火電廠四角切圓鍋爐結渣問題的研究

任志佳

摘 要： 本文研究了火電廠四角切圓鍋爐結渣問題，包括燃料特性的影響，鍋爐結構的影響，運行調整的影響等。

關鍵詞： 鍋爐；結渣；四角切圓

1.1 燃料特性的影響

灰的性質主要是指它的熔化性和燒結性。熔化性影響爐內的運行工況，燒結性則影響對流受熱面，特別是過熱器的積灰性能。

當燃料在爐內燃燒時，在高溫的火焰中心，灰分一般處于熔化或軟化狀態，具有粘性，這種粘性的熔化灰粒，如果接觸到受熱面管子或爐墻，就會粘結于其上，即所謂結渣，并影響固態排渣爐的正常運行。相反，對于液態排渣爐的燃燒室（或爐膛的熔渣段），卻希望灰渣保持著熔化的流動狀態，以便能順利地從爐底排渣孔排出。

關于灰分的性質，目前都用試驗的方法來確定。把灰制成底為等邊三角形的錐體，底的邊長7mm，錐體高20mm，然后逐漸加熱，根據灰錐的狀態變化確定三個溫度指標來表示灰的熔化性質：

變形溫度t1是錐頂變圓或開始傾斜時的溫度；

軟化溫度t2是錐頂彎至錐底或成球形時的溫度；

熔化溫度t3是呈液體狀態能沿平面流動

1.2 鍋爐結構的影響

對于鍋爐設計制造單位來說，主要是根據設計煤種的特性，去設計合理的鍋爐結構。分析鍋爐結構對結渣的影響，可以為鍋爐設計制造提供參考。

對于切圓燃燒鍋爐，爐內空氣動力場不良是導致燃燒器區結渣的直接原因，而爐內假想切圓的大小又直接影響了爐內空氣動力場的合理情況。如果假想切圓太大，鍋爐在運行時，從燃燒器噴口噴出的射流容易偏轉，造成熾熱的煤粉氣流直接沖刷水冷壁，導致結渣。對于四角切向燃燒鍋爐來說，在燃燒器方面影響結渣的主要因素有以下幾個。

（1）切圓直徑。

在實際的燃燒過程中，從燃燒器噴出的實際氣流總是在某種程度上會偏離設計方向，因此實際的氣流切圓直徑總是大于假想切圓直徑。冷態實驗表明，實際切圓直徑比假想切圓直徑大4～6倍。當爐膛切圓直徑大于一定值時，結渣趨勢隨切圓直徑的增大而增大，大量熔融、半熔融顆粒將直接撞擊水冷壁并粘附于壁上而形成結渣。對于鍋爐容量小于400t/h的固態排渣煤粉爐，切圓直徑一般在500～1000mm的范圍內；對于大容量的鍋爐，假想切圓直徑可取得更大些。

（2）氣流偏斜。

造成氣流偏離主要有2方面原因：由于燃燒器噴口軸線與相鄰兩側墻的夾角不同，造成射流兩側的補氣條件不同，形成靜壓差；由于爐內旋轉氣流對氣流的橫向撞擊使射流偏轉。

從燃燒器噴口噴出的射流在其擴展過程中總是要不斷卷吸周圍空間的氣體，狹長形的燃燒器射流卷吸主要發生在射流的長邊兩側，從而在射流兩側形成負壓區。當射流兩側的補氣條件不同時，產生的負壓值不等，因而射流兩側就會產生壓差。在此壓差的作用下，射流要偏向壓力小的一側，即補氣條件差的一側，導致爐內實際切圓直徑大于設計的假想切圓。

射流偏轉后，進一步加強了兩則補氣條件的差異，加大了兩側的壓差，加劇了射流的偏轉。單純從射流卷吸作用對射流偏轉的影響考慮，射流的偏轉主要由于射流兩則的補氣空間有差異，射流兩側存在壓差造成的。

當燃燒器寬度增加后，向火側的氣流更容易地進入到背火側，從而可以降低射流兩側的壓差，使射流偏轉減小。在四角切向燃燒鍋爐中，煤粉氣流的大多數熱量來源于上游火焰與煤粉氣流的對流換熱，因而一次風射流的寬度相對較小，射流的剛性較差，抗偏轉的能力較差，容易導致射流偏轉。

（3）爐膛截面形狀的影響。

爐膛截面形狀如設計不當，除影響火焰充滿度外，還影響補氣條件和使氣流貼壁。當爐膛寬深比超過1.2時，射流兩側補氣條件相差懸殊，氣流偏斜嚴重。

從以上分析可知，防止結渣，主要應從降低爐膛溫度和保證良好的空氣動力場兩方面來考慮。降低爐膛溫度的措施設計時，要認真選取鍋爐的爐膛容積熱負荷qv、爐膛截面熱負荷qa和燃燒器區域壁面熱負荷qr，它們是影響爐膛溫度高低及分布的主要參數。在以上的推薦值中，可取低限。對灰熔融特性溫度低的煤，取下限。此外，還要合理選擇單只燃燒器的熱功率，取較低的熱空氣溫度，采用煙氣再循環等。改善爐內空氣動力場，爐膛寬深比不大于1.2，選擇合適的假想切圓直徑，選擇合適的燃燒器總高度比以及一、二次風量和風速要適當。鍋爐結構對結渣有重要影響，應合理選擇鍋爐設計參數，降低爐膛溫度水平，保證良好的空氣動力工況，防止結渣。

