塔式鍋爐燃燒塔爾煤結焦渣原因分析及處理建議

山東電力建設第三工程有限公司 劉中博 柳振波

近年來，隨著巴基斯坦電力建設逐步展開，一批火電機組逐步建設投運，其中包括330MW流化床機組、660MWΠ型爐、660MW塔式爐等。關于燃燒的煤種主要包括進口印尼褐煤、巴基斯坦當地褐煤（塔爾褐煤）。隨著巴基斯坦國家政策的進一步落實，燃燒當地塔爾煤的要求越來越嚴格，各個電廠也在逐步開始燃燒當地塔爾褐煤，隨之也出現了一些問題，主要是塔爾煤結焦的問題，難以徹底解決。

本項目設計為1×660MW燃煤機組，鍋爐為超臨界參數、一次中間再熱、單爐膛平衡通風、采用八角切圓燃燒方式、鍋爐房露天布置、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構塔式鍋爐。制粉系統形式：三介質風扇磨煤機直吹式制粉系統；鍋爐底部設置左右對稱傾斜燃盡爐排，水冷壁區域設置水力吹灰器，其他區域設置蒸汽吹灰器。設計煤質為褐煤，包括印尼進口煤和巴基斯坦當地褐煤（塔爾煤礦），目前機組已經投入商業運行。

1 原因分析

1.1 問題說明

在機組試運行期間，當燃燒進口印尼褐煤時，鍋爐能夠正常運行且沒有任何焦渣，而在燃燒當地塔爾煤時就會出現嚴重的爐內結焦渣問題，結焦渣區域包括整個爐膛含燃燒器區域及冷灰斗區域，過熱器前排也發生了輕微結焦，也就是說，本項目鍋爐從冷灰斗至過熱器前排均存在不同程度結焦（渣），屬于典型的整個爐膛全面性結焦類型，鍋爐結焦渣問題直接影響著鍋爐的安全穩定運行。結焦渣情況如圖1至圖2所示。當爐內出現大塊的渣不能在渣井出口處被破碎時，就會在渣井或干渣機出口碎渣機處發生堵塞，長時間不能人工干預疏通堵塞的情況下，最終會導致停爐，給機組運行造成極大隱患。

圖1 冷灰斗聚集大厚渣

圖2 后墻冷灰斗整體結渣

針對鍋爐出現的燃燒塔爾煤大面積結焦渣的問題，根據觀察到的現象從鍋爐結構設計、燃燒調整、設備運行等幾個方面進行了分析和現場調整試驗，試圖從根本上解決塔爾煤的結焦渣問題。

1.2 冷灰斗結渣

利用停機機會對鍋爐結焦情況進行了全面檢查，結渣情況可從上述圖中可見，圖示為爐后冷灰斗區域結渣情況，而前墻冷灰斗中間區域則結渣較少。綜合分析來看，爐內火焰發生偏斜，且冷灰斗區域結焦渣存在相對獨立性，是造成渣井堵塞的根源。冷灰斗結焦渣的根本原因是：噴燃器與冷灰斗設計距離過小造成冷灰斗形成了高溫區域而結渣，與噴燃器區域配風無直接因果關系。爐內火焰切圓偏斜可通過燃燒調整來糾偏，但噴燃器與冷灰斗設計距離過小的缺陷，難以改造直接根除，只能通過其他方式減少影響[1]。

1.3 爐內整體結渣

鍋爐從冷灰斗至過熱器前排均存在不同程度結焦渣，屬于典型的整個爐膛全面性結焦類型，整體上看，鍋爐負荷越高，結焦的高度越高，超負荷、滿負荷結焦位置已經到了過熱器。對于爐內整體結焦，分析主要原因在于塔爾煤種的嚴重結渣特性、爐內整體溫度較高而導致。塔爾煤的結焦嚴重的特性，與國內的新疆準東煤特性極為類似，只能從設計選型、燃燒調整上來綜合考慮；爐內整體溫度高的問題，可從燃燒調整上得到總體控制。而現階段，鍋爐型式無法改變，混煤燃燒業主也不同意，只能從燃燒調整上進行最大可能的控制。通過火焰電視觀察到的爐內結焦渣情況，如圖3所示。可以看到爐后冷灰斗結焦渣較多，火焰電視處因空氣泄漏冷卻，結焦渣也較多[2]。

