600 MW超臨界直流鍋爐結焦原因分析及優化調整

劉維岐，汪山入，高文杰，吳 炬，宋大勇，張家維

(1.沈陽工程學院，沈陽 110136； 2.沈陽市熱力工程設計研究院，沈陽 110000；3.國家能源集團科學技術研究院有限公司，南京 210023)

0 引 言

近年來國內燃煤煤質變化頻繁，大部分電廠燃煤煤質已偏離設計煤種，部分電廠燃煤煤質偏離較為嚴重[1]。燃煤煤質偏離較大時，會給鍋爐的實際運行帶來很多問題，如鍋爐運行經濟性變差，鍋爐結焦、壁溫超溫等[2-4]。當鍋爐燃用高結渣特性煤種時，容易出現結焦的現象。有學者對鍋爐結焦的原因，從燃煤灰成分對灰熔融特性及結焦特性的影響，Al、K、Na、Fe、Ca等元素對灰熔融特性的影響進行了研究[5-6]。部分學者從鍋爐運行參數變化、煤質變化及結焦機理進行研究[7-10]，分析鍋爐結焦原因并進行優化調整。

某電廠600 MW超臨界對沖燃燒鍋爐在實際運行中出現了嚴重的掉焦狀況，在臨時停機檢查中發現，鍋爐屏式過熱器最前排管屏位置發生嚴重結焦。因此，通過結焦機理分析，找出鍋爐結焦原因，進行優化調整。

1 鍋爐結焦狀況分析

1.1 設備簡介

以某電廠600 MW前后墻對沖燃燒的超臨界直流Π型鍋爐為研究對象。鍋爐型號為HG-1900/25.4-YM3型。制粉系統采用中速磨正壓直吹式制粉系統，共配有6臺磨煤機。鍋爐設計煤種為鐵法次煙煤，鍋爐設計煤質和校核煤質見表1。

表1 鍋爐設計煤質特性Table 1 Coal quality characteristics of boiler design

鍋爐運行期間，鍋爐掉焦主要為兩種，一種為黑色，一種為紅色，如圖1所示。

圖1 鍋爐焦塊Fig.1 The coke lumps in boiler

鍋爐臨時停機期間，對爐內進行檢查，發現鍋爐屏式過熱器最前排管屏位置結焦嚴重，清理下來的焦塊及屏過結焦狀況如圖2所示。

圖2 屏過結焦及焦塊狀況Fig.2 Coking and coke block of platen superheater

為了分析鍋爐結焦原因，對鍋爐所燃用的9種煤質及2種焦塊進行灰成分分析、灰熔融性及結渣特性分析，并對鍋爐進行吹灰試驗及爐膛溫度場測試。

1.2 鍋爐吹灰試驗

鍋爐吹灰試驗主要分兩步進行，觀察鍋爐掉焦情況。先對鍋爐水冷壁區域進行吹灰，然后進行過熱器受熱面吹灰。

試驗中發現，鍋爐水冷壁區域吹灰時，掉焦主要為黑色焦塊；鍋爐屏過吹灰時，掉焦主要為紅色焦塊。

1.3 鍋爐爐膛溫度場試驗

對不同負荷下鍋爐爐膛溫度場進行測試，測試結果見表2。

表2 爐膛溫度場測試結果Table 2 Test results of furnance temperature field 單位：℃

由表2中結果可知，鍋爐主燃燒區域溫度偏低，燃盡風區域溫度偏高。測試中發現，機組在420 MW負荷下前墻最下層B磨運行時，實測兩側爐膛溫度僅為908 ℃、922 ℃。試驗過程中將B磨二次風門開度由30%升高到60%時，B磨兩側爐膛溫度升高到1 031 ℃、1 054 ℃。加大二次風門開度，可使燃燒溫度提高，說明鍋爐主燃燒區域存在缺氧燃燒的情況。

1.4 燃煤結焦特性分析

對9種煤樣及2種焦塊樣品進行灰成分、灰熔融性及焦渣特性分析。

根據灰渣的軟化溫度情況，通過軟化溫度(ts)分析法對鍋爐燃用的主要煤質結渣特性進行分析。當ts<1 260 ℃時，為結渣嚴重煤質；當1 260≤ts≤1 390 ℃時，為結渣中等煤質；當ts>1 390 ℃時，為結渣輕微煤質。根據軟化溫度分析法，鍋爐燃用主要煤質及焦塊的結渣特性分析結果見表3。

由表3中數據可知，“雙樹”煤質為結渣中等煤質。

表3 煤質結渣特性分析—軟化溫度分析法Table 3 Analysis of slagging characteristics of coal-softening temperature analysis method 單位：℃

根據灰成分綜合指數法對鍋爐燃用的主要煤質結渣特性進行分析，依據結渣特性經驗判別指數對化驗結果進行分析。通過函數ω取其各成分在灰中的百分含量，判別指數計算式如下。

酸堿比：

B/A=[ω(CaO)+ω(MgO)+ω(Fe2O3)+ω(Na2O)+

ω(K2O)]/[ω(SiO2)+ω(Al2O3)+ω(TiO2)]

