三废混燃流化床锅炉结焦的原因分析及预防措施

高 红 邓洪远

(安徽三星化工有限责任公司 安徽涡阳233610)

0 前言

安徽三星化工有限公司(以下简称三星化工公司)目前具备200 kt/a合成氨、330 kt/a尿素和100 kt/a联产甲醇生产能力，共有18台造气炉(4台Φ3 600 mm和14台Φ2 600 mm/Φ2 800 mm锥形炉)。2004年建成1套Φ7 500 mm联产热电的3.85 MPa，35 t/h的吹风气系统，以回收4台Φ3 600 mm 及3台Φ2 600 mm造气炉的吹风气；2008年底扩产改造时，增加了6台Φ2 800 mm锥形炉，故吹风气气量增多，造成资源浪费和环保压力增大。根据三星化工公司的生产负荷，经论证，决定新增1套60 t/h，3.85 MPa三废余热回收装置，并入发电系统，不仅可节约能源、保护环境，而且能取得经济和社会效益。

1 工艺流程

1.1 烟气流程

造气产生的废渣、废灰、废气和提氢后的合成放空气及部分无烟煤末，同时在混燃炉内燃烧，产生的高温烟气经组合式除尘器除尘后，依次进入蒸汽过热器、余热锅炉、省煤器、空气预热器、静电除尘器，达到环保排放指标的烟气由引风机送入烟囱放空。组合式除尘器的细灰由下部水封排出。

1.2 汽水流程

来自锅炉岗位的除盐除氧水经给水泵提压后进入省煤器换热，换热后进余热锅炉对流管束换热汽化，再经锅筒汽水分离，饱和蒸汽经蒸汽过热器过热，由主汽阀输出，供汽轮机使用。

2 锅炉结焦的主要原因

2.1 煤质特性

结焦的先决条件是煤中的灰熔化，而各种不同的煤，其灰的熔化温度相差很大，此温度又称灰熔点。煤的灰熔点有3个特性温度，即变形温度(DT)、软化温度(ST)及流动温度(FT)，煤质的结焦性一般以ST作为评价指标。

煤中灰分(以下简称煤灰)的熔融性是判断锅炉结焦的主要因素之一。实际上，影响煤灰熔融性的因素是多方面的。

(1)煤的化学组成，即酸性氧化物(如SiO2，Al2O3和TiO3等)和碱性氧化物(如Fe2O3，CaO，MgO，Na2O和K2O等)。煤灰中酸性组分增加，会使灰熔点提高，当酸性组分超过80%～85%(质量分数，下同)时，煤灰往往是难熔的；相反，煤灰中碱性金属氧化物增加，则会使灰熔点下降。实际上，煤灰是多种化合物的混合物，在燃烧时将结合为熔点更低的共晶体。

(2)煤灰周围介质的性质对煤灰的熔融性有较大的影响。当煤处于氧化性介质中时，煤灰中的铁呈氧化状态(Fe2O3)，熔点较高。但在还原性和半还原性气氛中，Fe2O3可被还原为FeO，并可能与其他氧化物形成共熔体，熔点随铁量的增加而迅速下降。因此，煤灰周围的介质不同，会使煤的灰熔点升高或降低200～300 ℃。

(3)灰熔点还与煤灰的含量有关，在其他条件相同的情况下，煤灰含量不同，灰熔点也会发生变化。这是因为在加热过程中，煤灰中各组分相互接触越频繁，产生化合、分解、助熔的机会也越多，则降低灰熔点的可能性也越大。

在实际运行中，可根据灰渣的颜色判断熔融性。灰渣越红，表示其中Fe2O3含量越高，灰熔融性越低，一般灰渣红色较明显时的ST<1 350 ℃；若灰渣呈白色，ST>1 250 ℃；煤灰中CaO达到20%(质量分数，下同)时，则ST通常在1 250 ℃左右，有的甚至低于1 150 ℃。

煤的ST随着其中的Al2O3含量增加而升高：Al2O3>20%(质量分数，下同)时，ST>1 250 ℃；Al2O3>30%时，ST>1 350 ℃；Al2O3>45%时，ST>1 400 ℃。

煤灰中的SiO2能与灰中其他组分共熔而使灰熔点降低，SiO2>40%(质量分数，下同)时，由于灰中已存在部分SiO2单体，会使ST升高约100 ℃；SiO2在40%～60%时，SiO2对ST影响不明显。

由于煤灰中的CaO与SiO2可形成低熔点的硅酸盐，从而使灰熔点降低。CaO>35%时，由于出现单体CaO，使灰熔点升高；MgO，TiO3，K2O和Na2O都是降低熔点的组分，但它们的含量较少，影响也较小。

煤灰中的Fe2O3是能降低灰熔点的组分，灰中的铁，由于在不同气氛下的存在形态不同，所以ST也不同。在强还原性气氛下，灰中的铁以元素形态存在，其ST为1 530 ℃左右；在强氧化气氛下，铁以Fe2O3的形态存在，ST为1 560 ℃左右；在弱还原性气氛下，以FeO存在，ST为1 420 ℃左右。当煤灰中Fe2O3<20%(质量分数，下同)时，每增加1% Fe2O3，ST降低18 ℃。

