600 MW超臨界褐煤鍋爐結焦原因分析及措施

馬景斌，高 明，宋大勇

(1．齊齊哈爾軌道交通裝備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002;東北電力第三工程公司，遼寧 錦州 121001;3．遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 設備及煤質

清河發電有限責任公司9號機組為國內首臺燃用褐煤的超臨界機組，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司制造，型號為HG－1900/25.4－HM2，為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐。該鍋爐采用П型布置、單爐膛、尾部雙煙道、全鋼架、懸吊結構、燃燒器前后墻布置、對沖燃燒。制粉系統采用中速磨正壓直吹系統，每臺爐配7臺磨煤機，布置于前墻或后墻同一層的LNASB燃燒器，前墻4層，后墻3層，每層布置5只。在煤粉燃燒器的上方前、后墻各布置1層燃盡風噴口，每層各5個。燃燒器從內至外依次為中心風、一次風、二次風、四次風、三次風。鍋爐主要設計參數及設計煤質特性如表1、表2所示。

2 結焦過程

清河發電有限責任公司9號機組于2010年3月投產，在試運行期間曾多次出現結焦現象。2010年1月19日，機組在300～360 MW負荷運行，在減負荷至停爐過程中，爐底排出大量焦塊，其中有灰色質地的疏松焦塊，但黑色光亮且質地堅硬的焦塊占大多數，造成撈渣機和碎渣機無法正常工作;2010年2月11日，機組在500～580 MW負荷運行，爐底再次排出大量焦塊，絕大多數仍為在熔融狀態下形成的黑色且質地堅硬的焦塊，同樣造成撈渣機和碎渣機無法正常工作。

表1 鍋爐主要設計參數

表2 設計煤質特性

3 鍋爐結焦原因分析

爐內結焦既是復雜的物理化學過程，也是爐內含灰氣流的流動和傳熱傳質過程。影響鍋爐結焦的因素較多，除了鍋爐設計結構參數和煤質外，運行調整不當也會造成鍋爐結焦［1］。當機組為300～360 MW負荷、燃煤量為200～250 t/h時，按照鍋爐設計尺寸和實際輸入熱量計算，容積熱負荷、截面熱負荷等特征參數實際值均為額定負荷設計數據的50%左右［2］，在這種低負荷狀態下出現結焦現象，說明結焦部位應該在火焰溫度相對偏高的燃燒器區域，通過對爐內檢查結果與其吻合。因此，造成燃燒區域結焦的主要原因有以下幾方面。

3.1 煤質特性

弱還原性氣氛下的軟化溫度 (ST)是作為煤種結渣性判別的主要指標之一，即ST＞1 390℃為輕微結渣煤;ST在1 260～1 390℃為中等結渣煤;ST＜1 260℃為嚴重結渣煤。9號鍋爐燃用的設計煤質ST=1 290℃，屬于中等結渣煤，校核煤質ST=1 250℃，屬于嚴重結渣煤［3］。可見，9號鍋爐燃用的煤種結渣性較強。

3.2 煤粉細度偏細

通過對多臺磨煤機原始狀態下的煤粉細度測量得知，在分離器擋板開度為50%時，煤粉細度R90平均值為22%，遠低于設計值35%，煤粉細度偏細導致煤粉著火提前，燃燒器噴口附近火焰溫度升高，由于褐煤著火溫度較低、揮發分較高，過細的煤粉噴入爐膛后容易造成噴口附近水冷壁結焦［4］。

3.3 一次風速偏低

鍋爐設計燃燒器噴口一次風速為27 m/s，折算到一次風管風速為29 m/s，機組在實際運行過程中，受磨煤機入口風量測量不準及運行中熱一次風溫、磨煤機出口風溫控制等問題，磨煤機出口管道一次風速通常控制在25 m/s左右，相應一次風噴口風速比設計值低4 m/s左右，因此增加了燃燒器區域的煙氣回流量，造成著火提前。

3.4 燃燒器旋流強度偏大

9號鍋爐燃燒器為英國Babcock公司設計的低NOx型燃燒器，為得到較好的著火穩定性，建議內二次風旋流強度處于最大位置，內二次風量在25%左右。旋流強度大小不但對NOx的產生有一定影響，而且影響火焰的著火點及燃燒器區域的熱負荷，旋流強度越大，煙氣回流區越靠近燃燒器，著火越提前，燃燒器區域的水冷壁熱負荷越高。可見，旋流強度處于最大位置雖然對煤粉燃盡和低負荷穩燃有利，但是對防止鍋爐燃燒器區域水冷壁結焦是不利的［5］。

3.5 一次風速偏差大

根據磨煤機試驗規程［6］，各噴口一次風速偏差不能大于5%。通過試驗數據分析，各層一次風速偏差較大，A磨最大偏差達到6%左右，B磨最大偏差達到11%左右，F磨最大偏差達到15%左右，G磨最大偏差達到24%左右，當磨煤機通風量一定時，風速偏差必然造成有的噴口一次風速過低或過高，風速偏低不僅造成攜帶的煤粉偏細，而且造成一、二次風動量比降低，煙氣回流區增大，兩者共同使用下致使風速偏低的噴口著火提前。可見，一次風速偏差過大也容易造成風速偏低的噴口結焦［7］。

