與Al2O3的作用相似。

MgO熔點(diǎn)較高，含量較少，但對(duì)煤灰熔點(diǎn)的影響較大[8]，有雙重作用，鎂基熔劑為助熔劑，加入鎂基熔劑后，在高溫下，與灰中的鋁硅酸鹽相互作用，生成低熔點(diǎn)礦物，降低了灰熔點(diǎn)。

Fe2O3所處環(huán)境氛圍不同時(shí)， 對(duì)灰熔點(diǎn)的影響不同。 一般情況下，含量小于50%時(shí)降低灰熔點(diǎn)，在弱還原氛圍下此作用更明顯；超過50%后，會(huì)提高灰熔點(diǎn)。 鐵系熔劑為助熔劑，加入鐵系熔劑后，在高溫下與灰中的鋁硅酸鹽相互作用，生成低熔點(diǎn)長(zhǎng)石，降低了灰熔點(diǎn)。

Na2O和K2O含量較少，熔點(diǎn)較低，但對(duì)灰熔點(diǎn)的影響不能忽略。高溫時(shí)，易于與煤灰中SiO2和A12O3作用，生成長(zhǎng)石類礦物，降低了灰熔點(diǎn)[9]。

1.2.2 礦物組成對(duì)灰熔點(diǎn)的影響

煤中礦物分為兩大類[10]:內(nèi)在礦物和外來(lái)礦物。在高溫下， 這些礦物質(zhì)本身及相互之間發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，形成不同物質(zhì)，這些物質(zhì)決定了灰熔融特性和煤炭結(jié)渣性。

總的來(lái)說，根據(jù)煤中這些礦物對(duì)灰熔點(diǎn)的影響，可以將其分為兩類: 助熔礦物和耐熔礦物。 其中長(zhǎng)石、硅酸鈣、赤鐵礦、硬石膏和重晶石為助熔礦物，而石英、高嶺石、莫來(lái)石和鈦氧化物為耐熔礦物。 助熔礦物的總量占礦物總量的百分比， 決定了煤灰熔融溫度的高低。

WU X J等人[11]研究了煤中礦石對(duì)灰熔點(diǎn)的影響。提出灰熔點(diǎn)的高低取決于石英、 高嶺石和長(zhǎng)石的含量，隨著高嶺石含量的增加，灰熔點(diǎn)升高；高嶺石含量相同時(shí)，長(zhǎng)石含量高的煤灰熔點(diǎn)低。

VASSILEV S V等人[12]分析了煤化學(xué)組成和礦物組成，認(rèn)為煤灰中硅酸鹽含量高時(shí)，灰熔點(diǎn)較高；而含有較多氧化物和長(zhǎng)石時(shí)，灰熔點(diǎn)較低。

總的來(lái)說，在煤灰中，助熔礦物的百分比越大，灰熔融溫度越低；助熔礦物的百分比越小，灰熔融溫度越高。

1.2.3 煤種摻混對(duì)鍋爐燃燒結(jié)焦影響的研究

多數(shù)鍋爐在建廠選址之時(shí)， 考慮到燃料的運(yùn)輸成本，大都建在坑口附近，根據(jù)坑口煤質(zhì)特性進(jìn)行鍋爐設(shè)計(jì)，但是鍋爐不可能自始至終燃用單一煤種，而是燃用兩種或多種按一定比例混配而成的混煤，混煤不是簡(jiǎn)單的煤種機(jī)械混合過程， 其燃燒特性也不是幾種組分煤種性質(zhì)的簡(jiǎn)單疊加。 由于組成混煤的煤質(zhì)特性的差異，在混合燃燒過程中，不同煤質(zhì)的煤粉顆粒之間會(huì)互相影響和相互作用， 使得混煤的煤質(zhì)特性比單一煤要復(fù)雜得多， 難以簡(jiǎn)單地由原來(lái)單一煤種的摻混比例預(yù)知其混煤各個(gè)方面的特性。 為解決上述問題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)研究。

