600 MW超临界直流锅炉结焦原因分析及优化调整

刘维岐，汪山入，高文杰，吴 炬，宋大勇，张家维

(1.沈阳工程学院，沈阳 110136； 2.沈阳市热力工程设计研究院，沈阳 110000；3.国家能源集团科学技术研究院有限公司，南京 210023)

0 引 言

近年来国内燃煤煤质变化频繁，大部分电厂燃煤煤质已偏离设计煤种，部分电厂燃煤煤质偏离较为严重[1]。燃煤煤质偏离较大时，会给锅炉的实际运行带来很多问题，如锅炉运行经济性变差，锅炉结焦、壁温超温等[2-4]。当锅炉燃用高结渣特性煤种时，容易出现结焦的现象。有学者对锅炉结焦的原因，从燃煤灰成分对灰熔融特性及结焦特性的影响，Al、K、Na、Fe、Ca等元素对灰熔融特性的影响进行了研究[5-6]。部分学者从锅炉运行参数变化、煤质变化及结焦机理进行研究[7-10]，分析锅炉结焦原因并进行优化调整。

某电厂600 MW超临界对冲燃烧锅炉在实际运行中出现了严重的掉焦状况，在临时停机检查中发现，锅炉屏式过热器最前排管屏位置发生严重结焦。因此，通过结焦机理分析，找出锅炉结焦原因，进行优化调整。

1 锅炉结焦状况分析

1.1 设备简介

以某电厂600 MW前后墙对冲燃烧的超临界直流Π型锅炉为研究对象。锅炉型号为HG-1900/25.4-YM3型。制粉系统采用中速磨正压直吹式制粉系统，共配有6台磨煤机。锅炉设计煤种为铁法次烟煤，锅炉设计煤质和校核煤质见表1。

表1 锅炉设计煤质特性Table 1 Coal quality characteristics of boiler design

锅炉运行期间，锅炉掉焦主要为两种，一种为黑色，一种为红色，如图1所示。

图1 锅炉焦块Fig.1 The coke lumps in boiler

锅炉临时停机期间，对炉内进行检查，发现锅炉屏式过热器最前排管屏位置结焦严重，清理下来的焦块及屏过结焦状况如图2所示。

图2 屏过结焦及焦块状况Fig.2 Coking and coke block of platen superheater

为了分析锅炉结焦原因，对锅炉所燃用的9种煤质及2种焦块进行灰成分分析、灰熔融性及结渣特性分析，并对锅炉进行吹灰试验及炉膛温度场测试。

1.2 锅炉吹灰试验

锅炉吹灰试验主要分两步进行，观察锅炉掉焦情况。先对锅炉水冷壁区域进行吹灰，然后进行过热器受热面吹灰。

试验中发现，锅炉水冷壁区域吹灰时，掉焦主要为黑色焦块；锅炉屏过吹灰时，掉焦主要为红色焦块。

1.3 锅炉炉膛温度场试验

对不同负荷下锅炉炉膛温度场进行测试，测试结果见表2。

表2 炉膛温度场测试结果Table 2 Test results of furnance temperature field 单位：℃

由表2中结果可知，锅炉主燃烧区域温度偏低，燃尽风区域温度偏高。测试中发现，机组在420 MW负荷下前墙最下层B磨运行时，实测两侧炉膛温度仅为908 ℃、922 ℃。试验过程中将B磨二次风门开度由30%升高到60%时，B磨两侧炉膛温度升高到1 031 ℃、1 054 ℃。加大二次风门开度，可使燃烧温度提高，说明锅炉主燃烧区域存在缺氧燃烧的情况。

1.4 燃煤结焦特性分析

对9种煤样及2种焦块样品进行灰成分、灰熔融性及焦渣特性分析。

根据灰渣的软化温度情况，通过软化温度(ts)分析法对锅炉燃用的主要煤质结渣特性进行分析。当ts<1 260 ℃时，为结渣严重煤质；当1 260≤ts≤1 390 ℃时，为结渣中等煤质；当ts>1 390 ℃时，为结渣轻微煤质。根据软化温度分析法，锅炉燃用主要煤质及焦块的结渣特性分析结果见表3。

由表3中数据可知，“双树”煤质为结渣中等煤质。

表3 煤质结渣特性分析—软化温度分析法Table 3 Analysis of slagging characteristics of coal-softening temperature analysis method 单位：℃

根据灰成分综合指数法对锅炉燃用的主要煤质结渣特性进行分析，依据结渣特性经验判别指数对化验结果进行分析。通过函数ω取其各成分在灰中的百分含量，判别指数计算式如下。

酸碱比：

B/A=[ω(CaO)+ω(MgO)+ω(Fe2O3)+ω(Na2O)+

ω(K2O)]/[ω(SiO2)+ω(Al2O3)+ω(TiO2)]

