燃煤鏈條爐排工業鍋爐結焦原因分析

陸建國 黃 懿 謝啟強

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院太倉分院)

燃煤鏈條爐排工業鍋爐結焦原因分析

陸建國*黃 懿 謝啟強

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院太倉分院)

燃煤鏈條爐排工業鍋爐普遍存在結焦等問題。列舉了幾種常見的引起鍋爐結焦的問題，并結合實際工作經驗進行分析探討。

燃煤鏈條爐排 工業鍋爐 結焦 節能

燃煤工業鍋爐是高耗能特種設備之一，廣泛應用于生產和生活中。截止到2007年年底，我國在用工業鍋爐52.44萬臺[1]，其中燃煤工業鍋爐占80%以上，燃油 （氣）鍋爐約占15%，電加熱鍋爐占1%左右，其余的鍋爐以沼氣、黑液、甘蔗渣、生物質 （垃圾）等為燃料，并且燃煤工業鍋爐中層燃鍋爐約占95%[2]。通過對太倉市在用工業鍋爐進行內外部檢驗發現，燃煤工業鍋爐大多存在熱效率偏低、堵灰、輔機電耗偏大和鍋爐結焦等問題。鍋爐結焦不僅影響鍋爐的熱效率，使鍋爐出力降低，還嚴重威脅到鍋爐的安全運行，迫使鍋爐停爐檢修。筆者從十幾年來鍋爐定期檢驗和安裝、改造的監督檢驗經驗出發，就燃煤鏈條爐排工業鍋爐結焦問題的原因進行分析探討。

1 爐內結焦原因分析

爐內結焦原因主要包括下述方面：配風不合理，爐內存在較多的還原性氣體，煤質本身的結焦性能，鍋爐節能改造的影響和鍋爐運行管理的影響。

1.1 配風不合理

原煤在爐排上由前往后的運動過程中，其燃燒分為三個階段：首先是預熱干燥并分解揮發物；其次是著火燃燒；最后是燃盡出渣。由于煤炭在鏈條爐排上的燃燒是沿長度分階段進行的，因此爐排下供應的一次風必須分倉﹑分區調節，爐前著火區和爐后燃盡區的風量要少，中間燃燒旺盛區的風量要大。沿爐排寬度方向上的合理配風方法是均勻配風，可使燃燒均勻，防止出現火口等不正常燃燒現象。鍋爐在運行過程中，由于給風設備的損壞或者司爐人員對配風調整不當，使鍋爐配風不能按照合理的配風要求進行，就會造成鍋爐結焦。各分段供風量的比例關系，需要根據煤質好壞、爐排上煤層厚度、煙氣含氧量、CO含量、負荷大小等因素確定。不同負荷和不同燃燒情況下的供風配比需要根據長時間的實際操作經驗進行總結，形成一整套數據，才能用于指導操作，保障鍋爐的安全節能運行。燃煤鏈條爐排鍋爐普遍存在漏風問題，左右兩側煤灰被大量吹起，火焰又貼壁燃燒，使高溫區接近水冷壁管，從而使一部分尚在燃燒的高溫炭粒和呈熔融狀態的煤灰在還未燃盡和得到充分冷卻之前，就隨著煙氣流動與水冷壁管相碰，使之無法凝固而導致結焦。

1.2 還原性氣體降低了灰的熔點溫度

爐內存在還原性氣體，主要是鍋爐給風量不足或者鍋爐局部缺氧造成的。煤不能充分燃燒，爐內就會產生大量的CO、H2S、S、SO2等還原性氣體。

爐內氣氛對燃煤的灰熔點以及煤灰的粘附強度都有較大的影響。煤灰的主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、K2O等，煤灰的熔點取決于各組分的熔點及所占的比例。CO、H2S、S、SO2等還原性氣體與煤灰接觸時，會將煤灰中高熔點的Fe2O3還原成低熔點的FeO，其反應式為：

