660 MW“W”型火焰鍋爐結焦分析及治理

陳光偉，何 剛

（貴州省習水鼎泰能源開發有限責任公司，貴州 遵義564611）

鍋爐結焦的主要原因之一是煤中黃鐵礦的存在[1]。“W”型火焰鍋爐設計燃用低揮發份無煙煤，燃燒室大量未燃帶的布置和燃燒器的布置方式決定了鍋爐側墻與翼墻易結焦，影響鍋爐效率，降低運行安全系數[2-3]。鍋爐結焦會導致水冷壁傳熱惡化、排煙問題升高， 嚴重時還會出現跨大焦造成爐膛負壓大幅波動以及撈渣機被迫停運等問題。

某2×660 MW 電廠“W”型火焰鍋爐運行期間，鍋爐側墻和翼墻結焦問題嚴重，跨大焦爐膛負壓波動最大可達+1 790 Pa（爐膛負壓三取二高二值+2 400 Pa，延時5 s 鍋爐MFT；三取二高三值+3 250 Pa，延時2 s 鍋爐MFT）。 據統計，該電廠此型號鍋爐至2015 年投產以來，撈渣機多次被迫停運，爐底冷灰斗被砸損一次。 為提高鍋爐運行的穩定性、安全性，該電廠試驗出一種“W”型火焰鍋爐化焦方法，并被所在區域其他“W”型火焰鍋爐電廠的借鑒。

1 概述

1.1 鍋爐概況

該電廠2×660 MW 超臨界機組鍋爐系北京巴布科克威爾克斯有限公司生產的超臨界、 垂直管圈水冷壁、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、單爐膛露天島式布置“W”型火焰燃燒變壓直流鍋爐，其型號為：B&W B-2090/25.4-M。 每臺爐配置一臺刮板式撈渣機，6 臺正壓直吹式制粉系統，燃燒器采用濃縮型EI-XCL 低NOx雙調風旋流燃燒器（如圖1 所示）。 燃燒器平行對稱布置于爐膛下部的爐拱上，前、后各12 只；在燃燒器下部與燃燒器相對應，前、后墻各布置12 個乏氣噴口。與煤粉燃燒器對應配置了24 只點火油槍，每個燃燒器下部均設有分級風管，每個分級風管與燃燒器噴口一一對應。

1.2 燃料特性

鍋爐設計燃用煤種為本地煤， 煤質特性和灰渣 特性見表1、表2。

圖1 燃燒器、分級風、乏氣噴口布置示意圖

表1 設計、校核煤質特性

表2 灰渣特性 （%）

2 結焦情況及分析

2.1 結焦情況

根據運行統計，機組長時間低負荷運行，鍋爐結焦問題比較嚴重， 結焦部位集中于20 m、23 m 層側墻和翼墻， 負荷升至500 MW 時常出現跨大焦的情況。通過側墻觀火孔觀察，鍋爐20 m 層右中、左中側墻區域結焦嚴重，焦層厚度達40 cm，右后側墻區域常出現懸焦；鍋爐23 m 層右后、左后側墻區域焦層厚度35 cm 左右；鍋爐10 m、13.7 m 層左、右側側墻無結焦現象。

2.2 結焦分析

2.2.1 運行控制不當

有研究表明[4-5]，“W”型火焰鍋爐側墻、翼墻結焦原因為：燃燒器噴入的風粉混合物往下沖時會向兩側擠壓，出現部分風粉混合物向側邊偏斜的現象，在沖刷側墻、翼墻的過程中，熔融煤灰撞擊墻面從而形成結焦。 不同負荷時段，前、后墻拱上套筒風箱調節門、分級風箱調節門、NOx風箱調節門不匹配，套筒風分門與分級風分門不匹配， 加劇了上述現象的發生。 由于火焰行程較短，火焰中心區域偏高，燃燒區域溫度高，真正的“W”型燃燒難以實現。

2.2.2 燃用非設計煤種

“W”型火焰鍋爐結焦的關鍵原因是煤種的變化[6-8]。該電廠所處區域煤礦的特點為“小、亂、差”，與設計煤種存在差異。 表3 所示為鍋爐實際燃用煤質特性，可見，鍋爐長期燃用非設計煤種。 停爐后檢查鍋爐20 m、23 m 結焦情況，如圖2、圖3 所示：焦塊較厚，部分處于懸吊狀態，外觀疏松呈黃褐色，夾帶部分黑色。取樣化驗灰渣熔融特性見表4。由參考文獻[1]對比表2、表4 數據可知，鍋爐結焦的主導因素是燃用煤種Fe2O3含量過高。

表3 實際燃用煤質特性

圖2 鍋爐20 m 層側墻結焦情況圖

圖3 鍋爐23 m 層翼墻結焦情況圖

基于結焦指數理論及沾污指數理論[9-10]，可計算燃用煤種結焦指數RH和粘污指數（以當量Na2O 表示），判斷燃用煤種特性，公式如下：

通 過 式（1）、式（2）計 算 得 出RH＝0.596、當 量NaO2＝0.849。 根據文獻[11]所述煤種結焦性分級與粘污性能分級，RH＞0.3 為中等結焦性， 當量Na2O 介于0.5～1.0 之間為中等粘污趨勢，由此，可判斷燃用煤種屬于中等結焦性、中等沾污性煤種。

