超临界热电联产锅炉结焦机理分析与工程调整措施

王 林，王红雨，韩 瑞，张亚夫，高景辉，孟颖琪



超临界热电联产锅炉结焦机理分析与工程调整措施

王 林1，王红雨1，韩 瑞2，张亚夫1，高景辉1，孟颖琪1

(1. 西安热工研究院有限公司，西安 710054；2. 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001)

为解决350MW超临界锅炉严重结焦问题，现场采集典型焦块样品，发现其断面有明显分层现象；利用SEM-EDS(扫描电镜及能谱分析)对高温侧与低温侧进行了微观形貌与元素组成测试，确认两层焦块成分存在差异；结合煤灰成分分析与结渣性判别指标计算，得出实际燃用煤种灰熔点较低、结焦性强烈．综合分析认为，煤质恶劣、炉温过高是锅炉燃烧器区域水冷壁严重结焦的主要原因．通过采取增加吹灰频率、优化二次风配风、降低一次风量、调整煤粉细度及控制氧量等措施，大幅削弱炉内燃烧强度，降低炉膛温度，调整燃烧气氛，抑制焦块生成，使得冷灰斗处掉焦量显著减少，熔融状大焦基本消除，锅炉运行安全平稳．燃烧调整取得了较好的效果，相关经验可供同类机组参考．

结焦；燃烧调整；SEM-EDS；结渣指数；机理分析

当前我国雾霾频发，大气污染严重，利用热电联产机组实施集中供热，是减少污染物排放[1]、提高采暖经济性的重要措施[2]．某地区新建热电联产工程包括2台350MW超临界燃煤机组，在启动试运期间，锅炉燃烧器区域出现了严重的结渣掉焦问题，导致左右侧烟温、汽温偏差增大，干除渣设备过载停运，威胁锅炉的运行安全．通过现场取样分析与理论计算，认为入炉煤质恶劣是结焦的主要原因，炉温过高促进了结焦发展．在电厂煤种短期内无法改善的情况下，通过采取加强吹灰、优化配风、控制氧量等燃烧调整措施，显著降低了炉膛温度，抑制了受热面结焦，相关经验可供同类机组参考．

1 问题描述

1.1 机组概况

某地新建热电联产工程机组锅炉选用了哈尔滨锅炉厂自主设计制造的一次再热、超临界参数、变压运行直流锅炉，型号为HG-1135/25.4-HM2．该炉采用∏式布局，单炉膛设计，具有平衡通风、固态排渣、紧身封闭等特点．锅炉启动系统不带炉水循环泵．锅炉的整体布置如图1所示．

1—冷灰斗；2—煤粉燃烧器；3—SOFA燃烧器；4—中间集箱；5—屏式过热器；6—高温过热器；7—汽水分离器；8—高温再热器；9—低温再热器；10—低温过热器；11—省煤器；12—脱硝SCR装置；13—空气预热器

锅炉主要设计参数如表1所示．表1中，BMCR (boiler maximum continuous rating)工况指锅炉最大连续蒸发量工况，主要是在满足蒸汽参数、炉膛安全情况下的最大出力工况。TRL(turbine rated load)工况指汽轮机标定功率工况。

表1 锅炉主要参数

Tab.1 Main design parameters of boiler

本工程锅炉采用中速磨正压直吹式制粉系统，每台炉配置6台ZGM95G-II型磨煤机，运行方式为5运1备(5台运行，1台备用)．锅炉燃烧系统由油枪和直流煤粉燃烧器组成，布置在炉膛四角位置，采用切圆燃烧方式．从下到上依次为A、B、C、D、E、F层煤粉燃烧器．最底层煤粉燃烧器安装有斜插式的微油点火装置(如图2所示)．最顶层煤粉喷嘴上方7542mm处设置有4层分离式燃尽风，用以实现分级燃烧，降低NO排放，同时形成反向切圆，消除烟气残余旋转，降低左右侧烟温偏差．