反應產物FeO在煤灰中的CaO助熔下，進一步與煤粉中的Al2O3生成低熔點的共熔混合物FeO·SiO2+Al2O3·2SiO2+SiO2和 CaO·FeO+CaO·Al2O3，從而導致煤灰的軟化溫度下降50～200℃，結焦幾率增大。還原氣氛中煤灰不僅熔點較低，而且其粘附性也較強。由式 (2)、式 (3)可知，煤灰中所含的Fe2O3在還原氣氛下分解成FeO，FeO是灰熔點降低、粘附力增大的主要因素[3]。

1.3 煤種本身的結焦性

燃煤工業鍋爐使用的燃料是未經篩選的原煤，其中小于3 mm顆粒度的粉煤比例大，大于30 mm顆粒度甚至大于45 mm顆粒度的塊煤也占相當的比例，而且煤炭供應緊張時燃煤質量不穩定，時好時壞。由于燃用煤種的煤質對鍋爐的結焦有著根本的影響，因此要加強對煤的品質的控制。國內普遍采用煤的灰熔點的高低來估計結渣傾向?；胰埸c有三個特性溫度：變形溫度DT、軟化溫度ST、流動溫度FT，一般以ST做評價指標。用角錐法測得的灰熔融特性相似的煤種具有不同的結焦性能。其原因在于在緩慢加熱灰的角錐時，氣體釋放后會產生一些小的空穴，緊接著開始熔化，這些空穴又被填滿，因而試樣形狀并沒有改變，但卻造成了測量誤差。因此，常用灰的成分含量來輔助判斷煤的結焦性能，分別用硅鋁比SiO2/Al2O3、堿酸比B/A和硅比G等。其中：

根據灰熔點溫度和灰成分的不同來判別煤的結焦程度指標，如表1所示[4]。

表1 用灰熔點溫度和灰成分判別結焦情況

1.4 鍋爐節能改造不當

燃煤工業鍋爐大都存在熱效率偏低、排煙溫度高和出力偏低等問題，因此通過爐膛改造和增加低溫受熱面等措施可達到鍋爐節能和經濟運行的目的。然而在實際中燃煤鏈條爐排鍋爐的節能改造往往是僅考慮提高熱效率，常常忽視了鍋爐的安全運行。以下從幾個方面來加以分析。

1.4.1 爐拱改造造成的結焦

鏈條爐排鍋爐的爐拱是按設計煤種配置的，按照實際使用的煤種，適當改變爐拱的形狀與位置，可以改善燃燒狀況，提高燃燒效率，減少燃煤消耗。在實際的鍋爐改造中往往是單一地追求高的燃燒效率，與鍋爐實際運行狀況相脫離。燃煤鏈條爐排工業鍋爐的實際出力與額定出力還是有很大差距的，如當前使用得較多的節能型爐拱改造，目的是為了提高爐膛容積熱負荷，強化燃燒和提高鍋爐的出力。為了使煤燃燒得更加充分，節能型爐拱采取了降低前拱壓火高度、前延燃煤引火區，后拱則采取強化輻射和對流的方式。通過采取合理的拱形和尺寸以及前后拱的最佳配合，可以使低品質煤種充分燃盡，從而達到節約能源的目的。而有的企業為了提高出力，通過節能型爐拱改造來燃燒不相匹配的高品質煤種，這就大大強化了燃煤的前期燃燒，造成引火區太前、主燃區燃燒過猛。由于引火太前燒到煤閘門，燃燒區域集中在鍋爐中前部，在爐排中部的燃燒層中存在著還原區，不斷產生還原性氣體，在復雜的化學反應作用下降低了煤灰的灰熔點溫度，以至造成過熱結焦并產生惡性循環，給鍋爐的安全運行帶來隱患[5-6]。

