某300MW鍋爐結渣現象分析

謝召祥 安冬冬 張本強 邢曜宇 張 健 楊祖旺

（1. 華電青島發電有限公司，山東 青島 266000；2. 西安格瑞電力科技有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

某電廠現總裝機容量為4×30萬千瓦熱電聯產機組，一期1#、2#機組為純凝機組，二期3#、4#機組為熱電聯產機組，總抽氣能力為800噸/小時，分別于2005和2006年投產。一、二期機組鍋爐為上海鍋爐有限公司采用美國CE公司引進技術設計制造的亞臨界、中間一次再熱、控制循環汽包爐。采用鋼球磨，中間倉儲式，熱風送粉，四角切圓燃燒。主要參數以MCR工況為設計參數，MCR即在汽機主汽門全開，且超壓5%，機組電負荷為333.3MW情況下的鍋爐最大連續蒸發量為1025t/h，鍋爐額定工況，蒸發量為907t/h，電負荷為300MW。鍋爐采用單爐膛、Π型、露天布置，全懸吊結構，爐前布置有三臺低壓頭無填料密封循環泵，其中二臺泵投運就可滿足鍋爐MCR出力，爐后尾部布置二臺型號為29-V1(T)-2003-MOD的三分倉轉子回轉式預熱器，直徑為10.3m，一、二次風進出口均為分隔布置，一次風分隔角度為35°，二次風為145°，反轉。構架為全鋼結構，高強栓連接。

鍋爐實際運行過程中存在的問題：停爐檢查發現，該鍋爐水冷壁區域存在不同程度的腐蝕與掛渣現象，其中向火側區域較為嚴重。前墻：標高約28米處靠近右墻側有約0.5×0.4×0.1m的焦塊，標高23～26米從右墻側到左墻側約2/3的面積有掛焦痕跡，標高21～23米靠近右墻側部分水冷壁管道表面有脫落，顏色呈銹黃色；后墻：標高約28米處靠近左墻側有兩塊大小分別為2×0.5×0.1m、0.5×0.3×0.1m的焦塊，標高20～25m處左墻側到右墻側約2/3的面積有掛焦痕跡；左墻：標高約29m處靠近前墻側第一個吹灰器處有一塊約2×1.5×0.2m的焦塊，標高20～26m有掛焦痕跡，前墻側多于后墻側；右墻：靠近后墻側的燃盡風噴口下有寬度約0.5m的焦塊，標高23-26m后墻側到前墻側約1/3的面積有掛焦，標高20～24m處靠近后墻側腐蝕明顯，有大量小塊狀管壁脫落形成的痕跡。

1 渣樣分析

借助X射線熒光探針（XRF）和X射線衍射（XRD）對掛壁焦塊進行了元素和表面相分析，揭示結焦演化機理。激發X射線為CuKα（λ=0.154 nm），電流為40mA，加速電壓為40kV，掃描速度為10°/min。

水冷壁區域的渣樣，由于重力作用，掉落在鍋爐底部渣池中，對收集的渣樣進行XRD分析，結果如下，如圖1所示。

圖1 渣樣XRD分析

渣樣的主要成分是莫來石。煤粉爐內溫度較高，可達1400℃，煤中礦物質如SiO2、Al2O3等通過燒結，固化反應成莫來石，其主要反應式如下：

在2θ角10～40°范圍，出現大的包絡線，說明含有大量非晶態物質，這部分非晶態物質主要為無定型二氧化硅，從圖2的元素分析成分可知，渣樣主要元素為Si、Al、Fe、Ca等。

圖2 渣樣主要元素分析

2 結渣成因分析

結渣是指由高溫煙氣夾帶的熔化或部分熔化的粘性顆粒碰撞在爐墻或受熱面上，粘結形成灰渣層。水冷壁的結渣大致可以有四種類型[1,2]：

（1）機械沉積。由于水冷壁表面粗糙和各種引力的作用，使細粒飛灰堆積而形成疏松的灰污層，機械沉積物易于用吹灰器清除；

（2）粘結沉積物。由于灰中堿金屬氧化物在高溫煙氣中升華，遇冷凝結在水冷壁上，或由于灰層中國灰粒相互產生化學作用而形成低熔點化合物形成粘性沉積物。由于粘結強度不大，能部分被吹灰清除；

