330MW四角切圓燃煤鍋爐結(jié)焦原因分析及應(yīng)對(duì)措施

國(guó)能承德熱電有限責(zé)任公司 石建良

燃煤鍋爐結(jié)焦是影響燃煤電廠平穩(wěn)安全運(yùn)行的主要因素，受限于地理、交通運(yùn)輸條件等因素，我國(guó)眾多燃煤電廠長(zhǎng)期采用多種品質(zhì)不一、煤質(zhì)嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)煤種的配煤方式。由于煤種復(fù)雜多變、煤質(zhì)下降，鍋爐受熱面很容易出現(xiàn)結(jié)渣，再加上現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員對(duì)燃煤鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒狀態(tài)了解不足，在運(yùn)行時(shí)憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配煤方式及配風(fēng)方式的調(diào)整，從而導(dǎo)致鍋爐受熱面的結(jié)渣加劇，嚴(yán)重危害了鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

燃煤鍋爐結(jié)焦會(huì)影響爐內(nèi)正常的燃燒工況，增大鍋爐排煙熱損失、降低效率，結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)需要停爐檢修，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性與安全運(yùn)行[1]。同時(shí)由于煤炭市場(chǎng)供應(yīng)的日益緊張，為降低運(yùn)行成本，越來越多的燃煤電廠選擇摻燒偏離設(shè)計(jì)煤種的高灰分煤，進(jìn)一步加劇了爐內(nèi)結(jié)焦現(xiàn)象[2]。因此需對(duì)電廠的結(jié)焦原因進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)焦原因進(jìn)一步提出防范措施，保證燃煤電廠的安全平穩(wěn)高效運(yùn)行。

1 設(shè)備概況及煤質(zhì)參數(shù)

本文的研究對(duì)象為某電廠1號(hào)機(jī)組鍋爐，該鍋爐為上海鍋爐有限公司制造的亞臨界壓力、一次中間再熱、單爐膛四角切圓、自然循環(huán)、平衡通風(fēng)鍋爐，爐膛寬14022mm、深13640mm、高65500mm，四角對(duì)稱、交叉布置5層一次風(fēng)、6層二次風(fēng)噴口，在爐膛上部布置4層分離燃盡風(fēng)噴口。鍋爐采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配置五臺(tái)中速磨，燃燒器四角布置，切圓燃燒。鍋爐在最大連續(xù)出力負(fù)荷工況（BMCR）、額定負(fù)荷工況（BRL）、75%熱耗率驗(yàn)收工況（75%THA）以及50%熱耗率驗(yàn)收工況（50%THA）下的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。鍋爐的運(yùn)行方式為能帶動(dòng)基本負(fù)荷，并具有一定的負(fù)荷調(diào)峰能力。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

煤質(zhì)成分是決定爐內(nèi)組分分布、溫度水平和導(dǎo)致爐膛受熱面結(jié)焦的重要原因，充分了解現(xiàn)場(chǎng)所用煤種及煤種之間的摻混方式是保證數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。該電廠使用煤種較多、煤種復(fù)雜、煤灰含量多、熱值高低不一，現(xiàn)將測(cè)得的各層燃燒器混煤特性數(shù)據(jù)列于表2。

表2 各層燃燒器混煤特性分析

通常根據(jù)煤灰程度、煤種中各成分含量多少、煤種的低位發(fā)熱量等來進(jìn)行煤種分類，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤灰取樣所測(cè)得的數(shù)據(jù)（元素分析、工業(yè)分析及熱值），參照我國(guó)工業(yè)鍋爐中的煤種分類方式，可將電廠實(shí)際所用煤種大致分為劣質(zhì)煤、一般煤、優(yōu)質(zhì)煤。