1.4.2 加裝尾部余熱利用設備造成的結焦

在鍋爐尾部煙道加裝余熱利用設備，如空氣預熱器，可提高鍋爐的給風溫度，降低空氣的密度，提高空氣通過爐排時的速度，但卻變相造成單位體積含氧量的減少，在鍋爐配風不良的情況下會造成爐內局部缺氧，產生還原性氣體，降低煤灰的灰熔點溫度，從而引起結焦。同時更多的灰渣被吹起，也增加了鍋爐結焦的傾向。提高鍋爐的給風溫度，提高爐膛的理論燃燒溫度并強化爐膛的輻射傳熱，有可能造成超溫引起鍋爐結焦。加裝尾部余熱利用設備后，除了余熱設備自身的阻力外，還由于鍋爐改造后鍋爐房后部剩余空間的減少，導致煙道出現一些急轉彎，這就會大大增加煙氣流阻。煙氣比較容易在低溫受熱面中造成積灰，且缺乏足夠有效的清灰措施。流阻增大后，引風機的吸力相對變小，進一步加劇了受熱面積灰的程度，從而降低了爐內受熱面的傳熱能力，使鍋爐無法維持在滿負荷下運行，只好增加投煤量，于是引起爐膛出口煙溫進一步提高。引風機吸力變小，爐膛造成正壓燃燒，會造成爐膛局部缺氧。在高溫和缺氧的雙重條件下，灰渣更容易粘結在受熱面上造成結焦，形成惡性循環，導致一系列鍋爐惡性事故發生。

1.4.3 鍋爐燃料的改變

由于煤價持續上漲和環境保護的因素，對燃煤鍋爐的煙氣排放要求越來越嚴格，越來越多的鍋爐使用生物質燃料。生物質燃料中由于含有較高的堿金屬成分，生物質的灰熔點較低，密度小、揮發分高，特別是木屑或稻殼等粉碎性燃料燃燒時燃料處于懸浮狀態，燃燒主要在爐膛空間進行。根據我國工業鍋爐專家的推薦，層燃鍋爐的爐膛容積熱負荷一般為230～350 kW/m3，而小型室燃鍋爐的爐膛容積熱負荷一般為140～260 kW/m3[7]，這樣同一臺層燃鍋爐在同樣負荷條件下改為室燃鍋爐，其爐膛容積熱負荷要比推薦值大一倍左右，結果必然造成爐膛溫度升高，導致爐膛結焦。結焦后爐膛容積更小，爐膛溫度更高，形成惡性循環。

1.5 運行管理不當

鍋爐的管理人員和運行操作人員的技術水平對鍋爐安全運行起著至關重要的作用。有的鍋爐為了提高出力，鍋爐管理人員就采用高品質的煤代替設計煤種，以提高鍋爐爐膛溫度，但由于鍋爐配風等沒有隨之改變，這樣在高溫和還原性氣氛的條件下就容易造成鍋爐嚴重結焦。如果司爐人員技術水平低，沒有根據煤種、鍋爐負荷等因素的變化而改變鍋爐的配風，也容易造成鍋爐結焦。

2 案例分析

2.1 典型案例

某造紙廠一臺SZL6-1.25-AⅡ鏈條爐1996年投入生產。在多年的運行過程中，長期存在排煙溫度高的問題，溫度高達265℃，爐內有輕微的結焦。由于采用冷凝水作為鍋爐的給水，省煤器損壞也沒有引起企業的重視。為了降低排煙熱損失，在爐膛出口處加裝了熱管式空氣預熱器，運行三天后發現鍋爐開始結焦，一周后發現鍋爐爐內大量結焦，鍋爐排煙溫度持續升高，溫度高達296℃，鍋爐出力低，無法滿足企業供汽要求，企業被迫停產。經檢驗發現下列問題：

（1）鍋爐煤閘門、前中部側密封塊等燒損嚴重，側密封塊變形后與爐排摩擦造成爐排運轉困難。

（2）鍋爐爐膛左右兩側水冷壁結焦，平均厚度30～50 mm，前拱有大塊結焦，高度為450 mm，爐膛四周均有20 mm左右的結焦和積灰。爐膛內、對流換熱區、煙道出口等處大量積灰，煙氣流道堵塞嚴重。

