燃用神華煤防結焦技術研究

周驥

摘 要：神華煤發熱量大，價格相對經濟，但是灰熔點低，易結焦，本文從神華煤的特性出發，從鍋爐的設計、調試、運行等方面分析了燃用神華煤防結焦的安全措施，為今后本項目的運行檢修提供指導。

關鍵詞：火力發電廠；神華煤；燃燒；結焦

引言

神華煤作為國內燃煤電廠煤源之一，儲量大，發熱量大，但其灰熔點低，結焦傾向明顯的缺點也很突出。研究神華煤的防結焦特性，保證鍋爐在燃用神華煤時能安全、穩定、長期運行，研究神華煤的防結焦特性具有很強的現實意義，通過對神華煤特性的研究，為鍋爐的設計、調試、運行提供一定的指導。

1、本工程概況

本工程建造二臺1000MW燃煤汽輪發電機組，鍋爐東方鍋爐廠生產的超超臨界、一次中間再熱變壓運行直流爐、采用平衡通風、單爐膛、前后墻對沖燃燒方式、固態排渣、露天布置、全鋼構架懸吊結構Π型鍋爐。本工程設計煤源為神華寧夏煤業棗泉煤礦和梅花井煤礦的煙煤。

2、結焦的機理

通常認為，煤粉顆粒進入爐膛后被迅速加熱至燃燒，所含灰分中的礦物質迅速分解、揮發、氧化并發生反應，堿金屬氧化物、黃鐵礦殘渣等會氣化并隨著煙氣擴散運動至水冷壁，受冷凝結，形成比較薄的初始垢層。初始垢層粘合力大于光滑的金屬壁面，未凝固的熔融態、半熔態顆粒部分會隨煙氣到達受熱面并受冷凝固聚集，隨著粘合力增加，積灰厚度增加，渣層的外表溫度不斷升高，接近軟化溫度時會形成粘附性很強的塑性渣膜，并隨時間增長逐漸燒結，形成大塊的焦渣。當渣面溫度超過軟化溫度逐漸接近煙氣溫度后，焦渣本身厚度不再增加，渣層逐漸轉變為流動態，結渣面向背風側擴散，擴大了結焦、積渣的范圍。因此，結焦的過程能自動加劇。

3、結焦的危害

3.1鍋爐熱效率下降

受熱面結焦后，傳熱惡化、排煙溫度升高，鍋爐燃燒熱效率下降；燃燒器出口結焦，會造成氣流偏斜，燃燒惡化，有可能使機械不完全燃燒熱損失和化學不完全燃燒熱損失增大；大量結焦還會影響鍋爐的通風流場，使鍋爐通風阻力增大，廠用電量上升。

3.2影響鍋爐出力

水冷壁結焦后，鍋爐傳熱效率下降，爐膛出口煙溫升高，蒸汽出口溫度升高，管壁溫度升高，爐內通風阻力的增大，都會成為限制鍋爐出力的因素。

3.3影響鍋爐運行的安全性

結焦后過熱器、再熱器處煙溫升高，引起管壁超溫的概率增加。由于結焦往往是不均勻的，引起爐膛內煙氣流場發生改變，爐膛內各點溫度熱偏差增大，對鍋爐的水冷壁熱偏差帶來不利影響：爐膛上部大塊結焦掉落時，會造成爐膛負壓大幅度波動，影響鍋爐燃燒穩定性，嚴重時可能砸壞冷灰斗水冷壁管，造成爐膛滅火或堵塞排渣口，使鍋爐被迫停止運行；大塊焦掉落，還會造成爐底水封大量高溫水濺出，燙傷就地巡檢人員。

4、神華煤特點

神華煤是我國目前最重要的動力煤之一，形成于侏羅紀時代，具有高揮發份、中高熱值、易著火、易燃盡等優點，燃燒經濟性好，環境保護效益高，價格也相對經濟。因此，不少燃煤發電廠使用神華煤作為燃料，國內一些大容量燃煤鍋爐很多采用神華煤作為設計煤種。但是神華煤也有很大的缺點，那就是是灰熔點低，積灰指數偏高，具有強的結渣性和粘結性，給鍋爐的安全穩定運行帶來了很大的隱患。研究如何使燃用神華煤的同時保證鍋爐不結焦或者減少結焦具有很強的現實意義。

