煤粉炉结焦运行浅析

黄华

摘 要：火力发电厂以在锅炉燃煤为主要燃料，由于设计煤种和实际煤种有差距，现实中燃烧的有很多灰熔点低的煤种，特别容易结焦的煤种，这样给锅炉带来很不利的安全因素，危害机组的安全。

关键词：结焦;燃烧器;受热面

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0161-02

1 概述

华润电力（常熟）有限公司锅炉是由哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三井巴布科克能源公司技术生产的超临界参数变压运行直流锅炉，固态排渣、结构Π型锅炉。型号为HG1928/25.4-YM1。锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧，前后墙各布置4层低NOX轴向旋流燃烧器。锅炉设计煤种为神府东胜煤、混煤及大同煤。现在，由于根据市场、安全、经济的需要，掺烧别的煤种都有可能，带来燃烧煤种的复杂性，这样在燃烧方面，偏离锅炉的设计类型，因此，要求锅炉燃烧适应性更广，并且又要预防锅炉的结焦，锅炉的结焦不仅影响锅炉的传热、安全性和经济性，更使得锅炉稳定性受到危害。

结焦的危害：（1）掉焦损伤冷灰斗掉焦时对炉底灰斗造成较大的冲击，严重时砸伤水冷壁。（2）对于水力除渣，掉落的热焦在炉底捞渣机水中粒化放出热量将水大量汽化形成水蒸汽，水蒸汽上行到达燃烧器下部时，引起燃烧器下部炉膛温度降低，对燃烧的稳定性带来不利影响，造成炉膛压力大幅波动，严重时引起锅炉灭火。（3）结焦影响锅炉换热炉内的结焦使该部位受热面换热量减少，引起下游受热面入口烟气温度升高，改变了各级受热面的换热比例，引起受热面壁温、汽温超限及排烟温度升高（如图1）。（4）锅炉结焦发生时，锅炉运行参数异常。如：减温水量、主再热汽温、炉膛出口烟温、各级受热面烟温及压力等变化，影响锅炉的效率和安全性。

2 结焦机理

锅炉结焦机理可概括为：

煤粉燃烧过程中，产生（<30μm）细小的灰粒在受热面表面不断地沉积，其初期结构松散，厚度在锅炉运行后不久会趋于相对稳定，形成初始积灰层，这些积灰煤灰的主要化学成份是SiO2、Ai2O3、CaO、Fe2O3、MgO、NaKO。煤灰的熔点也就决业于这些成份含量的变化，灰熔融温度与灰份含量也有一定关系，它反映煤的结渣性高低，将影响变形温度，软化温度，和流动温度（t1、t2、t3）。同时，灰中含有酸性氧化物：SiO2、Ai2O3;碱性氧化有：CaO、Fe2O3、MgO等，试验证明，在碱性及弱还原性两种氛下，灰的变形温度均随灰中的碱性氧化物的含量增大而下降。初始积灰层含有铁、碱金属的氧化物或硫化物时，会形成低熔点的共熔混合物，这种沉积层的结构致密，粘附强度大，会使沉积灰层厚度逐渐增加，导致受热面结焦。

此外，当较大的熔融或半熔融状颗粒，特别是边燃烧边打到壁面时，由于熔焦对金属和耐火材料，以灰焦之间的相互湿润性，粘附强度大，会使沉积层厚度增加，由于热阻加大而灰层表面温度升高，同时因吸热减少而烟气温度升高，结焦速度加快。如此恶性循环，直到沉积层表面呈熔融状。

结渣是一个复杂的物理、化学、动力学过程，除了和煤质密切相关外，还与锅炉结构、燃烧器型式及布置、炉膛温度水平、烟气气氛、炉内动力工况等因素有关。

3 结焦原因影响因素

（1）不同煤种煤灰的结焦特性相差甚远，主要与灰的化学成分及其矿岩结构特性有关，煤的灰成分对煤的潜在结焦性起决定作用。

（2）燃烧器的结构设计与布置对运行性能有直接影响，为防止炉内受热面结焦，应组织良好的炉内空气动力场，不良的空气动力场会出现火焰偏斜，不仅燃烧不完全，而且会出现局部还原性气氛、气流刷墙和局部高溫等现象，往往引起结焦。

