鍋爐結(jié)焦的運行防范措施

摘要：針對華能石洞口第一電廠兩臺改造后鍋爐嚴(yán)重結(jié)焦的狀況，分析闡明了現(xiàn)代大型燃煤電站鍋爐燃燒生成的復(fù)合化合物共晶體熔點溫度要比純凈氧化物的熔化溫度低得多是結(jié)焦的根本原因，并就防止和改善爐膛結(jié)焦運行可采取的措施及其有效性進(jìn)行討論，強調(diào)了加強吹灰、負(fù)荷控制、煤粉細(xì)度、風(fēng)量調(diào)整及煤質(zhì)等方面的運行措施對于改善鍋爐結(jié)焦的意義。

關(guān)鍵詞：320MW機組；結(jié)焦；吹灰

一、鍋爐結(jié)焦?fàn)顩r及其危害

華能上海石洞口第一電廠四臺320MW機組配套鍋爐系上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、固態(tài)排渣、中間儲倉式、直流∏型燃煤鍋爐，采用四角切圓燃燒技術(shù)，設(shè)計煤種為貧煤。#1、#2號鍋爐分別于2009年6月、2010年2月完成改造性大修并投產(chǎn)，制粉系統(tǒng)由鋼球磨中間儲倉式改為中速碗磨直吹式，設(shè)計煤種由貧煤改為煙煤。由于源煤質(zhì)量不穩(wěn)定，經(jīng)常非設(shè)計煤種的低灰熔點煙煤作為燃料，水冷壁面及水冷壁之間均不同程度地出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象；燃用個別煤種時，結(jié)焦現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。

鍋爐結(jié)焦有諸多危害，大量落焦會導(dǎo)致干式排渣系統(tǒng)頻繁跳閘，出渣系統(tǒng)跳閘會嚴(yán)重限制機組出力；爐膛內(nèi)部結(jié)焦會增加受熱面的傳熱阻力，使輻射吸熱量下降，爐膛出口煙氣溫度升高，對流吸熱量增加容易造成對流受熱面超溫，在減溫水完全投用的條件下再熱蒸汽管道仍然有可能超溫；燃燒器噴口及其周圍結(jié)焦，會改變流向及爐內(nèi)動力工況，直接影響風(fēng)粉混合及燃燒，嚴(yán)重時造成燃燒器損毀；結(jié)焦是一個單向不可逆的過程，若不及時采取措施，更有可能由于結(jié)焦加重導(dǎo)致塌焦砸壞冷灰斗等安全事故，最終被迫停爐處理。

二、鍋爐結(jié)焦形成原因

正常情況下，煤粉氣流在進(jìn)入對流受熱面以前應(yīng)當(dāng)完全燃燼，并已冷卻至一定溫度，這一過程在2至3秒內(nèi)完成。處于燃燒中心（溫度達(dá)1400℃）的煤粉顆粒可能已全部熔化或表面熔化，理想情況下煤灰離開燃燒中心碰到受熱面以前應(yīng)當(dāng)已冷卻成固體狀態(tài)，這種情況下煤灰顆粒與受熱面碰撞后仍會被煙氣帶走，只會造成受熱面磨損和飛灰損失，不會在受熱面形成結(jié)焦。假使煤灰與受熱面撞擊時，仍保持熔融狀態(tài)，則會粘附在管壁上，形成結(jié)焦。

表一我廠設(shè)計煤種

煤灰成份中含有許多氧化物，可以分為金屬氧化物和非金屬氧化物，一般認(rèn)為這些氧化物的配比對煤灰熔點起著決定性作用，在純凈狀態(tài)下這些氧化物熔點很高，然而，實際煤中礦物質(zhì)多以復(fù)合化合物的形式存在，燃燒生成的灰分也往往是多種組合結(jié)成的共晶體。這些復(fù)合化合物的共晶體熔點溫度要遠(yuǎn)低于純凈氧物的熔化溫度，各類氧化物熔化溫度見表二

