燃煤電廠鍋爐結焦問題淺析

孫華巍 林旭宏

摘?要：自2018年8月中旬至9月末，華能營口電廠一期#1、2鍋爐連續出現鍋爐結焦、爐底冷灰斗蓬焦異常情況，焦塊硬度大且熔融聚集呈琉璃狀，渣井口堵塞無法正常落渣，經過連續打焦后疏通開;險些造成冷灰斗堵死被迫停爐異常事件。本文通過對鍋爐結焦原因進行深入分析，保證鍋爐運行安全。

關鍵詞：結焦;灰熔點;熱負荷

Abstract：From mid-August to mid-September 2018，the #1 and 2 boilers of Huaneng Yingkou Power Plant Phase I have continuous boiler coking and abnormal cold ash hoppers at the bottom of the furnace.The hardness of the coke block is large and the condensed aggregates are glazed.The normal slag is dredged after continuous coking;it is almost caused by the cold ash to stop the abnormal event.This paper conducts in-depth analysis of the cause of boiler coking to ensure the safe operation of the boiler.

Key words：Coking;ash melting point;heat load

受當前嚴峻的煤炭市場形勢影響，特別是高熱值煤種價格長期處于高位，已無法作為主力煤種單獨入爐燃用，摻燒低價、低熱值煤種成為當前形勢下火電廠降低燃料成本的必要手段。本文以營口電廠在進行配煤摻燒過程中出現的問題，結合自身鍋爐特性進行分析，確保鍋爐安全穩定運行。

1 現象

自2018年8月中旬至9月末，我廠一期#1、2鍋爐連續出現鍋爐結焦、爐底冷灰斗蓬焦異常情況，其中蓬焦最嚴重三次分別為8月29日#2爐大量掉焦，#4、6磨煤機火檢全部消失10S后恢復正常，險些造成機組跳閘不安全事件;9月25日#1爐#1渣井上部蓬焦，焦塊硬度大且熔融聚集呈琉璃狀，渣井口堵塞無法正常落渣，經過連續打焦20小時后疏通開;9月27日#2爐#6冷灰斗上部大面積蓬焦，上至水冷壁縮口處，連續打焦處理10小時后疏通開，險些造成冷灰斗堵死被迫停爐異常事件;其余時間均在進行小范圍清焦作業，據統計，8、9月份鍋爐蓬焦、打焦共計78次，已嚴重威脅機組安全（詳見附表1）。

2 原因分析

影響燃煤鍋爐爐膛內受熱面結焦的因素主要包括：鍋爐設計結構及燃燒器布置方式、燃煤灰分的熔融特性、爐內煙氣性質三個方面。

2.1 鍋爐設計結構及燃燒器布置方式

（1）華能營口電廠一期鍋爐設計爐膛截面為矩形狀，爐膛寬度19.18m，深度11.462m，高度51.54m，爐膛容積8190m3。上層燃燒器中心線距爐膛出口距離為23m，距屏式過熱器底部164m。2013年進行低氮燃燒器改造同步增加兩層燃盡風層，上層燃盡風層標高32.9m，距離屏式過熱器底部7.9m。同類型南京電廠鍋爐上層燃燒器距爐膛出口26m，距屏式過熱器底部194m;我廠一期鍋爐火焰行程與南京電廠相比其少3m，存在煙氣在爐膛內停留時間短問題，且低氮燃燒器改造后，爐膛火焰被拉長，爐膛出口煙溫進一步升高（見圖1），抗結焦性能減弱。

（2）我廠一期原設計爐膛出口煙溫1142℃，按照行業標準《電站煤粉鍋爐摻燒技術導則》規定，為避免鍋爐結焦，我廠入爐煤灰熔點（ST）應大于1292℃。低氮燃燒器改造工程設計煤種灰熔點>1380℃（見下表），根據其煤粉分級燃燒工作原理，即原燃燒區缺氧燃燒，沿程富氧燃盡的方式，使主燃燒區溫度降低，從而達到降低NOx生產的目的，但低氮改造使爐膛火焰受到拉伸，火焰中心被迫上移。

（3）根據2018年4月《#1機組燃燒調整試驗報告》得出，#1機組中上層燃燒器區域爐膛溫度可高達1480℃，我廠實際入爐煤質混配后灰熔點（ST）在1300℃左右，能夠使灰達到熔融狀態，加之相應燃燒火焰應有的行程變短（不足16.4m），無法完成充分冷卻，極易在兩側墻（還原區）及屏過底部冷卻形成結焦（見圖2、3）。而二期鍋爐設計爐膛出口溫度970℃，按照行業標準二期入爐煤灰熔點應大于1120℃，因此二期鍋爐在設計上比一期鍋爐抗結焦性更強，但同樣受到易結焦煤灰熔點界定限制，二期入爐煤混配后灰熔點應控制不低于1250℃。

