420 t/h鍋爐爐膛結(jié)渣試驗研究

姜宏武

(安慶石化熱電廠，安徽 安慶 246002)

0 引言

爐膛結(jié)渣對鍋爐運行危害極大，輕則影響鍋爐負(fù)荷，重則會發(fā)生惡性事故。低氮燃燒易產(chǎn)生爐膛結(jié)渣。爐膛結(jié)渣與煤種燃燒特性和鍋爐運行狀態(tài)密切相關(guān)，在煤種無法改變的情況下，通過燃燒調(diào)整可減輕結(jié)渣。爐膛結(jié)渣具有緩慢發(fā)展的特點，在實際運行中，主要受爐膛溫度水平的影響，兩者互相促進。

通過對420 t/h煤粉鍋爐進行試驗，研究了運行方式與爐膛結(jié)渣的關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明，在不影響鍋爐出力及效率的前提下，改變配風(fēng)方式對爐膛溫度的影響不大;在不影響鍋爐出力及犧牲效率的條件下，全開一次風(fēng)壓力冷風(fēng)效果最好。降低鍋爐負(fù)荷可明顯減輕爐膛結(jié)渣，其效果與其降幅有關(guān)，負(fù)荷下降20%左右對爐膛溫度影響不大，而下降35%以上則會使?fàn)t膛溫度明顯降低。

1 結(jié)渣判斷依據(jù)

1．1 結(jié)渣機制簡述

結(jié)渣的本質(zhì)可概括地表述為:當(dāng)溫度高于灰熔點的煙氣沖刷受熱面時，煙氣中熔融的灰渣黏附到受熱面上，造成結(jié)渣。燃煤鍋爐結(jié)渣是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，涉及煤的燃燒、爐內(nèi)傳熱傳質(zhì)、煤的潛在結(jié)渣傾向、煤灰粒子在爐內(nèi)運動以及煤灰與管壁間的黏附等復(fù)雜過程。

煤中灰分是指存在于煤中的所有的無機物質(zhì)，灰分可分為3類，即原生礦物質(zhì)、次生礦物質(zhì)和外來礦物質(zhì)。3種灰分在煤中的存在形態(tài)不同，在爐內(nèi)的生成機制也不同。

灰顆粒向水冷壁面輸運是結(jié)渣的重要環(huán)節(jié)。其輸運機制主要有3類:第1類為揮發(fā)性灰的氣相擴散，第2類為熱遷移，第3類為慣性遷移。

由于灰粒的形成機制及輸運機制不同，灰渣在管壁上沉積存在2個不同的過程，即初始沉積和慣性沉積。導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)渣迅速增加并對鍋爐安全運行構(gòu)成威脅，其主要因素是慣性沉積。

1．2 影響結(jié)渣主要因素

由爐內(nèi)結(jié)渣機制可見，灰渣的慣性沉積是影響爐內(nèi)結(jié)渣的關(guān)鍵。而影響灰渣慣性沉積的非煤種原因的主要影響因素可歸結(jié)為2點。

(1)爐內(nèi)溫度水平和溫度場分布。由慣性輸送的灰粒在初始沉積層上的黏結(jié)除與初始層的性質(zhì)有關(guān)外，還與撞擊灰粒的溫度水平有關(guān)，當(dāng)撞擊灰粒的溫度很高，呈熔融狀液態(tài)時，很容易發(fā)生黏結(jié)，致使結(jié)渣過程加劇。電站鍋爐爐內(nèi)中心溫度為1 500～1700℃，煤粒燃燒時其本身溫度要比爐內(nèi)溫度高200～300℃，因而煤灰在爐膛中心幾乎全部為液態(tài)。在液態(tài)灰顆粒受慣性作用而向水冷壁運動的過程中，由于灰顆粒運動速度快，受到的冷卻效果差，熔融的灰顆粒很容易黏附，使渣層迅速積聚長大。因此，慣性撞擊灰粒在撞擊水冷壁時的狀態(tài)對渣的積聚、長大具有重要影響。因此，爐內(nèi)溫度水平和溫度場分布是產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)渣的主要影響因素。

(2)爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)及煤粉細(xì)度。在四角燃燒鍋爐中，氣流在爐內(nèi)做旋轉(zhuǎn)運動，受慣性力作用，煤粉顆粒向旋轉(zhuǎn)氣流外側(cè)聚集。因此，煤粉濃度切圓和溫度切圓要比速度切圓大。減少爐內(nèi)氣流切圓直徑，降低煤粉細(xì)度均可減小煤灰顆粒向水冷壁的慣性遷移，有利于減輕結(jié)渣。

