電站鍋爐結渣問題分析與改進

德陽和新環保發電有限責任公司 雪 偉 中電華創（蘇州）電力技術研究有限公司 許天瑤 顏 喜 劉忠軒

我國傳統能源結構是“富煤、缺油、少氣”，煤炭長期占據能源消費主體地位[1]。近年來，“雙碳”目標的提出推動能源結構轉型，但風電、光伏等新能源存在波動性大、易脫網和難消納等問題[2]。因此，火力發電仍將作為重要電源，兜底保供、調峰調頻，起到“壓艙石”作用，保障轉型期電力供應[3-5]。電站鍋爐運行中常出現受熱面結渣，導致增大傳熱熱阻、降低鍋爐熱效率、影響鍋爐出力、大渣掉落破壞冷灰斗等問題，嚴重時甚至會導致機組停機和事故。因此，鍋爐的結渣及其應對措施一直是電廠工作人員和科研人員致力于研究和解決的問題。

鍋爐結渣是較復雜的流體力學和物理化學過程，主要是由于煙氣中熔融或半熔融的灰、煤顆粒碰撞到較低溫度的受熱面凝固長期發展而形成的。影響鍋爐結渣的因素較多，主要有以下幾個方面。

一是顆粒運輸機理。煤灰顆粒運輸機理包括揮發性灰的氣相擴散、熱遷移和慣性遷移，顆粒的運輸促進鍋爐受熱面初始沉積層的形成。由于爐膛中心溫度極高，其中的灰顆粒多為熔融/半熔融狀態，在慣性作用下運動時，速度快，冷卻慢，灰顆粒容易粘附在初始沉積層上，逐步形成難以清除的熔渣，影響鍋爐正常運行。

二是煤灰成分。研究煤的結渣機理離不開對煤的灰成分組成分析，煤的灰成分是指煤燃燒后生成的無機金屬氧化物，可分為堿性組分（Na2O、K2O、Fe2O3、CaO、MgO）和酸性組分（SiO2、Al2O3、TiO2）。一般認為，酸性組分含量越高，灰的熔融溫度就越高；堿性組分含量越高，灰的熔融溫度越低，結渣傾向也越強。

三是爐內溫度場電站鍋爐的結渣主要是由于熔融/半熔融的灰顆粒黏附于水冷壁等受熱面，因此當入爐煤一定時，爐內的溫度場就成為是否發生結渣的重要影響因素。研究表明，隨著爐膛內溫度升高，結渣程度也隨之增長。灰顆粒黏附后，初始沉積層的黏性逐漸增加，進一步捕捉灰顆粒。沉積層的加厚也惡化了受熱面的傳熱，導致受熱面表面溫度升高，加速結渣的過程，常伴有燒結、熔融和結塊，甚至結晶過程，有時會吸收氣相組分參與反應。因此，結渣一旦發生，不經人為干預，其程度會越來越嚴重。

本文通過對某全國性發電集團裝機容量300MW 以上機組的結渣情況統計分析，總結了結渣、掉渣的原因及技術改造經驗，為減緩電站鍋爐結渣問題提供參考。

1 各機組結渣現狀

本文調研了某集團分布在全國范圍裝機容量在300MW 以上的130臺鍋爐的結渣情況，燃燒器布置包括：四角切圓、前后墻對沖、W 火焰、雙切圓和墻式切圓，涵蓋全部爐型。燃燒器布置以W 型火焰、前后墻對沖與四角切圓三種類型為主，其中W型火焰鍋爐均為300MW 級與600MW 級，前后墻對沖爐多為600MW 級及以上機組，四角切圓爐多為300MW 級與600MW 級。

其中，95臺鍋爐存在一定程度的結渣問題，占比為73.07%，在存在結渣的機組中，在過去5年內因掉渣發生非停時間的機組15臺，其中發生1次9臺，發生3次4臺，發生4次2臺；發生降出力的機組8臺，其中發生1次1臺，發生3次4臺，發生4次1臺，數次發生2臺。對各機組最近兩年掉渣次數進行統計，有掉渣發生的鍋爐中，未統計或者未上報掉渣次數的鍋爐數為25個，剩余為70個，其中掉渣次數小于等于20次的有42個，大于20小于100的有15個，大于100的有13個，發生過非停的機組近兩年掉渣統計次數基本在50次以上。