2 結(jié)焦概況及結(jié)焦原因分析

自該電廠摻燒高灰分、低熱值煤后，機(jī)組鍋爐在運(yùn)行時(shí)存在爐膛及過熱器、再熱器區(qū)域結(jié)焦問題，結(jié)焦區(qū)域分布于前后墻、側(cè)墻水冷壁以及屏式再熱器，且水冷壁中部結(jié)焦較為嚴(yán)重，結(jié)焦面積較大，并數(shù)次出現(xiàn)掉焦現(xiàn)象。鍋爐共五層燃燒器，除第二層外其余各層均存在較為嚴(yán)重的結(jié)焦現(xiàn)象，且噴嘴附近結(jié)焦嚴(yán)重，對(duì)氣流形成切圓動(dòng)力場(chǎng)有較為嚴(yán)重的影響。電廠運(yùn)行過程中數(shù)次發(fā)生焦塊掉落情況，造成較大的安全隱患并且導(dǎo)致低負(fù)荷工況下燃燒不穩(wěn)定。同時(shí)結(jié)焦還導(dǎo)致鍋爐排煙溫度高于設(shè)定值，造成排煙熱損失增加。由于結(jié)焦較為嚴(yán)重，鍋爐數(shù)次進(jìn)行停爐檢修，對(duì)電廠的平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生了較大影響，據(jù)粗略估計(jì)，因清焦進(jìn)行一次停爐檢修電廠將損失數(shù)百萬元，因此預(yù)防或減輕爐內(nèi)結(jié)渣狀況是燃煤機(jī)組亟須解決的一大難題。

造成結(jié)焦的根本原因是當(dāng)爐內(nèi)溫度高于灰熔點(diǎn)時(shí)，灰融化并沉積在水冷壁過熱器等受熱面，可見爐內(nèi)溫度對(duì)于結(jié)焦有很大的影響。此外，當(dāng)煙氣中含有H2S、CO 等還原性氣體時(shí)結(jié)焦程度也會(huì)增大[3]，這是因?yàn)檫€原性氣體可將灰分中熔點(diǎn)較高的Fe2O3還原為熔點(diǎn)較低的FeO。因此，影響爐內(nèi)溫度和還原性氣體分布的參數(shù)都將對(duì)鍋爐結(jié)焦產(chǎn)生影響。導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)焦的因素很多，包括一次風(fēng)、二次風(fēng)風(fēng)速、比例，過量空氣系數(shù)，燃燒器擺角，煤種摻混比例等。對(duì)于實(shí)際運(yùn)行中的鍋爐來說，受熱面結(jié)焦?fàn)顩r的嚴(yán)重程度與配風(fēng)運(yùn)行參數(shù)及配煤運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系最大。針對(duì)該電廠鍋爐，主要從煤質(zhì)和操作兩個(gè)方面分析結(jié)焦原因。

2.1 煤質(zhì)因素的影響

由于受到煤炭?jī)r(jià)格波動(dòng)等其他方面的影響，一號(hào)機(jī)組實(shí)際用煤與設(shè)計(jì)煤種和校核煤種有較大差異，由表2可知，在B 層到E 層燃燒器的實(shí)際用煤的灰分含量相較于設(shè)計(jì)煤種和校核煤種（19.67%和16.87%）均高于10%?；曳趾吭礁呷紵蠡伊吭蕉?，在高溫下結(jié)焦的面積和程度也就越大[4]。

除煤種灰分含量外，煤種熱值的高低同樣會(huì)影響爐膛結(jié)焦。由表2可知，每一層燃燒器所用煤種的熱值均低于設(shè)計(jì)煤種和校核煤種熱值（23641kJ·kg-1和19669kJ·kg-1）25%以上。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，1號(hào)機(jī)組在BMCR 工況下燃料消耗量為131.6t/h。然而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在負(fù)荷為329MW 時(shí)實(shí)際耗煤量達(dá)到了188t/h，相比設(shè)計(jì)工況高出了37%。在相同負(fù)荷時(shí)耗煤量更大，燃燒后產(chǎn)生的灰量也就更多，加劇了結(jié)焦現(xiàn)象。

除了以上兩種原因外，灰熔點(diǎn)的高低對(duì)于結(jié)焦也有重要影響。研究表明，灰熔點(diǎn)越高灰融化沉積在受熱面的可能性就越小，進(jìn)而結(jié)焦的可能性就越低[5]。因此對(duì)1號(hào)機(jī)組煤粉燃燒后生成的灰渣熔點(diǎn)進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)灰分的熔點(diǎn)均在1335℃以上，均高于設(shè)計(jì)煤種和校核煤種（1190℃和1160℃）。使用的煤種灰分熔點(diǎn)較高，然而卻產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的結(jié)焦問題，可見除煤質(zhì)的影響，操作參數(shù)也對(duì)機(jī)組結(jié)焦產(chǎn)生了影響，導(dǎo)致爐內(nèi)的燃燒動(dòng)力場(chǎng)并未達(dá)到理想情況。

