燃用准东煤锅炉防结焦特性分析

2015-06-05李鹏曾琦张大德俞立洋王振平

综合智慧能源 2015年2期

关键词：准东吹灰结焦

李鹏，曾琦，张大德，俞立洋，王振平

（新疆新特能源股份公司自备电厂，乌鲁木齐 830011）

燃用准东煤锅炉防结焦特性分析

李鹏，曾琦，张大德，俞立洋，王振平

（新疆新特能源股份公司自备电厂，乌鲁木齐 830011）

介绍了准东煤的结焦特性，论述了燃用准东煤锅炉的主要设计参数，分析了燃用准东煤锅炉的技术特点，理清了优化锅炉炉膛尺寸、吹灰器布置、燃烧器分组、捞渣机选型和炉膛出口烟温监视点的思路，提出了技术改造措施。

准东煤；锅炉设计参数；结焦；优化；技术改造

0 引言

准东区域是指准噶尔盆地东部从新疆阜康市到昌吉回族自治州木垒哈萨克自治县的一条狭长地带，东西长约220 km，南北宽约60 km，煤田成煤面积约1.4万km2，探明煤炭资源储量为2 136亿t。准东煤具有挥发分高、热值高、灰熔点低、易结焦的特性，新疆地区电厂燃用准东煤后普遍出现炉膛结焦、受热面沾污、对流换热面积灰等现象。

新疆新特能源股份公司自备电厂（以下简称自备电厂）设计煤种为典型准东煤，为国内首个专为燃烧准东煤而设计的电站。投产后通过多方面努力，已实现燃用准东煤80%的比例且锅炉运行稳定。锅炉结焦一方面是煤质问题，但更重要的一方面是设计问题，应从锅炉设计入手，从根本上进行防结焦设计。本文从自备电厂锅炉设计尺寸、二次风口布置、燃烧器形式及热力参数等方面入手，对燃用准东煤锅炉结焦特性进行分析，提出防结焦措施。

1 准东煤结焦特性

1.1 准东煤

由于新疆准东地区特殊的自然地理环境，准东煤的一个显著特点是煤灰中碱金属的质量分数较高，碱金属氧化钠（Na2O）的质量分数（以灰分计）总体都在2%以上。为方便起见，对比碱金属的质量分数通常将煤中各种钠盐折算成Na2O，总体按Na2O的质量分数给出。灰中各元素的沸点及熔点见表1，灰组分的熔点见表2。

从表1、表2可以看出，Na，K等元素熔点非常低，在很低的温度下就已液化、蒸发，遇较冷的水冷

表1 灰中各元素的沸点及熔点 ℃

表2 灰组分的熔点 ℃

壁后凝结，这样就形成了结渣的原生层。其他元素在高温及烟气的影响下转化成比元素熔点更低的化合物，有时会形成共熔体，共熔体熔点比这些化合物的熔点还要低，增加了结焦的可能性。

1.2 碱金属加剧结焦

根据经验，如果煤灰中含有较多的Na2SO4和NaCl成分时，就会存在严重的结渣倾向，因为钠盐形成的共熔体（Na2SO4-NaCl）熔点特别低，结渣严重，800～1000℃时钠成分能和硅酸盐反应，形成碱金属化合物。碱金属化合物在水冷壁管表面与金属互相作用，形成有黏性的硫酸盐和复杂的碱性硫酸铁。硫酸盐容易在高温过热器等受热面上冷凝形成沾污，受热面沾污后换热效果下降，使管壁上污染物的温度升高。如果不能及时清除此沾污层，就会为进一步结渣提供“温床”。钠成分沾污过程如图1所示。

图1 金属钠对沾污结渣的影响

2 锅炉主要设计参数

2.1 锅炉概况

自备电厂锅炉型号为HG-1176／25.4-HM2，锅炉为一次中间再热、单炉膛、平衡通风、固态排渣、Π型、紧身封闭布置。直吹式制粉系统配6台MPS160HP-II型磨煤机，5台运行1台备用。锅炉采用四角切圆燃烧方式，每台磨煤机对应1层4个喷燃器，燃尽风布置在主燃烧器区上方。设计煤种为准东五彩湾地区天池能源南露天矿煤，锅炉主要设计参数见表3。