圖3 爐內結渣情況

1.4 鍋爐降負荷期間結渣掉落數量多

由于機組調整運行期間在當地的冬季，電廠的負荷情況基本上是白天、前半夜滿負荷，后半夜50%負荷，夜間減負荷幅度大、速度快，短時間落渣量極大，大多數時間內排渣順利，少數時間在渣井格柵板上方積累一些較大焦塊，需要利用擠壓頭破碎。即使渣塊順利通過了渣井格柵板（孔尺寸為270mm×281mm），但是如果焦塊尺寸較大且硬的話，碎渣機無法快速完成破碎處理，導致碎渣機電機與負載銷軸斷裂，就只能利用除渣系統旁路就地排渣。分析原因主要在于爐內結渣量大，吹灰器不能全部清除，結渣均附著在受熱面上，當負荷降低，受熱面溫度降低發生收縮變形，結渣便直接脫落，整個受熱面同時變形，則造成落渣量大的問題。爐內局部溫度高則會造成結渣熔融，較大渣塊冷卻后變硬，碎渣機無法破碎，導致干渣機旁路開啟就地排渣，如圖4所示。

圖4 硬塊堵塞后就地排渣

1.5 吹灰器吹掃覆蓋面不到位

機組運行及檢查過程中，發現爐內部分受熱面產生的結渣不能全部被水力吹灰器吹掃，部分位置運行中會造成大渣塊產生，直至自行脫落，存在大渣塊堵塞渣井的風險。該問題主要存在在設備調試階段，需要注意水力吹灰器吹掃曲線與實際爐內的一一對應情況[3]。

1.6 煤質的影響

總體上，在整個塔爾煤燃燒調整試驗期間，業主按照接近PC煤質進行了塔爾煤采購，但經現場煤質化驗，煤質在工業分析、元素分析、灰分分析、熱值等均偏離PC煤質，按照外方的設計標準，塔爾煤屬于嚴重結渣、嚴重沾污的煤種，需要重點考慮結渣和沾污的應對措施。從外方的設計上來看除了吹力吹灰器的設計之外，對避免塔爾煤嚴重結渣和沾污的特性沒有作詳細的說明。

在灰熔點溫度上不同批次煤質差別較大，有的煤質DT為1120℃，而有的DT為1340℃，差異較大，部分煤質ST（1140℃）與DT（1130℃）之間非常接近，這對于鍋爐燃燒調整來說非常不利，在煤質灰熔點溫度不知情的情況下，很容易造成鍋爐結渣。

1.7 燃燒過程風粉控制措施不足

外方鍋爐二次風不設計調門、磨煤機出口上下粉管不設計風速測量裝置，減弱了的配風調整的靈活性，增加了燃燒調整的難度。

1.8 燃燒器設計參數選取不當

外方鍋爐燃燒器區壁面熱負荷設計取值為2.297MW/m2，按照國內規范褐煤范圍為1.0～1.3MW/m2，明顯外方燃燒器取值過大。如此燃燒器設計，即使對于高灰熔點煤質（DT1340℃）也難以避免燃燒器區域結焦（渣）。由于燃燒器屬于外方的典型設計，對于塔爾煤種的具體適應性，設備選型期間沒有進行相關的燃燒試驗進行驗證。

1.9 灰斗保溫澆注料的設計容易造成結渣聚集

鍋爐冷灰斗在四個角部設計的保溫澆注料區域不一致，1、2號角與5、6號角一致，澆注料面積較大，容易形成結渣堆積。存在問題的是：對于以上涉及外方鍋爐存在的問題，在調試過程中均與外方進行溝通，外方答復這屬于外方褐煤鍋爐的典型經驗設計，不予調整和變更。

2 處理方案

由于本項目涉及外方的鍋爐設計以及業主的合同關閉問題，尤其是塔爾煤的結渣嚴重的特性，只能從盡快關閉合同的角度來考慮相關燃燒調整措施。

2.1 針對冷灰斗區域的結焦

一是減少下層粉管粉量，減少高溫火焰對冷灰斗的影響；二是增加下層二次風量，增強對冷灰斗的冷卻；三是降低磨轉速，防止火焰氣流在中心形成的激烈碰撞下竄；四是優化冷灰斗區域水吹曲線，消除未覆蓋區域。