在國(guó)外，美國(guó)將中東部地區(qū)含硫高的煤質(zhì)和西部地區(qū)含硫低的煤質(zhì)摻混燃燒，不僅能夠達(dá)到降低SOx排放的要求，也能達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，能夠極大地防止鍋爐結(jié)焦。德國(guó)燃燒褐煤的電廠在摻混15%的煙煤后，能夠滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，且粗灰和飛灰中未燃成分降低，出口煙溫下降，結(jié)焦明顯減少。MANTON N J等人[13]將英國(guó)Fe2O3含量高的煤種與美國(guó)和南非CaO含量高的煤種混合，發(fā)現(xiàn)結(jié)渣性能顯著提高，且混煤的組成對(duì)結(jié)渣的影響表現(xiàn)出一些非線性的關(guān)系。

在國(guó)內(nèi)， 主要是通過實(shí)驗(yàn)設(shè)備研究混煤的燃燒特性，鍋爐結(jié)渣起主要作用的是煤灰中的內(nèi)在成分，其中鐵的作用不可忽視，三價(jià)鐵是聚合物的構(gòu)成者，提高灰熔溫度；二價(jià)鐵是聚合物的破壞者，降低灰熔溫度[14-16]。

1.3 鍋爐燃燒結(jié)焦的煤質(zhì)外部因素研究

燃煤鍋爐結(jié)焦， 煤中的灰分及熔融點(diǎn)起到了一定作用，但外部燃燒條件、鍋爐設(shè)備、運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行條件、運(yùn)行環(huán)境也起到了一定作用，現(xiàn)今大多數(shù)燃煤工業(yè)鍋爐和電廠鍋爐結(jié)焦原因除去煤質(zhì)的影響外，主要集中在以下幾個(gè)方面：

（1）鍋爐設(shè)備設(shè)計(jì)不合理，鍋爐熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷偏高

國(guó)電蓬萊發(fā)電有限公司的曹文濤對(duì)鍋爐設(shè)備熱負(fù)荷設(shè)計(jì)影響鍋爐結(jié)焦的原因進(jìn)行了分析， 發(fā)現(xiàn)爐膛容積熱負(fù)荷qv和截面熱負(fù)荷qF如果設(shè)計(jì)過高，表示爐膛容積過小，水冷壁受熱面布置得小，爐內(nèi)火焰溫度較高，反而容易結(jié)渣。反之，表示爐膛內(nèi)容積較大，雖然不容易造成結(jié)渣現(xiàn)象， 但是因?yàn)闋t膛火焰溫度的偏低容易造成滅火，嚴(yán)重威脅生命安全。

吳英等人[17]針對(duì)600 MW四墻切圓燃燒超臨界鍋爐燃燒器區(qū)域容易結(jié)焦問題進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)燃燒器區(qū)域截面熱負(fù)荷較高， 通過提高一次風(fēng)速并調(diào)整煤粉細(xì)度，使煤粉著火推遲，遠(yuǎn)離噴口，達(dá)到降低燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷的目的，減少結(jié)焦。

（2）煤粉粗細(xì)粒度不合適

周政[18]針對(duì)煤粉細(xì)度對(duì)結(jié)焦的影響進(jìn)行了研究，粗的煤粉燃燒時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致火焰拉長(zhǎng)，爐膛出口的灰處于溫度較高的環(huán)境下，容易造成爐膛出口處結(jié)焦；煤粉過細(xì)，著火過早，極易破壞燃燒器，在燃燒器周圍結(jié)焦， 所以應(yīng)根據(jù)燃料的實(shí)際情況對(duì)煤粉粗細(xì)進(jìn)行調(diào)整。

林樹亮、李建軍[19]針對(duì)350 MW超臨界直流鍋爐結(jié)焦原因進(jìn)行了分析， 發(fā)現(xiàn)煤粉細(xì)度不合理容易造成結(jié)焦現(xiàn)象，煤粉偏細(xì)，導(dǎo)致著火提前，燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷驟增， 容易發(fā)生結(jié)焦， 將煤粉細(xì)度適當(dāng)調(diào)粗后，結(jié)焦?fàn)顩r有所減輕。 陳飛[20]針對(duì)600 MW前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐結(jié)焦原因進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)煤粉過細(xì)是造成燃燒器區(qū)域發(fā)生結(jié)焦的主要原因。

