三廢混燃流化床鍋爐結焦的原因分析及預防措施

高 紅 鄧洪遠

(安徽三星化工有限責任公司 安徽渦陽233610)

0 前言

安徽三星化工有限公司(以下簡稱三星化工公司)目前具備200 kt/a合成氨、330 kt/a尿素和100 kt/a聯(lián)產(chǎn)甲醇生產(chǎn)能力，共有18臺造氣爐(4臺Φ3 600 mm和14臺Φ2 600 mm/Φ2 800 mm錐形爐)。2004年建成1套Φ7 500 mm聯(lián)產(chǎn)熱電的3.85 MPa，35 t/h的吹風氣系統(tǒng)，以回收4臺Φ3 600 mm 及3臺Φ2 600 mm造氣爐的吹風氣；2008年底擴產(chǎn)改造時，增加了6臺Φ2 800 mm錐形爐，故吹風氣氣量增多，造成資源浪費和環(huán)保壓力增大。根據(jù)三星化工公司的生產(chǎn)負荷，經(jīng)論證，決定新增1套60 t/h，3.85 MPa三廢余熱回收裝置，并入發(fā)電系統(tǒng)，不僅可節(jié)約能源、保護環(huán)境，而且能取得經(jīng)濟和社會效益。

1 工藝流程

1.1 煙氣流程

造氣產(chǎn)生的廢渣、廢灰、廢氣和提氫后的合成放空氣及部分無煙煤末，同時在混燃爐內燃燒，產(chǎn)生的高溫煙氣經(jīng)組合式除塵器除塵后，依次進入蒸汽過熱器、余熱鍋爐、省煤器、空氣預熱器、靜電除塵器，達到環(huán)保排放指標的煙氣由引風機送入煙囪放空。組合式除塵器的細灰由下部水封排出。

1.2 汽水流程

來自鍋爐崗位的除鹽除氧水經(jīng)給水泵提壓后進入省煤器換熱，換熱后進余熱鍋爐對流管束換熱汽化，再經(jīng)鍋筒汽水分離，飽和蒸汽經(jīng)蒸汽過熱器過熱，由主汽閥輸出，供汽輪機使用。

2 鍋爐結焦的主要原因

2.1 煤質特性

結焦的先決條件是煤中的灰熔化，而各種不同的煤，其灰的熔化溫度相差很大，此溫度又稱灰熔點。煤的灰熔點有3個特性溫度，即變形溫度(DT)、軟化溫度(ST)及流動溫度(FT)，煤質的結焦性一般以ST作為評價指標。

煤中灰分(以下簡稱煤灰)的熔融性是判斷鍋爐結焦的主要因素之一。實際上，影響煤灰熔融性的因素是多方面的。

(1)煤的化學組成，即酸性氧化物(如SiO2，Al2O3和TiO3等)和堿性氧化物(如Fe2O3，CaO，MgO，Na2O和K2O等)。煤灰中酸性組分增加，會使灰熔點提高，當酸性組分超過80%～85%(質量分數(shù)，下同)時，煤灰往往是難熔的；相反，煤灰中堿性金屬氧化物增加，則會使灰熔點下降。實際上，煤灰是多種化合物的混合物，在燃燒時將結合為熔點更低的共晶體。

(2)煤灰周圍介質的性質對煤灰的熔融性有較大的影響。當煤處于氧化性介質中時，煤灰中的鐵呈氧化狀態(tài)(Fe2O3)，熔點較高。但在還原性和半還原性氣氛中，F(xiàn)e2O3可被還原為FeO，并可能與其他氧化物形成共熔體，熔點隨鐵量的增加而迅速下降。因此，煤灰周圍的介質不同，會使煤的灰熔點升高或降低200～300 ℃。

(3)灰熔點還與煤灰的含量有關，在其他條件相同的情況下，煤灰含量不同，灰熔點也會發(fā)生變化。這是因為在加熱過程中，煤灰中各組分相互接觸越頻繁，產(chǎn)生化合、分解、助熔的機會也越多，則降低灰熔點的可能性也越大。

