煤種性質對煤粉工業鍋爐結焦的影響

王 志 強

(1.煤科院節能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源開采與環境保護國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

鍋爐作為煤炭提供動力的設備，極易發生結焦現象，影響燃煤鍋爐的安全性及經濟性。由于結焦造成的鍋爐非正常停機達到10%以上。關于燃煤鍋爐結焦問題，國內外進行了大量研究，主要集中在煤質因素和外部條件方面。煤質因素方面，姚星一[1]、王泉清等[2]對煤灰中化學成分進行分析，發現煤灰中的酸堿氧化物在高溫下會相互反應，生成低熔點的礦物，且一些氧化物自生熔融性溫度較高，含量高低對煤灰熔融性起決定性作用；張德祥等[3]、馬永靜[4]、Unuma等[5]對煤中礦石進行分析，發現煤的灰熔融性取決于石英、高嶺石和長石的含量，隨著高嶺石含量的增加，灰熔融性升高，高嶺石含量相同時，長石含量高的煤，灰熔融性低；Vassilev等[6]分析了煤化學組成和礦物組成，認為煤灰中硅酸鹽含量高時，灰熔融性較高；而含有較多氧化物和長石時，灰熔融性較低，進而影響結焦情況；Nicholas等[7]將英國國內煤種分別與美國和南非的煤種混合燃燒，研究混煤成分對結渣特性變化的影響，發現含量高的Fe2O3英國國內煤種與含量高的CaO煤種混合后結渣性能顯著提高。外部條件方面，吳英[8]等針對600 MW四墻切圓燃燒超臨界鍋爐燃燒器區域易結焦問題進行了研究，發現燃燒器區域截面熱負荷設計較大，造成其內火焰燃燒溫度較高，引起結焦；林樹亮等[9]分析350 MW超臨界直流鍋爐結焦原因，發現煤粉偏細，導致著火提前，燃燒器區域熱負荷驟增，導致結焦；韓廷秀[10]針對670 t/h鍋爐燃燒器進行防結焦改造，通過研究切圓燃燒鍋爐帶側二次風的一次風射流剛性，發現側二次風對一次風的剛性能有顯著影響，側二次風與一次風的動量比應維持在0.73～0.86，此時氣流沿水冷壁的速度有所減少，氣流貼壁減少，氧含量升高，受熱面管壁溫度下降，能有效防止結焦發生；賴祿斌[11]針對600 MW鍋爐結焦原因進行分析，發現適當提高鍋爐內部過量空氣系數，可以抑制還原性狀態的出現，防止結焦。以上成果為解決燃煤鍋爐結焦問題提供了參考，但鮮見解決現場鍋爐結焦問題，特別是煤粉工業鍋爐結焦問題的相關研究。

某地區煤粉工業鍋爐在冬季供暖期間，出現大規模結焦現象，且結焦頻繁，導致頻繁停爐清焦，增加了運營成本和安全隱患。為了解決燃燒結焦問題，本文結合燃煤鍋爐燃燒結焦的機理，采取不同措施對不同條件下的結焦現象進行對比分析，并通過SEM-EDS對鍋爐焦塊進行微觀形貌與元素組成分析，以發現影響某地區煤粉工業鍋爐結焦的因素，繼而進行針對性調整，以期達到抑制鍋爐結焦的影響。

1 問題分析

1.1 鍋爐概況

某地區煤粉工業鍋爐選用煤炭科學技術研究院(簡稱煤科院)自主設計、泰山鍋爐廠加工制造的型號為SZS20-1.6-AIII的煤粉飽和蒸汽鍋爐，爐型整體布局如圖1所示。

圖1 鍋爐整體布局Fig.1 Overall layout of boiler

鍋爐采用煤科院自主設計的濃相中心逆噴燃燒技術與雙錐煤粉燃燒器和強旋流、濃相煤粉中心逆噴及雙錐強制回流技術，具有著火容易、燃燒穩定，可實現煤粉在線氣化等特點，與分級配風爐膛相結合，形成獨特的低NOx煤粉燃燒體系[12-13]。

雙錐燃燒器由二次風倉、導流葉片、雙錐燃燒室、風粉噴管及回流帽等部件構成。雙錐燃燒器在工業應用時，可完成60%以上的煤粉燃燒進程，導致溫度高、易結焦。

1.2 結焦情況

某地區煤粉工業鍋爐采用現有煤種運行期間，經點火運行平穩后，隨著運行時間的增加，爐膛膜式壁、二回程對流管入口、預燃室出口結焦、掛壁現象嚴重。受熱面逐漸減小，導致爐膛溫度從700 ℃逐漸增加到950 ℃左右(位于爐膛尾部測點溫度)；二回程對流管入口結焦、積灰越來越多，導致爐膛負壓降低，逐漸出現正值；預燃室出口封堵，破壞燃燒流場。某地區煤粉工業爐結焦情況如圖2所示。