（3）炉内燃烧的气氛条件对灰熔点有较大影响，当炉内气氛为还原性时，灰熔点温度会有较大幅度的降低。原来抵达壁面时灰可能已冷却到熔点温度以下变成了固态，灰熔点下降后，可能在抵达壁面时仍呈液态，造成炉内结焦。

（4）在锅炉运行方面，锅炉负荷、风量大小（一、二次风）、煤粉细度、燃烧器之间风粉分布的均匀性、吹灰方式等因素都可能会引起锅炉结焦。

4 煤种结焦的特点

煤种结焦特性判别首先应掌握煤灰熔点指标和灰成分结果，而后根据化验结果结合常用的判别准则对煤种的结焦特性进行判断，用以指导燃煤掺配工作。常用灰软化温度ST、碱/酸比及结焦综合判别指数Rz来作为结焦判据：

（1）ST（℃）>1470为低、1470～1380为中、1380～1290为高和<1290为严重。

（2）酸碱比判据B/A：B/A=（Fe2O3+CaO+MgO+Na2O+ K2O）/（SiO2+Al2O3+TiO2）<0.5为低、0.5～1.0为中、>1.0～1.75为高～严重。

（3）综合结焦判别指数Rz判据：Rz=1.24（B/A）+0.28（SiO2/Al2O3）-0.0023ST-0.019G+5.4。

G=（100SiO2）/（SiO2+CaO+MgO+Fe2O3）<1.5为轻微、1.5～1.75为中偏轻、1.75～2.25为中等、2.25～2.5为中偏重、>2.5为严重。

不同煤种煤灰的结焦特性相差甚远，主要与灰的化学成分及其矿岩结构特性有关，煤的灰成分对煤的潜在结焦性起决定作用。煤的灰成分主要由十种氧化物组成，包括：二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3）、三氧化二铁（Fe2O3）、氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化钠（Na2O）、氧化钾（K2O）、二氧化钛（TiO2）、三氧化硫（SO3）、二氧化锰（MnO2）、氧化磷（Pi2O5），这些纯净氧化物的熔化温度一般都较高，基本都在1500℃以上，有的甚至高达2800℃，不易结焦。但是，由于煤灰是各组成成分的复合化合物和混合物，故其熔化温度并不是各组成成分熔化温度的算术平均值。灰的熔化温度主要取决于灰的成分及各成分含量的比例，由于灰中各成分的占比不同，使灰的熔融特性温度不同，由此呈现不同的潜在结焦特性。结焦特性判别准则主要包括灰的熔融温度、灰焦粘温特性和灰成分。灰成分中CaO、MgO、Na2O、K2O与Fe2O3含量高的结焦性强，其中Na2O、K2O含量高者灰沾污性强;一般，煤灰中的SiO2和A12O3的含量愈高，则灰的熔化温度就愈高。Al2O3和SiO2的含量高的结焦性就弱;Al2O3是增高灰熔点的主要成分，当其含量>20%时，一般ST>1250℃，当其含量>30%时，ST>1350℃，当>45%时，ST>1400℃;SiO2也是增高灰熔点的主要成分，但它能与灰中其他组分共熔使熔点降低，SiO2在40-60%之间，SiO2的增减对ST无明显影响。当SiO2的含量与A1203的含量之比大于1.18时，自由SiO2易于与CaO、MgO、FeO等形成共晶体，这些共晶体的熔化温度较低，降低了灰的熔化温度，容易结焦。

一般情况下，根据设计煤种可磨系数确定的煤粉细度R90降低2～6%。燃用易结焦煤种时，适当降低燃尽风量，改善主燃烧区还原性氛围，促使燃料更快燃尽。建议控制燃尽风率不高于25%。