根据上述关系，一般可作如下判断：Al2O3/(CaO +Fe2O3)(质量比，下同)>4.0的煤，ST>1 400 ℃；Al2O3/(CaO +Fe2O3)>5.7的煤，ST>1 500 ℃；Al2O3/(CaO +Fe2O3)<1.0的煤，ST<1 300 ℃。

2.2 炉膛内温度

炉膛内温度越高，飞灰就越容易达到软化状态或熔融状态，产生结焦的可能性也越大；另外，煤粉中易挥发的物质气化越强烈越易结焦。具体表现：①炉膛内温度高，将使煤中一些易挥发的碱性氧化物气化或升华(1 400 ℃以上)，使碱金属化合物在受热面上凝结而形成致密的强黏结性的灰；②在初始灰层中形成产生低熔点复合硫酸盐反应的条件，能使含有碱性化合物的积灰外表层黏结性增强，加速积灰过程；③煤灰呈熔化或半熔化状态时，熔融灰会直接黏在受热面上，形成严重的结渣层。

若流化床层温度(简称床温)低于800 ℃，虽采取了增煤、减风措施，床温仍然下降，锅炉有熄火的可能。此时需注意空气富余量，如果富余量偏大，应进一步减少空气加入量，但要保持正常流化；如果富余量偏小，应立即停止加煤，适当增大空气加入量；如床温仍然下降并低于600 ℃，可投油枪助燃，并密切注意床温变化，如床温急剧升高并超过700 ℃，可停油枪；如床温超过1 050 ℃，虽然加大了空气量，床温仍急剧升高，应立即停炉；如床温达1 100 ℃，采取加风、减煤措施后，床温仍继续上升，应停炉并关严所有排烟阀，待床温降低后，检查床内结焦状况，如焦块多，应清除焦块并重新更换底料后再重新启动锅炉。

2.3 锅炉内空气动力场

三星化工公司的三废混燃流化床锅炉由于风帽安装角度不正和配风不合理，导致锅炉内空气动力场不良，造成偏离燃烧中心，使高温烟气冲刷水冷壁面，熔渣在未凝固前接触壁面而结焦。

3 锅炉结焦的危害

锅炉结焦不但增加了锅炉运行和检修的工作量，严重影响汽轮发电机组安全经济运行，甚至可能被迫停炉。其危害性具体体现在以下几个方面。

(1)降低锅炉出力。水冷壁结焦时，吸热量减少，使蒸发量下降。为保持蒸发量不变，就必须增加燃料量和空气加入量，这一方面会使炉膛出口烟气温度和过热蒸汽温度升高，另一方面也使送、引风量增加。由于送、引风等通风设备容量有限，可能引起风量不足而被迫降低锅炉出力。

(2)降低锅炉的热效率。受热面出现结焦时，由于渣的导热系数很小，导致工质吸热减少，烟气温度升高，增加排烟的显热损失；燃烧室出口结渣，堵塞通道，导致锅炉通风不畅，会造成煤粒未完全燃烧而增加其潜热损失。

(3)损坏设备、造成事故。炉内结焦后，炉膛出口烟气温度升高，使过热蒸汽温度上升，且结焦会造成热偏差，容易引起过热蒸汽管道超温破裂；炉膛上部结焦时，会导致炉膛熄火；焦块掉落时，还可能砸坏水冷壁或堵塞出渣机，引发事故。

4 防止锅炉结焦的主要措施

4.1 选择合适煤种，控制燃煤质量

煤质发生变化，应加强配煤管理，使煤质达到锅炉设计允许变化范围内。不同煤种掺烧能在一定程度上综合所掺烧煤种的结焦特性，低灰熔点煤灰分仍在受热面上沉积，但高熔点固态灰对受热面有一定的冲刷作用，使沉积量减少，从而缓和及避免锅炉结焦。

(1)入厂煤质量控制。因三星化工公司的煤种是按照有关指标进行公开招标，有时供应商提供的煤种的质量会有很大差别。因此，燃料煤进厂时需严格把关，取样人员按照《三星化工公司煤样采取方法》采样后，应及时送至化验室进行水分、挥发分、固定碳、灰分及焦结性等有关煤质指标化验，并在24 h内出具化验报告；热电分厂对新进的煤种进行试烧并提出意见；管理部门在综合各方情况的基础上，对提供不符合质量合同规定的煤的供应商进行警告，甚至退煤和取消下次投标资格，从而从源头上把好燃料煤进厂质量关。

(2)入炉煤控制。对易结焦的入厂煤应专门存放在煤场的指定地点，在每次上煤时与不易结焦的煤种按一定比例进行掺配混合，工段长应跟踪混合煤种的燃烧情况并及时调整掺配比例。