5、本項目神華煤的燃燒特性及對結焦的影響

5.1發熱量大

神華煤的低位發熱量高，達到了23.42-25.09 MJ/kg，本項目設計煤種低位發熱量為20.324 MJ/kg，低于神華煤低位發熱量。發熱量大意味著單位熱量需要的燃料較少，燃燒也更為集中，在爐膛會產生更高溫度的煙氣，有利于結焦的產生。

5.2灰分含量低

神華煤的收到基灰分約為4-9%，低于本項目設計煤種的灰分（15.59%）含量。較低的灰分含量在燃燒中產生較少的灰渣顆粒，灰渣與管壁接觸的量減少，有利于結焦的預防。

5.3揮發份較低

神華煤的收到基會揮發份為24%-34%，低于本項目設計煤種的收到基揮發份（34.69%）含量。揮發份含量低，在燃燒神華煤時煤粉的著火延后，火焰中心離燃燒器區域水冷壁更遠，有利于水冷壁結焦的控制。同時揮發份低會導致火焰中心上移，提高屏式過熱器溫度，不利于預防結焦。

5.4灰熔點低

神華煤的煤灰軟化溫度為1150-1250℃，與本項目設計煤種的煤灰軟化溫度1170℃基本持平。在灰熔點上與本項目設計參數相差不大，同屬于易結焦的煤種。不管是否燃用神華，均需要控制爐膛內部最高溫度，防止大規模結焦。

6、防止結焦措施

6.1設計方面

1）降低爐膛單位面積熱負荷。

設計時適當降低爐膛的熱負荷，增大爐膛面積，能有效的降低爐膛內的最高溫度，但增大爐膛面積會導致鍋爐的最低穩燃負荷升高，不利于在低負荷下鍋爐的安全穩定運行。

2）優化鍋爐結構。

在設計時充分借鑒以往的設計經驗，并在設計時進行爐內流場的模擬實驗，保證爐內的流場在各個負荷段均能保持均勻，火焰不刷墻，爐內溫度分布較為均勻。

6.2調試方面

1）提高制粉系統煤粉均勻性

提高每臺制粉系統粉管出粉均勻，可以降低爐內最高溫度，防止局部高溫的產生。局部高溫的產生會大大提高局部結焦的概率，使結焦處的受熱面管壁溫度升高，甚至引起超溫。通過煤粉的均流試驗（在每臺制粉系統的粉管支管上安裝可調縮孔和風速測量裝置）和燃燒調整試驗。將每個粉管的出力調節均勻，配合不同制粉系統的切換調整，保證爐膛內的熱負荷均勻，不發生局部溫度過高。

2）在調試階段進行空氣動力場分布測試實驗，配合二次風、燃盡風的調整，提高爐內空氣流場分布的均勻性。endprint

6.3燃料配煤方面

1）燃煤摻混摻燒

摻燒高灰熔點煤，提高入爐煤灰熔點，加強入爐煤質化驗，控制入爐煤軟化溫度高于1100℃。摻燒神華煤時，控制神華煤的摻燒比例，若結焦情況較為嚴重，可降低神華煤的摻燒比例。考慮四川電網中火電機組運行的特殊性，可能會長期處于低負荷運行，且負荷很少出現大幅波動情況，可以通過預測機組負荷的方式，改變神華煤的摻燒比例，使神華煤能得到最大限度的利用。

2）針對不同的負荷供給不同的煤種

高負荷時爐膛熱負荷高，發生結焦的可能性較大，此時供給灰熔點較高的煤，防止爐膛內結焦的發生；在低負荷時，爐膛熱負荷低，此時可以供給灰熔點較低的煤，爐膛內部也不會結焦。通過不同上煤方式的組合，達到燃用神華煤的同時防止結焦的目的。

6.4運行調整方面

1）降低爐膛內熱負荷

結焦嚴重時可降低機組負荷降低爐膛單位面積的熱負荷，從而降低爐膛內部的最高煙氣溫度，控制最高溫度在灰熔點以下，減少熔融或者半熔融灰分的產生。這樣可以減少灰分附著在管壁上的量，干燥的飛灰附著在管壁上可以通過蒸汽吹灰清潔。