2.2 操作因素的影響

配風(fēng)比例、配風(fēng)均勻性和燃燒器擺角對(duì)于良好的燃燒動(dòng)力場(chǎng)形成有著至關(guān)重要的影響，進(jìn)一步影響結(jié)焦程度。倘若組織不合理造成燃燒器噴口處積灰結(jié)焦，進(jìn)一步破壞燃燒動(dòng)力場(chǎng)，導(dǎo)致高溫處結(jié)焦加劇，造成惡性循環(huán)。

一次風(fēng)、二次風(fēng)分布比例對(duì)于燃燒工況至關(guān)重要。通過DCS 系統(tǒng)獲得某一時(shí)刻323MW 時(shí)的一、二次風(fēng)量和占比：該工況下，總風(fēng)量為865.6t/h，其中一次風(fēng)總量為401.6t/h，占總風(fēng)量的46.4%、接近50%，，相比于設(shè)計(jì)工況20.7%的一次風(fēng)率相差較大。一方面，一次風(fēng)占比過大導(dǎo)致煤粉進(jìn)入爐膛初期著火困難，爐膛下半部溫度較低，火焰重心上移，火焰拉長(zhǎng)，爐膛上部燃燒較為劇烈，爐膛出口煙氣溫度高于設(shè)計(jì)值，造成過熱器和再熱器結(jié)焦，同時(shí)增大了排煙熱損失；另一方面，一次風(fēng)量過大導(dǎo)致二次風(fēng)量減少，煤粉得不到充分燃燒所需要的氧氣，無法形成穩(wěn)定的燃燒。同時(shí)，一次風(fēng)量大導(dǎo)致煤粉顆粒的初速度較大，未燃物沖刷受熱面的機(jī)會(huì)增大，增大了水冷壁發(fā)生結(jié)焦的可能性。

除配風(fēng)比例外，每一層一二次風(fēng)分布均勻性同樣會(huì)影響結(jié)焦程度。同樣以上述工況為例，研究一次風(fēng)各個(gè)角風(fēng)量均勻性對(duì)于結(jié)焦的影響。在該工況下，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)得的A 層燃燒器1、2、3、4各角風(fēng)速分別為30.6m/s、60m/s、26m/s 和52m/s，而在設(shè)計(jì)參數(shù)下，一次風(fēng)速僅為27.4m/s，與實(shí)際相差較大。因?yàn)轱L(fēng)速相差較大導(dǎo)致各個(gè)角的煤粉速度不一致，在爐膛內(nèi)形成濃煤區(qū)和淡煤區(qū)，進(jìn)一步產(chǎn)生局部高溫區(qū)和局部低溫區(qū)，燃燒工況不理想。此外，在風(fēng)速較大的氣流影響下，風(fēng)速較低的氣流會(huì)發(fā)生偏斜，造成煤粉貼壁燃燒，使得水冷壁結(jié)焦。

在實(shí)際操作中，也會(huì)通過改變噴嘴豎直角度來調(diào)整燃燒動(dòng)力場(chǎng)。在噴嘴上揚(yáng)時(shí)，顆粒上升速度提高、停留時(shí)間縮短，在爐膛中下部的燃燒不完全，在爐膛上部靠近過熱器區(qū)域進(jìn)行燃燒，火焰重心上移，造成過熱器再熱器溫度提高，增加了結(jié)焦的可能性。同時(shí)，由于火焰中心上移、未燃盡顆粒量增加，在爐膛上部高溫的作用下，未燃盡炭中的灰分變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，沉積黏附在上部過熱器再熱器水冷壁上，進(jìn)一步加劇結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，為保證爐膛內(nèi)煤粉的穩(wěn)定燃燒，防止因煤質(zhì)因素和操作因素造成結(jié)焦現(xiàn)象，需對(duì)該機(jī)組鍋爐提出相應(yīng)調(diào)整。

3 防結(jié)焦應(yīng)對(duì)措施

調(diào)整一次風(fēng)速。在315MW 負(fù)荷下，通過調(diào)整風(fēng)門開度實(shí)現(xiàn)對(duì)一次風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整，研究在兩種不同一次風(fēng)速（33m/s、23m/s）下爐膛內(nèi)溫度、組分分布情況，進(jìn)一步推斷對(duì)結(jié)焦的影響。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，相比于低一次風(fēng)速，高一次風(fēng)速下的爐膛內(nèi)火焰高溫區(qū)高度明顯更高，這表明高一次風(fēng)速推遲了煤粉的燃燒，導(dǎo)致火焰的上移，容易造成過熱器與再熱器結(jié)焦。同時(shí)低一次風(fēng)速工況下的水冷壁周圍CO 含量較低，有利于防止水冷壁發(fā)生結(jié)焦。因此為保證火焰中心不被抬高，一次風(fēng)速不宜過大。