（3）燒結性積灰。高溫升華后凝結在水冷壁上的堿金屬氧化物與煙氣中的三氧化硫、氧化鋁、氧化鐵等發生化合反應，形成各種硫酸鹽。或者煤燃燒時釋放出來的鈉和鉀與煙氣中的三氧化硫反應生成氣態的硫酸鈉和硫酸鉀，擴散及凝結在溫度較低的管壁上。上述積灰被長時間高溫燒結形成密實的積灰層，具有較高的機械強度，較難清除；

（4）熔渣層。沾污灰層表面溫度較高，且粗糙。熔化灰粒極易在上面粘結，而不像碰撞在溫度較低的水冷壁管時凝固下落。粘結灰層由于得不到冷卻，表面是熔化狀態，更易不斷粘結灰粒，使灰渣層變厚、溫度更高，直至表面熔化成液態渣流走，達到平衡為止。

渣層伴隨化學反應能夠無限地增長，堅硬而不易清除。不僅僅在背風側，而且更多地在迎風面形成，有分層，各層的化學成分不同，顏色也有差異，灰的粘性是由化學反應產物而來。高溫粘結灰的形成關鍵在于首先形成一層處于熔化或軟化的粘性灰層，靠這一層粘性灰的捕捉作用積聚飛灰粒子，被捕捉到的飛灰在化學作用下形成緊密的灰層。影響高溫粘結灰的主要因素[3～5]：（1）燃料成分 產生粘結灰的源頭；（2）燃燒方式 煤粉爐產生的高溫粘結灰的程度是不同的，也即最終歸結為燃燒強度不同，積灰程度不同，強度高，升華物多，高溫粘結灰嚴重；（3）溫度水平 高溫粘結灰發生在溫度較高的區域；（4）煙氣流速 煙氣流速越高，積灰越少，鍋爐中的經濟煙氣流速一般為8～12m/s。

3 減輕或防止高溫粘結灰的措施與建議

設計時，嚴格選定爐膛斷面熱負荷及爐膛出口煙溫，不要過大。正確設計和布置受熱面，例如拉大橫向節距，加入添加劑，改變灰的化學成分，使其不易形成粘結灰或形成機械強度小的灰。采取有效的吹灰裝置，如壓縮空氣吹灰，水力吹灰，振動吹灰和鋼珠吹灰等，并且運行一開始就正常投入吹灰裝置，限制第一層升華灰的形成。

（1）控制煤粉細度。煤粉過細，著火提前，燃燒器區域熱負荷較高，容易造成噴嘴燒壞，煤粉過粗，著火推遲，不易燃盡，火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，在慣性力的作用下，熔融灰粒容易脫離主流，撞擊爐墻，導致爐膛及出口受熱面結渣；

（2）鍋爐切圓直徑不宜過大，切圓直徑過大，氣流刷墻，未燃盡的煤粉會在近壁面處燃燒，造成局部缺氧，在還原性氣氛下，熔渣灰熔點進一步降低，更容易粘附飛灰顆粒，渣體進一步長大；

（3）控制爐膛容積熱負荷和截面熱負荷。容積熱負荷高，爐膛出口煙溫高，易造成爐膛出口受熱面結渣，截面熱負荷高，易造成燃燒器區域結渣；

（4）保持爐膛出口氧量合理，爐膛出口氧量不宜過低，否則爐內還原性氣氛加重，容易造成灰渣灰熔點降低，結渣嚴重。

4 結語

通過對本廠渣樣的取樣分析，得出本廠渣樣的晶相主要成分是莫來石，其形成原因主要與煤灰熔點、氣氛等因素有關，主要是煤灰中二氧化硅和氧化鋁高溫熔融反應所致，主要元素為Si、Al、Fe、Ca等。