1—水冷壁；2—煤粉燃烧器；3—油配风管；4—微油枪

从图2可知，微油燃烧器投用后，其火焰将对对侧煤粉燃烧器的内壁形成直接冲刷，造成“火焰刷墙”的恶劣工况，煤粉流经此处易引发壁面结渣．

1.2 结焦情况

机组整套启动期间，锅炉点火后，经历冲转并网，并按照启动曲线逐步增加负荷．当机组负荷升至280MW附近时，炉底开始掉落熔融状大块焦渣．此时炉内负压波动频繁，过热蒸汽温度超高报警，干除渣系统的钢带机、碎渣机等电机电流显著增大．负荷继续升至300MW后保持稳定，就地检查发现，干渣机落渣口处发生严重堵焦，熔融状的大焦块相互堆积，难以排出至钢带上(如图3所示)．焦块量多块大，冷却后质地坚硬，碎渣机牙轮磨损严重，入口处大量积渣，最终导致干除渣系统过载停运，机组试运行工作被迫中断．

图3 熔融状焦块堆积

机组停炉后，利用观火孔对锅炉各层燃烧器进行外观检查，发现最底层燃烧器喷口处有结焦．拆开入口煤粉管道，对燃烧器内部焦渣进行清理，清理后情况如图4所示．从图中可知，焦块数量较多，质地坚硬，内部存在空隙，主要分布在斜插式微油枪与煤粉燃烧器相交区域．推测煤粉颗粒经过此处时，被微油枪火焰冲击至油配风管对面，受热软化，聚集粘附，最终形成焦渣．同层煤粉燃烧器中某一角的燃烧器结焦，将引起炉内燃烧切圆偏斜，烟气刷墙，引发受热面结焦结渣[3]．此外，火焰中心偏斜也会增大左右侧烟气温度、蒸汽参数偏差，影响锅炉性能的正常 发挥．

图4 燃烧器内部焦渣

2 原因分析

煤粉在燃烧过程中，其内部的矿物成分会发生复杂的转化反应，不同物质在高温条件下相互结合，形成低熔点的共熔化合物，降低了煤灰整体的熔融温 度[4-7]，且微粒间常常发生团聚粘附[8]，引起锅炉受热面结焦结渣．

锅炉结焦与煤灰熔融特性、炉膛温度、燃烧气氛、反应时间等因素有关[9]．通常情况下，灰熔点越低，炉膛温度越高，还原性气氛越强，反应时间越长，锅炉结焦也越厉害．为揭示出本机组锅炉结焦严重的原因，对焦块样品进行了多项测试，根据分析结果进行了相关计算．

2.1 焦块形貌与成分分析

从干除渣系统落渣口处拣取典型焦块作为样品，利用锤击方式将焦块断面暴露出来，从断面上获得SEM-EDS分析所需的小颗粒样品．

从图5可以看出，在焦块一侧出现大量鼓泡，表面呈现釉质光泽，为高温条件下煤灰中矿物成分形成的非晶相玻璃体，另一侧表面粗糙，布满细腻灰粒，结构较为疏松，应为低温下形成的初始结焦面．

图5 焦块外观

切开焦块后，发现其断面有明显的分层现象．高温侧气泡面呈现黄绿色，占据份额较大，低温侧细灰面则呈现黑色，且内部含有空隙．为方便对比研究，将焦块内黄绿色部分定义为区域1，黑色部分定义为区域2，具体分布如图6所示．

为揭示向火面与背火面物质组成差异，对焦块上区域1和区域2部位取样进行SEM-EDS分析．两者的微观形貌如图7和图8所示．

图6 焦块断面

从图7中可知，高温侧焦块表面光滑，结构致密，推测此处煤灰中的无机物，在高温条件下发生团聚熔融，不同矿物成分发生了分解转化，形成了大量非晶相的玻璃体．研究表明[10]，温度越高，煤灰中晶相物质向非晶相的转化反应越剧烈，焦块中非晶相的含量也越高．区域1处通体呈现黄绿色，且带有釉质光泽，说明该侧面对炉膛，受到高温烟气冲刷，煤灰中石英和黏土矿物等大量转化为非晶相的玻璃体[11].