（4）4鍋爐設計容積熱負荷決定鍋爐本身抗結焦能力。我廠一期鍋爐設計容積熱負荷為97.58kW/m3，設計燃用煤種為陜西晉北煙煤;目前我廠大比例摻燒褐煤（比例40-70%），根據電站鍋爐設計要求：同容量下，燃用褐煤（易結焦煤）的鍋爐容積熱負荷應低于燃用煙煤的鍋爐，即鍋爐容積適當增大，否則因煙氣量大到達爐膛出口時無法得到充分冷卻，出口煙溫升高，造成爐膛上部結焦。以某電廠為例：其鍋爐設計容積熱負荷為86.08kW/m3，設計煤種（30%雞西煙煤+70%扎煤），我廠一期鍋爐比其容積熱負荷高出11.5kW/m3，同樣燃用褐煤時，我廠一期鍋爐抗結焦性差。

（5）燃燒器布置方式決定爐膛上部區域結焦特性。我廠一期鍋爐為前后墻對沖低氮燃燒器，前后墻各三層、每層4只共16只。使用旋流燃燒器的鍋爐，煤粉燃燒卷吸配口附近煙氣時，因兩側墻無貼壁風設計，存在缺氧還原性區域，灰分在還原性氣氛中灰熔點進一步降低，熔融候經水冷壁冷卻粘結，形成兩側墻結焦。另外，靠近兩側墻的燃燒器在工作時，因其自身的旋流及對沖特性，容易造成火焰飛墻造成水冷壁結焦。

2.2 燃煤灰分的熔融特性

（1）入爐煤常規指標包含：熱值、全水分、灰分、揮發分、硫分、可磨系數、灰熔點（ST）。但是燃燒產生的灰中化學成分影響灰熔點的氧化物、堿類等一般不做指標分析。其中煤中微量元素硅、鋁、鈣、鎂等純氧化物熔點一般大于2000℃，而鐵的純氧化物及堿類物質熔點一般在1500℃以下，在特定氣氛環境（多指爐膛內燃燒情況）下會進一步降低入爐煤的灰熔點。

（2）低熔點焦產生的原因主要是在不同的煙氣溫度下，灰中的純氧化物之間發生反應形成共熔體后，熔點在1000-1200℃，堿土金屬熔點在800-1000℃，尤其是FeO（氧化鐵）能與高熔點氧化物反應使灰熔點降低至1000-1200℃，依附在爐膛受熱面管屏形成大塊結焦。因此，根據《電站煤粉鍋爐摻燒技術導則》，當采用不同煤種進行混配時，混配后灰熔點將低于任意單一煤種的灰熔點。

（3）入爐煤中灰分、灰熔點綜合作用將影響鍋爐結焦特性。如果煤質灰分較大（我廠一期鍋爐低氮燃燒器改造設計規范書明確規定，入爐煤灰分設計值為11%），且灰熔點低于鍋爐設計允許值，采取大比例摻燒，鍋爐結焦不可避免。

2.3 爐內煙氣性質對鍋爐結焦影響

爐內煙氣是還原性還是氧化性氣體對結焦存在很大影響。例如：鐵的氧化物在還原性氣氛中與CO、H2產生反應，使灰熔點進一步降低，加劇結焦。因此，必須對鍋爐燃燒期間爐膛氧量、CO值進行實時監督控制，尤其當摻燒低易結焦煤種時，禁止出現缺氧燃燒。設有燃盡風層的鍋爐，通過關小燃盡風門，增大主燃燒區氧量，使煤粉快速燃盡，降低爐膛火焰中心，理論上可以達到減緩結焦目的，但燃盡風關小后，會導致燃燒器區域NOx生產量大幅增加，液氨耗量增大，氨逃逸率升高，SCR、低低省及空預器存在硫酸氫氨板結風險。

2.4 結焦過程分析

本次#1、2爐出現頻繁結焦情況，原因為受廠存煤結構限制及入爐煤種變化導致。8月份扎煤來煤計劃取消（低灰分、中低灰熔點），高灰分、低灰熔點褐煤比例增加，個別煤種制粉系統適應性差、同時燃用兩種低灰熔點煤種成為一期鍋爐結焦的主要原因。

（1）從8月中旬開始，廠存高熱值主力煤種為澳煤，哈氏可磨系數35，通過試燒試驗發現二期無法摻配，只能在一期進行摻配。因此根據廠存合理配置，澳煤（斯托克）分配二期機組進行摻配。同時根據廠存量及來煤計劃，綜合考慮機組接待負荷能力，被迫提高褐煤摻燒比例。

