660MW机组锅炉炉内结渣的原因及解决措施探讨

王庆智 神华国能宁夏煤电有限公司

炉内炉渣对于锅炉来说是普遍存在的问题，而且炉内炉渣会严重影响锅炉运行的安全性和经济性，随着锅炉机械容量的增加而更加突出。最显著的例子是北仑港一号机组60OMW锅炉炉的炉身严重，引发爆炸事故，造成严重设备损坏和人员伤亡。目前沙角发电厂660MW机组C3锅炉也存在严重的结渣现象。找出结渣的主要原因，采取相应的解决措施或预防措施已迫在眉睫。炉内结渣的性质可以概括为烟气中的熔融灰粘附在热表面上并产生熔渣的结果。炉内结渣有三个重要因素：一是燃料的灰熔点。第二一个炉内结渣的因素则是当空气温度高于熔点时，气流中的熔渣正处在熔化的状态。三是这种气流只有在冲洗受热面时才会产生结渣。因此，燃煤锅炉炉渣不仅是一个物理化学过程，而且是一个非常复杂的水动力过程。影响结渣的因素很多，不仅与煤的特性（灰熔点、灰组成、灰粘度等）有关，而且与炉膛传热参数、燃烧室结构、炉气动态条件和锅炉运行参数密切相关。

一、C3炉基本情况简介

（一）设备及主要参数简介

沙角发电厂C3锅炉是由美国abbce公司设计生产的亚临界参数单汽包中间再热控制循环锅炉。锅炉最大连续蒸发量2100t/h，采用膜式水冷壁，单炉切向燃烧。炉膛尺寸（宽×深mm）为19558×16432，炉膛高度为57300mm，宽高比为1.19。设计中采用的是国产神府东胜煤，从澳大利亚进口校核炭。制粉系统是正压直喷式制粉系统，配置6台hp983碗型中速研炭机，设计力为53t/h，5台蜂窝机可以满足BMCR的输出。锅炉设计炉膛容积热负荷（BMCR）为0.112MW/M（403.2mJ/h×M’），炉段热负荷（BMCR）为5.60MW/M（2016mj/h·M’），燃烧器区域热负荷为1.33mw/M’。

（二）煤质特性

这个炉的设计煤是国产的神府东胜煤，校准煤是澳大利亚的进口煤。从以上的煤炭及灰分特性分析表可以看出，进口煤与国产煤之间存在一定的差距，特别是灰融点的差异很大。国产煤的灰融点比进口煤低，国产煤比进口煤更容易焦煤。两个煤的渣特性可以由煤化温度确定。并用灰分组成综合指数R进行预测，用煤灰软化温度判断严重煤种，进口煤属于中等结焦倾向煤。

（三）锅炉燃烧系统

进口煤被认为是“洁净煤”。因此，在炉膛设计中，只有调整过热器/再热器受热面的数目和比例，才能得到设计蒸汽温度。过热蒸汽温度采用减温方式控制，再热蒸汽温度通过燃烧器摆动控制在设计范围内。国内煤炭被认为是“脏煤”。如果不采取一定的措施，在运行中会引起炉膛结焦，而炉膛结焦就会产生降低水冷壁的吸热量的后果，最终就会导致炉膛出口烟气温度升高。如果炉膛出口处的烟气温度超过设计裕度，则会出现性能和控制问题。因此，CE公司在锅炉设计中采用同心圆燃烧系统（CFS），适用于国内燃煤的燃烧。对同心圆燃烧系统中的几个辅助空气喷嘴进行了改进。改造后的喷嘴将二次风吹入水冷壁，增大气球的角动量，并带动更多的烟气进入风箱下方的炉膛，在风箱顶部沿水冷壁形成富氧区。这种作用很容易处理炉内的爆炸或消除散焦。

炉膛燃烧器的油嘴和风嘴在整个60度角范围内摆动，上下30度角，煤粉喷嘴按比例上下20度摆动，使炉膛火球升降，从而调节炉膛的吸热量。当喷嘴向下倾斜时，炉内火球下降，吸收炉内更多的辐射热，到达过热器和再热器的烟气温度降低，从而降低过热器和再热器的蒸汽温度。当喷嘴向上摆动时，过程正好相反。

二、炉内空气动力场试验

（一）习惯运行工况，目的是了解习惯运行下的炉内气流运动状况

A层除1号角贴墙严重外，其余角均正常或略偏中。F层一次风也正常，其余楼层贴墙，e层一次风最严重。熔炉中心的大部分区域没有纸屑。从炉底可以清楚地看到许多纸屑沿着水冷壁落下。据估计，当炉膛处于热态时，可能会有部分煤粉沿水冷壁落下。

为了适应实际工况下测得的速度分布，实际切圆的相对直径约为0.65。由于风速分布是在a层一次风水位上测得的，因此只能代表a层两侧一次风和风的分布情况，风速分布与一次风速及周围送风条件有关。从一次风速测量结果来看，a层一次风速最高，达到31m/s，F层一次风速为22m/s，其他层一次风速约为16m/s，说明a层一次风速最高，气流刚度最强，气流偏斜较小。而且，a层的一次风在底部，炉底的气流更容易供给射流两侧，两侧的压差也相应减小。F层一次风也有类似情况。速度场测量结果与纸屑测量结果一致。