4.2 加强运行管理，提高操作水平

操作人员应随时对锅炉结焦情况进行监视与检查，发现有严重结焦情况及时汇报、处理；定期分析锅炉运行工况，对易结焦的燃料煤应重点分析减温水量的变化和炉膛出口温度的变化规律以及过热器管温变化情况。锅炉在额定工况运行时，若发现减温水量异常增大和过热器壁超温，应适当降低负荷运行。热电分厂应防止负荷大幅度变化、锅炉出现大焦块而导致锅炉熄火。做好燃烧调整工作主要从以下几个方面入手。

(1)选择合理的运行氧量。如果锅炉运行氧量偏低，炉内还原性介质较强，煤的灰熔点就会下降，锅炉容易结焦。因为灰熔点随着含铁量的增加而下降，当炉内过量空气系数过低时，容易造成氧量不足，在炉内出现还原性介质，熔点较高的Fe2O3被还原为熔点较低的FeO，从而使煤的灰熔点大幅降低；且FeO最容易与灰渣中的SiO2形成低熔点的2FeO·SiO2(灰熔点约为1 065 ℃)，这大大增加了锅炉结焦的可能性。

(2)采用各种运行措施控制炉内温度水平。可提高运行中过量空气系数、增强配风的均匀性、防止局部热负荷过高和局部产生还原性介质等措施来控制炉内温度水平，必须严禁长时间超负荷运行。若锅炉高负荷连续运行，特别是超负荷运行时，炉膛热负荷增大、温度升高，灰粒得不到冷却，在炉膛和烟道角落以及转弯处易形成积灰，如不及时采取吹灰清焦措施，熔融软化的灰粘结在这些区域时会形成大面积结焦。防止超负荷运行需从控制给煤量、给水量、送风量、引风量和调整燃烧工况以及负荷过大时应及时投用备用炉等方面加以落实。

(3)选择合理的炉膛出口烟气温度。对炉膛出口烟气温度进行在线监视，在保证锅炉主参数合格的前提下，建立在线的优化运行指导系统；通过合理调节一次风和二次风的运行风门开度及运行氧量，在保证主参数合格和炉膛出口烟气温度低于燃煤灰熔点的同时来保证蒸汽质量，从而防止炉膛出口处结焦。

(4)建立合理而良好的炉内空气动力场，保证空气与燃料煤混合良好。运行中，灰渣在撞击炉壁时若仍保持软化或熔化状态，则易黏附于炉壁上形成结焦，因此，必须保证负压燃烧并保持燃烧中心适中。若炉膛漏风，则会破坏正常的燃烧工况，造成火焰的充满度和搅拌混合情况恶化，火焰中心升高或偏斜，会加速结焦的形成。

(5)加强吹灰，及时除焦。运行中，受热面上积聚一些飞灰是难免的，若不及时清除，积灰后的受热面变得粗糙，当有黏性的灰粒撞击其表面时很容易在上面形成结焦，因此，锅炉受热面应定期吹灰，防止受热面积灰后影响传热；运行人员发现结焦时，应及时清除，防止继续恶化。

4.3 进行技术改造，采用先进工艺

(1)对锅炉受热面进行改造。实际运行中，根据受热面情况，利用蓝泥技术在炉膛四周制作间隔不等的防磨裙带。防磨裙带的施工高度为100 mm，并将防磨裙带延伸至炉膛稀相区，使自由下滑的燃烧颗粒的正常运行轨迹受到防磨裙带的多重拦截作用而重新被卷入炉膛中央燃烧区，有效保护管壁。

在空气预热器之后设置省煤器，不仅提高了给水温度，而且可将排烟温度降至设计值(150 ℃左右)，以提高锅炉效率，并大幅改善锅炉的结焦性，保证设备安全运行。

(2)煤中添加除焦剂。除焦剂能通过化学的方法有效提高煤的灰熔点，破坏煤灰的黏结性，改变焦渣的物理状态与化学反应性能，使焦渣变酥软易粉化，从而达到减少或防止结焦的目的。除焦剂添加方法：可将溶解于水中的除焦剂连续、均匀、微量地加至给煤机内的入炉煤上，也可采用加药器直接喷入炉膛高温区或焦块上。

(3)通风分布器改造。风帽安装角度不正或配风不合理会导致炉内空气动力工况不良，造成燃烧切圆过大、燃烧中心偏离，使高温烟气冲刷水冷壁面及熔渣在未凝固前接触壁面而结焦。将原设计布风板风帽的通风孔孔径由Φ3.0 mm扩至Φ4.5 mm，确保空气与燃料良好混合，避免在水冷壁附近形成还原性条件，防止锅炉局部积灰、结焦。

5 结语

在实际操作运行与管理中，通过大量数据分析，要从根本上解决锅炉结焦问题的关键是适应生产负荷率和煤种变化，对炉内燃烧工况及时进行合理调节，严格防止燃料煤煤种偏离设计要求，并根据生产实际有针对性地进行工艺及设备改造，充分发挥新技术、新材料的优势。锅炉结焦的防治工作是一项长期的任务，需要切实抓好日常管理工作。