解決410 t/h燃煤鍋爐嚴重結焦的實踐與分析

盧廣軍，陳文斌

(中石化巴陵石油化工有限公司熱電部，云溪 414014)

0 引 言

燃煤鍋爐結焦，會降低受熱面傳熱效果，使減溫水量、排煙溫度、風機電耗增加。結焦嚴重時，可能會引起受熱面超溫以及水冷壁水循環惡化，限制機組帶負荷能力[1-2]，甚至造成受熱面爆管，爐膛垮大焦導致鍋爐非計劃停運，危及設備及人員的安全[3-4]。巴陵石化410 t/h燃煤鍋爐2015年完成低氮改造后，鍋爐結焦情況加劇，2020年10月因垮大焦被迫停運。為了提高燃煤機組運行可靠性，避免化工廠停車減產，解決爐膛嚴重結焦問題勢在必行。本文結合該鍋爐的實際情況，探索出了一套適用于該鍋爐的結焦防治措施，并取得了較好效果，對同類燃煤鍋爐具有借鑒意義。

1 鍋爐設備及結焦概況

巴陵石化410 t/h鍋爐是杭州鍋爐廠設計制造的NG-410/9.8-M高溫高壓、“п”型固態排渣煤粉爐，采用角置水平濃淡直流式煤粉燃燒器，布置在爐膛的正四角，假想切圓直徑為φ500/φ700 mm，中間倉儲式制粉系統，2012年投產，2015年完成脫硝SCR及低氮燃燒器改造，鍋爐設計煤種為貧煤。鍋爐設計參數及煤質見表1。燃燒器布置如圖1所示。

表1 鍋爐設計參數

圖1 燃燒器布置及燃燒過程簡圖

2012年投產后，長期燃用23 000 kJ/kg以上高熱值貧煤，爐膛溫度較高，最高1 550 ℃左右，存在局部結焦現象。2015年脫硝SCR及低氮燃燒器改造后，鍋爐結焦加劇。2019年開始頻繁發生嚴重結焦導致的冷灰斗喉部焦塊搭橋現象(如圖2所示)，且結焦位置集中在爐膛右后墻三次風噴口及水冷壁附近，焦軟難以清除。結焦使鍋爐帶負荷能力下降15%。2020年10月垮大焦被迫停爐，焦塊搭橋后積滿爐膛約5米高，且呈半熔融狀，形成一個整體，在運行中無法清除。此次結焦停爐造成化工單位停車減產，經濟損失巨大。

圖2 爐膛結焦及冷灰斗喉部搭橋

2 結焦原因分析

煤粉燃燒產生的煤灰在一定的溫度下熔化，聚積在一起，形成焦渣。水冷壁受熱面由于吸熱，在貼近壁面的位置煙氣溫度急劇下降，當熔融或半熔融狀態的焦渣貼近或受氣流攜帶沖刷水冷壁時，就會吸附在上面，并呈現惡性循環的局面[5]。結合該燃煤鍋爐實際，分析鍋爐結焦的主要原因為以下四個方面：鍋爐qF取值偏高、局部爐膛溫度偏高、火焰沖刷爐墻、局部缺氧形成還原氣氛、清焦不及時。

2.1 鍋爐qF取值偏高

該鍋爐目前入爐煤基本按照潞安煤:鄭煤=1∶1或2∶1的比例進行配比，摻燒少量晉煤、鄭州煤電來煤，摻混后的煤種屬于高熱值貧煤，見表2。

表2 入爐煤的摻混比例及工業分析

該鍋爐設計的爐膛容積熱負荷qv為144 kW/m3，按下式(1)計算，選取推薦值見表(3)，可以看出qv的選取基本合理。

qv=B·Q/V

(1)

式中，B為每小時燃料消耗量，kg/h；Q為每千克燃料的低位發熱量，kJ/kg；V為爐膛容積，m3；其中1 kJ/h=0.278 W。

表3 爐膛容積熱負荷qv推薦值[10] (kW/m3)

該鍋爐設計的爐膛截面熱負荷qF為3.52 MW/m3，按下式(2)計算，選取推薦值見表4，由表4可以看出爐膛的截面熱負荷取值為該煤種推薦值的上限，對鍋爐的防結焦不利，實際運行中的爐膛溫度水平也反映了該問題，目前鍋爐的設計趨勢是適當降低qF值。

