超臨界鍋爐結(jié)焦原因分析及預(yù)防措施

董文強(qiáng)

（廣東大唐國際潮州發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 潮州 515723）

1 設(shè)備概述

某電廠600 MW機(jī)組鍋爐是由哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司引進(jìn)三井巴布科克能源公司（Mitsui Babcock Energy Limited）技術(shù)生產(chǎn)的超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流鍋爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。鍋爐燃燒方式為前后墻對(duì)沖燃燒，前后墻各布置3層哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的中心給粉旋流低NOx燃燒器，每層各有5只，共30只。改造后的中心給粉旋流低氮燃燒器原理如圖1所示，該燃燒器一次風(fēng)管內(nèi)主要有煤粉濃縮器、中心支架組件，燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)噴口同心布置，燃燒器噴口注有澆筑料密封。

圖1 中心給粉燃燒器

2 鍋爐結(jié)焦原理

產(chǎn)生結(jié)渣的先決條件是呈熔融狀態(tài)顆粒與壁面的碰撞，通常情況下，燃燒后的灰渣顆粒會(huì)隨著煙氣一起流動(dòng)，當(dāng)流動(dòng)至爐膛水冷壁或其他受熱面時(shí)，因?yàn)槭軣崦嫖鼰釋?dǎo)致溫度下降，混合在煙氣中的大渣粒因?yàn)闇囟润E降就會(huì)凝固，附著在受熱面的管壁上，形成一層比較疏松的灰層。在爐膛內(nèi)溫度較高的狀態(tài)下，部分達(dá)到熔融或半熔融狀態(tài)的灰粒具有較高的黏結(jié)力，就會(huì)導(dǎo)致在受熱面上，不斷循環(huán)反復(fù)，就會(huì)導(dǎo)致結(jié)焦不斷發(fā)展[1]。

3 常見的鍋爐結(jié)焦原因分析

3.1 燃燒器損壞造成受熱面結(jié)焦

燃燒會(huì)根據(jù)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度的不同，產(chǎn)生不同的煤粉氣流，燃燒最佳氣流應(yīng)為開放型氣流，當(dāng)燃燒器設(shè)計(jì)不合理或者對(duì)煤種適應(yīng)差，燃燒器噴口、燃燒室或者煤粉濃縮器損壞時(shí)，一次風(fēng)剛性變差，氣流的射程減小，燃燒器正常氣流被破壞，容易形成全擴(kuò)散氣流，又叫做“飛邊”。這樣的氣流離開燃燒器后便會(huì)貼墻運(yùn)動(dòng)，一方面會(huì)使火焰刷墻、燃燒偏斜，另一方面會(huì)使燃燒器局部溫度升高，造成燃燒器周圍結(jié)焦或側(cè)墻結(jié)焦[2]。局部結(jié)焦會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致爐膛溫度升高，爐膛溫度升高使含有堿金屬化合物的積灰外表面黏結(jié)性增強(qiáng)，加速積灰過程的發(fā)展，使受熱面結(jié)渣呈指數(shù)規(guī)律上升。

3.2 氧量降低造成上部受熱面結(jié)渣

1）氧量降低對(duì)鍋爐爐膛出口煙溫的影響。低氮燃燒器改造后，由于主燃區(qū)的溫度和氧量的降低，使得煤粉在主燃區(qū)的燃盡程度下降，煤粉的燃盡過程延長，火焰中心有所上移。未燃盡的組分隨氣流上升到爐膛上部的燃盡區(qū)與燃盡風(fēng)進(jìn)一步混合燃燒，完成煤粉的燃燒過程，由于未燃盡的組分在燃盡區(qū)的進(jìn)一步燃燒，造成該區(qū)域溫度比改造前有明顯升高。隨著負(fù)荷增加，氧量的降低，爐膛出口煙溫會(huì)明顯升高，造成積渣。

2）氧量降低對(duì)灰熔點(diǎn)的影響。從低氮燃燒器原理可知，為降低NOx的排放量，主燃燒器區(qū)域內(nèi)為低溫、低氧燃燒。氧量降低后，CO的生成量會(huì)隨之升高，爐內(nèi)還原性氣氛增強(qiáng)，在還原性氣氛下，容易導(dǎo)致熔點(diǎn)較高的Fe2O3，還原為熔點(diǎn)較低的FeO，在高溫還原性氣氛下，F(xiàn)eO會(huì)與SiO2、CaO等化合物生成低熔點(diǎn)共晶體，進(jìn)而加劇鍋爐的結(jié)焦現(xiàn)象，燃用低熔點(diǎn)煤時(shí)更容易使受熱面結(jié)焦。