圖2 某地區煤粉工業鍋爐結焦情況Fig.2 Coking situation of pulverized coal industrialboiler in a certain area

2 原因分析

2.1 結焦機理及影響因素

鍋爐運行時，煤粉在爐內燃燒，熔化或部分熔化的顆粒被夾帶在煙氣中，與爐內水冷壁、對流管和燃燒器進行熱量交換，隨同煙氣共同放熱降溫。在靠近水冷壁、燃燒器和爐膛內壁前，如果軟化的灰渣顆粒溫度降低凝結固態，會在受熱面上形成一層疏松的灰層，吹灰操作即可清除。當燃燒區域高溫過熱時，一部分灰渣在接觸水冷壁前，未經過足夠的降溫放熱處于熔融和半熔融狀態，此時的灰渣有相對高的黏性，易吸附在水冷壁、燃燒器和水冷壁上，已黏附的顆粒物極易黏附其他灰渣顆粒物，使結渣面繼續擴大，形成結焦[14-18]。

通常煤的灰熔融溫度為1 000～1 600 ℃，軟化溫度>1 350 ℃稱為難熔煤，軟化溫度在1 200～1 350 ℃為中熔煤，軟化溫度<1 200 ℃為易熔煤，灰熔融溫度越低越容易結渣，灰中化學成分和礦物質對熔融性有較大影響，化學成分主要是無機氧化物[19-23]，氧化物含量決定了灰熔融性的高低，一般來說，酸性氧化物(SiO2、Al2O3、TiO2)含量較多，灰熔融性較高；堿性氧化物(Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O)含量較多，灰熔融性較低；礦物分為助熔礦物(長石、硅酸鈣、赤鐵礦、硬石膏、重晶石)和耐熔礦物(石英、高嶺石、莫來石、鈦氧化物)，助熔礦物的總量占礦物總量的比例，決定了煤灰熔融溫度的高低[3-5,24]。

鍋爐燃燒結焦與煤的灰熔融性、爐膛溫度、反應時間等因素相關[25]。通常情況下，灰熔融溫度越低，爐膛溫度越高，還原性氣氛越強，反應時間越長，鍋爐結焦越嚴重。

2.2 焦塊形貌與成分分析

停爐后，在結焦部位取得典型焦塊——預燃室出口焦塊、爐膛膜式壁與對流換熱面入口焦塊，利用SEM-EDS對樣品斷面進行分析，具體如圖3所示。

圖3 焦塊外觀Fig.3 Appearance of coke

由圖3可知，焦塊1(預燃室出口焦塊)有鼓泡、顏色黑亮，質地堅硬、光滑，呈現出釉質光澤，應為高溫、還原性氣氛下煤灰中礦物成分形成的非晶相玻璃體；焦塊2(爐膛膜式壁與對流換熱面入口焦塊)顏色灰白、質地疏松多孔、表面粗糙，應為低溫、氧化氣氛下形成的焦塊。

為探究焦塊1和焦塊2的形貌、組成成分差異，對焦塊1和焦塊2的橫斷面取小顆粒樣品進行SEM-EDS分析，微觀形貌分別如圖4所示。

圖4 焦塊微觀形貌Fig.4 Micromorphology of coke

由圖4(a)可知，焦塊1呈規則的層狀多邊形結構，結構致密，推測預燃室溫度較高，煤灰中的無機物在高溫條件下團聚熔融，煤灰中的礦物質本身及相互之間發生復雜的反應[26]，形成了大量非晶相玻璃體；燃燒器為低氮燃燒設計，預燃室處于還原性氣氛，導致煤粉燃燒不充分，顯現黑色。研究表明[27]，煤灰中的晶相物質在高溫條件下向非晶相物質的轉化反應劇烈，結合焦塊1的外觀，說明預燃室溫度較高，此處煤灰中的石英和黏土礦物等大量轉化為非晶相的玻璃體[28]，所以表面光滑，呈現亮黑色，且帶有釉質光澤。由圖4(b)可知，焦塊2疏松多孔，呈現不規則結構，布滿褶皺，結合焦塊2的外觀，推測煤粉在低溫、氧化氣氛(充分燃燒和控制NOx生成)下，燃燒后的煤灰夾雜在熔融顆粒里面，軟化的灰渣顆粒附著在受熱面上，形成焦狀結構。