1．3 爐內(nèi)結(jié)渣的判斷依據(jù)

根據(jù)爐內(nèi)結(jié)渣機制，在非煤種因素中，影響結(jié)渣的主要因素為爐內(nèi)溫度水平和溫度場分布及爐內(nèi)氣流結(jié)構(gòu)和煤粉細(xì)度等。

該試驗研究是以爐膛溫度進行測量比較為主，爐內(nèi)燃燒器區(qū)域結(jié)渣情況觀測對比為輔，結(jié)合鍋爐各段煙溫、汽溫和減溫水量等參數(shù)對爐內(nèi)結(jié)渣情況進行綜合評估。

2 試驗鍋爐

試驗鍋爐為SG－420/140－M415型煤粉鍋爐，熱風(fēng)送粉、四角切圓、中間倉儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)，下2層一次風(fēng)集中布置，燃燒器自下而上分別為二次風(fēng)、一次風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)、三次風(fēng)、二次風(fēng)，設(shè)計煤種為淮北煙煤，常用煤種為大混煤，表1為鍋爐主要設(shè)計參數(shù)，表2為設(shè)計及常用煤種主要參數(shù)。該鍋爐燃燒器區(qū)域水冷壁經(jīng)常發(fā)生結(jié)渣現(xiàn)象，多次出現(xiàn)冷灰斗堵塞現(xiàn)象。

表1 鍋爐主要設(shè)計參數(shù)

表2 設(shè)計及常用煤種主要參數(shù)

3 主要測試方法

在試驗期間，保持鍋爐負(fù)荷穩(wěn)定，各運行參數(shù)基本不變，制粉系統(tǒng)投運方式不變，主要測試方法如下:

(1)著火與結(jié)渣情況觀測。一次風(fēng)噴口附近著火情況觀察、噴口附近水冷壁結(jié)渣情況觀察。

(2)溫度測試。用紅外線測溫儀(IRT－3000A型)測量一次風(fēng)和三次風(fēng)噴口附近的風(fēng)粉混合物的溫度，從每個觀火孔測量爐膛的溫度場，其爐膛溫度場測孔分布如圖1所示。

圖1 爐膛溫度場測孔分布

(3)煙氣成分測量及煤粉、飛灰、爐渣取樣分析。

(4)運行參數(shù)記錄。主汽壓力、溫度、流量、再熱汽壓力、溫度、給水壓力、溫度、流量、排煙溫度、熱風(fēng)溫度、冷風(fēng)溫度、爐膛出口(過熱器)氧量、系統(tǒng)風(fēng)壓、一次風(fēng)風(fēng)壓及減溫水量等。

4 試驗結(jié)果

4．1 配風(fēng)方式對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

鍋爐共配置4層二次風(fēng)，習(xí)慣采用的運行方式為均等配風(fēng)，為研究配風(fēng)方式對爐內(nèi)結(jié)渣及溫度分布的影響，在其他主要參數(shù)不變的條件下，對正寶塔和倒寶塔2種方式與均等配風(fēng)進行了對比，表3是主要對比數(shù)據(jù)。圖2為不同配風(fēng)方式對溫度分布影響。

表3 配風(fēng)方式對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖2 不同配風(fēng)方式對溫度分布影響

由試驗分析的結(jié)果可見:

不同配風(fēng)方式對爐內(nèi)燃燒工況的影響是明顯的，由于試驗煤種揮發(fā)分和發(fā)熱量較高，著火特性較好，燃燒初期需要充足的氧量供應(yīng)，正寶塔和倒寶塔配風(fēng)均會發(fā)生煤粉氣流局部缺氧而產(chǎn)生難燃盡的炭黑，從而導(dǎo)致爐膛出口煙溫、各段煙溫、排煙溫度上升，減溫水量明顯增加，鍋爐熱效率下降。

爐膛下部溫度水平對冷灰斗堆渣有很大影響，而不同配風(fēng)方式對爐膛下部溫度水平和一次風(fēng)煤粉氣流溫度有較大的影響。煤粉在爐內(nèi)燃燒需要一定的時間，在正寶塔配風(fēng)時，燃燒器下部區(qū)域的二次風(fēng)并不完全參與燃燒，可起到冷卻作用，使燃燒器下部區(qū)域溫度水平降低，對減輕結(jié)渣有利，而倒寶塔配風(fēng)時，一方面二次風(fēng)的冷卻作用減弱，另一方面會產(chǎn)生還原性氣氛，促進了結(jié)渣并使溫度水平上升。

