330MW四角切圓燃煤鍋爐結焦原因分析及應對措施

國能承德熱電有限責任公司 石建良

燃煤鍋爐結焦是影響燃煤電廠平穩安全運行的主要因素，受限于地理、交通運輸條件等因素，我國眾多燃煤電廠長期采用多種品質不一、煤質嚴重偏離設計煤種的配煤方式。由于煤種復雜多變、煤質下降，鍋爐受熱面很容易出現結渣，再加上現場運行人員對燃煤鍋爐爐膛內的燃燒狀態了解不足，在運行時憑經驗進行配煤方式及配風方式的調整，從而導致鍋爐受熱面的結渣加劇，嚴重危害了鍋爐的安全穩定運行。

燃煤鍋爐結焦會影響爐內正常的燃燒工況，增大鍋爐排煙熱損失、降低效率，結焦嚴重時需要停爐檢修，嚴重影響電網的經濟性與安全運行[1]。同時由于煤炭市場供應的日益緊張，為降低運行成本，越來越多的燃煤電廠選擇摻燒偏離設計煤種的高灰分煤，進一步加劇了爐內結焦現象[2]。因此需對電廠的結焦原因進行分析，根據結焦原因進一步提出防范措施，保證燃煤電廠的安全平穩高效運行。

1 設備概況及煤質參數

本文的研究對象為某電廠1號機組鍋爐，該鍋爐為上海鍋爐有限公司制造的亞臨界壓力、一次中間再熱、單爐膛四角切圓、自然循環、平衡通風鍋爐，爐膛寬14022mm、深13640mm、高65500mm，四角對稱、交叉布置5層一次風、6層二次風噴口，在爐膛上部布置4層分離燃盡風噴口。鍋爐采用正壓直吹式制粉系統，配置五臺中速磨，燃燒器四角布置，切圓燃燒。鍋爐在最大連續出力負荷工況（BMCR）、額定負荷工況（BRL）、75%熱耗率驗收工況（75%THA）以及50%熱耗率驗收工況（50%THA）下的設計參數如表1。鍋爐的運行方式為能帶動基本負荷，并具有一定的負荷調峰能力。

表1 鍋爐主要設計參數

煤質成分是決定爐內組分分布、溫度水平和導致爐膛受熱面結焦的重要原因，充分了解現場所用煤種及煤種之間的摻混方式是保證數值計算準確性的基礎。該電廠使用煤種較多、煤種復雜、煤灰含量多、熱值高低不一，現將測得的各層燃燒器混煤特性數據列于表2。

表2 各層燃燒器混煤特性分析

通常根據煤灰程度、煤種中各成分含量多少、煤種的低位發熱量等來進行煤種分類，根據現場煤灰取樣所測得的數據（元素分析、工業分析及熱值），參照我國工業鍋爐中的煤種分類方式，可將電廠實際所用煤種大致分為劣質煤、一般煤、優質煤。

2 結焦概況及結焦原因分析

自該電廠摻燒高灰分、低熱值煤后，機組鍋爐在運行時存在爐膛及過熱器、再熱器區域結焦問題，結焦區域分布于前后墻、側墻水冷壁以及屏式再熱器，且水冷壁中部結焦較為嚴重，結焦面積較大，并數次出現掉焦現象。鍋爐共五層燃燒器，除第二層外其余各層均存在較為嚴重的結焦現象，且噴嘴附近結焦嚴重，對氣流形成切圓動力場有較為嚴重的影響。電廠運行過程中數次發生焦塊掉落情況，造成較大的安全隱患并且導致低負荷工況下燃燒不穩定。同時結焦還導致鍋爐排煙溫度高于設定值，造成排煙熱損失增加。由于結焦較為嚴重，鍋爐數次進行停爐檢修，對電廠的平穩運行產生了較大影響，據粗略估計，因清焦進行一次停爐檢修電廠將損失數百萬元，因此預防或減輕爐內結渣狀況是燃煤機組亟須解決的一大難題。