（3）一二次風(fēng)的配比及動(dòng)力場(chǎng)不合適

上海電力學(xué)院章琪[21]針對(duì)一臺(tái)1 000 MW四角切圓塔式燃煤鍋爐，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)爐內(nèi)燃燒進(jìn)行了三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬研究，建立了結(jié)焦模型，將大于煤灰軟化溫度并撞擊到壁面的顆粒視為結(jié)焦顆粒，以結(jié)焦顆粒質(zhì)量占總顆粒質(zhì)量的百分比作為判斷鍋爐水冷壁結(jié)焦程度的依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)正寶塔配風(fēng)下，相比均等配風(fēng)、倒寶塔配風(fēng)和縮腰配風(fēng)，水冷壁結(jié)焦情況較輕微、飛灰含碳量較低。

準(zhǔn)東高鈉煤灰熔點(diǎn)較低，容易結(jié)焦，呂太等人[22]針對(duì)330 MW四角切圓鍋爐燃燒器分層布置上層燃燒器區(qū)域嚴(yán)重結(jié)焦的問題，采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。 四角切圓鍋爐氣體動(dòng)力結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，從燃燒器噴嘴噴射出來(lái)的氣流并不能保持沿噴嘴幾何軸線方向前進(jìn)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的偏斜，使氣流偏向爐墻一側(cè)，外加燃用灰熔點(diǎn)較低的準(zhǔn)東煤，且上層主燃區(qū)有較強(qiáng)的還原性氣氛，致使鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重。 通過燃燒優(yōu)化調(diào)整，改變上層主燃區(qū)一、二次風(fēng)配風(fēng)方式，上層主燃區(qū)射流剛性增強(qiáng)，爐內(nèi)速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)收縮，煤粉顆粒著火時(shí)間延長(zhǎng)，且上層主燃區(qū)還原性氣氛減弱，有效解決了爐膛嚴(yán)重結(jié)焦的問題。

陳紅等人對(duì)采用正四角同心雙切圓燃燒方式的國(guó)投曲靖發(fā)電有限公司4#鍋爐的嚴(yán)重結(jié)焦和掉焦滅火現(xiàn)象進(jìn)行了研究， 發(fā)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)二次風(fēng)率降低導(dǎo)致二次風(fēng)速相應(yīng)降低，最終造成二次風(fēng)剛度降低，使得爐內(nèi)燃燒切圓擴(kuò)大，造成煤粉貼壁結(jié)焦。

賴祿斌[23]針對(duì)600 MW鍋爐結(jié)焦原因進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高一次風(fēng)速，煤粉著火時(shí)間延遲，讓著火點(diǎn)距離噴口的間距變長(zhǎng)， 有效減少燃燒器噴口的結(jié)焦，同時(shí)氣流剛性得到增強(qiáng)，防止一次風(fēng)對(duì)爐膛壁面的沖擊而產(chǎn)生的結(jié)焦現(xiàn)象。

韓廷秀[24]針對(duì)670 t/h鍋爐燃燒器進(jìn)行防結(jié)焦改造技術(shù)研究， 通過對(duì)切圓燃燒鍋爐帶側(cè)二次風(fēng)的一次風(fēng)射流剛性的研究， 發(fā)現(xiàn)側(cè)二次風(fēng)對(duì)一次風(fēng)的剛性能產(chǎn)生顯著影響， 側(cè)二次風(fēng)與一次風(fēng)的動(dòng)量比應(yīng)維持在0.73～0.86之間， 此時(shí)氣流沿水冷壁的速度有所減少，氣流貼壁減少，氧含量值升高，受熱面管壁溫度下降，有效防止結(jié)焦的發(fā)生。

（4）鍋爐的運(yùn)行負(fù)荷及燃燒環(huán)境

賴祿斌針對(duì)600 MW鍋爐結(jié)焦原因進(jìn)行分析，提出了一些定量數(shù)據(jù)， 鍋爐內(nèi)部過量空氣系數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高，可以抑制還原性狀態(tài)的出現(xiàn)，對(duì)于600 MW燃煤鍋爐，運(yùn)行負(fù)荷處于400～600 MW范圍時(shí)，運(yùn)行氧量應(yīng)在4.3%～5.1%；運(yùn)行負(fù)荷處于300～400 MW范圍時(shí)，運(yùn)行氧量應(yīng)在5.4%～6.6%；燃煤鍋爐不易出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。

