某300MW锅炉结渣现象分析

谢召祥 安冬冬 张本强 邢曜宇 张 健 杨祖旺

（1. 华电青岛发电有限公司，山东 青岛 266000；2. 西安格瑞电力科技有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

某电厂现总装机容量为4×30万千瓦热电联产机组，一期1#、2#机组为纯凝机组，二期3#、4#机组为热电联产机组，总抽气能力为800吨/小时，分别于2005和2006年投产。一、二期机组锅炉为上海锅炉有限公司采用美国CE公司引进技术设计制造的亚临界、中间一次再热、控制循环汽包炉。采用钢球磨，中间仓储式，热风送粉，四角切圆燃烧。主要参数以MCR工况为设计参数，MCR即在汽机主汽门全开，且超压5%，机组电负荷为333.3MW情况下的锅炉最大连续蒸发量为1025t/h，锅炉额定工况，蒸发量为907t/h，电负荷为300MW。锅炉采用单炉膛、Π型、露天布置，全悬吊结构，炉前布置有三台低压头无填料密封循环泵，其中二台泵投运就可满足锅炉MCR出力，炉后尾部布置二台型号为29-V1(T)-2003-MOD的三分仓转子回转式预热器，直径为10.3m，一、二次风进出口均为分隔布置，一次风分隔角度为35°，二次风为145°，反转。构架为全钢结构，高强栓连接。

锅炉实际运行过程中存在的问题：停炉检查发现，该锅炉水冷壁区域存在不同程度的腐蚀与挂渣现象，其中向火侧区域较为严重。前墙：标高约28米处靠近右墙侧有约0.5×0.4×0.1m的焦块，标高23～26米从右墙侧到左墙侧约2/3的面积有挂焦痕迹，标高21～23米靠近右墙侧部分水冷壁管道表面有脱落，颜色呈锈黄色；后墙：标高约28米处靠近左墙侧有两块大小分别为2×0.5×0.1m、0.5×0.3×0.1m的焦块，标高20～25m处左墙侧到右墙侧约2/3的面积有挂焦痕迹；左墙：标高约29m处靠近前墙侧第一个吹灰器处有一块约2×1.5×0.2m的焦块，标高20～26m有挂焦痕迹，前墙侧多于后墙侧；右墙：靠近后墙侧的燃尽风喷口下有宽度约0.5m的焦块，标高23-26m后墙侧到前墙侧约1/3的面积有挂焦，标高20～24m处靠近后墙侧腐蚀明显，有大量小块状管壁脱落形成的痕迹。

1 渣样分析

借助X射线荧光探针（XRF）和X射线衍射（XRD）对挂壁焦块进行了元素和表面相分析，揭示结焦演化机理。激发X射线为CuKα（λ=0.154 nm），电流为40mA，加速电压为40kV，扫描速度为10°/min。

水冷壁区域的渣样，由于重力作用，掉落在锅炉底部渣池中，对收集的渣样进行XRD分析，结果如下，如图1所示。

图1 渣样XRD分析

渣样的主要成分是莫来石。煤粉炉内温度较高，可达1400℃，煤中矿物质如SiO2、Al2O3等通过烧结，固化反应成莫来石，其主要反应式如下：

在2θ角10～40°范围，出现大的包络线，说明含有大量非晶态物质，这部分非晶态物质主要为无定型二氧化硅，从图2的元素分析成分可知，渣样主要元素为Si、Al、Fe、Ca等。

图2 渣样主要元素分析

2 结渣成因分析

结渣是指由高温烟气夹带的熔化或部分熔化的粘性颗粒碰撞在炉墙或受热面上，粘结形成灰渣层。水冷壁的结渣大致可以有四种类型[1,2]：

（1）机械沉积。由于水冷壁表面粗糙和各种引力的作用，使细粒飞灰堆积而形成疏松的灰污层，机械沉积物易于用吹灰器清除；

（2）粘结沉积物。由于灰中碱金属氧化物在高温烟气中升华，遇冷凝结在水冷壁上，或由于灰层中国灰粒相互产生化学作用而形成低熔点化合物形成粘性沉积物。由于粘结强度不大，能部分被吹灰清除；

（3）烧结性积灰。高温升华后凝结在水冷壁上的碱金属氧化物与烟气中的三氧化硫、氧化铝、氧化铁等发生化合反应，形成各种硫酸盐。或者煤燃烧时释放出来的钠和钾与烟气中的三氧化硫反应生成气态的硫酸钠和硫酸钾，扩散及凝结在温度较低的管壁上。上述积灰被长时间高温烧结形成密实的积灰层，具有较高的机械强度，较难清除；

（4）熔渣层。沾污灰层表面温度较高，且粗糙。熔化灰粒极易在上面粘结，而不像碰撞在温度较低的水冷壁管时凝固下落。粘结灰层由于得不到冷却，表面是熔化状态，更易不断粘结灰粒，使灰渣层变厚、温度更高，直至表面熔化成液态渣流走，达到平衡为止。

渣层伴随化学反应能够无限地增长，坚硬而不易清除。不仅仅在背风侧，而且更多地在迎风面形成，有分层，各层的化学成分不同，颜色也有差异，灰的粘性是由化学反应产物而来。高温粘结灰的形成关键在于首先形成一层处于熔化或软化的粘性灰层，靠这一层粘性灰的捕捉作用积聚飞灰粒子，被捕捉到的飞灰在化学作用下形成紧密的灰层。影响高温粘结灰的主要因素[3～5]：（1）燃料成分 产生粘结灰的源头；（2）燃烧方式 煤粉炉产生的高温粘结灰的程度是不同的，也即最终归结为燃烧强度不同，积灰程度不同，强度高，升华物多，高温粘结灰严重；（3）温度水平 高温粘结灰发生在温度较高的区域；（4）烟气流速 烟气流速越高，积灰越少，锅炉中的经济烟气流速一般为8～12m/s。

3 减轻或防止高温粘结灰的措施与建议

设计时，严格选定炉膛断面热负荷及炉膛出口烟温，不要过大。正确设计和布置受热面，例如拉大横向节距，加入添加剂，改变灰的化学成分，使其不易形成粘结灰或形成机械强度小的灰。采取有效的吹灰装置，如压缩空气吹灰，水力吹灰，振动吹灰和钢珠吹灰等，并且运行一开始就正常投入吹灰装置，限制第一层升华灰的形成。

（1）控制煤粉细度。煤粉过细，着火提前，燃烧器区域热负荷较高，容易造成喷嘴烧坏，煤粉过粗，着火推迟，不易燃尽，火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，在惯性力的作用下，熔融灰粒容易脱离主流，撞击炉墙，导致炉膛及出口受热面结渣；

（2）锅炉切圆直径不宜过大，切圆直径过大，气流刷墙，未燃尽的煤粉会在近壁面处燃烧，造成局部缺氧，在还原性气氛下，熔渣灰熔点进一步降低，更容易粘附飞灰颗粒，渣体进一步长大；

（3）控制炉膛容积热负荷和截面热负荷。容积热负荷高，炉膛出口烟温高，易造成炉膛出口受热面结渣，截面热负荷高，易造成燃烧器区域结渣；

（4）保持炉膛出口氧量合理，炉膛出口氧量不宜过低，否则炉内还原性气氛加重，容易造成灰渣灰熔点降低，结渣严重。

4 结语

通过对本厂渣样的取样分析，得出本厂渣样的晶相主要成分是莫来石，其形成原因主要与煤灰熔点、气氛等因素有关，主要是煤灰中二氧化硅和氧化铝高温熔融反应所致，主要元素为Si、Al、Fe、Ca等。