表3 锅炉主要设计参数

2.2 锅炉特点

查阅锅炉设计说明书及相关设计资料，通过与同类型锅炉的比较，说明表3中锅炉主要设计参数对减缓准东煤结焦有下列益处。

（1）采用正方形炉膛，其宽、深均为14 627mm。这种正方形炉膛为炉内各层四角切圆提供了足够空间，燃烧器出口四周的补气条件相同，有利于燃烧器出口射流沿设计方向流入炉内，这样可有效防止燃烧器区域结焦。正方形炉膛内空气动力场比长方形炉膛容易建立对称的空气动力场，以避免气流偏斜冲刷水冷壁，减少煤粉冲刷水冷壁，防止锅炉结焦。

（2）喷燃器中心之间较大的间距。为防止主燃烧器区域结焦，适当增加各层喷燃器中心之间的距离，使燃烧器周围壁面热负荷降低，可有效减轻燃烧器喷口周围因温度过高造成的结焦。自备电厂锅炉一次风中心间距为1 581mm，较传统设计的间距偏大。为了进一步减轻燃烧器区域的结焦，在最底层磨煤机和第4台磨煤机上又加大了与相邻一次风中心的距离，分别达到1810mm，减少结焦的效果非常明显。

（3）最上层喷燃器口中心到分隔屏底部之间有较大的距离。锅炉燃烧器最上层喷燃器口中心到分隔屏底部和最下层喷燃器口中心至冷灰斗拐点均有足够的距离。表3中锅炉最上层喷燃器口至屏底距离为20.20m，最下层喷燃器口至冷灰斗拐点距离为4.86m。正因为加大了最上层喷燃器口中心到分隔屏屏底的距离，使煤粉在炉膛内停留时间增加，为进入炉膛的煤粉在炉膛内完成着火、燃烧、燃尽提供了充足的时间。

（4）二次风喷口布置。锅炉＃1，＃2，＃3，＃4角燃烧器共布置15层喷口，其中一次风喷口6层，二次风喷口9层，燃烧器布置如图2所示。

图2 燃烧器布置

锅炉在A，B层和D，E层一次风喷口中间布置了2层二次风喷口，这样布置的目的是在煤粉中间增加二次风，使煤粉燃烧氧量增加，有利于煤粉充分燃尽并增加了低负荷时燃烧的稳定性。

（5）燃烧器设计。自备电厂锅炉的一次风喷口均采用百叶窗式水平浓淡燃烧技术，当来自煤粉管道的煤粉气流经过百叶窗式煤粉浓缩器时，煤粉颗粒与浓缩器叶片碰撞后，大部分煤粉颗粒流向一侧，在水平方向就形成了浓煤粉气流。相对少量煤粉流向另一侧，形成淡煤粉气流。浓、淡两股气流从燃烧器的左、右侧分开进入炉膛，浓煤粉气流从向火侧切向喷入炉膛，形成内侧较小的假想切圆，淡煤粉气流在背火侧切向喷入炉膛，形成外侧较大的假想切圆，在炉膛中心形成的2个假想切圆，在冷态情况下，直径分别为565mm和754mm。采用百叶窗式水平浓淡燃烧器形成水平浓淡燃烧，浓煤粉气流由于煤粉浓度高，所需着火热大大降低，因此容易着火。由于大部分煤粉多在浓侧，而这部分煤粉布置在内侧，减少了煤粉颗粒冲刷水冷壁的机会，对防止水冷壁结渣很有利，喷燃器简图如图3所示。

图3 喷燃器

（6）设计的炉膛出口烟气温度较低。运行实践表明，严格控制炉膛出口烟气温度，以确保熔性灰和黏性灰不进入节距较小的对流受热面，可改善过热器和再热器表面结焦。选择适当的炉膛出口烟气温度，使炉膛出口烟气温度远低于灰的变形温度，可从根本上减少因灰融化引起的炉内结焦。

3 理清优化思路

通过近一年的努力，锅炉目前可以稳定连续运行。同时也发现了在锅炉设计中存在以下3个方面的不足，可再对锅炉设计进行优化。

（1）因准东煤具有易结焦性能，故在主燃烧区域频繁结焦，在原设计中，炉膛吹灰器只有60个，分别布置在炉膛各处区域，主燃烧区没有设置吹灰器。在锅炉设计中，作者建议在锅炉主燃烧区利用原设计的蒸汽管道增加蒸汽吹灰器，新增吹灰器分3层布置，分别布置在喷燃器B层和C层之间，喷燃器D层和E层之间，喷燃器E层和F层之间。每层16个蒸汽吹灰器均布在这一层的炉本体四面，新增3层共48个吹灰器。新增3层吹灰器与原吹灰器型号、规格相同，具体布置如图4所示。这样可以有效地清除主燃烧区域的结焦。