造成結焦的根本原因是當爐內溫度高于灰熔點時，灰融化并沉積在水冷壁過熱器等受熱面，可見爐內溫度對于結焦有很大的影響。此外，當煙氣中含有H2S、CO 等還原性氣體時結焦程度也會增大[3]，這是因為還原性氣體可將灰分中熔點較高的Fe2O3還原為熔點較低的FeO。因此，影響爐內溫度和還原性氣體分布的參數都將對鍋爐結焦產生影響。導致爐內結焦的因素很多，包括一次風、二次風風速、比例，過量空氣系數，燃燒器擺角，煤種摻混比例等。對于實際運行中的鍋爐來說，受熱面結焦狀況的嚴重程度與配風運行參數及配煤運行參數的關系最大。針對該電廠鍋爐，主要從煤質和操作兩個方面分析結焦原因。

2.1 煤質因素的影響

由于受到煤炭價格波動等其他方面的影響，一號機組實際用煤與設計煤種和校核煤種有較大差異，由表2可知，在B 層到E 層燃燒器的實際用煤的灰分含量相較于設計煤種和校核煤種（19.67%和16.87%）均高于10%。灰分含量越高燃燒后灰量越多，在高溫下結焦的面積和程度也就越大[4]。

除煤種灰分含量外，煤種熱值的高低同樣會影響爐膛結焦。由表2可知，每一層燃燒器所用煤種的熱值均低于設計煤種和校核煤種熱值（23641kJ·kg-1和19669kJ·kg-1）25%以上。根據設計參數，1號機組在BMCR 工況下燃料消耗量為131.6t/h。然而根據現場實測數據，在負荷為329MW 時實際耗煤量達到了188t/h，相比設計工況高出了37%。在相同負荷時耗煤量更大，燃燒后產生的灰量也就更多，加劇了結焦現象。

除了以上兩種原因外，灰熔點的高低對于結焦也有重要影響。研究表明，灰熔點越高灰融化沉積在受熱面的可能性就越小，進而結焦的可能性就越低[5]。因此對1號機組煤粉燃燒后生成的灰渣熔點進行分析。分析發現灰分的熔點均在1335℃以上，均高于設計煤種和校核煤種（1190℃和1160℃）。使用的煤種灰分熔點較高，然而卻產生了較為嚴重的結焦問題，可見除煤質的影響，操作參數也對機組結焦產生了影響，導致爐內的燃燒動力場并未達到理想情況。

2.2 操作因素的影響

配風比例、配風均勻性和燃燒器擺角對于良好的燃燒動力場形成有著至關重要的影響，進一步影響結焦程度。倘若組織不合理造成燃燒器噴口處積灰結焦，進一步破壞燃燒動力場，導致高溫處結焦加劇，造成惡性循環。

一次風、二次風分布比例對于燃燒工況至關重要。通過DCS 系統獲得某一時刻323MW 時的一、二次風量和占比：該工況下，總風量為865.6t/h，其中一次風總量為401.6t/h，占總風量的46.4%、接近50%，，相比于設計工況20.7%的一次風率相差較大。一方面，一次風占比過大導致煤粉進入爐膛初期著火困難，爐膛下半部溫度較低，火焰重心上移，火焰拉長，爐膛上部燃燒較為劇烈，爐膛出口煙氣溫度高于設計值，造成過熱器和再熱器結焦，同時增大了排煙熱損失；另一方面，一次風量過大導致二次風量減少，煤粉得不到充分燃燒所需要的氧氣，無法形成穩定的燃燒。同時，一次風量大導致煤粉顆粒的初速度較大，未燃物沖刷受熱面的機會增大，增大了水冷壁發生結焦的可能性。

除配風比例外，每一層一二次風分布均勻性同樣會影響結焦程度。同樣以上述工況為例，研究一次風各個角風量均勻性對于結焦的影響。在該工況下，現場實際測得的A 層燃燒器1、2、3、4各角風速分別為30.6m/s、60m/s、26m/s 和52m/s，而在設計參數下，一次風速僅為27.4m/s，與實際相差較大。因為風速相差較大導致各個角的煤粉速度不一致，在爐膛內形成濃煤區和淡煤區，進一步產生局部高溫區和局部低溫區，燃燒工況不理想。此外，在風速較大的氣流影響下，風速較低的氣流會發生偏斜，造成煤粉貼壁燃燒，使得水冷壁結焦。

