電廠摻燒高鈉煤結渣原因分析及解決措施

朱旭初

(國電科學技術研究院有限公司， 南京 210000)

電廠燃用高鈉煤時，鍋爐會出現受熱面沾污結渣的問題，嚴重影響鍋爐的正常運行[1]。受熱面沾污和結渣會引起受熱面傳熱條件惡化，降低鍋爐出力，嚴重時會引起超溫爆管事故，甚至導致鍋爐腔室通道堵塞而被迫停爐，同時清渣的工作也存在一定的危險性。

針對鍋爐的受熱面出現嚴重的沾污和結渣問題，筆者通過分析鍋爐受熱面沾污和結渣的原因，并提出解決措施，以改善爐內沾污結渣的情況。

1 結渣情況

1.1 設備概況

某電廠350 MW燃煤鍋爐為超臨界直流參數、四角切圓燃燒方式、Π形變壓直流鍋爐。主燃燒器布置在水冷壁四角，分離燃盡風(SOFA)燃燒器布置在主燃燒器區上方的水冷壁四角，以實現分級燃燒，降低氮氧化物(NOx)排放，采用風冷式干渣機系統。鍋爐將寧夏寧東煙煤作為設計煤種。

1.2 鍋爐結渣情況

在冬季供熱期間，1號、2號鍋爐受熱面相繼出現嚴重的沾污和結渣現象。1號鍋爐冷灰斗堵塞，水平煙道形成煙氣走廊，引風機不足以維持爐膛負壓，機組被迫停機清理；2號機組啟動運行3 d后，鍋爐受熱面也出現了較嚴重的沾污和結渣現象，水平煙道處結渣堆積較為嚴重，碎渣機頻繁跳閘，大量的渣塊、焦塊將冷灰斗堵塞。停爐后進入1號鍋爐內部，查看了各受熱面結焦情況。

圖1為1號鍋爐結渣現場照片(高溫再熱器簡稱高再、高溫過熱器簡稱高過)。高再管屏下部埋在厚渣層下，高再管屏迎風面幾乎被全部堵死，從上到下有10～20 cm厚的焦層(見圖1(a)和(b))；實地用錘頭敲擊焦層，焦層表層異常堅硬，極難清理，只能采用風鎬等工具緩慢進行清理，高再內部屏間也存在“搭橋”現象(見圖1(c))；高過上也有大面積的結渣和沾污(見圖1(d))，管屏間的縫隙未被全部堵塞，相對于高再受熱面，結渣程度稍輕，推測為高過處煙氣流速較高，煙氣攜帶灰渣的沖刷作用比高再處更加強烈，減弱了高過受熱面的結渣[2]；尾部煙道包墻處管屏較干凈(見圖1(e))，主要是煙氣攜帶灰渣在此處堆積沾污；水冷壁主燃燒區有輕微沾污，積灰自上層燃燒器向上逐漸變厚；燃盡區結渣嚴重，渣層厚度達到5 cm，導致水冷壁掉落焦塊(見圖1(f))。

圖1 1號鍋爐結渣的現場照片

圖2為2號鍋爐運行中水平煙道結渣堆積情況，受熱面沾污結渣非常嚴重。電廠安排24 h輪班、多工作面同時清理，用了15 d才基本清理完堆積的灰渣。大量堆積的灰渣增加了鍋爐的鋼架承重，給整個鍋爐本體的結構帶來安全隱患。

圖2 2號鍋爐水平煙道結渣情況

2 原因分析

1號鍋爐的結渣情況與高鈉煤燃燒導致的結渣情況非常相似，因此重點對電廠入爐的潞安新疆煤(A煤)、偉業哈密煤(B煤)、廣匯新疆煤(C煤)、靖遠煤(D煤)的煤灰進行特性分析，同時對1號鍋爐各部位的結渣進行取樣分析。對煤進行分析，得到設計煤種、A煤、B煤、C煤、D煤的收到基低位發熱量分別為19.78 MJ/kg、22.50 MJ/kg、21.07 MJ/kg、22.32 MJ/kg、17.82 MJ/kg。表1為煤灰的測試結果，其中：DT為變形溫度，ST為軟化溫度，FT為熔化溫度。