2.2 針對爐內整體結焦渣問題

上述采取的措施降低了冷灰斗區域的溫度，但理論上也提高了上部區域的燃燒份額，需要綜合考慮，上、下兼顧，采取的主要措施如下：考慮冷灰斗區域已經安全，對相應執行的措施進行回調，適當降低爐膛上部區域的燃燒份額，冷灰斗溫度可能小幅度增加，尋找上、下能量分布的平衡；增加冷煙風量，提高對流換熱比例，降低輻射換熱比重，整體上降低爐膛上部區域溫度；對上部區域的水吹曲線進行全面優化，更換更合適的槍頭，根據負荷分布制定科學的水吹范圍，全面吹灰改為“精準吹灰”。

2.3 針對鍋爐降負荷期間結渣掉落數量多的問題

針對塔爾煤的結渣煤種，在燃燒調整完成后，結渣數量也是一定的，在吹灰器正常吹掃的基礎上，受熱面上殘留的焦渣基本會達到平衡。當突然出現負荷降低，受熱面發生較大的收縮變形，勢必會造成結渣大量脫落，這個現象從根本上無法避免，在除渣設備不能提前考慮增大選型的基礎下，只能加強運行監控，避免大量落渣堵塞排渣系統。如果發生大塊渣堵塞渣井，則采取手動捅碎的方式處理。

2.4 針對煤質的影響

塔爾煤結渣的特性是無法改變的，在鍋爐選型已經無法更改的基礎上，燃燒調整也無實際效果的情況下，建議業主盡量按照接近PC煤質進行塔爾煤采購，盡量改善煤質，減少結渣的形成。尤其要注意堿金屬含量的控制，按照國內新疆準東煤質的燃燒經驗，氧化鈉等堿金屬含量越多，對受熱面的沾污越厲害，鍋爐的性能也就越難以保證。在煤質灰熔點溫度上也應盡量提高，以免爐在煤質灰熔點溫度不知情的情況下，爐膛超溫很容易造成鍋爐結渣。

2.5 吹灰器吹掃覆蓋面不到位

機組運行及檢查過程中，特別關注水力吹灰的供水壓力，避免壓力不足導致吹掃效果不好。當更換水槍噴嘴管徑時，應同時調整水力吹灰器的吹掃曲線，確保整個受熱面能夠被覆蓋到。

2.6 關于鍋爐本體的設計缺陷

諸如爐膛結構設置不合理問題、燃燒器設計參數選取不當問題、灰斗保溫澆注料的設計容易造成結渣聚集問題，現階段都無法從根本上解決，只能從燃燒調整，爐膛溫度控制，爐內結渣監視等方面來降低結渣的風險，避免造成大渣塊堵塞渣井和碎渣機。

2.7 關于燃燒過程風粉控制措施不足的問題

原鍋爐二次風不設計調門、磨煤機出口上下粉管不設計風速測量裝置，減弱了的配風調整的靈活性，增加了燃燒調整的難度。在實際燃燒調整的過程中，首先要確保一定期間內煤種的變化較少，然后依據實際調整效果確定二次風門的開度比例，然后維持不變。當煤種發生變化時，務必也做相應調整。

3 建議

本項目鍋爐設置了爐底燃盡爐排，但在實際運行中爐排的燃盡效果不明顯，爐排上基本無灰渣累積，導致該處的爐排風無法發揮作用，建議后續類似鍋爐選型取消燃盡爐排的設計；關于燃燒器二次風門的設計，后續類似項目務必要增加二次風調門的設計，否則，整個燃燒器就不能進行燃燒微調。當然，這與燃燒器的整體設計與調節原則有關系，在煤種無法確保一定不變的情況下，還是應保證燃燒器的可調節性。自動化的單一設計，難以適應任何電廠的煤種變化。

關于煤質對應的鍋爐選型問題，首先要確保煤質的一致性，兩種煤質的結渣特性要確保一致，否則就無法在燃燒器結構設計、爐膛設計、煙風配置上確保有效性；在煤質的選擇上，盡量避免100%燃燒結渣煤種，結渣嚴重的煤種對受熱面的腐蝕是無法預測的，增加的水力吹灰器對受熱面的壽命影響到目前還沒有明確的標準依據，建議盡量采用摻煤等措施，降低煤種的結渣特性；在結渣特性嚴重的爐型中，關于除渣形式（濕式與干式除渣）的選擇建議充分考慮，選擇干式除渣，則對碎渣機的設計應加強，避免因破碎不了而頻繁開啟排渣旁路，導致現場輸渣困難。