在實際操作中，也會通過改變噴嘴豎直角度來調整燃燒動力場。在噴嘴上揚時，顆粒上升速度提高、停留時間縮短，在爐膛中下部的燃燒不完全，在爐膛上部靠近過熱器區域進行燃燒，火焰重心上移，造成過熱器再熱器溫度提高，增加了結焦的可能性。同時，由于火焰中心上移、未燃盡顆粒量增加，在爐膛上部高溫的作用下，未燃盡炭中的灰分變為熔融狀態，沉積黏附在上部過熱器再熱器水冷壁上，進一步加劇結焦的風險。

綜上，為保證爐膛內煤粉的穩定燃燒，防止因煤質因素和操作因素造成結焦現象，需對該機組鍋爐提出相應調整。

3 防結焦應對措施

調整一次風速。在315MW 負荷下，通過調整風門開度實現對一次風速進行調整，研究在兩種不同一次風速（33m/s、23m/s）下爐膛內溫度、組分分布情況，進一步推斷對結焦的影響。通過現場測量發現，相比于低一次風速，高一次風速下的爐膛內火焰高溫區高度明顯更高，這表明高一次風速推遲了煤粉的燃燒，導致火焰的上移，容易造成過熱器與再熱器結焦。同時低一次風速工況下的水冷壁周圍CO 含量較低，有利于防止水冷壁發生結焦。因此為保證火焰中心不被抬高，一次風速不宜過大。

調整過量空氣系數。過量空氣系數是實際提供的空氣量與煤粉燃燒實際需要的空氣量之比。過量空氣系數是影響爐內空氣動力場和燃燒穩定性的重要因素。當過量空氣系數過小時，煤粉燃燒得不到充足的氧氣，造成煤粉缺氧燃燒，燃燒生成CO、H2S 等還原性氣體，加劇壁面的結焦。過小的過量空氣系數還有可能造成空氣煤粉混合不充分，造成燃燒不穩定；當過量空氣系數過大時氣速過高，爐膛尾部煙道煙氣殘余旋轉較強，煙氣速度偏差較大，從而造成鍋爐受熱面結焦加劇。同時過量空氣系數過大還會使得進入鍋爐的低溫煙氣質量增加，降低了燃燒系統的溫度，延遲燃料的著火。針對1號機組鍋爐，當負荷在297MW 附近時，應選取過量空氣系數為1.25，此時燃燒穩定，爐膛下部區域的CO生成量較少。

調整配煤方式。由以上小節可知，通過調整配風方式可以改善燃燒動力場，使煤粉和氣流混合均勻，火焰中心位于爐膛中部，減少氣流和顆粒對水冷壁的沖刷，從而減小結焦的危害。然而影響結焦的首要因素仍然是煤質的自身特點，不同煤種在不同的配煤方式下，爐內的溫度場組分場都存在差異，從而造成不同的結焦現象。因此要結合電廠實際用煤的性質，通過合理的配煤減輕受熱面的結焦。在復雜燃料下，通常采用爐內摻混（即不同燃燒器層送入的煤種單一，各層燃燒器的煤種進入爐膛內部摻混）和爐外摻混（即煤粉顆粒在進入爐膛之前摻混）。

通過現場研究發現，對于該電廠鍋爐，下兩層（即A、B 層）煤質對中下部水冷壁影響較大，因此A、B 兩層燃燒器應燃用低灰分高熱值的優質煤降低結焦風險。

綜上，本文首先介紹了某電廠1號機組結焦概況，并從煤質和操作分析了受熱面結焦原因，影響因素包括：煤種灰分含量、煤種熱值、煤種灰分熔點、配風比例、配風均勻性和噴嘴豎直角度等。針對影響結焦的因素，提出了如下防結焦應對措施。

調整一次風速：降低一次風速可以使燃燒中心下移，防止氣流偏斜沖刷水冷壁，降低受熱面結焦風險；調整過量空氣系數：適宜的過量空氣系數可以使煤粉與空氣充分混合，穩定燃燒，能提供充足的氧氣使煤粉充分燃燒，降低壁面區域CO、H2S 等還原性氣體含量，防止結焦發生；調整配煤方式：在復雜燃料條件下，電廠鍋爐通常采用爐內摻混和爐外摻混兩種配煤方式。針對該鍋爐，下兩層燃燒器應燃用低灰分高熱值煤種，降低結焦風險。