从整个试验结果可以看出，除a、F层一次风外，其他各层一次风均严重粘附在壁面上，可能造成水冷壁结渣。尤其是E层一次风的粘壁现象最为严重。整个炉膛实际气流切圆过大，炉膛中心无风区过大，气流不饱满。

（二）保持一、二次风门开度不变（习惯运行工况），关闭BC、DE、FF 工况

目的是了解二次风偏折的影响，关闭偏二次风，一方面减少气流切向运动的动量，同时切断相连的射流，改善送风条件。如果偏转的二次风是实际切向圆的主流，停止偏转的二次风后，实际切向圆应大大减小，一次风射流不应粘在墙上。试验结果表明，一次风射流仍然附着在壁面上，但比工况1的效果好。结果表明，二次风偏转角对实际气流切向圆有一定影响。然而，对于C3炉，一次风射流粘壁的主要原因是一次风和其他二次风燃烧器的安装切线圆过大。

（三）保持二次风门开度不变（习惯运行工况），提高一次风速运行工况

将各层一次风速调整为22m/S～24m/S左右，根据纸屑试验结果，粘壁情况有所改善（与工况1相比），但仍有较多的粘壁现象，即A层的速度场，由于A层一次风速由31m/S降为22m/S，刚度减弱，挠度增大。因此，实测的实际切向圆比正常工况下大，实际切向圆的相对直径约为0.80。试验结果表明，提高一次风风速可以减轻结渣。实际运行中一次风速偏差较大，a层一次风速最高，f层一次风速最高，其余均较小。

（四）全关二次风，单开一次风速运行工况

了解一次风是否正常。在热条件下运行时，单次风不能进入运行，冷态试验只能了解一种风中的单一情况。由于一次风是单次风，每层的单风隙较大，所以通风条件良好。为了正确安装，实际的圆角较小，一次风射流必须相对平坦。不得有气流粘墙。纸屑试验结果表明，a、B层一次风切圆实际值最小，C、D层稍大，e层最大，e层角2略靠近壁面。可以计算出实际切圆的相对直径约为0.45，这对于单次一次风来说明显过大。

三、C3炉结渣原因分析

（一）炉内实际切圆太大

在炉内旋转燃烧形成一股强大的旋转气流。气流的最大切向线构成炉膛内的实际切圆。炉膛中心是一个低速风区，其特征是在燃烧锅炉的炉膛内切割成空气动力场。实际切向圆是破碎燃烧的一个重要参数；它对结渣、稳定燃烧、烟气速度和炉膛出口烟温偏差有重要影响。如果实际切向圆过大，容易产生结渣

因此，确保适当的实际切向直径是非常重要的。影响实际切向直径的主要参数有：

第一、燃烧器高宽比；第二、安装切圆直径；第三、一.二次风动量比；第四、燃烧器的间隙率；第五、燃烧器喷口总面积与炉膛截面积比；第六、燃烧器摆角等。文献1给出了实际切圆的经验公式及其适用范围。由于炉内流场的复杂性和多种因素的影响，经验公式具有一定的局限性。

一般来说，实际切圆的当量直径在0.4～0.8之间。考虑到煤质特性、燃烧稳定和结渣，烟煤或易结渣煤取较小值，无烟煤和硬渣煤取较大值。C3炉实际切向相对直径大于0.65，煤质属于中等结渣或严重结渣倾向煤，运行中容易引起水冷壁结焦。

（二）煤质问题

如前所述，C3炉的设计煤种和标定煤种均为中渣或重渣倾向煤种，容易燃烧。

（三）射流两侧补气条件差异较大

射流两侧的送风条件主要取决于炉段长宽比、假想切圆直径和燃烧器高宽比。当喷孔两侧的切向直径增大时，两侧壁面上的空气供给角差增大。由于送风条件的不同，射流两侧的压力差使气流容易产生边缘。

四、炉内结渣的解决措施探讨

（一）增大炉内的过量空气系数α

炉壁的烟温度随着过量空气系数的增加而降低，炉内沉积物减少，受热表面的渣趋于减少。此外，α过低易导致氧气不足，炉内出现还原气氛。高熔点Fezo 3还原为低熔点FeO，大大降低了灰熔点，提高了炉渣的可能性。因此，必须输送足够的氧气。目前C3锅炉的过量空气系数在1.15左右，建议提高到1.2-1.25。但是，过量空气的增加可能会导致锅炉效率略有下降。

（二）适当提高一次风速

提高一次风速可以延缓煤粉的着火，使着火点离燃烧器更远，火焰的高温区也随之向炉膛中心移动，避免了喷煤附近结焦。在四角切向炉内，提高一次风速度还可以增加一次风射流的刚度，减小射流两侧静压引起的偏转，避免一次风气流结焦直接冲刷壁面。