4 改善鍋爐結焦的運行措施

4.1 提高煤粉細度

通過不同分離器開度下煤粉細度測試結果，擋板開度對煤粉細度影響較大。在500 MW負荷下，當擋板開度在50%左右時，7臺磨煤機未調整前煤粉細度R90平均值在22%左右;當分離器擋板開到40%時，煤粉細度R90變化到28%左右;當分離器擋板開度變化到35%時，煤粉細度R90為32.4%，不同分離器擋板開度下煤粉細度變化情況如表3所示。通過將擋板開度調整至35%，煤粉細度明顯提高，將煤粉著火點推向爐膛中心，降低了燃燒器噴口附近的火焰溫度。

表3 不同分離器擋板開度下煤粉細度變化情況

4.2 提高一次風速

以F磨煤機為代表進行了一次風速變化對噴口溫度的影響試驗，在給煤量為69 t/h的情況下，通風量為139.7 t/h時，一次風管風速為31.18 m/s，噴口溫度為818.4℃;當通風量降至123.6 t/h時，一次風管風速為27.54 m/s，噴口溫度升至1 000℃以上，超出儀表測量范圍，一次風速變化對噴口溫度的影響如表4所示。一次風噴口風速降低后，煤粉著火提前，容易造成燃燒器噴口附近結焦，嚴重時噴口燒損。機組在60%負荷以上運行時，將一次風速從24～27 m/s升至27～32 m/s是避免燃燒器區域結焦的有效手段之一。

4.3 降低燃燒器旋流強度

二次風旋流強度調整范圍為0～240 mm，最小值對應旋流強度最大，最大值對應旋流強度最小，二次風量調整范圍為0～160 mm，最小值對應二次風量最小，最大值對應二次風量最大。在試燒過程中主要考慮燃燒器的NOx生成量和穩燃特性，英國Babcock公司推薦二次風旋流強度為最大，二次風量拉桿位置在50 mm處。通過試驗分析，燃用褐煤前后墻對沖旋流燃燒器的設計不但要考慮NOx生成量和穩燃特性，還要考慮褐煤易燃特性對燃燒區域結焦和燃燒器燒損等問題。根據鍋爐燃燒器區域的結焦問題。將二次風量定在100 mm位置，旋流強度拉桿從最強拉到140 mm位置。調整后的實際位置見表5。

表4 一次風速變化對噴口溫度的影響

表5 燃燒器調整后的實際位置

4.4 冷熱態一次風速調平試驗

受現場布置條件的影響，各磨煤機出口一次風管長度和彎頭數量不同，5根一次風管阻力各不相同，所以會出現同一臺磨煤機各噴口風速不相同的情況。當風速偏差較大時，即使磨煤機通風量充足，也會出現個別噴口風速偏低，造成結焦。對所有磨煤機進行了冷態和熱態一次風速調平試驗，使同臺磨煤機5根一次風管風速偏差在±5%范圍內［8］。一次風速偏差情況如表6所示。

表6 一次風速偏差情況

5 結論

a． 設計煤質的易結焦特性、煤粉細度偏細、一次風速偏低、旋流強度偏大和一次風速偏差較大等因素是造成鍋爐結焦的主要原因。

b． 通過采取將煤粉細度R90從22%調整到32.4%、將一次風速從24～27 m/s升至27～32 m/s、降低燃燒器旋流強度及將各臺磨煤機風速偏差控制在±5%范圍內等措施，9號機組順利通過168 h試運行，且投產2年來未出現過結焦現象。

c． 遼寧清河發電有限責任公司9號鍋爐的結焦原因分析和對策為東北及蒙東地區陸續投產的超臨界褐煤機組提供了借鑒。

［1］ 付 華．電站鍋爐結焦特性分析及防止結焦的措施［J］．電站系統工程，2001，17(1):33－35．

［2］ JB/T 10440—2004，大型煤粉鍋爐爐膛及燃燒器性能設計規范 ［S］．

［3］ 樊泉桂．鍋爐原理［M］．北京:中國電力出版社，2004．

［4］ 馮俊凱，沈幼庭．鍋爐原理及計算［M］．北京:科學出版社，1992．

［5］ JB/T 10440—2004，大型煤粉鍋爐爐膛及燃燒器性能設計規范 ［S］．

［6］ DL 467—92，磨煤機試驗規程 ［S］．

［7］ 吳景興，吳惠文，馬金鳳，等．410 t/h鍋爐結渣原因及燃燒調整試驗分析［J］．東北電力技術，2003，24(8):30－33．

［8］ 狄萬豐，韓繼偉，楊忠燦，等．超臨界600 MW機組褐煤鍋爐的運行特性研究［J］．熱力發電，2011，40(4):62－65．