660MW機組鍋爐爐內結渣的原因及解決措施探討

王慶智 神華國能寧夏煤電有限公司

爐內爐渣對于鍋爐來說是普遍存在的問題，而且爐內爐渣會嚴重影響鍋爐運行的安全性和經濟性，隨著鍋爐機械容量的增加而更加突出。最顯著的例子是北侖港一號機組60OMW鍋爐爐的爐身嚴重，引發爆炸事故，造成嚴重設備損壞和人員傷亡。目前沙角發電廠660MW機組C3鍋爐也存在嚴重的結渣現象。找出結渣的主要原因，采取相應的解決措施或預防措施已迫在眉睫。爐內結渣的性質可以概括為煙氣中的熔融灰粘附在熱表面上并產生熔渣的結果。爐內結渣有三個重要因素：一是燃料的灰熔點。第二一個爐內結渣的因素則是當空氣溫度高于熔點時，氣流中的熔渣正處在熔化的狀態。三是這種氣流只有在沖洗受熱面時才會產生結渣。因此，燃煤鍋爐爐渣不僅是一個物理化學過程，而且是一個非常復雜的水動力過程。影響結渣的因素很多，不僅與煤的特性（灰熔點、灰組成、灰粘度等）有關，而且與爐膛傳熱參數、燃燒室結構、爐氣動態條件和鍋爐運行參數密切相關。

一、C3爐基本情況簡介

（一）設備及主要參數簡介

沙角發電廠C3鍋爐是由美國abbce公司設計生產的亞臨界參數單汽包中間再熱控制循環鍋爐。鍋爐最大連續蒸發量2100t/h，采用膜式水冷壁，單爐切向燃燒。爐膛尺寸（寬×深mm）為19558×16432，爐膛高度為57300mm，寬高比為1.19。設計中采用的是國產神府東勝煤，從澳大利亞進口校核炭。制粉系統是正壓直噴式制粉系統，配置6臺hp983碗型中速研炭機，設計力為53t/h，5臺蜂窩機可以滿足BMCR的輸出。鍋爐設計爐膛容積熱負荷（BMCR）為0.112MW/M（403.2mJ/h×M’），爐段熱負荷（BMCR）為5.60MW/M（2016mj/h·M’），燃燒器區域熱負荷為1.33mw/M’。

（二）煤質特性

這個爐的設計煤是國產的神府東勝煤，校準煤是澳大利亞的進口煤。從以上的煤炭及灰分特性分析表可以看出，進口煤與國產煤之間存在一定的差距，特別是灰融點的差異很大。國產煤的灰融點比進口煤低，國產煤比進口煤更容易焦煤。兩個煤的渣特性可以由煤化溫度確定。并用灰分組成綜合指數R進行預測，用煤灰軟化溫度判斷嚴重煤種，進口煤屬于中等結焦傾向煤。

（三）鍋爐燃燒系統

進口煤被認為是“潔凈煤”。因此，在爐膛設計中，只有調整過熱器/再熱器受熱面的數目和比例，才能得到設計蒸汽溫度。過熱蒸汽溫度采用減溫方式控制，再熱蒸汽溫度通過燃燒器擺動控制在設計范圍內。國內煤炭被認為是“臟煤”。如果不采取一定的措施，在運行中會引起爐膛結焦，而爐膛結焦就會產生降低水冷壁的吸熱量的后果，最終就會導致爐膛出口煙氣溫度升高。如果爐膛出口處的煙氣溫度超過設計裕度，則會出現性能和控制問題。因此，CE公司在鍋爐設計中采用同心圓燃燒系統（CFS），適用于國內燃煤的燃燒。對同心圓燃燒系統中的幾個輔助空氣噴嘴進行了改進。改造后的噴嘴將二次風吹入水冷壁，增大氣球的角動量，并帶動更多的煙氣進入風箱下方的爐膛，在風箱頂部沿水冷壁形成富氧區。這種作用很容易處理爐內的爆炸或消除散焦。

爐膛燃燒器的油嘴和風嘴在整個60度角范圍內擺動，上下30度角，煤粉噴嘴按比例上下20度擺動，使爐膛火球升降，從而調節爐膛的吸熱量。當噴嘴向下傾斜時，爐內火球下降，吸收爐內更多的輻射熱，到達過熱器和再熱器的煙氣溫度降低，從而降低過熱器和再熱器的蒸汽溫度。當噴嘴向上擺動時，過程正好相反。

二、爐內空氣動力場試驗

（一）習慣運行工況，目的是了解習慣運行下的爐內氣流運動狀況

A層除1號角貼墻嚴重外，其余角均正常或略偏中。F層一次風也正常，其余樓層貼墻，e層一次風最嚴重。熔爐中心的大部分區域沒有紙屑。從爐底可以清楚地看到許多紙屑沿著水冷壁落下。據估計，當爐膛處于熱態時，可能會有部分煤粉沿水冷壁落下。

為了適應實際工況下測得的速度分布，實際切圓的相對直徑約為0.65。由于風速分布是在a層一次風水位上測得的，因此只能代表a層兩側一次風和風的分布情況，風速分布與一次風速及周圍送風條件有關。從一次風速測量結果來看，a層一次風速最高，達到31m/s，F層一次風速為22m/s，其他層一次風速約為16m/s，說明a層一次風速最高，氣流剛度最強，氣流偏斜較小。而且，a層的一次風在底部，爐底的氣流更容易供給射流兩側，兩側的壓差也相應減小。F層一次風也有類似情況。速度場測量結果與紙屑測量結果一致。