表4 410 t/h切向燃燒鍋爐爐膛截面熱負荷qF推薦值[10] (MW/m2)

qF=B·Q/F

(2)

式中，F為爐膛截面積。

2.2 局部爐膛溫度偏高

主要入爐煤的灰熔點見表5，摻燒后的燃煤屬于不易結焦煤種。機組負荷>75%時，燃燒區爐膛溫度均值1 530 ℃，局部達到1 630 ℃(表6)，超過了燃煤的FT溫度，結焦是必然現象，而局部爐膛溫度偏高造成結焦惡化。

表5 潞安煤及鄭煤灰熔點分析

表6 機組負荷>75%時爐膛溫度分布

2.3 火焰沖刷爐墻

冷態空氣動力場試驗時，一、二、三次風全投工況，前后墻實際切圓直徑為6.0 m/6.3 m(如圖3所示)，相比爐膛截面的當量直徑為0.65，實際切圓直徑是假想切圓直徑的9倍。整個切圓向右后墻偏移，后墻靠右(丙角處)貼壁風速最大3.7 m/s(如圖4所示)，這與熱態時右后墻經?？绱蠼瓜鄬?。

圖3 冷態一二三次風全投切圓

圖4 貼壁風速測量

2.4 局部缺氧形成還原氣氛

該鍋爐空預器一直存在堵塞及漏風，在高負荷下，受引風機出力的限制，爐膛出口氧量一直偏低，僅為2.0%左右。低氮燃燒改造在主燃區的上方增加了燃盡風，主燃區的氧量進一步降低，使得煤粉著火推遲，火焰中心上移，主燃區上部熱負荷集中，形成了較強的還原性氣氛，降低了灰熔點，還原性氣氛加劇了爐膛結焦[6]。

2.5 清焦不及時，結成大焦

鍋爐積灰或結焦較多時，如發現或清理不及時，都會造成受熱面換熱效果變差，爐膛溫度升高，也會使受熱面變粗糙，灰渣更容易附著在受熱面上，形成惡性循環，結成大焦。該鍋爐運行中僅對四個角燃燒器周圍的焦進行定期清理，水冷壁四面墻上設置的看火孔及打焦孔未定期打焦，使大焦連成片，大焦掉落時卡在冷灰斗喉部位置搭橋，鍋爐被迫停運。

3 防治結焦采取的措施

3.1 空氣動力場試驗

在冷態試驗過程中，通過可調縮孔將一次風速調平，相對偏差控制在5%以內。將特性差的二次風門進行調整，做到同開度下，同層二次風風速基本一致。調整三次風擋板，使三次風速偏差<10%。另外對存在變形或損壞的二次風、三次風噴口進行修復，進一步減小氣流偏斜，規范流向。通過以上手段，爐內切圓基本位于爐膛中心，基本無偏移，貼壁風風速均<1 m/s。

3.2 加強熱態調整

(1)一次風速的調整

一次風壓由原先的1.8 kPa降至1.5 kPa，一次風速維持19～22 m/s，縮短了著火距離，減小了一次風的切圓，降低了煤粉直接沖刷水冷壁的風險。另外一次風速降低后，同氧量下，提高了二次風量，提高了運行中主燃燒器區域的二次風速及二次風的剛性，火焰更加集中[1]。

(2)二次風優化配風

通過對爐膛溫度測量對比及結焦情況的觀察，高負荷時當采用上上、上、中、下二次風速為15、28、22、40 m/s的配風方式時，爐膛溫度相對均勻，最高點<1 550 ℃，一段時間內掉焦次數明顯減少。說明該配風方式較適合目前的煤質及鍋爐的運行狀況。

(3)通過燃盡風調整燃燒偏差

切圓鍋爐煙溫偏差不完全是燃燒和換熱的問題，也是一種空氣動力現象[7]，控制偏差可有效的控制燃燒的均衡，進一步可影響局部的爐膛溫度。目前采取的消除切圓鍋爐偏差的手段主要是靠調整燃盡風或燃燒器的水平擺角實現反切[8-9]。該鍋爐燃燒器水平擺角不能調節，但筆者在調整試驗時發現將甲角與丁角作為一個整體，丙角與乙角作為一個整體，進行調節爐膛左右氧量的偏差具有明顯效果。當爐左氧量低的情況下，開大甲、丁角的燃盡風門，可以提高爐左的氧量。通過上述分開調整燃盡風的手段，減少了左右側燃燒偏差。