表1 煤灰的測試結果

2.1 煤灰特性分析

2.1.1 判別指標

根據NB/T 10127—2018《大型煤粉鍋爐爐膛及燃燒器性能設計規范》，采用灰熔融性判別法和結渣特性指數Rz判別法對結渣傾向進行判別，采用沾污特性指數Rf對沾污傾向進行判別[3]。結渣傾向和沾污傾向的判別指標及標準見表2。

表2 判別指標及標準

2.1.2 結渣傾向分析

結渣傾向的判別結果見表3。

表3 結渣傾向的判別結果

鍋爐在設計時為防止爐膛結焦，采用了較低功率的單個燃燒器，在主燃燒器上下方設有防焦風，同時采用相對較小的爐膛容積熱負荷，所以鍋爐在燃用設計煤種時未出現嚴重結渣的情況。但是，只從灰熔融性進行判別不能全面分析結渣的原因，只能將其作為結渣傾向的參考。通常結渣傾向嚴重的煤種，其沾污傾向未必嚴重；但沾污傾向嚴重的煤種，其結渣傾向通常較高[4]。因此，應綜合考慮結渣傾向和沾污傾向進行分析。

2.1.3 沾污傾向分析

煤灰沾污特性與煤灰中堿性氧化物，尤其是Na2O含量有很大關系。灰中的含鈉成分會與硅酸鹽反應形成易熔的共晶體，煤灰的初始燒結溫度越低，煤灰沾污特性越強。對于300 MW等級鍋爐，當煤灰中Na2O質量分數大于3%時，鍋爐將出現沾污結渣問題[5]。

B煤和C煤的煤灰中Na2O質量分數遠超設計煤種，且均大于3%，其中B煤的煤灰中Na2O質量分數高達19.15%，所以B煤和C煤可能有很高的沾污強度。沾污傾向的判別結果見表4。

表4 沾污傾向的判別結果

由表4可得：B煤與C煤的沾污特性指數明顯高于其他煤種，尤其是B煤的沾污特性指數是設計煤種的約20倍，D煤的沾污特性指數最低，Na2O含量是關鍵影響因素。B煤和C煤的沾污傾向嚴重，具有很高的沾污強度。沾污強度越高的煤種形成的結渣，靠吹灰等手段越難以清除。

2.1.4 綜合分析

綜合來看，B煤和C煤的結渣傾向和沾污傾向都很嚴重，尤其是B煤。該機組1號、2號鍋爐均在3 d內連續大量摻燒了B煤，摻燒比例(質量分數)最高達80%。在燃燒初期，受熱面沾污和結渣并不嚴重，但是B煤煤灰的Na2O含量非常高，使煤灰的軟化溫度大幅降低，高再入口處的煙氣溫度和流速易使飛灰發生冷凝沾污，形成大面積高沾污強度的沾污層；隨著時間的推移，鍋爐保持高負荷運行，飛灰不斷在沾污層積累，迅速生成結渣層；同時，水冷壁上熔融狀態的灰渣也不斷沉積，大量的焦塊掉落，造成渣井堵塞。雖然在后續運行中對1號鍋爐采取了一些措施，但是由于缺少觀察位置，未能及時發現水平煙道的結渣情況，同時摻燒的A煤、C煤的結渣傾向和沾污傾向也偏強，造成沾污層逐漸變厚，直至水平煙道形成煙氣走廊，進而導致1號機組被迫停機。

2.2 渣樣分析

2.2.1 渣樣形貌分析

圖3為1號沿煙氣流程方向鍋爐各受熱面的渣樣(低溫過熱器簡稱低過、低溫再熱器簡稱低再)。鍋爐各個受熱面處渣樣的表面和斷面的顏色、結構形狀各不相同，具體表現為：水冷壁處渣樣呈焦黑塊狀；高再處渣樣呈暗灰色塊狀；高再處渣樣呈暗紅色疏松塊狀；高再水平煙道處渣樣表面微紅、呈致密塊狀；低過水平段渣樣呈暗紅色塊狀；低再水平段渣樣呈微黃疏松塊狀。