3.3 煤粉細(xì)度控制不當(dāng)造成受熱面結(jié)焦

某電廠600 MW超臨界機(jī)組出現(xiàn)結(jié)焦后，對(duì)所有制粉系統(tǒng)進(jìn)行摸底發(fā)現(xiàn)，各臺(tái)磨煤機(jī)平均煤粉細(xì)度均在20%左右，但是其中有兩臺(tái)磨煤機(jī)3號(hào)粉管煤粉細(xì)度明顯偏大，達(dá)到40%，有一臺(tái)磨煤機(jī)4、5號(hào)粉管煤粉細(xì)度明顯偏小，分別為8%、9%，調(diào)整后鍋爐結(jié)焦問題得到徹底解決。煤粉過細(xì)，煤粉顆粒表面積增大，增加煤粉與空氣中氧氣的接觸有利于燃燒，但煤粉出燃燒器噴口易著火，使噴燃器區(qū)域熱負(fù)荷更高，容易造成噴燃器附近結(jié)焦并燒壞火嘴[3]；煤粉過粗，火焰中心上移，使?fàn)t膛出口溫度升高，容易導(dǎo)致爐膛出口受熱面管壁結(jié)焦。當(dāng)單臺(tái)磨煤機(jī)個(gè)別粉管煤粉細(xì)度明顯偏大，粗顆粒容易從氣流中分離出來與壁面碰撞，因熱容量大，換熱系數(shù)小而在受熱面冷卻固化，導(dǎo)致結(jié)焦發(fā)生。所以運(yùn)行中應(yīng)保持煤粉細(xì)度在合格的范圍內(nèi)。

3.4 配煤摻燒不當(dāng)造成鍋爐結(jié)焦

某電廠在摻燒低灰熔點(diǎn)菲律賓煤過程中，屏式過熱器出現(xiàn)了明顯結(jié)焦現(xiàn)象，通過煤樣和焦樣分析可知，菲律賓煤屬于易結(jié)焦煤，結(jié)焦特性如表1所示。在結(jié)焦前菲律賓煤最大摻燒比例達(dá)到60%，摻燒方式采用分磨摻燒方式，后通過采取將摻燒比例降低至30%以下且在最下層磨煤機(jī)摻配措施鍋爐結(jié)焦明顯得到改善。

表1 菲律賓結(jié)焦特性分析表

摻燒試驗(yàn)表明，不同灰渣特性的煤種摻燒對(duì)于結(jié)焦有著明顯的影響，大比例單燒結(jié)焦性較強(qiáng)的煤種時(shí)，鍋爐容易發(fā)生嚴(yán)重結(jié)焦，但通過嚴(yán)控易結(jié)焦煤種的比例或者與高熔點(diǎn)的煤種按一定比例爐外預(yù)混摻燒時(shí)，結(jié)焦會(huì)得到有效控制。

4 鍋爐結(jié)焦預(yù)防措施

4.1 設(shè)計(jì)及檢修方面

1）進(jìn)行燃燒器、受熱面等影響爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)的改造時(shí)，應(yīng)充分考慮設(shè)計(jì)煤種和實(shí)際摻燒煤種特性，詳細(xì)核算，充分調(diào)研，保證改造后鍋爐對(duì)煤種的強(qiáng)適應(yīng)性。

2）燃燒器改造后，鍋爐投運(yùn)前應(yīng)進(jìn)行冷態(tài)爐膛空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)，以檢查燃燒器安裝角度是否正確，確定鍋爐爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)符合設(shè)計(jì)要求。

3）機(jī)組檢修時(shí)，重點(diǎn)檢查燃燒器噴口澆注料、煤粉濃縮器及中心支架組件、噴口同心度等，及時(shí)對(duì)損壞的燃燒器進(jìn)行更換，對(duì)存在變形和磨損的燃燒器進(jìn)行修補(bǔ)。

4）若煤粉細(xì)度明顯異常，經(jīng)運(yùn)行調(diào)整無效，應(yīng)及時(shí)檢查磨煤機(jī)磨輥、動(dòng)態(tài)分離器、折向擋板等。