在實際運行中，可根據(jù)灰渣的顏色判斷熔融性。灰渣越紅，表示其中Fe2O3含量越高，灰熔融性越低，一般灰渣紅色較明顯時的ST<1 350 ℃；若灰渣呈白色，ST>1 250 ℃；煤灰中CaO達到20%(質量分數(shù)，下同)時，則ST通常在1 250 ℃左右，有的甚至低于1 150 ℃。

煤的ST隨著其中的Al2O3含量增加而升高：Al2O3>20%(質量分數(shù)，下同)時，ST>1 250 ℃；Al2O3>30%時，ST>1 350 ℃；Al2O3>45%時，ST>1 400 ℃。

煤灰中的SiO2能與灰中其他組分共熔而使灰熔點降低，SiO2>40%(質量分數(shù)，下同)時，由于灰中已存在部分SiO2單體，會使ST升高約100 ℃；SiO2在40%～60%時，SiO2對ST影響不明顯。

由于煤灰中的CaO與SiO2可形成低熔點的硅酸鹽，從而使灰熔點降低。CaO>35%時，由于出現(xiàn)單體CaO，使灰熔點升高；MgO，TiO3，K2O和Na2O都是降低熔點的組分，但它們的含量較少，影響也較小。

煤灰中的Fe2O3是能降低灰熔點的組分，灰中的鐵，由于在不同氣氛下的存在形態(tài)不同，所以ST也不同。在強還原性氣氛下，灰中的鐵以元素形態(tài)存在，其ST為1 530 ℃左右；在強氧化氣氛下，鐵以Fe2O3的形態(tài)存在，ST為1 560 ℃左右；在弱還原性氣氛下，以FeO存在，ST為1 420 ℃左右。當煤灰中Fe2O3<20%(質量分數(shù)，下同)時，每增加1% Fe2O3，ST降低18 ℃。

根據(jù)上述關系，一般可作如下判斷：Al2O3/(CaO +Fe2O3)(質量比，下同)>4.0的煤，ST>1 400 ℃；Al2O3/(CaO +Fe2O3)>5.7的煤，ST>1 500 ℃；Al2O3/(CaO +Fe2O3)<1.0的煤，ST<1 300 ℃。

2.2 爐膛內溫度

爐膛內溫度越高，飛灰就越容易達到軟化狀態(tài)或熔融狀態(tài)，產(chǎn)生結焦的可能性也越大；另外，煤粉中易揮發(fā)的物質氣化越強烈越易結焦。具體表現(xiàn)：①爐膛內溫度高，將使煤中一些易揮發(fā)的堿性氧化物氣化或升華(1 400 ℃以上)，使堿金屬化合物在受熱面上凝結而形成致密的強黏結性的灰；②在初始灰層中形成產(chǎn)生低熔點復合硫酸鹽反應的條件，能使含有堿性化合物的積灰外表層黏結性增強，加速積灰過程；③煤灰呈熔化或半熔化狀態(tài)時，熔融灰會直接黏在受熱面上，形成嚴重的結渣層。

若流化床層溫度(簡稱床溫)低于800 ℃，雖采取了增煤、減風措施，床溫仍然下降，鍋爐有熄火的可能。此時需注意空氣富余量，如果富余量偏大，應進一步減少空氣加入量，但要保持正常流化；如果富余量偏小，應立即停止加煤，適當增大空氣加入量；如床溫仍然下降并低于600 ℃，可投油槍助燃，并密切注意床溫變化，如床溫急劇升高并超過700 ℃，可停油槍；如床溫超過1 050 ℃，雖然加大了空氣量，床溫仍急劇升高，應立即停爐；如床溫達1 100 ℃，采取加風、減煤措施后，床溫仍繼續(xù)上升，應停爐并關嚴所有排煙閥，待床溫降低后，檢查床內結焦狀況，如焦塊多，應清除焦塊并重新更換底料后再重新啟動鍋爐。

2.3 鍋爐內空氣動力場

三星化工公司的三廢混燃流化床鍋爐由于風帽安裝角度不正和配風不合理，導致鍋爐內空氣動力場不良，造成偏離燃燒中心，使高溫煙氣沖刷水冷壁面，熔渣在未凝固前接觸壁面而結焦。