有結渣發生的95臺鍋爐中，W 型火焰鍋爐21臺，前后墻對沖爐23臺，四角切圓43臺，墻式切圓6臺，雙切圓2臺。W 型火焰鍋爐、前后墻對沖爐鍋爐、四角切圓鍋爐、墻式切圓鍋爐、雙切圓鍋爐結渣機組占各自燃燒類型總數百分比分別為100%、60.52%、66.15%、50%、100%，如圖1所示。即反饋的機組中所有的W 型火焰鍋爐與墻式切圓鍋爐均存在結渣問題，其余燃燒類型鍋爐至少一半存在結渣問題。

圖1 不同燃燒方式機組對應的結渣比例

總體看來，所有燃燒方式均存在比較嚴重的結渣問題，但W 型火焰鍋爐與墻式切圓鍋爐結渣問題較其他爐型更為突出。綜上所述，可以認識到電站鍋爐中的受熱面結渣問題幾乎是不可避免的，且會導致鍋爐出力下降和被迫停機等事故，因此只能通過控制手段緩解鍋爐結渣。

2 燃用準東煤及低熔點煤情況

準東煤灰分低、揮發分高，燃燒特性優異，且埋藏淺、煤層厚、含煤層數多，易于開采，是優質的動力用煤。然而，準東煤中堿性組分，特別是堿金屬Na 含量較高，遠高于我國其他產區的煤，這也導致了其較強的結渣特性。在電站鍋爐中燃燒準東煤的過程中，高含量的堿金屬（新疆準東煤以Na為主）易釋放到煙氣中，從而與爐膛中熔融/半熔融的微小灰顆粒結合，沉積在溫度相對較低的受熱面等位置，導致受熱面出現嚴重結渣現象。輕則會影響鍋爐的傳熱效率、降低鍋爐效率、造成經濟損失和引起安全問題，重則會引起煙氣側受熱面管排間灰渣的搭橋和鍋爐堵塞、爆管等嚴重的事故，造成鍋爐非停等不可控的嚴重后果。

新疆某電廠在入爐煤中摻燒了25%新疆準東煤后發現，在鍋爐運行較短時間后，二次風噴口已全部被霜狀物覆蓋，水冷壁幾乎全部被遮住，水冷壁的輪廓無法識別；另一電廠摻燒新疆準東煤15天后，發現整個爐膛內部全部被渣渣覆蓋，且渣塊堅硬，難以清除，嚴重影響鍋爐的安全運行；烏魯木齊某電廠在實際摻燒40%～70%的高堿煤后，出現水冷壁被渣覆蓋，影響水冷壁吸熱、管壁超溫、爐膛出口煙氣溫度過高、受熱面沾污結渣嚴重、飛灰堵塞煙道等問題，影響鍋爐出力和安全穩定運行。

集團內95臺結渣的鍋爐中，73臺次反饋機組發生過燃用低熔點煤導致結渣的事件，占比76.84%。低熔點煤在爐膛內燃燒過程中，爐膛內灰顆粒和未燃盡煤顆粒易在高溫下融化，熔融的顆粒在運動中接觸到溫度相對較低的水冷壁等受熱面會黏附在受熱面上，導致結渣的發生；30臺燃用過準東煤的鍋爐均發生過因燃用準東煤而導致結渣事件，準東煤對結渣的影響不僅體現在總體灰熔點偏低，也受其中高含量的堿金屬的影響。

堿金屬易揮發的特性更易導致壁面內白層的形成，大大促進的結渣過程的進行。存在結渣問題的6臺1000MW 級機組均發生過燃用低熔點煤導致結渣的事件，有3臺機組燃用過準東煤，占比50%；存在結渣問題的37臺600MW 級機組中，有35臺發生過燃用低熔點煤導致結渣的事件，占比94.59%；存在結渣的52臺300MW 級機組中，有32臺發生過燃用低熔點煤導致結渣的事件，占比61.54%。可見，煤質對電站鍋爐的結渣問題影響較大，低熔點煤和強結渣性的準東煤更易導致結渣發生，對于必須燃用準東煤等強結渣傾向煤種的鍋爐，可以采用摻燒高熔點煤、高嶺土等減緩其結渣。

3 鍋爐結渣的危害

鍋爐結渣后，對運行危害較大。一方面導致排煙溫度升高和煙氣阻力增加，影響發電企業的經濟性運行。另一方面，爐膛結渣嚴重時，會進一步引發掉渣滅火、冷灰斗水冷壁泄漏造成機組強迫停機事故，并造成除渣設備故障率增加，影響鍋爐安全運行。主要危害如下。