5 预防锅炉结焦措施

（1）选择合理的锅炉运行氧量。锅炉运行氧量即炉内的氧化或还原性气氛，它对锅炉的结焦有非常大的影响，如果锅炉运行氧量偏低，炉内还原性气氛较强，煤的灰熔点就会下降，锅炉就容易结焦，因此，控制锅炉氧量，能有效减少锅炉结焦。对于燃用易结焦煤种时，在炉膛出口NOx不超标前提下，可适当提高锅炉运行氧量，防止炉内缺氧燃烧。

1）对于燃用烟煤锅炉，建议氧量控制不小于2.0%;

2）对于燃用贫煤锅炉，建议氧量控制不小于2.5%;

3）对于燃用无烟煤锅炉，建议氧量控制不小于3.0%。

（2）选择适当的二次风配风方式，必要时宜将燃烧器分成二或三段，其间拉开一定距离，改善两侧补气条件，燃烧器射流两侧压差减小，以避免气流严重偏转或贴壁;此外，采用墙式切圆燃烧方式也有利于避免气流偏转或贴壁，防止火焰直接冲墙。粉细度（R90）2～6%、采用下层磨煤机组合方式、消除炉底漏风、降低一次风风速2～4m/s（最小不低于20m/s）、采用倒宝塔配风方式等。

（3）调整燃烧器合适配风挡板位置，燃烧器的结构设计与布置对运行性能有直接影响，为防止炉内受热面结焦，应组织良好的炉内空气动力场，不良的空气动力场会出现火焰偏斜，不仅燃烧不完全，而且会出现局部还原性气氛、气流刷墙和局部高温等现象，往往引起结焦。对旋流燃烧器应注意出口扩展角不应太大，旋流强度不宜过大，防止因出现“飞边”或直接冲墙现象而造成结焦。对于燃烧器喷口发生的结焦，应及时调整燃烧器喷口一次风风速，适当降低喷口着火强度，改善结焦。可以相对提高一次风速2～4m/s，增加燃燒器喷口着火距离。保证良好的煤粉浓度及各燃烧器配风应尽量均匀，煤粉喷口煤粉量分配不均匀的状况必然造成炉膛局部缺氧和负荷分配不均匀，在燃烧空气不足的情况下，炉膛结焦状况恶化。

（4）加强炉膛出口烟温在线监视。炉膛烟温达到620℃以上时加强炉膛结焦情况关注，尤其对于容易结焦的屏式过热器，发现屏过温升低于80℃，且在二级减温水关闭的情况下，主汽温度低于额定值时，联系吹灰人员进行局部加吹。

（5）运行中发现捞渣机渣量较正常时的少，及时分析原因，发现结焦时，及时联系进行吹灰。锅炉结焦发生时，及时优化吹灰方式及频率，提高受热面清灰效果。水冷壁发生结焦时，提高炉膛短吹投入频率，增加吹灰效果;屏过、高过、高再区域发生结焦时，提高对应区域长吹的投入频率，判断吹灰效果如何。

（6）发现炉膛结焦时，通过同台磨煤机两台给煤机煤量偏置，降低神华、褐煤等低灰熔点煤种的掺烧量，多掺烧些不易结焦的煤种。如：提高中煤、大同等煤种掺烧量，但控制两侧给煤机煤量，根据实际需要进行设定。

（7）加强锅炉左、右侧温度偏差的监视，出现偏差，及时检查磨煤机回粉管堵塞情况及炉膛结焦情况，必要时切换磨煤机运行，优化磨煤机的组合方式。

6 结语

一般说来，灰的熔融温度特性中，软化温度越低，则结焦性越强，软化温度与变形温度越接近，结焦性越强，因此，灰熔融温度低和熔焦粘度低的煤灰易结焦，在实际运行中，多总结经验和分析。加强设备运行状态的监视。

参考文献

[1] 周强泰.锅炉原理[M].中国电力出版社，2013.