（2）褐煤：從褐煤工業分析指標及歷年實際摻燒情況來看，褐煤存在熱值低、灰熔點低、硫分高、灰分高等特點，一期兩臺機組入爐褐煤摻燒比例大于25%時，會出現不同程度結焦情況。而進入8月份，我廠扎煤計劃被取消，為控制入爐煤熱值及節約廠存高熱值煤，提高褐煤比例至30%以上（歷史最高），加重鍋爐結焦情況。入廠阜新褐煤（汽運煤）受到客觀因素限制，批次變化頻繁，廠內化驗灰熔點為氧化法，不具備還原法檢測條件，不能對灰熔點進行有效監測，經送第三方檢測阜新褐煤灰熔點（ST）僅為1160℃，根據電力行業標準可確定該煤種為強結焦特性煤種。

（3）從8月中旬至9月末，在風電較小情況下，一期鍋爐負荷率偏高，鍋爐耗煤量大，入爐煤灰分大，加之褐煤比例高，鍋爐結焦、蓬焦情況明顯。

3 針對結焦運行采取的措施

（1）根據#1爐渣井蓬焦嚴重情況，參考西安熱工院#1爐燃燒調整試驗報告于8月16日、8月20日、9月18日三次對#1爐燃燒器內、外二次風配風進行調整，同時對燃盡風解手動調整，盡量降低結焦程度。

（2）嚴格要求運行各值加強爐膛氧量控制、參考凈煙氣CO值，避免加負荷鍋爐缺氧情況發生。

（3）優化#1爐干渣系統擠渣門行程邏輯時間，由原30S修改為10S降低擠渣門操作時間，做到及時擠、排渣。

（4）加強#2爐底撈渣機巡檢工作，通過觀察打清水情況及灰斗開孔處火光情況，做到蓬焦及時發現、及時處理。

（5）會同檢修部鍋爐專業，完成鍋爐打焦安全技術措施討論完善工作，保證作業期間人身安全。

（6）優化鍋爐水平煙道吹灰方式，根據鍋爐蓬焦情況將白班吹灰改為白班、中班分批進行，降低大量掉焦幾率。

（7）根據廠存煤結構，進行配煤摻燒調整，控制入爐煤灰熔點及灰分。

（8）針對鍋爐結焦、打焦頻繁，做好鍋爐爐渣、飛灰監視工作，跟蹤飛灰含碳量變化及電除塵灰樣、脫硫石膏情況，做好評估工作。

（9）2018年10月，在策劃部組織下，邀請西安院鍋爐燃燒調整專家來廠技術指導（通過兩天現場診斷，指出我廠設備結構通過燃燒調整無法解決結焦問題，建議適當調整入爐煤種）。

4 預防鍋爐結焦建議

（1）根據西安熱工院#1爐燃燒調整試驗報告所述，爐膛上層燃燒器附近溫度在1350-1480℃，屏過區域溫度在1020-1130℃之間，過高的爐膛溫度使得爐內火焰中的灰顆粒處于熔融狀態，屏過中間區域溫度較正常值偏高，爐膛出口灰顆粒溫度高，黏性大，容易沾在過熱器管屏上，這應該與屏過區域結焦有關。為緩解一期鍋爐結焦現象，建議一期入爐煤混配后灰熔點不低于1350℃，高灰分、低灰熔點褐煤比例不大于25%。

（2）根據性能試驗報告數據所示：機組負荷230MW-300MW變化時，爐膛內相關區域溫度變化較小，因此鍋爐低負荷運行時結焦情況有所減輕是因入爐煤量減少，灰量減少所致，并非爐膛溫度變化導致，當水冷壁、屏過掛焦積累到一定程度仍會大量脫落，這對鍋爐運行更加危險。9月份#2爐停爐期間發現屏過近60%存在嚴重掛焦情況，因此建議當摻燒低灰熔點褐煤時，應降低混配煤灰分比例不超15%，通過降低灰分來降低、避免結焦風險。

（3）當鍋爐結焦嚴重時，應控制入爐煤硫分，雖然硫份對鍋爐結焦無直接影響，但因煤質化驗報告不對鐵、鋁、硅等微量元素進行檢測，硫分過大時，燃燒生成的硫化物導致煙氣還原氣氛增加，間接降低灰熔點加重結焦情況發生，因此建議摻燒高灰份、低灰熔點褐煤時，應控制混配后硫分不超0.8%。

（4）建議優化廠存煤結構、根據鍋爐設計結構特性，把控然單一采購煤種各項指標，滿足混配后各項指標要求，避免發生兩種及以上易結焦煤種同時混燒，加重結焦程度。當機組出現異常情況時，可以靈活進行配煤方式調整，避免遇到問題時捉襟見肘。

（5）目前一期#1、2爐均存在爐膛熱負荷存在偏差，建議通過燃燒調整試驗，消除偏差，解決局部煙溫高、還原氣氛突增情況。

（6）綜合一、二期制粉系統干燥出力情況，建議混配后入爐煤水分（空干基）應不大于25%。

參考文獻：

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