（2）捞渣机选型的优化。西安热工研究院有限公司的研究成果表明，锅炉在燃用准东煤时，结焦是不可避免的。锅炉结焦后会有大量掉焦，这样会造成捞渣机过负荷频繁跳闸。作者建议对捞渣机电动机、液压油站及渣仓进行设计优化，增大捞渣机电动机和液压油站出力，以保证在发生事故时捞渣机达到最大出力，使捞渣机能及时将灰渣排出，保障锅炉安全运行。

图4 新增吹灰器布置

（3）炉膛出口烟温监视点优化。在传统的锅炉设计中，只在炉膛出口的左墙或右墙设置一个温度测点，四角切圆形式的煤粉炉在燃烧过程中，若发生火焰偏斜对运行燃烧稳定会造成不利影响。作者建议在锅炉出口增加温度测点，测点位置选在原有的烟温测点的同一平面的前墙和后墙，在此处各增加1个温度测点，并将实时温度数据传至集控室监控画面，增加温度测点后，有利于运行人员对炉内燃烧情况监控，可对炉内火焰是否偏斜做出准确判断。

4 技术改造

根据锅炉优化思路和燃用准东煤的实际经验，自备电厂计划在大修期间对锅炉进行技术改造，以实现锅炉更高比例燃用准东煤，计划改造项目有如下3个方面。

（1）为减少燃用准东煤时主燃烧区域的结焦，必须对现用锅炉进行改造。为此自备电厂与锅炉生产厂家进行了沟通，生产厂家同意自备电厂利用已有蒸汽管道，增加48个蒸汽吹灰器。新增蒸汽吹灰器与原有短吹型号相同，具体布置如图4所示。

（2）为使捞渣机在大量掉焦事故发生时能及时处理事故，在捞渣机顶部安装1台卷扬机，当捞渣机刮板上有大量煤渣过载时，可利用卷扬机的拉升动力将捞渣机链条拉动，不断将捞渣机刮板上的大焦排入渣仓，直到捞渣机恢复正常。

（3）为准确判断炉内燃烧情况，在锅炉出口原有炉膛出口烟温测点同一平面的前墙和后墙处，各增加一个温度测点，并将温度数据传至分散控制系统（DCS）监控画面。

5 结束语

综上所述，从炉膛尺寸、吹灰器布置、燃烧器分组、喷燃器等方面入手，对锅炉进行了设计优化。由于碱金属的作用，使灰熔点迅速降低，因此建议在对炉膛截面热负荷的选取时，应尽量考虑上限。传统的一次风布置较为集中，导致主燃烧区域过热，结焦严重，建议在对喷燃器设计时进行分组。在最低稳燃的基础上，增加喷燃器间的间距，降低炉膛主燃烧区截面热负荷，这样会有利于缓解炉内结焦。在大修中，可对吹灰器布置、捞渣机、炉膛出口温度测点等进行技术改造。通过提升锅炉燃用准东煤固有防结焦特性，不断提高燃用准东煤比例，以节约燃料成本。

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［3］岑可法，樊建人，池作和，等.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计箅［M］.北京：中国科学出版社，1994.

［4］东方锅炉股份有限公司.准东五彩湾电厂350MW超临界锅炉煤质结焦与沾污特性分析及锅炉对策措施［R］.自贡：东方锅炉股份有限公司，2012.

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［6］孙学信.燃煤锅炉燃烧试验技术与方法［M］.北京：中国电力出版社，2001.

（本文责编：王书平）

TK 229.6：TK 227.2

：A

：1674-1951（2015）02-0039-03

李鹏（1978—），男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，从事火力发电厂运行管理方面的工作（E-mail：lpc77＠163.com）。

曾琦（1975—），男，新疆乌鲁木齐人，高级工程师，从事火力发电厂运行管理方面的工作（E-mail：2622918928＠qq. com）。