圖3 各受熱面渣樣

2.2.2 渣樣元素分析

對各受熱面的渣樣進行能譜元素分析，圖4為1號鍋爐各受熱面渣樣的元素分布。

圖4 各受熱面渣樣的元素分布

由圖4可得：各受熱面的渣樣中均有一定量Na、K發生沉積，水冷壁渣樣中堿金屬元素的含量最低，末級再熱器渣樣中堿金屬元素的含量最高。這是由于在爐膛高溫區域，Na直接升華為氣態的Na或Na2O，而這些氣態微米級的Na及Na2O在600～800 ℃易發生冷凝，并進一步捕捉煙氣中的SO2、SO3、CaO、Fe2O3等氧化物，形成Na2SO4、CaSO4等物質，使該處灰渣具有很強的沾污特性[6]。

高再區域的溫度為650～820 ℃，氣態Na及Na2O易在該溫度發生冷凝；發生嚴重結渣后，沿煙氣流動方向的煙氣溫度整體上升(見表5)。在燃用B煤后，高再區域形成大面積高沾污強度的沾污層，并且會不斷捕捉煙氣中的顆粒物生成沉積物，最終形成密實的渣塊，這屬于典型的高溫沾污現象[7]；熔融狀態的灰渣沿著水冷壁往下流，在高溫區域形成了高溫結焦，吹灰后結焦掉落冷卻，形成堅硬、焦黑、致密的焦塊進而堵塞渣斗。

表5 結渣前后煙氣溫度分布

3 解決措施

針對2號鍋爐嚴重結渣的問題，提出以下解決措施：

(1) 調整入爐煤種。D煤的軟化溫度相對較高，堿金屬元素含量低，結渣傾向輕微，沾污傾向弱于設計煤種，但灰分含量較高；A煤的結渣特性和沾污特性與設計煤種接近；B煤和C煤的結渣傾向和沾污傾向非常強。因此，在2號鍋爐調整期間，入爐煤種以A煤、D煤為主，以防止持續產生大量結渣。

(2) 加強在線清渣(焦)。通過增加吹灰頻率和控制機組在175～250 MW進行負荷變動，使爐內的渣(焦)塊掉落，并加強對爐底的大塊渣(焦)塊的清理，逐漸減輕爐內結渣和沾污狀況，直至各受熱面吸熱及鍋爐燃燒基本恢復正常。

(3) 控制爐膛出口煙氣溫度。通過控制清渣(焦)時的漏風、調整配風、降低負荷、提高風粉溫度、保證煤粉細度等措施降低火焰中心，進而控制爐膛出口煙氣溫度。當爐膛出口煙氣溫度高于800 ℃時，水平煙道的灰渣沉積高度仍在增加；當爐膛出口煙氣溫度低于800 ℃時，水平煙道的的灰渣沉積高度不再增加。

圖5為調整后水平煙道的積渣情況，渣的堆積較調整前減少；同時，受熱面的沾污情況不斷改善，在煙氣的不斷沖刷下，堆積的灰渣和受熱面的沾污不斷減少，最終維持在理想的高度。在清理渣塊、焦塊的同時，主要通過調整入爐煤種、控制鍋爐負荷、優化吹灰、控制爐膛出口煙氣溫度等措施來防止鍋爐產生大量結渣，最終保證了鍋爐的安全運行。

圖5 水平煙道積渣情況

4 結語

筆者通過取樣分析與測試計算，分析得到了該電廠鍋爐發生嚴重沾污、結渣問題的主要原因為：鍋爐大量摻燒高鈉煤，形成大面積高沾污強度的沾污層，沾污層不斷捕捉煙氣中的顆粒，進而造成非常嚴重的沾污和結渣。針對性地提出了調整入爐煤種、加強在線清渣(焦)、控制爐膛出口煙氣溫度等防治措施，使結渣問題得到較好的解決，相關經驗可為電廠解決同類問題提供參考。