電站鍋爐結焦原因分析及預防

華能應城熱電有限責任公司 郭建華 王 強

鍋爐爐墻、受熱面、爐排上的積灰按其粘結強度可分為粘結性積灰和松散性積灰，松散性積灰是一個物理過程，從技術角度分析松散性積灰不可避免，但根據機組容量確保適當的受熱面結構尺寸控制好爐內燃燒工況和保持足夠的煙氣流量、并根據運行情況定期吹灰，即可確保受熱面積灰在可控范圍內。粘結性積灰具有物理和化學兩種作用的積灰，灰層強度、粘度高，普通物理方法難以清除并具無限成長性，帶來巨大安全隱患。鍋爐結焦即為嚴重的粘結性積灰，指灰渣在高溫下融化后與到受熱面被冷卻粘接在受熱面上的現象。

1 受熱面結焦機理

鍋爐的結焦主要經過以下過程：煤粉在鍋爐內燃燒產生不同粒徑的飛灰；飛灰在高溫區域處于熔融狀態，熔融的飛灰在煙氣帶動下與受熱面接觸；飛灰被受熱面冷卻形成結焦。其中飛灰顆粒在煙氣帶動下向受熱面輸運是結焦的必經環節[1]。飛灰顆粒的輸運主要分為熱遷移、揮發性灰的氣相擴散、慣性遷移。對于尺寸較小的飛灰顆粒和氣相灰分主要是通過擴散輸運，對小于1～10μm 的飛灰粒子主要通過熱遷移形成結焦，試驗表明熱遷移是造成結焦的主要原因之一；大于10μm 的飛灰顆粒主要由慣性力使飛飛灰顆粒向受熱管輸運，當含煙氣轉向時大顆粒飛灰在慣性力的作用下離開煙氣撞擊到受熱面產生結焦。灰粒撞擊受熱面的概率主要由灰粒的慣性力、所受阻力、灰粒在煙氣中的位置以及煙氣流速決定。在煤粉爐中一般煙氣流速為10～25m/s，直徑在5～10μm 的飛灰顆粒就有脫離煙氣沖擊到受熱面的可能性。

根據積灰、結焦的原理來有效控制鍋爐的結焦，就要避免飛灰顆粒在慣性力的作用下向受熱面撞擊。煤粉鍋爐中心溫度一般在1400～1700℃間，煤粉燃燒過程其本身溫度要比爐膛溫度高約200～300℃，所以飛灰顆粒在爐膛中心基本為熔融狀態。熔融狀態的灰粒受慣性力向受熱面運動過程中，由于灰粒運動速度過快、過程中受到冷卻效果差，未凝固前與受熱面接觸從而黏附在受熱面上形成結焦。所以灰粒在慣性力作用下撞擊受熱面形成的結焦是焦子積聚、長大的主要原因[2]。

2 受熱面結焦原因分析

燃煤成分及特性：煤粉中灰分含量、灰熔點是鍋爐結焦主要因素，灰分含量越大、灰熔點越低鍋爐越容易結焦。根據爐膛溫度場可判定燃燒中心的煤灰基本全部處于熔融狀態或表面熔融狀態，正常情況下熔融的飛灰會在離開燃燒中心至碰到受熱面前冷卻成固態飛灰，與受熱面接觸后也不會粘結在受熱面上導致結焦。但熔融狀態下的飛灰在與受熱面接觸時仍為熔融狀態，則會粘結在受熱面上形成結焦。若燃煤灰熔點低時，將很可能導致熔融狀態飛灰在慣性力作用下與受熱面接觸時還處于熔融狀態，從而粘結在受熱面上，并在重復作用下積聚長大，形成結焦。結焦的產生還由燃煤的礦物質特性決定，煤灰中一般含有Al2O3、SiO2、MgO、CaO、Na2O、K2O、Fe3O4、Fe2O3、FeO 等多種成分，若Al2O3、SiO2含量高時灰熔點也高；鐵和堿金屬（Na、K 等）的氧化物多時灰熔點也低；具有助熔作用的CaO 以及燃料中黃鐵礦（FeS）等多時也會使灰熔點下降。但當它們作為混合物晶體存在時灰熔點又會改變，如果灰渣中三元共晶體Al2O3.SiO2+2FeO.SiO2+SiO2，則熔點一般只有1000～1100 ℃；若有二元共晶體CaO.FeO+CaO.Al2O3，則熔點為1200℃。運行中應盡量選擇與設計煤種相符的煤種，若需摻燒低灰熔點煤種時應盡量選擇灰熔點高的煤混燒[3]。

設計的影響：一般鍋爐的設計都是通過設計煤種的成分、灰熔點來確定鍋爐的相關參數，在燃用設計煤種時一般不會發生結焦現象。但鍋爐相關參數的選取對煤種變化的適應性有很大關系，一般容積熱負荷、斷面熱負荷、燃燒器區域熱負荷高，則為爐膛容積小導致，鍋爐水冷壁受熱面面積小導致爐內火焰溫度高，爐膛出口煙溫高，熔融狀態飛灰難于在與受熱面接觸之前冷卻至固態，導致爐膛出口和水冷壁容易結焦。