調(diào)整過量空氣系數(shù)。過量空氣系數(shù)是實(shí)際提供的空氣量與煤粉燃燒實(shí)際需要的空氣量之比。過量空氣系數(shù)是影響爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)和燃燒穩(wěn)定性的重要因素。當(dāng)過量空氣系數(shù)過小時(shí)，煤粉燃燒得不到充足的氧氣，造成煤粉缺氧燃燒，燃燒生成CO、H2S 等還原性氣體，加劇壁面的結(jié)焦。過小的過量空氣系數(shù)還有可能造成空氣煤粉混合不充分，造成燃燒不穩(wěn)定；當(dāng)過量空氣系數(shù)過大時(shí)氣速過高，爐膛尾部煙道煙氣殘余旋轉(zhuǎn)較強(qiáng)，煙氣速度偏差較大，從而造成鍋爐受熱面結(jié)焦加劇。同時(shí)過量空氣系數(shù)過大還會(huì)使得進(jìn)入鍋爐的低溫?zé)煔赓|(zhì)量增加，降低了燃燒系統(tǒng)的溫度，延遲燃料的著火。針對(duì)1號(hào)機(jī)組鍋爐，當(dāng)負(fù)荷在297MW 附近時(shí)，應(yīng)選取過量空氣系數(shù)為1.25，此時(shí)燃燒穩(wěn)定，爐膛下部區(qū)域的CO生成量較少。

調(diào)整配煤方式。由以上小節(jié)可知，通過調(diào)整配風(fēng)方式可以改善燃燒動(dòng)力場(chǎng)，使煤粉和氣流混合均勻，火焰中心位于爐膛中部，減少氣流和顆粒對(duì)水冷壁的沖刷，從而減小結(jié)焦的危害。然而影響結(jié)焦的首要因素仍然是煤質(zhì)的自身特點(diǎn)，不同煤種在不同的配煤方式下，爐內(nèi)的溫度場(chǎng)組分場(chǎng)都存在差異，從而造成不同的結(jié)焦現(xiàn)象。因此要結(jié)合電廠實(shí)際用煤的性質(zhì)，通過合理的配煤減輕受熱面的結(jié)焦。在復(fù)雜燃料下，通常采用爐內(nèi)摻混（即不同燃燒器層送入的煤種單一，各層燃燒器的煤種進(jìn)入爐膛內(nèi)部摻混）和爐外摻混（即煤粉顆粒在進(jìn)入爐膛之前摻混）。

通過現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于該電廠鍋爐，下兩層（即A、B 層）煤質(zhì)對(duì)中下部水冷壁影響較大，因此A、B 兩層燃燒器應(yīng)燃用低灰分高熱值的優(yōu)質(zhì)煤降低結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。

綜上，本文首先介紹了某電廠1號(hào)機(jī)組結(jié)焦概況，并從煤質(zhì)和操作分析了受熱面結(jié)焦原因，影響因素包括：煤種灰分含量、煤種熱值、煤種灰分熔點(diǎn)、配風(fēng)比例、配風(fēng)均勻性和噴嘴豎直角度等。針對(duì)影響結(jié)焦的因素，提出了如下防結(jié)焦應(yīng)對(duì)措施。

調(diào)整一次風(fēng)速：降低一次風(fēng)速可以使燃燒中心下移，防止氣流偏斜沖刷水冷壁，降低受熱面結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)；調(diào)整過量空氣系數(shù)：適宜的過量空氣系數(shù)可以使煤粉與空氣充分混合，穩(wěn)定燃燒，能提供充足的氧氣使煤粉充分燃燒，降低壁面區(qū)域CO、H2S 等還原性氣體含量，防止結(jié)焦發(fā)生；調(diào)整配煤方式：在復(fù)雜燃料條件下，電廠鍋爐通常采用爐內(nèi)摻混和爐外摻混兩種配煤方式。針對(duì)該鍋爐，下兩層燃燒器應(yīng)燃用低灰分高熱值煤種，降低結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)。