一是降低鍋爐效率。受熱面結渣，受熱面內工質的吸熱降低，煙溫升高，排煙熱損失增加；燃燒室出口結渣，在高負荷時會使鍋爐通風受到限制，以致爐內空氣量不足，固體不完全燃燒熱損失增加；燃燒器結渣，影響氣流的正常噴射，固體氣體不完全燃燒熱損失均增加。

二是降低鍋爐出力。水冷壁上結渣，影響蒸發量。煙溫升高會使過熱汽溫升高，為了保持額定汽溫，往往被迫降低鍋爐出力，影響電廠經濟和保供。

三是造成非停。結渣過重如爐膛出口大部分封住、冷灰斗封死、破壞水封等會造成被迫停爐；大塊渣砸壞受熱管、打渣不慎造成水冷壁爆破或損壞、受熱不均出現過熱器超溫或爆管，掉渣引起鍋爐滅火，使撈渣機、碎渣機運輸困難，過載跳閘。

四是給水循環的安全性和水冷壁的熱偏差帶來不利影響，導致高溫對流受熱面吸熱不均；結渣會導致受熱面傳熱受阻，進而引起壁面超溫，嚴重會導致爆管。

4 鍋爐結渣原因分析與改進方向

電站鍋爐結渣是一個復雜的過程，且結渣一旦發生，只會越來越嚴重，實際運行中造成結渣的原因主要有以下幾點。一是煤質原因。煤質差是導致鍋爐結渣的主要原因，68.46%機組反饋燃用煤質大幅偏離設計煤種，63.85%機組存在跨煤種摻燒的情況，60.77%機組發生過燃用低熔點煤導致結渣的事件，30臺燃用過準東煤的鍋爐均發生過因燃用準東煤而導致結渣事件。

二是設計及運行。爐膛的設計特性：爐膛容積和斷面熱負荷不當、燃燒器區域熱負荷高、燃燒器的設計布置不合理等；爐內空氣動力場不合理，如中心偏斜、火焰貼墻、切圓直徑過大等；燃燒調整不及時，如配風不當、還原性氣氛、超負荷運行、吹灰、除渣不及時以及煤粉細度過大等。

根據集團130臺鍋爐的結渣情況及分析，提出以下三條改進方向：一是技改手段。通過改變鍋爐的截面熱負荷、受熱面管材的節距、拉長鍋爐高度、改變受熱面的布置方式、增加吹灰器、增加制粉系統等方式來緩解堿金屬帶來的影響；通過改造，重新分配風量，降低爐內溫度；落實CFS 風偏置角度，防止偏置角過大引發氣流刷墻；加裝聲波吹灰器，緩解受熱面結渣程度；減小切圓直徑，防止高溫氣流刷墻等；對于長期燃用準東煤的機組，進行專項改造；選擇合理的運行氧量，鍋爐運行氧量即爐內的氧化或還原性氣氛，其對鍋爐的結渣有非常大的影響，如果鍋爐運行氧量偏低，爐內還原性氣氛較強，煤的灰熔點就會下降，鍋爐就容易結渣。

二是使用除渣劑。除渣劑一般分兩種，一種是在煤中混入一定量的藥劑，抑制結渣的發生，另外一種是直接噴入爐膛，讓渣塊變得松散剝落。電廠可以根據各自結渣實際情況進行選取除渣劑的種類。

三是運行及檢修手段。做好燃料管理，根據進場煤的特性合理配煤，進而減緩結渣；根據不同工況，合理調整燃燒（保證經濟煤粉細度和最佳過剩空氣系數）；加強運行監視，嚴格按要求進行鍋爐吹灰，保證受熱面清潔；提高檢修質量，保證燃燒器狀態良好，安裝角度正確，噴口不堵塞，燃燒器角度調整過程中不卡澀，遠方就地同步；加強爐底、煙道、空預器等設備漏風治理等；防止鍋爐超負荷運行，超負荷運行會引起結渣。超負荷時就要較大幅度調大風量，提高送引風和二次風風速及煙速，增加過剩空氣量。這種強化燃燒的結果使火焰偏高，煙氣里攜帶大量熔融狀態的煤粒煤灰黏結在爐膛出口捕渣管上，此處平均溫度很快高于灰熔點，形成結渣。

5 結論

電站鍋爐結渣問題是鍋爐運行中常見的問題，給鍋爐的安全穩定運行帶來諸多不利的影響。本文調研了某集團內130臺裝機容量300MW 以上鍋爐的結渣情況，分析其結渣原因、結渣影響，并提出改進方向。