3 鍋爐結焦的危害

鍋爐結焦不但增加了鍋爐運行和檢修的工作量，嚴重影響汽輪發(fā)電機組安全經(jīng)濟運行，甚至可能被迫停爐。其危害性具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)降低鍋爐出力。水冷壁結焦時，吸熱量減少，使蒸發(fā)量下降。為保持蒸發(fā)量不變，就必須增加燃料量和空氣加入量，這一方面會使爐膛出口煙氣溫度和過熱蒸汽溫度升高，另一方面也使送、引風量增加。由于送、引風等通風設備容量有限，可能引起風量不足而被迫降低鍋爐出力。

(2)降低鍋爐的熱效率。受熱面出現(xiàn)結焦時，由于渣的導熱系數(shù)很小，導致工質吸熱減少，煙氣溫度升高，增加排煙的顯熱損失；燃燒室出口結渣，堵塞通道，導致鍋爐通風不暢，會造成煤粒未完全燃燒而增加其潛熱損失。

(3)損壞設備、造成事故。爐內結焦后，爐膛出口煙氣溫度升高，使過熱蒸汽溫度上升，且結焦會造成熱偏差，容易引起過熱蒸汽管道超溫破裂；爐膛上部結焦時，會導致爐膛熄火；焦塊掉落時，還可能砸壞水冷壁或堵塞出渣機，引發(fā)事故。

4 防止鍋爐結焦的主要措施

4.1 選擇合適煤種，控制燃煤質量

煤質發(fā)生變化，應加強配煤管理，使煤質達到鍋爐設計允許變化范圍內。不同煤種摻燒能在一定程度上綜合所摻燒煤種的結焦特性，低灰熔點煤灰分仍在受熱面上沉積，但高熔點固態(tài)灰對受熱面有一定的沖刷作用，使沉積量減少，從而緩和及避免鍋爐結焦。

(1)入廠煤質量控制。因三星化工公司的煤種是按照有關指標進行公開招標，有時供應商提供的煤種的質量會有很大差別。因此，燃料煤進廠時需嚴格把關，取樣人員按照《三星化工公司煤樣采取方法》采樣后，應及時送至化驗室進行水分、揮發(fā)分、固定碳、灰分及焦結性等有關煤質指標化驗，并在24 h內出具化驗報告；熱電分廠對新進的煤種進行試燒并提出意見；管理部門在綜合各方情況的基礎上，對提供不符合質量合同規(guī)定的煤的供應商進行警告，甚至退煤和取消下次投標資格，從而從源頭上把好燃料煤進廠質量關。

(2)入爐煤控制。對易結焦的入廠煤應專門存放在煤場的指定地點，在每次上煤時與不易結焦的煤種按一定比例進行摻配混合，工段長應跟蹤混合煤種的燃燒情況并及時調整摻配比例。

4.2 加強運行管理，提高操作水平

操作人員應隨時對鍋爐結焦情況進行監(jiān)視與檢查，發(fā)現(xiàn)有嚴重結焦情況及時匯報、處理；定期分析鍋爐運行工況，對易結焦的燃料煤應重點分析減溫水量的變化和爐膛出口溫度的變化規(guī)律以及過熱器管溫變化情況。鍋爐在額定工況運行時，若發(fā)現(xiàn)減溫水量異常增大和過熱器壁超溫，應適當降低負荷運行。熱電分廠應防止負荷大幅度變化、鍋爐出現(xiàn)大焦塊而導致鍋爐熄火。做好燃燒調整工作主要從以下幾個方面入手。

(1)選擇合理的運行氧量。如果鍋爐運行氧量偏低，爐內還原性介質較強，煤的灰熔點就會下降，鍋爐容易結焦。因為灰熔點隨著含鐵量的增加而下降，當爐內過量空氣系數(shù)過低時，容易造成氧量不足，在爐內出現(xiàn)還原性介質，熔點較高的Fe2O3被還原為熔點較低的FeO，從而使煤的灰熔點大幅降低；且FeO最容易與灰渣中的SiO2形成低熔點的2FeO·SiO2(灰熔點約為1 065 ℃)，這大大增加了鍋爐結焦的可能性。