2）提高煤粉細度，降低燃燒后灰分顆粒溫度

爐內煤粉在燃燒時其顆粒溫度要高于煙氣溫度，煤粉的粒徑越大，其溫度越高。某研究結果表明：在與燃燒器距離一定的情況下，500μm粒度的顆粒溫度最多可比煙氣溫度高240℃左右；100μm粒度的顆粒溫度比煙氣溫度高100℃左右；而50μm粒度的顆粒溫度比煙氣溫度高25℃左右，且大顆粒煤粉由于燃盡時間較長，所以其保持較高溫度水平的時間更長。煤粉細度提高后，灰分顆粒溫度與爐膛的煙氣溫差變小。提高煤粉細度能降低灰分顆粒的溫度，降低結焦發生的概率。但是過高的煤粉細度會增加制粉系統單耗，容易導致磨煤機堵磨，降低磨煤機的出力高限。需要通過實驗得到最佳的煤粉細度。

3）不同制粉系統組合方式的調整

不同制粉系統的運行組合能改變爐內的流場分布，改變火焰中心的高度。若屏式過熱器結焦情況嚴重，可以通過停用上層制粉系統，啟用下層制粉系統的方式降低爐膛火焰中心，降低爐膛出口溫度，延緩結焦的發展。也可以通過降低一次風流量或者二次風流量的方式降低爐膛出口溫度。

4）合理控制吹灰壓力和吹灰時間

蒸汽吹灰的目的是為了吹掉附著在受熱面管壁上的飛灰，達到清潔受熱面的效果。但吹灰壓力過高、頻率過高及每次吹灰的時間太長也會增加吹灰蒸汽對受熱面管壁吹損，降低管壁的使用壽命甚至造成受熱面爆管。經過吹灰的調整試驗，觀察不同吹灰壓力和時間對鍋爐排煙溫度的影響，在經濟性和安全性之間得出最優的吹灰效果。

5）加強對受熱面結焦情況的檢查

通過就地巡檢或者爐膛掉焦的頻率，初步判斷爐膛內部結焦的狀況。根據結焦的狀況采取增加吹灰頻率或者降低機組負荷的方式等方式防止結焦情況的繼續擴大。

6.5檢修維護方面

1）加強停爐后的檢查

每次停爐后對受熱面管壁結焦情況、燃燒器噴口結焦情況進行檢查，分析結焦原因，為運行的下階段調整操作提供一定的指導。若燃燒器已嚴重燒損，則及時對燒損部位進行更換，防止由于燃燒器的損壞而導致的爐內流場的改變。

2）結焦后的處理

若由于大塊焦掉落引起的撈渣機鏈條卡澀，應及時組織檢修力量進行清理，減少爐底水封破壞時間，保障鍋爐的正常運行。

7、結論

設計階段采用降低爐膛單位面積熱負荷、優化鍋爐結構；調試階段采用提高制粉系統煤粉均勻性、進行爐內流場試驗；燃燒配煤方面采用燃煤摻混摻燒、針對不同的負荷供給不同的煤種；運行調整方面采用降低爐膛內熱負荷、提高煤粉細度，降低燃燒后灰分顆粒溫度、不同制粉系統組合方式的調整、合理控制吹灰壓力和吹灰時間、加強對受熱面結焦情況的檢查等方面的控制，控制神華煤燃燒時可能發生的結焦現象。

參考文獻：

[1] 武振新，張清峰，趙振寧，呂偉為，陳鴻偉.電站鍋爐燃用神華煤的安全性分析[J].華北電力技術，2013，No.11：6-10

[2] 孫亦鵬，程亮，于洋，張清峰.改燒神華煤對制粉系統及鍋爐運行的影響[N].中國電機工程學報，第33卷增刊，2013年12月30日

[3] 閻霞，徐榮田.鍋爐結焦的原因探析與處理[A].全國火電600MW級機組能效對標及競賽第十六屆年會論文集，鍋爐：280-287endprint