劉楊[25]在電廠鍋爐結(jié)焦的原因及防治措施分析中發(fā)現(xiàn)煤粉中S的含量會(huì)對(duì)鍋爐結(jié)焦產(chǎn)生影響，因?yàn)槿紵挟a(chǎn)生的SOx，會(huì)與煙氣中的水分結(jié)合，生成硫酸蒸汽，遇到灰中的鈣氧化物就會(huì)產(chǎn)生CaSO4附著在設(shè)備上，進(jìn)而形成結(jié)焦。劉向軍在電廠鍋爐燃燒防結(jié)焦措施中指出高硫煤會(huì)使灰熔融溫度降低， 導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦嚴(yán)重； 壁面還原性氣氛會(huì)使灰熔融溫度降低200 ℃，使結(jié)焦加劇。

2 實(shí)例結(jié)焦問題研究

某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐采用濃相中心逆噴強(qiáng)旋流燃燒技術(shù)與雙錐煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)，在冬季供暖期間，經(jīng)點(diǎn)火運(yùn)行平穩(wěn)后，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，短則一到兩天，長(zhǎng)則三到四天，爐膛膜式壁、二回程對(duì)流管入口、預(yù)燃室出口結(jié)焦、掛壁現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，且結(jié)焦頻繁，導(dǎo)致頻繁停爐清焦。理論分析認(rèn)為存在煤粉粒度變大、煤種改變導(dǎo)致煤灰熔融性溫度變低、二次風(fēng)剛性不足等問題。

在現(xiàn)有煤種和鍋爐結(jié)構(gòu)不變的條件下， 二次風(fēng)壓（增大二次風(fēng)剛性）和弱還原性燃燒氣氛調(diào)整的范圍不大，微調(diào)后結(jié)焦?fàn)顩r和結(jié)焦頻率無(wú)明顯變化；通過煤種摻混3%的石英，煤粉的灰熔融性溫度由1 170℃提高到1 320 ℃，溫度提高150 ℃，結(jié)焦現(xiàn)象得到較大改觀；通過將煤粉磨機(jī)頻率從19 Hz調(diào)大到22 Hz，煤粉粒度（200目）過篩率從70%增大到85%，煤粉粒徑變小，對(duì)流管入口結(jié)焦?fàn)顩r改善。 綜上可知，煤粉粒度和煤粉的灰熔融性溫度確實(shí)對(duì)鍋爐結(jié)焦造成較大的影響[26]。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)燃煤鍋爐結(jié)焦的影響因素，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

（1）根據(jù)煤種的特點(diǎn)、可供使用的煤種產(chǎn)量、以及鍋爐煤種的適應(yīng)性， 鏈條爐投入小、 煤種適應(yīng)性強(qiáng)、效率低；循環(huán)流化床投入大、煤種適應(yīng)性強(qiáng)、效率一般；煤粉爐投入大、煤種適應(yīng)性弱、效率高。為避免由于后期煤種的變換對(duì)鍋爐以及燃燒器提出頻繁改進(jìn)的要求，減少煤種方面對(duì)結(jié)焦的影響，應(yīng)該選擇合適的鍋爐類型。

（2）鍋爐設(shè)計(jì)之初，應(yīng)根據(jù)業(yè)主使用熱負(fù)荷的需要，設(shè)計(jì)合理的容積和截面熱負(fù)荷，一般設(shè)計(jì)為使用熱負(fù)荷的150%，避免鍋爐容積和界面熱負(fù)荷設(shè)計(jì)不合理造成的爐膛以及燃燒器結(jié)焦現(xiàn)象。

（3）運(yùn)行之前，運(yùn)用理論模擬，對(duì)一二次風(fēng)配比數(shù)值進(jìn)行模擬運(yùn)算，確保一二次風(fēng)的剛性、燃燒切圓的半徑以及還原性燃燒氣氛做到最佳的調(diào)和狀態(tài)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)燃燒調(diào)試， 減少一二次風(fēng)配比及運(yùn)行環(huán)境對(duì)燃燒結(jié)焦的影響。

（4）燃燒過程中，定期調(diào)整煤粉磨機(jī)的功率和間隙，停爐檢查爐內(nèi)結(jié)焦情況，根據(jù)結(jié)焦情況，選擇最佳的煤粉粒度，減少粒度對(duì)燃燒結(jié)焦的影響。