4．2 運行氧量對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

共進行了2組氧量調(diào)整試驗，第1組是在前述正寶塔配風(fēng)的基礎(chǔ)上進一步提高了氧量，第2組是在均等配風(fēng)的基礎(chǔ)上降低了氧量，表4是主要對比數(shù)據(jù)，圖3為提高氧量對溫度分布的影響，圖4是降低氧量對溫度分布的影響。

表4 運行氧量對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖3 提高氧量對溫度分布的影響

由試驗分析的結(jié)果可見:在正寶塔配風(fēng)4%氧量的基礎(chǔ)上進一步提高運行氧量，可明顯降低爐膛平均溫度水平，燃燒器上部區(qū)域下降幅度尤為明顯，爐膛結(jié)渣情況有所減輕，而減溫水量和各段煙溫變化不大，由于排煙氧量增加，鍋爐效率下降明顯。

在均等配風(fēng)條件下運行氧量由4%降低到

圖4 降低氧量對溫度分布的影響

2．5%，盡管爐膛結(jié)渣情況尚未出現(xiàn)明顯增加趨勢，但爐膛溫度水平出現(xiàn)明顯提高，特別是減溫水量和爐膛出口附近煙溫明顯提高，飛灰含碳量明顯增加，由于排煙氧量明顯下降，鍋爐效率反而有所提高。

4．3 壓力冷風(fēng)對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

在均等配風(fēng)、正常氧量條件下全開一次風(fēng)壓力冷風(fēng)門的對比試驗，表5是主要對比數(shù)據(jù)，圖5是壓力冷風(fēng)對溫度分布的影響。

表5 壓力冷風(fēng)對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖5 壓力冷風(fēng)對溫度分布的影響

由試驗分析的結(jié)果可見:全開6m層人孔門可明顯降低爐膛總體溫度水平，特別是冷灰斗附近溫度下降達(dá)100℃左右，可減輕爐膛結(jié)渣，明顯緩解冷灰斗堆渣，對減溫水量和各段煙溫影響不大，但排煙溫度卻明顯提高，鍋爐效率有所下降，其主要原因是通過空氣預(yù)熱器的風(fēng)量降低。

全開一次風(fēng)壓力冷風(fēng)門的效果最為明顯，爐膛平均溫度下降達(dá)6．34%，其主要原因為一次風(fēng)煤全開壓力冷風(fēng)，粉氣流溫度明顯下降，著火推遲。爐膛結(jié)渣有所減輕，而減溫水量和各段煙溫變化不大。由于通過空氣預(yù)熱器風(fēng)量減少，導(dǎo)致排煙溫度明顯上升，鍋爐效率明顯下降。

4．4 運行負(fù)荷對爐內(nèi)結(jié)渣的影響

分別在鍋爐發(fā)電功率128MW，100MW，80MW條件下進行了對比試驗，表6是運行負(fù)荷對結(jié)渣影響的主要對比數(shù)據(jù)，圖6是運行負(fù)荷變化對溫度分布的影響。

表6 運行負(fù)荷對結(jié)渣影響主要結(jié)果

圖6 運行負(fù)荷對溫度分布影響

由試驗分析的結(jié)果可見:發(fā)電功率從128MW下降到100MW，爐膛結(jié)渣和爐內(nèi)溫度水平變化不大，而發(fā)電功率進一步降低到80MW，結(jié)渣情況明顯減輕，爐膛溫度水平明顯下降。

5 結(jié)論

采用3種燃燒調(diào)整方法對爐內(nèi)結(jié)渣影響試驗進行了分析，得出如下結(jié)論:

(1)在保證鍋爐出力的前提下，采用全開一次風(fēng)壓力冷風(fēng)門的方法可明顯降低爐膛總體溫度水平，減輕結(jié)渣。但摻入冷風(fēng)會使排煙溫度明顯升高，鍋爐效率明顯下降。

(2)既要保證鍋爐出力，又要減輕對鍋爐效率的影響，采用正寶塔配風(fēng)可小幅降低燃燒器區(qū)域下部溫度水平，減輕結(jié)渣，若能夠21進一步提高運行氧量，則效果更好。

(3)降低鍋爐負(fù)荷可明顯減輕爐膛結(jié)渣，但與其降幅有關(guān)，負(fù)荷下降20%左右對爐膛溫度影響不大，而下降35%以上則會明顯降低爐膛溫度。