表二各類氧化物熔化溫度

顯然，燃燒生成的復(fù)合化合物共晶體熔點溫度遠(yuǎn)低于純凈氧化物的熔化溫度，這是鍋爐爐膛結(jié)焦的根本原因。煤灰成分和爐膛溫度無法改變，其他影響整個結(jié)焦過程的因素將在表三中展開：

表三鍋爐結(jié)焦原因具體分析

三、運行防范措施及其效果

針對導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦的各個因素，本文提出六項運行防范措施以減輕鍋爐結(jié)焦。

（一）加強吹灰

研究表明，無論爐內(nèi)受熱面的松散積灰還是粘結(jié)性的積灰，受熱面上的沉積都需要經(jīng)歷一段時間。受熱面結(jié)焦出現(xiàn)堆積和硬化亦是如此。從結(jié)焦形成過程以及影響結(jié)焦強度等方面，我們也可看到時間長度和結(jié)焦程度成正比。

如何有效發(fā)揮吹灰作用？一是頻率，要求二次吹灰間隔周期的長短應(yīng)服從于是否有效，即根據(jù)結(jié)渣積灰的速度及時調(diào)整吹灰器使用頻率，吹灰間隔周期的長短取決于灰渣特性，易結(jié)焦煤周期短，不易結(jié)焦煤周期可長些；二是各部位都能吹到，在機組改造時在爐膛受熱面布置足夠數(shù)量的除灰器，尤其是將容易結(jié)渣的部位處在吹灰器的有效半徑內(nèi)；三是吹灰蒸汽壓力，壓力必須達(dá)到除焦的目的，根據(jù)除焦效果調(diào)整吹灰蒸汽壓力。

鍋爐受熱面吹灰器必須有效利用，我廠嚴(yán)格按運行規(guī)程240MW以上對各受熱面進(jìn)行吹灰，加強現(xiàn)場巡檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)吹灰器因泄漏、卡澀故障或程控失靈等故障時，立即手操退出，避免爐管和壞吹灰器損壞，加強吹灰器的缺陷管理和維修管理，出現(xiàn)故障及時消缺。我廠通過對吹灰蒸汽的壓力進(jìn)行了調(diào)節(jié)試驗，將吹灰蒸汽壓力由1.2MPa提升為2MPa，由于結(jié)渣的初始階段大都是松散型渣， 如能使?fàn)t膛內(nèi)的松散型渣在壓力蒸汽的沖擊及溫差裂縫的共同作用下撕裂脫落，可避免在爐內(nèi)出現(xiàn)硬渣或連片渣等結(jié)焦嚴(yán)重化的傾向。

經(jīng)過上述實踐，結(jié)焦現(xiàn)象得到控制和減輕，尤其是在連續(xù)高負(fù)荷運行時，提高吹灰頻率效果明顯，可以有效防止結(jié)焦的加劇。此外， 因為吹灰后積灰較少的水冷壁可更有效地吸收爐內(nèi)輻射熱，所以爐膛出口處火焰及煙氣溫度極大地降低，從根本上降低爐膛出口處受熱面上結(jié)焦的可能性。

鍋爐吹灰是一種常規(guī)防范和減輕結(jié)焦的手段，其可操作性和安全性強，方式正確可能會達(dá)到理想的預(yù)防結(jié)焦的效果。

（二）控制機組負(fù)荷

鍋爐負(fù)荷的增加是通過增大爐內(nèi)的燃料量和受熱面的凈熱流來實現(xiàn)，燃料量增大可以提高爐內(nèi)整體溫度，這意味著受熱面壁溫的提高，爐內(nèi)結(jié)焦的可能性增加。對于發(fā)現(xiàn)結(jié)焦劇增的鍋爐，應(yīng)通過減負(fù)荷來降低爐內(nèi)溫度水平，使結(jié)焦脫落。