對焦塊1和焦塊2進行EDS分析，如圖5所示，發現焦塊中O、Fe、C、Ca、Si、Al元素含量較高，其中焦塊1中的C含量高于焦塊2，與黑色外觀一致；焦塊1中的O含量高于焦塊2，說明預燃室高溫導致煤粉燃燒的過程中生成了大量氧化物，使得焦塊1中的氧含量較高；焦塊1中的Fe含量較高，推測煤中赤鐵礦在高溫條件下，與SiO2和Al2O3發生低溫共熔反應[29]，生成了大量非晶相玻璃體，使得焦塊1呈現出釉質光澤。

2.3 煤質對比分析

為改善燃燒結焦狀況，保持煤種不變，減小煤粉粒度，結焦情況和清焦頻率有輕微改善；調成弱還原性燃燒氣氛[30]和增大二次風壓[10]等工況參數，結焦情況及清焦頻率無變化；在其他工況條件不變的情況下，使用孫家岔煤粉，燃燒結焦狀況大為改善，爐內結焦情況如圖6所示。

圖5 焦塊元素含量分析Fig.5 Analysis of element content in coke

圖6 孫家岔煤粉燃燒結焦情況Fig.6 Coking situation of Sunjiacha pulverized coal combustion

對比圖2和圖6，發現煤粉是影響燃燒結焦的主要因素，煤礦近期采煤層已不適用坑口煤粉工業鍋爐，對比化驗孫家岔和鍋爐現用煤粉(補連塔煤粉)，煤質分析見表1和表2。

表1 煤質分析對比

表2 灰成分及灰熔融溫度對比

由表1可知，鍋爐現用煤粉水分高，低位發熱量相當，燃燒時具有較低的爐膛溫度，對煤種的結焦有一定的抑制作用，但鍋爐現用煤粉掛壁嚴重，受熱面減小，爐膛溫度會逐漸升高，增大結焦可能性。

由表2可知，SiO2、Al2O3和CaO是煤灰的主要成分，自身熔點比較高，分別為1 700、2 050、2 580 ℃。高溫下CaO易與灰中Al2O3和SiO2作用，生成低熔點的礦物，降低了煤的灰熔融性。孫家岔煤粉中19.50%的Al2O3和60.25%的SiO2含量遠高于4.83%的CaO含量，酸堿中和后，多余的Al2O3和SiO2能大大提高煤的灰熔融性；補連塔煤粉中10.25%的Al2O3和28.07%的SiO2在高溫下與30.78%的CaO反應后，只剩少許的酸性氧化物，煤的灰熔融性較低，增大結焦的可能性。

Fe2O3、MgO為助溶劑[31-32]，在高溫下與灰中硅鋁酸鹽相互作用，生成低熔點長石，降低灰熔融溫度；TiO2為無機酸性氧化物，會提高灰熔融溫度；SO3在高溫下會生成硫酸蒸汽，遇到灰中的鈣氧化物就會產生硫酸鈣，硫酸鈣會附著在設備上，形成結焦[33]。由表2可知，補連塔煤粉Fe2O3、MgO含量較高，TiO2含量較低，SO3含量較高，Fe2O3為孫家岔煤粉的5倍左右，MgO為孫家岔煤粉的2倍左右，TiO2僅為孫家岔煤粉的1/6，SO3為孫家岔煤粉的2.5倍，這些含量差異造成補連塔煤粉灰熔融溫度較低，加大結焦的概率。

煤灰軟化溫度常用來評估煤種結焦性[26]。通常情況下，ST<1 200 ℃稱為易熔煤，容易結渣，補連塔煤粉灰熔融溫度為1 170 ℃，屬于典型的易結焦煤種；孫家岔煤粉灰熔融溫度為1 310 ℃，不易結焦。綜合分析可知，補連塔煤質改變，灰熔融溫度較低是鍋爐結焦的根本原因。

2.4 結渣性分析

為定量判別鍋爐現用煤種的結渣特性，引入經驗判別指數進行對比分析，具體見表3。

表3中，酸堿比即煤灰中堿性氧化物含量與酸性氧化物含量之比，計算式為

表3 結渣指數判別標準

(1)

硅比為

(2)

硅鋁比為

C=w(SiO2)/w(Al2O3)

(3)

鐵鈣比為

D=w(Fe2O3)/w(CaO)

(4)

綜合結渣指數為

(5)

式中，w(i)為各物質的質量分數，%。

補連塔煤粉和孫家岔煤粉各項結渣指標判斷結果計算見表4。

表4 煤粉結渣指標計算結果

由表4可知，鍋爐現用補連塔煤粉中，4項評價指標為“嚴重”，1項評價指標為“中等”，結渣性強烈；孫家岔煤粉中，1項評價指標為“嚴重”，2項評價指標為“中等”，2項評價指標為“輕微”，結渣性中等偏下。