(1)

硅比：

G=100ω(SiO2)/[ω(SiO2)+ω(Fe2O3)+

ω(CaO)+ω(MgO)]

(2)

綜合結渣指數：

R=1.24B/A+0.28ω(SiO2)/ω(Al2O3)-

0.0023ts-0.019G+5.4

(3)

當R<1.5時，為結渣輕微煤質；當1.5≤R<1.75時，為結渣中等偏輕煤質；當1.75≤R<2.25時，為結渣中等煤質；當2.25≤R<2.5時，為結渣中等偏重煤質；當R≥2.5時，為結渣嚴重煤質。

根據灰成分綜合指數法，鍋爐燃用主要煤質及焦塊的結渣特性分析結果見表4。

由表4中數據可知，“雙樹”煤種屬于中等偏重結渣傾向煤種。

表4 煤質結渣特性分析—綜合指數法Table 4 Analysis of slagging characteristics of coal-comprehensive index method

根據《煤中堿金屬(鉀、鈉)含量分級》(MT/T 1074—2008)中的相關規定，對燃用煤中堿金屬含量進行分級，根據灰中堿金屬(鉀、鈉)的含量，對煤中鉀和鈉總量(以干燥基計算)進行計算。

煤中鉀和鈉總量：

ω(K+Na)d=[0.830ω(K2O)+0.742ω(Na2O)]×Ad/100

(4)

式中：Ad為干燥基灰分。

當ω(K+Na)d≤0.10時，為特低堿煤；當0.10<ω(K+Na)d≤0.30時，為低堿煤；當0.30<ω(K+Na)d≤0.50時，為中堿煤；當ω(K+Na)d>0.50時，為高堿煤。

根據式(4)，對各煤種中堿金屬含量進行計算，判別結果見表5。

表5 鍋爐燃用煤質堿金屬含量分級Table 5 Classification of alkali metal content of boiler coal

由表5中計算結果可以看出，鍋爐燃用的9種燃煤中，有4種燃煤為高堿性煤種。堿金屬化合物在受熱面(1 000～1 100 ℃)直接凝結，形成致密的強黏結性灰，同時堿金屬化合物可使灰表面的黏結性增強，加速積灰過程的發展，煤灰呈熔化或半熔化狀態，熔融灰會直接黏在受熱面上，造成鍋爐受熱面結焦。

對紅色、黑色兩種焦塊進行灰成分分析及灰熔融特性分析，發現該兩種焦塊成分、灰熔融性非常相近，其結果見表6。

表6 兩種焦塊灰成分及熔融性分析結果Table 6 Analysis results of ash composition and fusibility of two kinds of coke blocks

焦塊顏色不同，主要為其內部鐵元素氧化物狀態不同，氧化性氛圍下生成的Fe2O3為紅褐色，還原性氛圍下生成的FeO為灰黑色。兩種焦塊成分及熔融性相近，表明兩種焦塊為同一種灰分產生，但其形成機理不同。

1.5 鍋爐結焦原因分析

通過試驗分析以及對灰成分、灰熔融性分析可知，鍋爐燃用灰軟化溫度偏低及堿金屬含量較高的煤種，是鍋爐結焦的主要原因。同時，鍋爐主燃燒區域二次風配風風量偏低，主燃燒區域缺氧燃燒，導致鍋爐燃燒中心提高，增加鍋爐屏過結焦的風險。鍋爐主燃燒區域缺氧，使得鍋爐在主燃燒區形成黑色焦塊，燃盡區域氧量充足，且未完全燃燒的煤粉及可燃氣體燃燒，使得燃盡區域溫度較高，形成紅色焦塊。

2 解決方案及效果

調取鍋爐運行數據發現，鍋爐二次風門開度是隨著該層燃燒器燃煤量而變化的，風門開度與給煤量的比例系數約為1.23。鍋爐二次風門開度隨磨煤機燃煤量變化如圖3所示。

圖3 二次風門開度與給煤量運行情況Fig.3 Secondary air valve opening and coal feeding operation

為了提高主燃燒區送風量，在420～600 MW負荷工況下，將比例系數調整至1.8。復測鍋爐爐膛溫度場發現，鍋爐主燃燒區燃燒溫度明顯提高，鍋爐燃盡區域溫度降低約100 ℃。鍋爐運行中，掉焦情況得到明顯緩解。

3 結 語

針對HG-1900/25.4-YM3型前后墻對沖燃燒的超臨界直流Π型鍋爐，燃用具有較強結焦特征的低灰熔點煤種。現場實例研究表明，采取以下措施可以明顯改善結焦狀況：

1)鍋爐燃用灰熔點較低煤種時，應將灰熔點較低的煤種盡量安排在低負荷工況下燃燒。

2)420～600 MW負荷工況下，將風門開度與給煤量的比例系數由1.23調整至1.8。

3)燃用易結焦煤質時，應加強鍋爐吹灰。