不同煤種混燒預(yù)防鍋爐結(jié)焦技術(shù)分析

盧熠然，江雪珍，王文強(qiáng)

（華能（福建）能源開(kāi)發(fā)有限公司福州分公司，福建 長(zhǎng)樂(lè) 350299）

引言

為適應(yīng)煤炭市場(chǎng)化需要，降低燃料成本，加大經(jīng)濟(jì)煤種摻燒力度是必由之路。隨著摻燒煤種的多樣化、復(fù)雜化，防止鍋爐結(jié)焦是確保鍋爐安全運(yùn)行的首要任務(wù)。一般鈉鉀等堿金屬含量高的煤種，灰熔點(diǎn)較低，鍋爐在燃燒該煤種時(shí)交易結(jié)渣[1-2]，造成鍋爐受熱面換熱效率降低，排煙溫度升高，甚至?xí)氯仩t排渣，引發(fā)鍋爐事故。周永剛等研究發(fā)現(xiàn)鈉鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于3%，摻燒比例超過(guò)80%，可能造成嚴(yán)重的鍋爐結(jié)焦，摻燒弱結(jié)焦特性的煤種、增加吹灰等方式，可以減弱結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)[3]。多次機(jī)組調(diào)停檢查發(fā)現(xiàn)，前屏過(guò)熱器、折焰角區(qū)域容易發(fā)生結(jié)焦。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)前屏過(guò)熱器溫升率，試驗(yàn)不同煤種加倉(cāng)方式對(duì)鍋爐結(jié)焦的影響。

1 設(shè)備概況

1.1 鍋爐及燃燒系統(tǒng)

華能福州電廠三期2×660 MW超超臨界機(jī)組鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司引進(jìn)日本三菱重工業(yè)株式會(huì)社技術(shù)制造，為變壓運(yùn)行直流鍋爐，鍋爐型號(hào)為HG-2042/26.15-YM3。該鍋爐采用П型布置，單爐膛、墻式切圓燃燒方式，MPM+SOFA燃燒器，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁，一次中間再熱。調(diào)溫方式除煤/水比外，還采用煙氣出口調(diào)節(jié)擋板、燃燒器擺動(dòng)、噴水減溫等方式。鍋爐尾部煙道豎井過(guò)熱側(cè)和再熱側(cè)均布置有省煤器。從下往上逐層布置A、B、C、D、E、F 6套燃燒器噴燃口。

1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)（見(jiàn)表1）

表1 前屏過(guò)熱器設(shè)計(jì)溫升 ℃

1.3 煤質(zhì)參數(shù)（見(jiàn)表2）

表2 煤質(zhì)參數(shù)

2 摻燒方式

試驗(yàn)按照1∶1∶1的比例進(jìn)行摻燒，摻燒方式見(jiàn)表3。

表3 摻燒方式

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，方式三、方式四在連續(xù)穩(wěn)定負(fù)荷運(yùn)行4 h以后前屏過(guò)熱器溫升明顯下降，均發(fā)生了較強(qiáng)的鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象，方式二未發(fā)生明顯鍋爐結(jié)焦特性，見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)行4 h后屏過(guò)溫升（澳煤混） ℃

澳煤含碳量較高，其低位發(fā)熱值較高，燃燒后的火焰溫度高，將與之相鄰的印尼煤加熱到其灰熔點(diǎn)以上，造成印尼煤結(jié)焦。澳煤雖然其自身的灰熔點(diǎn)與印尼煤相近，但因其鈉鉀堿金屬質(zhì)量比重較低，表現(xiàn)的結(jié)焦特性明顯弱于印尼煤。當(dāng)澳煤與褐煤相鄰時(shí)，因褐煤含碳量低，低位發(fā)熱值低且其灰熔點(diǎn)較高，混合摻燒時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)焦特性也弱于印尼煤。

印尼煤揮發(fā)分相對(duì)較高，在煤粉燃燒初期，揮發(fā)分大量析出燃燒，消耗大量的氧氣，使其附近區(qū)域形成強(qiáng)還原性氛圍。通常認(rèn)為主燃燒區(qū)水冷壁附近的CO的體積分?jǐn)?shù)一般控制在2%或3%以內(nèi)，而O2體積分?jǐn)?shù)控制在2%以上，此時(shí)主燃燒區(qū)處于氧化性或弱還原性氣氛[4-5]。當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)上升到5%~10%，O2體積分?jǐn)?shù)下降到1%左右，即弱還原性轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)還原性氛圍時(shí)，灰熔點(diǎn)下降28~62℃[6]，進(jìn)一步加劇其與澳煤相鄰時(shí)的結(jié)焦。

4 結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證不同煤種混燒方式的結(jié)焦特性，采用華能優(yōu)代替澳煤進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如下表5。試驗(yàn)結(jié)果符合分析結(jié)論。