图7 焦块高温侧微观形貌

图8 焦块低温侧微观形貌

从图8可知，低温侧焦块表面粗糙，布满褶皱，粘附有较多细碎颗粒．结合区域2外观整体呈现黑色，且内部存在空隙，推测为未燃尽的煤粒夹杂灰粒，在烟温不高的条件下，软化聚集，粘附于受热面上，形成了初始结焦层．

对区域1和区域2处焦块进行EDS分析，结果如图9所示．从图中可知，高温侧与低温侧焦块主要元素都是C、O、Al、Si等元素．其中区域1焦块中C含量低于区域2，说明低温侧含有较多未燃尽的煤粒，这与区域2黑色外观相一致；高温侧O含量高于低温侧，表明煤粒燃烧过程中生成了大量含氧的化合物，使得区域1中O所占比重升高；高温侧Fe含量明显高于低温侧，推测煤灰中的赤铁矿成分与SiO2等发生了低温共熔反应[12]，生成了大量非晶相玻璃体，使得区域1焦块呈现出釉质光泽．

图9 焦块元素含量分析

2.2 煤质分析

煤灰中的无机成分对其熔融特性具有重要影响，对现场入炉煤样进行了煤质与灰熔融特性分析，测试结果与设计煤种对比如表2、表3所示．

表2 煤质分析对比

Tab.2 Comparative analysis of coal quality

从表2结果可知，实际煤的水分低、O含量高、低位发热量大，燃烧时将会具有更高的炉膛温度．此外，实际煤的S含量略高于设计煤，将对煤种结焦性产生一定的不利影响．

从表3中可知，设计煤和实际煤的煤灰中含量最高的都是SiO2．研究表明，SiO2在结焦过程中会与其他物质形成多种低熔点的共熔物，但由于其本身熔点高达1700℃，且含量极大，综合看仍然对灰熔点提升有贡献[13]．实际用煤的灰中SiO2含量低于设计煤4.59%，这无疑将会导致实际用煤的灰熔点下降，增大结焦的可能性．

表3 灰成分及灰熔点分析对比

Tab.3 Comparative analysis of components and melting point of ash

Al2O3是煤灰中含量第2高的成分，该物质熔点极高(达2054℃)，晶体结构牢固，在煤焦中起到支撑骨架的作用[14]，对灰熔点的影响更大．实际煤中Al2O3含量低于设计煤，这对抑制结焦不利．

Fe2O3具有助熔的效果[15]，MgO则会降低煤灰的熔融特征温度[16]，TiO2则可提高灰熔点．从表3可知，实际用煤的煤灰中，Fe2O3含量是设计煤的2.95倍，MgO含量是设计煤的3.34倍，TiO2含量则仅是设计煤的61%，上述三项成分的含量差异将会大大降低实际煤的灰熔融特征温度，增大其结焦倾向．

利用煤灰软化温度(S)来对煤种的结焦性进行评估是目前锅炉行业内的常用做法．通常情况下，S＜1250℃时煤结焦倾向较大，而本机组燃用煤种的实测灰熔点为1200℃，低于设计煤种90℃，属于典型的易结焦煤种．综合分析结果，煤质恶劣是锅炉结焦的根本原因．

2.3 结渣性分析

为定量判断实际用煤的结渣特性，参考相关研 究[17]，引入以下经验判别指数(计算式中取各成分在灰中的百分含量)进行分析．

(1) 酸碱比，即煤灰中碱性氧化物含量与酸性氧化物质量之比：

/＝(Na2O＋CaO＋Fe2O3＋K2O＋

MgO)/(TiO2＋SiO2＋Al2O3)

(2) 硅比：＝SiO2/(SiO2+Fe2O3+CaO+MgO)