(1)

硅比：

G=100ω(SiO2)/[ω(SiO2)+ω(Fe2O3)+

ω(CaO)+ω(MgO)]

(2)

综合结渣指数：

R=1.24B/A+0.28ω(SiO2)/ω(Al2O3)-

0.0023ts-0.019G+5.4

(3)

当R<1.5时，为结渣轻微煤质；当1.5≤R<1.75时，为结渣中等偏轻煤质；当1.75≤R<2.25时，为结渣中等煤质；当2.25≤R<2.5时，为结渣中等偏重煤质；当R≥2.5时，为结渣严重煤质。

根据灰成分综合指数法，锅炉燃用主要煤质及焦块的结渣特性分析结果见表4。

由表4中数据可知，“双树”煤种属于中等偏重结渣倾向煤种。

表4 煤质结渣特性分析—综合指数法Table 4 Analysis of slagging characteristics of coal-comprehensive index method

根据《煤中碱金属(钾、钠)含量分级》(MT/T 1074—2008)中的相关规定，对燃用煤中碱金属含量进行分级，根据灰中碱金属(钾、钠)的含量，对煤中钾和钠总量(以干燥基计算)进行计算。

煤中钾和钠总量：

ω(K+Na)d=[0.830ω(K2O)+0.742ω(Na2O)]×Ad/100

(4)

式中：Ad为干燥基灰分。

当ω(K+Na)d≤0.10时，为特低碱煤；当0.10<ω(K+Na)d≤0.30时，为低碱煤；当0.30<ω(K+Na)d≤0.50时，为中碱煤；当ω(K+Na)d>0.50时，为高碱煤。

根据式(4)，对各煤种中碱金属含量进行计算，判别结果见表5。

表5 锅炉燃用煤质碱金属含量分级Table 5 Classification of alkali metal content of boiler coal

由表5中计算结果可以看出，锅炉燃用的9种燃煤中，有4种燃煤为高碱性煤种。碱金属化合物在受热面(1 000～1 100 ℃)直接凝结，形成致密的强黏结性灰，同时碱金属化合物可使灰表面的黏结性增强，加速积灰过程的发展，煤灰呈熔化或半熔化状态，熔融灰会直接黏在受热面上，造成锅炉受热面结焦。

对红色、黑色两种焦块进行灰成分分析及灰熔融特性分析，发现该两种焦块成分、灰熔融性非常相近，其结果见表6。

表6 两种焦块灰成分及熔融性分析结果Table 6 Analysis results of ash composition and fusibility of two kinds of coke blocks

焦块颜色不同，主要为其内部铁元素氧化物状态不同，氧化性氛围下生成的Fe2O3为红褐色，还原性氛围下生成的FeO为灰黑色。两种焦块成分及熔融性相近，表明两种焦块为同一种灰分产生，但其形成机理不同。

1.5 锅炉结焦原因分析

通过试验分析以及对灰成分、灰熔融性分析可知，锅炉燃用灰软化温度偏低及碱金属含量较高的煤种，是锅炉结焦的主要原因。同时，锅炉主燃烧区域二次风配风风量偏低，主燃烧区域缺氧燃烧，导致锅炉燃烧中心提高，增加锅炉屏过结焦的风险。锅炉主燃烧区域缺氧，使得锅炉在主燃烧区形成黑色焦块，燃尽区域氧量充足，且未完全燃烧的煤粉及可燃气体燃烧，使得燃尽区域温度较高，形成红色焦块。

2 解决方案及效果

调取锅炉运行数据发现，锅炉二次风门开度是随着该层燃烧器燃煤量而变化的，风门开度与给煤量的比例系数约为1.23。锅炉二次风门开度随磨煤机燃煤量变化如图3所示。

图3 二次风门开度与给煤量运行情况Fig.3 Secondary air valve opening and coal feeding operation

为了提高主燃烧区送风量，在420～600 MW负荷工况下，将比例系数调整至1.8。复测锅炉炉膛温度场发现，锅炉主燃烧区燃烧温度明显提高，锅炉燃尽区域温度降低约100 ℃。锅炉运行中，掉焦情况得到明显缓解。

3 结 语

针对HG-1900/25.4-YM3型前后墙对冲燃烧的超临界直流Π型锅炉，燃用具有较强结焦特征的低灰熔点煤种。现场实例研究表明，采取以下措施可以明显改善结焦状况：

1)锅炉燃用灰熔点较低煤种时，应将灰熔点较低的煤种尽量安排在低负荷工况下燃烧。

2)420～600 MW负荷工况下，将风门开度与给煤量的比例系数由1.23调整至1.8。

3)燃用易结焦煤质时，应加强锅炉吹灰。