鍋爐運行期間測量爐膛煙氣最低溫度為1 316℃，燃用煤種軟化溫度為1 190 ℃，遠低于爐膛煙氣溫度，亦說明易于結焦。

綜上所述，鍋爐結焦情況與“W”型火焰鍋爐設計特點、 燃用非設計煤種及運行控制不當等因素有關。

表4 燃用煤種灰渣特性 （%）

3 化焦方法及效果

擬燃用外購設計煤種從根源上解決鍋爐結焦問題的設想， 不僅不切合實際還增加了經營成本。 為此，該電廠通過前人已有的研究，深入調研，試驗出“W”型火焰鍋爐因燃用非設計煤種導致鍋爐結焦的一種化焦技術， 規避了鍋爐因結焦產生的一系列不安全因素。

3.1 化焦方法

在鍋爐20 m、23 m 層側墻觀火孔處觀察結焦厚度大于30 cm 時，申請加負荷，關閉鍋爐20 m、23 m層側墻風手動門和翼墻風手動門。前、后墻拱上分級風箱總門開至100%、90%開度，前、后墻拱上套筒風箱總門開至80%、70%開度。 鍋爐運行時，必須維持前墻拱上風箱調門開度大于后墻拱上風箱調門開度5%～10%，防止火焰偏斜。 如圖1 所示：因C 磨煤機C2、C3 燃燒器和D 磨煤機D1、D4 燃燒器布置在爐膛最邊上， 化焦過程中必須保證C、D 磨煤機運行，在鍋爐10 m 平臺觀察孔處觀察流焦速度， 以每5 s內直徑超過1 cm 的焦滴不超過10 滴為正常。

（1）若5 臺磨煤機運行，逐漸提高C、D 磨煤機分離器頻率至45 Hz， 將前墻A2、B2、C2、D1、E1、F1 燃燒器套筒風調節門和后墻A3、B3、C3、D4、E4、F4 燃燒器套筒風調節門開至35%～45%開度，對應的分級風調節門開至60%～70%開度。 若不見流焦，可逐漸提高其他三臺磨煤機頻率，通過流焦速度進行調整。

（2）若5 臺磨煤機運行且分離器頻率在45 Hz以上不見流焦，則啟動第6 臺磨煤機運行，逐漸調整磨煤機分離器頻率，保證流焦速度正常。

（3）若6 臺磨煤機運行且磨煤機分離器頻率在45 Hz 以上依然不見流焦， 則將C、D 磨煤機各拉掉一根燃燒器粉管。為了防止左、右側溫度偏差大，左、右都應該拉掉一根粉管。 多次試驗結果表明： 拉掉D3、C4 燃燒器粉管或者C1、D2 燃燒器粉管，化焦效果顯著。

（4）化焦時維持爐膛氧量均值不低于1.5%，在不見流焦的情況下可適當減少總風量， 但必須保證送風機出口壓力低于3.4 kPa，防止送風機失速。

（5）將爐膛負壓設定為-130 Pa，使融焦在爐膛負壓作用下隨煙氣往爐膛中心抽吸，防止冷灰斗堆焦。

（6）若鍋爐8 m 層或13.7 m 層出現結焦，應根據結焦程度及流焦速度決定是否需要繼續化焦。

（7）化焦時密切監視撈渣機動力油站壓力，確保其不大于21 MPa。 若撈渣機動力油站壓力突增超過規定值時，需停止撈渣機運行，暫停化焦。

此化焦技術主要原理是讓火焰行程縮短， 提高燃燒區域溫度，減少鍋爐總風量，創造還原性氣氛降低灰熔點來融化側墻和翼墻區域的焦。 此化焦技術在該電廠得到成功運用， 解決了該電廠鍋爐因燃用非設計煤種導致鍋爐側墻、 翼墻結焦嚴重出現跨大焦所引起的一系列不安全問題。

3.2 應用效果

基于該電廠鍋爐燃用非設計煤種導致結焦，誘發的不安全問題， 采用3.1 所述化焦方法， 分別在450 MW、500 MW、600 MW 及660 MW 負荷工況下進行試驗。 試驗結果表明：在負荷450 MW 時，鍋爐流焦速度慢， 每5 s 內直徑超過1 cm 的焦滴約為6滴，前、后墻火檢信號閃爍，爐內燃燒不穩定，化焦效果不理想；負荷大于500 MW 時，流焦速度每5 s 內直超過1 cm 的焦滴約為8～12 滴左右， 爐內燃燒工況好，火焰充滿度高，化焦效果顯著，若鍋爐結焦厚度在40 cm 左右時，6 h 可將其化掉。運用此技術后，該電廠鍋爐未發生過跨大焦撈渣機被迫停運、 爐底冷灰斗被砸損等安全問題，同時，機組帶高負荷還增加了經濟收入。

4 結語

“W”型火焰鍋爐燃燒結焦的特點，加上該電廠鍋爐燃用非設計煤種中Fe2O3含量過高、運行調整不當是導致該電廠鍋爐結焦的主要因素。 在機組500 MW 及以上負荷時，運用縮短火焰行程，提高爐膛溫度、 降低爐膛氧量以降低灰熔點的方法將側墻和翼墻的焦融化，提高了鍋爐效率和安全系數。此技術在該地區其他“W”型火焰鍋爐的單位得到廣泛應用，值得推廣。