綜合分析可知，鍋爐現用煤粉灰熔融溫度較低，結渣性強烈，是造成鍋爐結渣的最本質因素，在現用煤種無法改變的情況下，通過摻入添加劑，提高現用煤粉的灰熔融溫度，是解決某地區煤粉工業鍋爐結焦的主要辦法；同時配合調節煤粉粒度。

3 調整措施

煤種灰熔融溫度較低是鍋爐結焦的最本質原因，結焦掛壁，受熱面減小，爐溫升高，進一步促進結焦的發生。因此如何提高煤的灰熔融溫度，配合調節煤粉粒度是解決燃燒結焦的主要思路。

3.1 5%石英的摻入

由表2可知，SiO2、Al2O3和CaO是煤灰的主要成分，且熔點較高，對煤質灰熔融溫度起主要作用，如何擴大灰中酸堿氧化物的差異是提升灰熔融溫度的關鍵。由表3可知，提升灰中SiO2、Al2O3和CaO含量可以得到較低的結焦評價指數。提升灰中SiO2和Al2O3含量或CaO含量，都可以提高灰熔融溫度，降低結焦評價指數，但部分電廠要求灰成分中CaO含量低于12%，所以摻入富含SiO2或Al2O3的物質，提升灰熔融溫度，改變結焦的本質因素。部分礦物質的化學成分[34]見表5。

表5 礦物質化學成分

綜合考慮成本和運輸問題，選用石英作為添加劑[35]，摻入量占混成煤的5%，摻混后灰中酸性氧化物SiO2含量為56.75%、Al2O3含量為6.02%，堿性氧化物CaO含量為17.22%，灰中主要酸堿氧化物含量相差45.55%，摻混后鍋爐現用煤粉的灰熔融溫度達到1 280 ℃，相比未摻混的煤粉灰熔融溫度提高110 ℃，結焦傾向得到較大抑制。

3.2 煤粉粒度調整

粗煤粉顆粒燃燒時間長，導致火焰拉長，對流管入口的灰處于溫度較高的環境下，易造成對流管入口處結焦；煤粉過細，著火過早，極易破壞燃燒器，在燃燒器周圍結焦。某地區煤粉工業鍋爐對流管入口處結焦嚴重。調整煤粉磨機頻率由19 Hz增大到22 Hz，煤粉粒度(200目，0.075 mm)過篩率從70%增大到85%，煤粉粒徑變小，對流管入口結焦狀況改善。改造后某地區煤粉工業鍋爐連續穩定運行，供料頻率10 Hz，負荷15.4 t/h下，測得前爐膛溫度、后爐膛溫度、爐膛出口溫度，并與調整前進行對比，結果如圖7所示。

圖7 調整前后溫度對比Fig.7 Temperature comparison before and after adjustment

由圖7可知，摻混5%石英、減小煤粉粒度后，前后爐膛溫度降低了100 ℃左右，爐膛出口溫度降低了50 ℃左右，且能長時間保持穩定運行，這是由于改造后爐膛掛壁結焦減少，受熱面增加。

連續運行5 d，停爐后觀察爐膛內部情況，如圖8所示。可知，結焦現象明顯減小，改造效果良好。

圖8 調整后爐膛內部情況Fig.8 Internal condition of furnace after adjustment

4 結 論

1)預燃室出口焦塊與爐膛膜式壁、對流換熱面焦塊明顯不同，預燃室焦塊為顏色黑亮、表面光滑、質地堅硬的非晶相玻璃體；爐膛膜式壁和對流換熱面焦塊為顏色灰白、表面粗糙、質地疏松的初始結焦面；這主要是由于預燃室溫度高，處于還原性氣氛，爐膛膜式壁和對流換熱面溫度低，處于氧化性氣氛。

2)灰中酸性氧化物Al2O3(10.25%)、SiO2(28.07%)含量之和與灰中堿性氧化物CaO(30.78%)含量相差僅為7.54%，相差不大，高溫下會相互反應，生成低熔融性溫度的礦物，導致現用煤種的灰熔融性溫度僅為1 170 ℃，容易結焦；結渣指數評價指標表明，鍋爐現用煤種結渣性趨于嚴重，屬于強結渣性煤種。

3)通過摻混5%的石英，灰中酸性氧化物SiO2(56.75%)、Al2O3(6.02%)含量之和與灰中堿性氧化物CaO(17.22%)含量相差45.55%，相差較大，摻混后現用煤種灰熔融性溫度為1 280 ℃，提高了110 ℃；配合減小煤粉粒度措施，煤粉粒度(200目，0.075 mm)過篩率從70%增大到85%，縮短了燃燒時間，有效抑制了結焦狀況。