（3）引風機噪音變大，振動加劇，引風電流增大。

（4）鍋爐補給水為冷凝水，水溫92℃，加裝熱管式空氣預熱器后，鍋爐給風溫度高達152℃，與鍋爐設計時的給水和給風溫度嚴重不符。

2.2 原因分析

根據分析可知，造成鍋爐嚴重結焦大致有以下幾個方面的原因：

（1）該鍋爐改造前一直處于滿負荷狀態下運行，由于生產需要，燃用了高品質的燃煤，與設計時的煤種不符。經角錐法測量燃煤的灰熔點，灰熔點溫度為1296℃，結焦程度中等。

（2）加裝了熱管式空氣預熱器后，改善了燃料的著火條件和燃燒過程，提高了爐膛理論燃燒溫度并強化了爐膛的輻射傳熱，使鍋爐前中部燃燒過猛而后部相對較弱，高溫引起爐內大量結焦。

（3）鍋爐給風溫度與設計時相比提高了132℃，空氣密度由20℃的1.29 kg/m3降低到152℃的0.89 kg/m3，空氣的密度下降了31%，含氧量也相對減小，在還原性氣氛的條件下煤灰發生復雜的化學反應，降低了煤灰的灰熔點。給風溫度的提高，使給風體積膨脹了31%，提高了給風通過爐排時的速度，增加了爐膛中被吹起的飛灰的總量，改變了爐膛空氣的分布[8]。

（4）鍋爐的補給水采用冷凝水，溫度高達92℃，與設計不符。

（5）鍋爐的改造方案未經過系統的論證和研究，特別是鍋爐給風的改造，嚴重脫離了原有的設計基礎，改變了熱力平衡，為追求經濟效益而忽視了鍋爐的安全運行。

經過系統的分析和研究，找到了問題的癥結，并采取了如下措施：修復損壞的省煤器；加裝二次風；加強擾動和燃燒，使鍋爐產生的還原性氣體充分燃燒；嚴格按照設計時的煤種要求采購燃煤；加大引風機的功率，采取有效措施定期除灰；合理控制爐膛的溫度和煙氣中的含氧量，防止鍋爐結焦。此外，冷凝水的回收和熱管式空氣預熱器的使用，也節約了大量的能源。

3 結語

燃煤鏈條爐排工業鍋爐結焦是普遍存在的問題，本文分析了鍋爐結焦的原因。預防鍋爐結焦的措施有如下幾方面：對燃煤品質嚴格把關；進行合理的配風；加強司爐人員技能培訓；根據負荷大小合理調控煤層厚度和煙氣含氧量。此外，對鍋爐的節能改造要加強論證，要經過合理的分析計算，這樣才能防止結焦，確保鍋爐的安全經濟運行。

[1]郭奎建.2007年全國特種設備安全監察工作統計與分析 [J].工業鍋爐，2008，24（5）：33-36.

[2]李茂華，黎華，鐘至強.工業鍋爐能耗現狀分析與節能措施 [J].石油和化工設備，2009(7)：67-69.

[3]陳鏡，徐齊勝.420 t/h無煙煤鍋爐結焦原因的分析及預防措施 [J].廣西電力,2004（6）：33-35.

[4]中國動力工程學會.火力發電設備技術手冊 (第一卷):鍋爐 [M].北京:機械工業出版社，2003.

[5]車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐 [M].西安:西安交通大學出版社,2008.

[6]勇繼軍.有機熱載體鍋爐節能改造中需注意的幾個方面 [J].工業鍋爐,2010（1）：42-44.

[7]孟豐平,樓錦杰.層燃燃煤鍋爐改燒生物質燃料引起的事故分析 [J].工業鍋爐,2009（1）：51-53.

[8]章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學 [M].北京:中國建筑工業出版社，2001.

Analysis on Slagging in Coal-fired Chain Grate Industrial Boilers

Lu Jianguo Huang YiXie Qiqiang

Coal-fired chain grate industrial boilers general present slagging and other issues.The paper lists several common causes of slagging in boilers,and analyzes and discusses the causes combining practical experience.

Coal-fired chain grate;Industrial boilers;Slagging;Energy saving

TK 22

*陸建國，男，1967年生，工程師。蘇州市，215400。

2012-04-20）