(2)采用各種運行措施控制爐內溫度水平。可提高運行中過量空氣系數(shù)、增強配風的均勻性、防止局部熱負荷過高和局部產(chǎn)生還原性介質等措施來控制爐內溫度水平，必須嚴禁長時間超負荷運行。若鍋爐高負荷連續(xù)運行，特別是超負荷運行時，爐膛熱負荷增大、溫度升高，灰粒得不到冷卻，在爐膛和煙道角落以及轉彎處易形成積灰，如不及時采取吹灰清焦措施，熔融軟化的灰粘結在這些區(qū)域時會形成大面積結焦。防止超負荷運行需從控制給煤量、給水量、送風量、引風量和調整燃燒工況以及負荷過大時應及時投用備用爐等方面加以落實。

(3)選擇合理的爐膛出口煙氣溫度。對爐膛出口煙氣溫度進行在線監(jiān)視，在保證鍋爐主參數(shù)合格的前提下，建立在線的優(yōu)化運行指導系統(tǒng)；通過合理調節(jié)一次風和二次風的運行風門開度及運行氧量，在保證主參數(shù)合格和爐膛出口煙氣溫度低于燃煤灰熔點的同時來保證蒸汽質量，從而防止爐膛出口處結焦。

(4)建立合理而良好的爐內空氣動力場，保證空氣與燃料煤混合良好。運行中，灰渣在撞擊爐壁時若仍保持軟化或熔化狀態(tài)，則易黏附于爐壁上形成結焦，因此，必須保證負壓燃燒并保持燃燒中心適中。若爐膛漏風，則會破壞正常的燃燒工況，造成火焰的充滿度和攪拌混合情況惡化，火焰中心升高或偏斜，會加速結焦的形成。

(5)加強吹灰，及時除焦。運行中，受熱面上積聚一些飛灰是難免的，若不及時清除，積灰后的受熱面變得粗糙，當有黏性的灰粒撞擊其表面時很容易在上面形成結焦，因此，鍋爐受熱面應定期吹灰，防止受熱面積灰后影響傳熱；運行人員發(fā)現(xiàn)結焦時，應及時清除，防止繼續(xù)惡化。

4.3 進行技術改造，采用先進工藝

(1)對鍋爐受熱面進行改造。實際運行中，根據(jù)受熱面情況，利用藍泥技術在爐膛四周制作間隔不等的防磨裙帶。防磨裙帶的施工高度為100 mm，并將防磨裙帶延伸至爐膛稀相區(qū)，使自由下滑的燃燒顆粒的正常運行軌跡受到防磨裙帶的多重攔截作用而重新被卷入爐膛中央燃燒區(qū)，有效保護管壁。

在空氣預熱器之后設置省煤器，不僅提高了給水溫度，而且可將排煙溫度降至設計值(150 ℃左右)，以提高鍋爐效率，并大幅改善鍋爐的結焦性，保證設備安全運行。

(2)煤中添加除焦劑。除焦劑能通過化學的方法有效提高煤的灰熔點，破壞煤灰的黏結性，改變焦渣的物理狀態(tài)與化學反應性能，使焦渣變酥軟易粉化，從而達到減少或防止結焦的目的。除焦劑添加方法：可將溶解于水中的除焦劑連續(xù)、均勻、微量地加至給煤機內的入爐煤上，也可采用加藥器直接噴入爐膛高溫區(qū)或焦塊上。

(3)通風分布器改造。風帽安裝角度不正或配風不合理會導致爐內空氣動力工況不良，造成燃燒切圓過大、燃燒中心偏離，使高溫煙氣沖刷水冷壁面及熔渣在未凝固前接觸壁面而結焦。將原設計布風板風帽的通風孔孔徑由Φ3.0 mm擴至Φ4.5 mm，確保空氣與燃料良好混合，避免在水冷壁附近形成還原性條件，防止鍋爐局部積灰、結焦。

5 結語

在實際操作運行與管理中，通過大量數(shù)據(jù)分析，要從根本上解決鍋爐結焦問題的關鍵是適應生產(chǎn)負荷率和煤種變化，對爐內燃燒工況及時進行合理調節(jié)，嚴格防止燃料煤煤種偏離設計要求，并根據(jù)生產(chǎn)實際有針對性地進行工藝及設備改造，充分發(fā)揮新技術、新材料的優(yōu)勢。鍋爐結焦的防治工作是一項長期的任務，需要切實抓好日常管理工作。