利用晝夜間鍋爐負(fù)荷的波動，可使?fàn)t膛水冷壁及分隔屏上的松散型渣在爐膛溫度降低時冷縮掉落，從而避免出現(xiàn)結(jié)焦的堆積硬化。根據(jù)試驗，#2爐在60%BMCR工況下，27m標(biāo)高處爐內(nèi)火焰溫度比BMCR負(fù)荷時降低了130℃左右，分隔屏進(jìn)口處煙溫降低了110℃左右，大幅降低爐膛溫度降低結(jié)焦可能性。同時，在#2爐連續(xù)減8%BMCR負(fù)荷過程中，有大量焦塊掉落，證明大幅度降低爐膛溫度確實使局部的結(jié)焦出現(xiàn)脹縮裂縫，有利于焦塊脫落。

此外，如果在連續(xù)運行24h后能有6h的低負(fù)荷運行，則可能不會出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)焦。所以， 合理控制鍋爐負(fù)荷， 利用負(fù)荷波動來防止?fàn)t內(nèi)嚴(yán)重結(jié)焦， 也是可以控制結(jié)焦的措施之一。建議鍋爐BMCR 負(fù)荷下的連續(xù)運行時間控制在24h之內(nèi)。

減負(fù)荷運行，降低爐膛溫度雖然是控制結(jié)焦有效的方法，但是受制于電網(wǎng)負(fù)荷需求限制，而且會使發(fā)電量減少，因此僅能作為特殊情況下的應(yīng)急措施使用。

（三）風(fēng)量控制

爐內(nèi)燃燒過程中空氣量不足，燃料與空氣混合不良，燃料和空氣散布不均造成火焰偏斜等情況都會引起鍋爐結(jié)焦。由于采用四角切圓旋風(fēng)燃燒方式，燃燒區(qū)域二次風(fēng)與一次風(fēng)形成一夾角，同時采用擺動式燃燒器，設(shè)置五層煤粉噴嘴，大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，見圖一。煤粉噴嘴四周設(shè)有周界風(fēng)，在每相鄰二層煤粉噴嘴之間設(shè)有一層輔助風(fēng)噴嘴。大風(fēng)箱頂部設(shè)有一層CCOFA（緊湊燃燼風(fēng)）噴嘴，大風(fēng)箱底部設(shè)有一層UFA（火下風(fēng)）噴嘴。在大風(fēng)箱上部布置二層可水平擺動的SOFA（分離燃燼風(fēng)）噴嘴。

改造后煙煤爐一二次風(fēng)夾角為25度，根據(jù)此種燃燒器布置形式，可對配風(fēng)方式做如下調(diào)整：

提高總風(fēng)量。提高過量空氣系數(shù)，降低爐內(nèi)還原性氣氛，使燃料更充分燃燒；

提高二次風(fēng)量。在一次風(fēng)速不變的情況下，提高二次風(fēng)量可使煤粉氣流偏轉(zhuǎn)動量增加，助燃空氣對燃料的卷吸能力增加，風(fēng)粉混合和煤粉燃燼更為徹底；

增加燃燼風(fēng)量。在受熱面附近人為制造氧化氣氛，使煤粉燃燒良好而不在爐壁附近產(chǎn)生還原性氣氛，同時避免火焰偏斜直接沖刷爐壁。

一次風(fēng)量調(diào)平。利用各類停爐檢修的機會，及時進(jìn)行一次風(fēng)調(diào)平試驗，降低燃料分布不均造成火焰中心偏移的可能性。

以弱化結(jié)焦為目的，我廠對以下三種可行的運行調(diào)整方式進(jìn)行研究對比：

總風(fēng)量偏置：以負(fù)荷對應(yīng)DCS設(shè)定總風(fēng)量為基數(shù)，[0，10%]為修正系數(shù)，增加總風(fēng)量，增加部分全部為燃燼風(fēng)量；