從整個試驗結果可以看出，除a、F層一次風外，其他各層一次風均嚴重粘附在壁面上，可能造成水冷壁結渣。尤其是E層一次風的粘壁現象最為嚴重。整個爐膛實際氣流切圓過大，爐膛中心無風區過大，氣流不飽滿。

（二）保持一、二次風門開度不變（習慣運行工況），關閉BC、DE、FF 工況

目的是了解二次風偏折的影響，關閉偏二次風，一方面減少氣流切向運動的動量，同時切斷相連的射流，改善送風條件。如果偏轉的二次風是實際切向圓的主流，停止偏轉的二次風后，實際切向圓應大大減小，一次風射流不應粘在墻上。試驗結果表明，一次風射流仍然附著在壁面上，但比工況1的效果好。結果表明，二次風偏轉角對實際氣流切向圓有一定影響。然而，對于C3爐，一次風射流粘壁的主要原因是一次風和其他二次風燃燒器的安裝切線圓過大。

（三）保持二次風門開度不變（習慣運行工況），提高一次風速運行工況

將各層一次風速調整為22m/S～24m/S左右，根據紙屑試驗結果，粘壁情況有所改善（與工況1相比），但仍有較多的粘壁現象，即A層的速度場，由于A層一次風速由31m/S降為22m/S，剛度減弱，撓度增大。因此，實測的實際切向圓比正常工況下大，實際切向圓的相對直徑約為0.80。試驗結果表明，提高一次風風速可以減輕結渣。實際運行中一次風速偏差較大，a層一次風速最高，f層一次風速最高，其余均較小。

（四）全關二次風，單開一次風速運行工況

了解一次風是否正常。在熱條件下運行時，單次風不能進入運行，冷態試驗只能了解一種風中的單一情況。由于一次風是單次風，每層的單風隙較大，所以通風條件良好。為了正確安裝，實際的圓角較小，一次風射流必須相對平坦。不得有氣流粘墻。紙屑試驗結果表明，a、B層一次風切圓實際值最小，C、D層稍大，e層最大，e層角2略靠近壁面。可以計算出實際切圓的相對直徑約為0.45，這對于單次一次風來說明顯過大。

三、C3爐結渣原因分析

（一）爐內實際切圓太大

在爐內旋轉燃燒形成一股強大的旋轉氣流。氣流的最大切向線構成爐膛內的實際切圓。爐膛中心是一個低速風區，其特征是在燃燒鍋爐的爐膛內切割成空氣動力場。實際切向圓是破碎燃燒的一個重要參數；它對結渣、穩定燃燒、煙氣速度和爐膛出口煙溫偏差有重要影響。如果實際切向圓過大，容易產生結渣

因此，確保適當的實際切向直徑是非常重要的。影響實際切向直徑的主要參數有：

第一、燃燒器高寬比；第二、安裝切圓直徑；第三、一.二次風動量比；第四、燃燒器的間隙率；第五、燃燒器噴口總面積與爐膛截面積比；第六、燃燒器擺角等。文獻1給出了實際切圓的經驗公式及其適用范圍。由于爐內流場的復雜性和多種因素的影響，經驗公式具有一定的局限性。

一般來說，實際切圓的當量直徑在0.4～0.8之間。考慮到煤質特性、燃燒穩定和結渣，煙煤或易結渣煤取較小值，無煙煤和硬渣煤取較大值。C3爐實際切向相對直徑大于0.65，煤質屬于中等結渣或嚴重結渣傾向煤，運行中容易引起水冷壁結焦。

（二）煤質問題

如前所述，C3爐的設計煤種和標定煤種均為中渣或重渣傾向煤種，容易燃燒。

（三）射流兩側補氣條件差異較大

射流兩側的送風條件主要取決于爐段長寬比、假想切圓直徑和燃燒器高寬比。當噴孔兩側的切向直徑增大時，兩側壁面上的空氣供給角差增大。由于送風條件的不同，射流兩側的壓力差使氣流容易產生邊緣。

四、爐內結渣的解決措施探討

（一）增大爐內的過量空氣系數α

爐壁的煙溫度隨著過量空氣系數的增加而降低，爐內沉積物減少，受熱表面的渣趨于減少。此外，α過低易導致氧氣不足，爐內出現還原氣氛。高熔點Fezo 3還原為低熔點FeO，大大降低了灰熔點，提高了爐渣的可能性。因此，必須輸送足夠的氧氣。目前C3鍋爐的過量空氣系數在1.15左右，建議提高到1.2-1.25。但是，過量空氣的增加可能會導致鍋爐效率略有下降。

（二）適當提高一次風速

提高一次風速可以延緩煤粉的著火，使著火點離燃燒器更遠，火焰的高溫區也隨之向爐膛中心移動，避免了噴煤附近結焦。在四角切向爐內，提高一次風速度還可以增加一次風射流的剛度，減小射流兩側靜壓引起的偏轉，避免一次風氣流結焦直接沖刷壁面。