(3) 硅铝比：＝SiO2/Al2O3

(4) 铁钙比：＝Fe2O3/CaO

(5) 综合结渣指数为

＝5.415-1.9+1.237/-0.002S+0.282

根据相关文献，各项判别指数评价界限如表4 所示[9]．

表4 结渣指数判别标准

Tab.4 Rating standard of slagging index

经计算后，实际燃用煤种的各项结渣指标判断结果如表5所示．

表5 结渣指标计算结果

Tab.5 Calculation results of slagging indexes

从表4可知，针对实际燃用煤种，3项指标评价为“中等”，2项指标评价为“严重”．综合焦样分析与指标计算结果，认为本工程实际燃用煤的灰熔点较低，结渣性强烈．机组启动调试期间，较高的炉膛温度使得该煤的强结焦性得到充分展现．在现场煤质短期内无法改善的情况下，通过采取多种措施实现锅炉低强度燃烧，降低炉膛温度，是治理受热面结焦的主要办法．

3 调整措施

由前述分析可知，煤质恶劣是锅炉结焦的根本原因，而炉温较高则促进了结焦进一步发展．因此，利用低强度燃烧来保证合理炉温，抑制受热面结焦成为本次燃烧调整的主要思路．为实现这一目标，综合采取了多项减弱燃烧的措施．

3.1 增加吹灰频率

通常情况下，锅炉吹灰每天进行1次即可．根据锅炉结焦严重的实际情况，要求在机组负荷达到280MW后，白班和夜班各进行一次全炉吹灰．沿着烟气流向，依次吹扫炉膛、水平烟道、尾部烟道等区域，避免小焦块因时间过长，团聚粘连形成熔融的大焦块．锅炉尾部SCR催化剂处安装有声波吹灰器，自机组启动后就保持投用状态．将空气预热器和低温省煤器处的蒸汽吹灰器吹扫间隔时间重新设定为8h，保持吹灰程控连续投入，减轻受热面沾污．

3.2 提高一次风速，降低风煤配比

由于微油点火枪采用斜插方式伸入下层煤粉燃烧器中，火焰冲击力强，易将煤粒夹带至燃烧器内壁，形成内部焦块．某一燃烧器结焦后，阻力增大，煤粉气流的流速下降，四角煤粉喷嘴的均衡性受到破坏，这会引起切圆偏斜，火焰刷墙．烟气冲刷受热面将促进水冷壁结焦，增大锅炉左右侧的烟温、汽温偏差，降低机组效率，影响锅炉运行安全．

提高一次风射流的刚性，有助于削弱微油火焰的冲击力，减轻燃烧器内部结焦，同时，较高的一次风速能够将火焰高温区推至炉膛中心，避免喷口附近结焦．实际操作中把一次风机的出口风压提高至9.6～10.0kPa，同时进一步压低磨煤机入口风量，将风煤比由2.0调整至1.8左右，减少进入炉膛的煤粉量，减弱炉膛内的燃烧强度．

3.3 调整合理煤粉细度

煤粉细度选取不合理，将会加重炉膛结焦[18]．通常情况下，过粗的煤粉颗粒不易燃尽，且运动惯性较大，在气流夹带下发生刷墙的可能性也更高，故煤粉细度过大不利于抑制结焦．过细的煤粉则会提前着火，在喷口附近即燃烧完全，大大提高炉膛截面热 负荷．

为达到减弱炉内燃烧强度，降低炉膛温度的目的，将煤粉细度(R90)由设计值的22%提高至30%，取得了较好的实际效果．

3.4 降低省煤器出口氧量

通常情况下，某种煤的灰熔点在还原性气氛下比在氧化性气氛下要低，即还原性气氛下的结焦倾向更大[19]．锅炉实际燃烧中，调整省煤器的出口氧量即可改变炉膛内的燃烧气氛．为实现降低炉膛温度的目标，采取了减少供风，降低省煤器出口氧量至2.6～2.8范围内，进一步减弱燃烧．尽管弱还原性气氛下煤的灰熔点有所降低，其不利影响远远小于因降低炉温而带来的抑制结焦的有利影响．

3.5 优化二次风配风

为避免煤粒未燃尽即掉入冷灰斗，加重干渣机落渣口处的焦块堆积，故增大了托底风的风量．同时，随着机组负荷增大，适当增大周界风开度，抑制燃烧器区域结焦；关小风门，提高燃尽风及其他二次风的风压，避免发生烟气流贴墙情况．具体调整结果如表6所示．