二次風(fēng)量偏置：以總二次風(fēng)量為基數(shù)，[-10%，10%]為修正系數(shù)，修正二次風(fēng)量；

氧量偏置：以總風(fēng)量為基數(shù)，[-6%，6%]為修正系數(shù)，修正二次風(fēng)量。

經(jīng)過實踐，我們總結(jié)出以下幾點：總風(fēng)量偏置直接作用于燃燼風(fēng)，位于爐33M，在燃燒器組頂部，但對于其下的水冷壁難以起到氣膜的保護(hù)作用。二次風(fēng)量偏置可使二次風(fēng)量增加，總風(fēng)量不變，對燃燒器區(qū)域的結(jié)焦有一定改善作用，但4個角的燃燼風(fēng)量相應(yīng)減少直至最小值10000Nm3/h，對NOX排放量有一定影響。氧量偏置的增加同時作用于二次風(fēng)量和燃燼風(fēng)量，燃燒器區(qū)域和水冷壁區(qū)域風(fēng)量同時增加，緩解結(jié)焦的作用最為明顯。因此，我廠將按比例增加燃燒區(qū)域二次風(fēng)量和燃燼風(fēng)量為主要調(diào)節(jié)措施，提高爐內(nèi)過剩空氣系數(shù)，優(yōu)化燃燒器區(qū)域和水冷壁區(qū)域的風(fēng)量配比，根據(jù)結(jié)焦程度進(jìn)行2%-4%比例增量調(diào)整，對減緩結(jié)焦發(fā)展有一定積極影響。

（四）控制煤粉細(xì)度

煤粉細(xì)度對爐膛結(jié)焦有不同的影響。煤粉太粗，粗重顆粒容易從氣流中分離出來與壁面發(fā)生碰撞，且不易得到充分冷卻，不僅不利于著火和煤粒的燃燼，而且易造成爐膛上部和過熱器部位結(jié)焦。煤粉太細(xì)，著火速度快，不僅會增加制粉電耗，而且會增加燃燒器區(qū)域結(jié)焦的可能性，尤其在燃用揮發(fā)份高的煤種時，更容易出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。因此，要控制好煤粉細(xì)度，保證煤粉細(xì)度的均勻性，合理的煤粉細(xì)度應(yīng)通過試驗確定。中速磨出口煤粉細(xì)度的設(shè)計值R200/R90為18.3/0.6，通過在#1爐對磨煤機磨輥與磨盤間隙和旋轉(zhuǎn)分離器轉(zhuǎn)速試驗調(diào)整，并在同負(fù)荷同煤種下比較結(jié)焦現(xiàn)象，我們暫將煤粉細(xì)度控制在16.3/0.6的水平，更為合理的煤粉細(xì)度須通過大量數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析摸索。

（五）適當(dāng)降低磨煤機出口溫度

中速碗磨或者鋼球磨都是通過熱風(fēng)送粉，通過熱風(fēng)對煤的干燥，煤粉的碾制過程中更易于研磨，同時預(yù)熱煤粉。通過降低磨煤機出口溫度可以推遲其入爐后的著火點，增加其在爐內(nèi)的吸熱量，降低爐內(nèi)熱負(fù)荷，對緩解結(jié)焦有積極作用。因此，我廠根據(jù)煤的揮發(fā)份，將磨煤機出口溫度降低至設(shè)計工況允許范圍內(nèi)的最低值65℃。

（六）改變煤質(zhì)

因前文所述煤灰的熔融特性不僅與灰的成分有關(guān)，還與燃燒過程中灰中各成分之間的相互作用有關(guān)，則混煤灰熔融特性比單一煤種更復(fù)雜，不同煤種成分問的相互作用，都會使煤灰的熔點改變。不同特性的煤采用不同的配比摻混后，甚至?xí)霈F(xiàn)混煤的熔點比單一煤種的灰熔點高或低的現(xiàn)象。

在必須燃用低灰熔點煤種時摻入另一種高灰熔點煤可改變煤的性質(zhì)，但混合煤的灰熔點并非是前兩者的算術(shù)平均值，其特性是一種新的煤種，我們嘗試高灰熔點煤：低灰熔點煤=1：1或者2：1的摻配方式，我們未對化合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)做實際采樣分析，但實踐證明混煤確可一定程度上達(dá)到弱化結(jié)焦的目的。

四、小結(jié)

通過采取上述幾個方面的運行防范措施，我廠結(jié)焦現(xiàn)象取得了明顯控制，對機組安全運行及節(jié)能降耗產(chǎn)生積極作用。