爐內燃燒的組織狀況：鍋爐在運行過程中若入爐煤種與設計煤種相差過大，煤飛灰熔點過低；鍋爐負荷過高，爐內斷面熱負荷、容積熱負荷、燃燒器區域熱負荷過高；煤粉細度較粗、均勻性下降，會導致慣性動量過大或局部熱負荷過高；一、二次風速與風量分配不當，煤粉提前燃燒或局部缺氧；鍋爐吹灰不及時造成焦子集聚長大；鍋爐兩側氧量偏差大或總體氧量偏小，爐內還原性氣氛強；爐內空氣動力場不均等都是造成鍋爐結焦的原因。

設備健康情況：飛灰顆粒的冷卻過程取決于爐內總體溫度情況和水冷壁附近溫度情況，溫度越高結渣程度將按指數規律增長。水冷壁附近溫度分布除與爐膛火焰中心溫度、受熱面吸熱情況、燃燒器的著火點有關外，還與水冷壁表面的清潔度、火焰擴散角度有關。若水冷壁表面清潔度差附有灰、渣時，其表面溫度會急速上升。這將使得灰渣表面具有粘性，捕捉飛灰的能力增強；另一方面表面溫度升高降低了慣性輸運灰粒時的冷卻程度，因而使灰渣的集聚自動加劇，形成大面積的結焦。當燃燒器火焰的擴散角度過大，一方面會造成灰渣粒子受慣性動量的影響撞擊水冷壁面的幾率增加；另一方面也會使水冷壁附近溫度升高，降低了慣性輸運灰粒時的冷卻程度，因而使灰渣的集聚自動加劇，形成大面積的結焦。在鍋爐運行過程中吹灰不及時、不規范，鍋爐運行時間長，鍋爐停備時未對受熱面進行清理，都使受熱面的清潔程度下降。燃燒器在運行過程中產生擴錐變形、鼓包，穩燃齒變形、脫落等問題，會使燃燒器的擴散角度發生變化，進而形成結焦。

燃燒器的型式：隨著國家環保政策日趨嚴格，電站鍋爐基本都采用了低NOx 燃燒器技術，該技術特點是在燃燒器區域欠氧分級燃燒。欠氧燃燒時在爐內燃燒器區域處于還原性氣氛，分析表明，同一煤種的灰渣在還原性氣氛中灰分中高熔點的Fe3O4、Fe2O3會還原成低熔點的FeO，熔化溫度相差200～300℃。通常煤種的灰熔點是在實驗室富氧氣氛下化驗出來的，而在鍋爐運行時由于采用欠氧分級燃燒技術，其灰熔點隨著煤種中Fe 元素成分的增加而降低，因此煤種在實際運行中所表現出來的特性與在化驗室中表現出來的特性有所不同[4]。

3 鍋爐結焦的預防

加強燃煤管理。煤灰的成分和特性是影響鍋爐結焦的重要因素,電廠燃料供應時盡量選擇設計煤種或與設計煤種成分、特性相近的煤種。對于新進煤種應掌握其所有成分、特性，進行摻燒試燒試驗，通過試驗確定最佳最安全的摻燒比例。煤場存煤要按照不同煤質分堆存放，嚴禁混堆混存。上煤時應根據負荷情況、煤質情況及設備情況制定合理的上煤方案。每天應及時準確的提供入爐煤質情況供運行人員參考。當班運行人員應了解當班入爐煤質情況，根據煤質情況做好相應的事故預想，運行時實時掌握機組運行情況，發現異常情況及時進行處理。

合理控制運行氧量。通過控制一、二次風比例來控制鍋爐運行的氧量，通過控制爐膛氧量即可控制爐內是處于氧化還是還原性氣氛，這將對鍋爐的結焦有非常大的影響，如爐內運行氧量偏低爐內將處于還原性氣氛，灰熔點將會下降，鍋爐會很容易結焦。但增加氧量與控制鍋爐出口NOx 的和保證鍋爐經濟性相矛盾，鍋爐運行時的氧量控制要著眼于煤種燃燒時表現出的主要矛盾，綜合考慮經濟性、NOx、結焦等多方面因素，經過試驗選擇合理的氧量。

合理組織爐內燃燒。通過控制一、二次風的風門開度合理調配一、二次風的風速、風量以及鍋爐運行氧量，確保空氣和煤粉的良好混合，盡量避免水冷壁附近形成還原性氣氛，控制鍋爐的著火點、燃燒全過程的氧氣供給和擴散角度，防止火焰刷墻，在保證主參數合格情況下控制爐膛出口煙溫和受熱面壁面溫度。合理控制鍋爐負荷和每層燃燒器出力，防止鍋爐容積熱負荷和斷面熱負荷超限。控制煤粉細度和均勻性在合理范圍，防止出現慣性動量過大或局部熱負荷過高的現象出現。加強鍋爐吹灰，保證水冷壁壁面清潔程度。

加強設備維護。在鍋爐停備期間，組織清理鍋爐受熱壁面上的積灰、積渣，保證受熱壁面清潔程度。檢查鍋爐燃燒器燒損情況，修復或更換變形、損壞的擴錐、穩燃齒等部件，保證燃燒器的健康水平。加強對吹灰器的運行維護，保證吹灰器在運行中發揮作用。

提高協調控制系統的調節水平。在鍋爐變負荷過程中如協調控制系統跟蹤調整不及時，一、二次風量、風速和總風量未及時跟上燃料量的變化出現欠調或過調，就會在爐內形成還原性氣氛，降低爐內飛灰顆粒的灰熔點，增加結焦的幾率。