表6 二次风门调整结果

Tab.6 Valve adjustment of secondary air

完成上述调整措施后，为评估效果，利用红外测温枪，在250MW和350MW两个负荷下，透过4个角上的观火孔对炉膛温度进行实际测量．不同负荷下，调整前后的对比结果如图10和图11所示．各测温点数据为4个角观火孔所测温度的平均值．测点1位于A层煤粉燃烧器下部，测点2在B层煤粉燃烧器附近，测点3在D层煤粉燃烧器附近，测点4靠近F层煤粉燃烧器，测点5和6分别位于燃尽风下部和上部区域．

从图10和图11中可以看出，调整后各区域炉膛

图10 负荷250MW炉膛温度

图11 负荷350MW炉膛温度

温度均有所降低，其中B、C、D等中间层燃烧器区域温度下降明显，250MW时最大降温值为47℃，满负荷350MW时，最大降温值达到130℃．经检查发现，干渣机落渣口处掉焦量大大减小，大型熔融状焦块基本消除，干除渣系统排渣正常，工作稳定．锅炉各项参数达到额定值，运行安全平稳，结焦治理措施取得了较好的效果．

4 结 论

本文针对350MW超临界锅炉严重结焦问题，利用现场取样分析和结渣指标计算，得出煤质恶劣，炉温过高是结渣强烈的主要原因．

(1) 焦块断面存在明显分层，高温侧主要为表面光滑的非晶态玻璃体，呈黄绿色；低温侧则粘附较多未燃尽碳粒，呈黑色．

(2) 实际燃用煤种灰熔点仅为1200℃，且灰中Fe2O3含量是设计煤的2.95倍，MgO含量是设计煤的3.34倍，TiO2含量则仅是设计煤的61%，将会极大降低灰熔点．

(3) 结渣性判别指数计算结果表明，实际燃用煤种的结焦性在中等至严重之间，属于强结渣性煤．

(4) 通过增加吹灰频率、提高一次风速、降低风煤配比、调整合理煤粉细度、控制炉膛出口氧量以及优化二次风门开度等措施，降低了炉膛温度，调整了炉内气氛，削弱了燃烧强度，有效抑制了结焦．

经调试后，落渣口处熔融状大焦基本消除，锅炉运行安全稳定．相关治理措施取得了较好的效果，经验可供后续同类机组参考．

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Mechanism Analysis and Engineering Adjustment of Coking Problem in Cogeneration Super Critical Boiler

Wang Lin1，Wang Hongyu1，Han Rui2，Zhang Yafu1，Gao Jinghui1，Meng Yingqi1

(1. Xi′an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710054，China；2. School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

To solve the serious coking problem in a 350MW supercritical boiler，we collected typical coke-block samples on site，and found obvious stratification in the cross section of coke block. SEM-EDS was used to analyze the morphology and element composition of the high and low temperature sides, and the cost difference between the two sides was confirmed. Our analysis and slagging discriminant index calculations show that the actual coal burning ash had a low melting point and strong coking. Comprehensive analysis revealed that poor coal quality and high furnace temperature were the main reasons for the serious coking of water wall in the boiler burner area. By increasing the soot blowing frequency，optimizing the secondary air distribution，reducing the primary air volume，adjusting the fineness of the pulverized coal，and controlling the oxygen content，we can greatly weaken the combustion intensity in the furnace，lower the furnace temperature，adjust the combustion atmosphere，and restrain the formation of coke block. We significantly reduced the coke drop at the ash hopper and essentially eliminated the generation of large fused coke. This operation was safe and stable. The combustion adjustment achieved good results and these findings can be used as reference for similar units.

coking；combustion adjustment；SEM-EDS；slagging index；mechanism analysis

TK16

A

1006-8740(2019)01-0037-08

10.11715/rskxjs.R201804029

2018-03-04．

王 林（1989—  ），男，硕士研究生，工程师，wangmumu1989@qq.com.

王红雨，男，本科，研究员，wanghongyu@tpri.com.cn.