(4)控制合適的爐膛氧量及燃盡風量

熱態調整過程中，發現爐膛出口氧量在5%左右時，局部爐膛溫度達到了1 650 ℃，落大焦次數明顯增加，且難以擠碎，說明主燃區燃燒過于劇烈，加劇了爐膛結焦。氧量低于2.5%時，落大焦次數也會增加，且鍋爐飛灰可燃物達到了6%。經過長時間的觀察發現氧量控制在3%～4%左右時，落大焦次數減少及飛灰可燃物含量<4%。另外通過燃盡風開度控制SCR入口NOx在600 mg/m3左右，均衡主燃區與燃盡區的風量配比。

通過熱態調整，鍋爐負荷>75%時爐膛溫度分布見表7。調整后爐膛溫度整體下降12℃，最高爐膛溫度1 560 ℃，較之前下降了70 ℃，效果明顯。

表7 調整后機組負荷>75%時爐膛溫度分布

3.3 加強入爐煤混配

根據來煤礦點、煤種的不同，分類堆放。做好煤質分析，掌握各種煤的特性，杜絕高熱值煤種集中入爐燃燒。

3.4 加強設備管理及運行管理

(1)定期快速降負荷

鍋爐滿負荷運行超48小時后，協調調度，快速降負荷至60%，利用爐膛溫度的急劇變化，使焦快掉落，避免爐膛跨大焦。

(2)定期風門特性試驗及風速、風壓校核

一、二次風門和風速的準確性，是保證燃燒穩定、預防結焦的基礎。利用停爐機會，定期開展冷態空氣動力場、風門特性及風速校對試驗。靜態試驗時按要求完成DCS與就地顯示的核對，并及時反饋糾正。日常運行時，關注風門調整對風速及氧量的影響，出現異常時，就地核對，及時糾正存在問題的風門。

(3)定期組織爐膛蒸汽吹灰

根據爐膛溫度、減溫水量及爐膛結焦積灰情況，定期組織爐膛蒸汽吹灰，保持受熱面清潔，可以有效降低爐膛溫度，防止超溫和結焦惡化。當爐膛溫度和減溫水量明顯增加時，應適當增加吹灰頻次，再組織燃燒調優，盡可能降低結焦對燃燒的影響。

(4)加強各看火孔的清焦工作，增設爐底打焦孔，避免盲區清焦

鍋爐結焦是一個逐漸積累的過程，加強燃燒狀況判斷，及時發現結焦尤為重要。一旦發現干渣監視局部變暗，掉灰渣量變少，打焦難度增加，出現大量軟焦或噴口、水冷壁區域掛焦增加，爐膛出口溫度、減溫水流量在相同負荷下明顯上升，嚴重時主蒸汽及過熱器壁溫超溫，局部或大面積火焰呈現白色且刺眼時，要認真全面分析，加強燃燒調整，并及時清除各看火孔的焦塊。另外在爐底擠渣門上部增設打焦孔，防范因大焦掉落后無法清除，造成冷灰斗搭橋，釀成鍋爐停運的事件。

4 結束語

針對巴陵石化410 t/h鍋爐嚴重結焦問題，在多因素綜合分析的基礎上，通過冷態試驗調平了一、二、三次風，修復了燒損的二、三次風噴口，使爐內切圓正常，較小了貼壁風速；熱態下降低一次風速、控制合適的氧量及燃盡風開度，并調整二次風配風，通過燃盡風減小了左右偏差，降低了局部爐膛溫度；加強設備管理的同時，定期降負荷，開展爐膛吹灰。

采取以上手段后，近一年鍋爐運行狀態良好，結焦情況得到大大改善，打焦時間從原來每天4個小時縮短至30分鐘以內，原先的打焦人員由8人降低至4人，節約人工成本40萬/年。未發生一起嚴重結焦導致的鍋爐非停事件，節約成本150萬/年。鍋爐再未發生過長期超溫現象，主汽溫度合格率達到99.99%以上，統計飛灰含碳量降低1%，節約燃煤成本40萬/年。

需要指出的是，以上手段只是適用于目前的煤種及設備特性，當煤種變化時需要制定另外一套防結焦策略。提高鍋爐的寬煤種適應性。另外如果徹底改善鍋爐結焦狀況，只有通過降低爐膛容積熱負荷、截面熱負荷及燃燒器優化改造等方面入手。