1.3 運行調整的影響

結渣是固態除渣煤粉鍋爐設計和運行中最突出考慮的問題。結渣會嚴重地危害鍋爐運行的安全性和經濟性，甚至被迫停爐。因而防止和減輕結渣是鍋爐設計和運行中非常重要的問題。

運行因素對結渣的影響：

1.爐內過量空氣系數α

過量空氣系數增加，受熱面的積灰、結渣趨勢減輕。首先，當α增加時，爐膛出口煙溫降低，可減輕對流受熱面積灰、結渣。其次，隨著過量空氣系數的增加，爐膛壁面處的煙溫降低，爐內受熱面結渣趨勢減少。第三，α過低易造成氧量不足，在爐內出現還原性氣氛，熔點較高的Fe2O3被還原成熔點較低的FeO，從而使灰熔點降低，增加了結渣的可能性。因此，必須送入足夠的氧量。2.四角風粉的均勻性

當燃燒器配風不均勻或鍋爐降負荷，燃燒器缺角或缺對角運行時，爐內火焰中心會發生偏斜。熾熱煤粉氣流直接沖刷水冷壁，造成局部熱負荷過高，這極易引起結渣。因此，運行時要盡量調平四角風量。降低負荷時，則要避免缺角情況運行。要保證空氣和燃燒的良好混合，避免在水冷壁附近形成還原性氣氛，防止局部嚴重積灰、結渣。當一、二次風的位置、風速、風量不均勻時，盡管爐內總空氣量大，但仍會出現局部區域熾熱焦碳和揮發份得不到氧量而出現局部還原性氣氛，引起結渣。

2.爐內溫度水平

爐內溫度水平對結渣的影響是多方面的。第一，爐內溫度水平高，將使煤中一些易揮發堿性氧化物汽化或升華，使堿金屬化合物在受熱面上凝結。堿金屬氧化物汽化溫度一般在1400℃以上，而凝結溫度在1000℃～1100℃。堿金屬直接凝結在受熱面上會形成致密的強粘結灰。第二，當煙氣溫度較高且管壁溫度也高時，可在初始灰層中形成產生低熔點復合硫酸鹽反應的條件，還會使含有堿金屬化合物的積灰外表面粘結性增強，加速積灰過程的發展。第三，當煙溫度高時煤灰呈融化或半融化狀態，熔融灰會直接粘結在受熱面上，產生嚴重結渣。溫度升高，將使受熱面結渣呈指數規律上升。對易結渣煤，要嚴格控制爐內溫度水平，如加大運行過量空氣系數，增加配風的均勻性，防止局部熱負荷過高和產生局部還原氣氛，調整四角風粉分配的均勻性，防止一次風氣流直接沖刷壁面，必要時采取降負荷運行。

3.煤粉細度

煤粉粗時，火炬拖長，粗粉因慣性作用會直接沖刷受熱面。另外，粗煤粉燃燒溫度比煙溫高許多， 融化比例高，沖刷水冷壁后容易引起結渣。但煤粉太細也會帶來問題。煤粉越細，燃燒狀況越好，爐膛出口溫度將升高，也易引起結渣。因此，針對具體的煤種，應該進行調整試驗，以尋求最佳煤粉細度。5.一次風速

適當提高一次風速，可推遲煤粉的著火，使著火點離燃燒器較遠，火焰高溫區也相應推移到爐膛中心，可以避免噴口附近結焦。在四角切圓燃燒鍋爐中，提高一次風速還可增加一次風射流的剛性，減少由于射流兩側靜壓作用而產生的偏轉，避免一次風氣流直接沖刷水冷壁而產生結渣。不過應該注意的是，一次風速提高，要受到煤粉著火條件的限制。

為了防止鍋爐結渣，查明爐內工況，需要利用停爐機會進行爐膛冷態空氣動力場試驗。通過冷態空氣動力場試驗，可以直觀地檢查爐內氣流的分布、擴散、擾動等現象是否良好。當鍋爐燃燒工況不正常時，空氣動力場試驗結果可以幫助分析發現的問題。

正確的爐膛設計，合理地組織爐內流動工況和燃燒過程；保持充足的過量空氣系數，適當的爐內溫度水平，適宜的煤粉細度；保證鍋爐燃用與鍋爐設計相接近的煤種，合理的運行方式等，對防止和減輕結渣是不可缺少的。endprint