表5 運(yùn)行4 h后屏過(guò)溫升（華能優(yōu)混） ℃

5 結(jié)論

5.1 鍋爐結(jié)焦發(fā)生機(jī)制

鍋爐結(jié)焦后會(huì)導(dǎo)致整個(gè)內(nèi)部的溫度升高，尤其在過(guò)熱器部位以及熱氣部位的溫度會(huì)進(jìn)一步的上升，一旦管壁溫度不斷升高超過(guò)了原本設(shè)計(jì)的溫度會(huì)導(dǎo)致鍋爐整體的運(yùn)行受到影響。當(dāng)然在實(shí)踐過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)發(fā)生管爆事件與管壁長(zhǎng)期的溫度超過(guò)所設(shè)計(jì)的溫度界限，因此給電廠帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失[7]。這主要還是和鍋爐爐膛內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)焦情況息息相關(guān)，主要的是結(jié)焦部位由于水冷壁熱量吸收降低，導(dǎo)致整個(gè)水循環(huán)的熱量發(fā)生變化，因此整體的安全性會(huì)受到一定的影響，當(dāng)然嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致水冷發(fā)生爆炸。同時(shí)大量的結(jié)焦發(fā)生脫落或掉焦情況，水冷以及除渣儀器設(shè)備極大概率會(huì)受到影響，結(jié)焦掉落至撈渣系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽會(huì)對(duì)整個(gè)撈渣的水封形成破壞，從而導(dǎo)致冷風(fēng)大量的從爐底部位滲透進(jìn)入鍋爐，一旦冷風(fēng)進(jìn)入，燃燒部位的火焰著火情況會(huì)產(chǎn)生惡化，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致鍋爐內(nèi)的負(fù)壓變化強(qiáng)烈，最終可能引起鍋爐滅火的可能[8]。

5.2 鍋爐結(jié)焦與煤的關(guān)系

電廠使用的燃煤品種較多，本文研究的主要分為澳煤、印尼、褐煤、華能優(yōu)，由于不同煤的質(zhì)量存在很大的差異，一旦采用質(zhì)量較差的煤很可能會(huì)導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦的情況，當(dāng)然不同質(zhì)量煤中成分不同，比如富含氧化硅或鋁的煤就不容易產(chǎn)生結(jié)焦的情況，這主要是由于該成分的煤熔點(diǎn)較高，但是如果富含大量堿性氧化物的煤很可能會(huì)導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦的情況，這主要是由于堿性氧化物的煤熔點(diǎn)較低[9]。同時(shí)不同濃度的煤產(chǎn)生的熱負(fù)荷不同，濃度較高的煤在燃燒器的出口部位產(chǎn)生的熱負(fù)荷較高，一旦與爐墻的距離較近，鍋爐墻附件極易產(chǎn)生還原性的氣氛，這樣就極易導(dǎo)致鍋爐發(fā)生結(jié)焦的情況。再比如，煤粒的大小粗細(xì)也可能對(duì)結(jié)焦產(chǎn)生一定的影響，這主要是粗煤粒通過(guò)燃燒器后極易脫離主流，所以處于燃燒狀態(tài)的粉粒及灰粒容易撞上水冷壁管，進(jìn)而使鍋爐結(jié)焦[10]。

5.3 鍋爐結(jié)焦與爐膛內(nèi)溫度

相關(guān)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，鍋爐的結(jié)焦與燃燒器的溫度密切相關(guān)，一旦燃燒器的溫度超過(guò)常規(guī)溫度時(shí)，極易導(dǎo)致煤灰發(fā)生軟化和熔融，這個(gè)時(shí)候就比較容易形成結(jié)焦的情況。在實(shí)踐過(guò)程中，在一般爐膛溫度下，某些灰熔點(diǎn)中等的煤并不會(huì)結(jié)焦，但熱負(fù)荷集中于燃燒器區(qū)域壁面且火焰溫度較高時(shí)，灰熔點(diǎn)中等的煤有可能結(jié)焦。因?yàn)闋t膛內(nèi)溫度升高時(shí)，煤中含有的容易揮發(fā)的物質(zhì)就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氣化反應(yīng)[11]。比如，當(dāng)爐膛出口溫度較高時(shí)，極易使?fàn)t膛上部因屏式受熱面、高溫產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象。又如，當(dāng)爐膛出口煙溫不均勻時(shí)，會(huì)使溫度較高的部分結(jié)渣

5.4 本次研究的結(jié)論

本文通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，第一，在混煤摻燒時(shí)，同等比例摻燒量，不同的組合方式，表現(xiàn)出較大差異的鍋爐結(jié)焦特性，這主要和不同煤的成分以及混合后產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)有很大的相關(guān)性。第二，鈉鉀等堿金屬含量高的煤種混燒時(shí)，應(yīng)控制其摻燒量并應(yīng)與高熱值、低揮發(fā)分煤種隔開(kāi)摻燒，避免摻燒的量過(guò)多以及成分不同導(dǎo)致的結(jié)焦更為嚴(yán)重。第三，屏式過(guò)熱器進(jìn)出口溫升，可以有效表征鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象，需要注意控制好出口溫升，減少或避免發(fā)生結(jié)焦的情況。第五，灰熔點(diǎn)和焦渣特性不能完全反應(yīng)爐內(nèi)混燒的結(jié)焦特性，但是對(duì)鍋爐的結(jié)焦還是有一定的影響，不可忽視。