4.2 運(yùn)行調(diào)整方面

1）優(yōu)化氧量調(diào)整曲線，提高氧量控制值，將尾部CO濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）控制在（200～500）×10-6，防止缺氧燃燒造成爐內(nèi)還原性氣氛增強(qiáng)及鍋爐大面積結(jié)焦。

2）保持合理的一次風(fēng)速和旋流強(qiáng)度，一次風(fēng)速控制在27～32 m/s，調(diào)整一、二次風(fēng)率、風(fēng)速和風(fēng)煤配比，使煤粉燃燒良好而不在爐壁附近產(chǎn)生還原性氣氛，避免火焰偏斜直接沖刷水冷壁等。

3）摻配高揮發(fā)份煤種時(shí)，提高磨煤機(jī)風(fēng)煤比，推遲著火，預(yù)防燃燒器燒損。

4）定期利用測(cè)溫裝置對(duì)燃燒器噴口及爐內(nèi)大屏等處測(cè)溫，分析爐內(nèi)溫度場(chǎng)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)爐膛局部溫度高、燃燒器出口火焰紊亂等異常，并采取相應(yīng)的調(diào)整措施。

5）積極進(jìn)行制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)，將磨煤機(jī)一次風(fēng)調(diào)平、煤粉濃度調(diào)平，嚴(yán)格控制煤粉細(xì)度在合理范圍內(nèi)，煙煤R90推薦控制在18%～25%，褐煤R90推薦控制在25%～30%。

6）避免機(jī)組長期低負(fù)荷運(yùn)行，采用變負(fù)荷甩焦，每天負(fù)荷變化不小于25%額定負(fù)荷。

4.3 配煤摻燒方面

1）摻燒低灰熔點(diǎn)易結(jié)焦煤種時(shí)，若發(fā)現(xiàn)鍋爐有明顯結(jié)焦現(xiàn)象，應(yīng)立即停止摻燒，待爐膛清潔后再降低比例摻燒。

2）配煤時(shí)充分掌握各煤種的煤質(zhì)特性，合理控制褐煤與煙煤的摻燒比例，采用變比例方式改變?nèi)紵鳠嶝?fù)荷，正常應(yīng)采用爐內(nèi)分倉摻燒方式，避免爐外預(yù)混引起的燃燒缺氧。

3）摻燒低灰熔點(diǎn)易結(jié)焦煤種時(shí)，采用與不易結(jié)焦煤種爐外預(yù)混摻配，對(duì)預(yù)防結(jié)焦有利，但采用此方式時(shí)，應(yīng)對(duì)混煤取樣化驗(yàn)并進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)分析，確定科學(xué)的摻燒比例。

4）對(duì)于新引進(jìn)煤種，如果灰熔點(diǎn)偏低（轉(zhuǎn)化溫度＜1 100℃），為防止出現(xiàn)鍋爐大面積結(jié)焦異常，必須謹(jǐn)慎試燒，必要時(shí)聯(lián)系電科院做摻燒試驗(yàn)后，才允許正式摻燒。

5 結(jié)論

1）主燃區(qū)缺氧燃燒會(huì)導(dǎo)致爐內(nèi)還原性氣氛變強(qiáng)；燃燒器損壞會(huì)導(dǎo)致全擴(kuò)散燃燒氣流，燃燒偏斜；煤種的易結(jié)焦特性、爐內(nèi)強(qiáng)還原性氣氛、燃燒器全擴(kuò)散氣流、煤粉細(xì)度偏粗或偏細(xì)、配煤摻燒不當(dāng)、一次風(fēng)速偏低、旋流強(qiáng)度偏大等是造成鍋爐結(jié)焦的主要原因。

2）為有效預(yù)防鍋爐結(jié)焦，燃燒器改造時(shí)要充分考慮電廠實(shí)際摻燒煤種，機(jī)組檢修時(shí)要全面檢查燃燒器并對(duì)損壞部位進(jìn)行修復(fù)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)要調(diào)平各磨煤機(jī)一次風(fēng)速、煤粉細(xì)度，執(zhí)行變負(fù)荷甩焦、定期對(duì)燃燒器噴口及爐內(nèi)大屏等處測(cè)溫等措施，制定配煤方案時(shí)要掌握各煤種的煤質(zhì)特性，采用合理的配煤方式，低灰熔點(diǎn)易結(jié)焦煤種必須進(jìn)行試燒并控制比例摻燒。