韓 磊，韓 強(qiáng)，馬洪濤，劉珊伯，焦世超

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心，杭州 310030)

?

燃煤鍋爐冷灰斗結(jié)焦原因及對(duì)策

韓 磊1,2，韓 強(qiáng)1，馬洪濤1，劉珊伯1，焦世超1

(1.華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030；2.國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)(實(shí)驗(yàn))中心，杭州 310030)

針對(duì)3臺(tái)鍋爐冷灰斗斜面均出現(xiàn)結(jié)焦情況，調(diào)整磨煤機(jī)分離器擋板角度使煤粉細(xì)度接近設(shè)計(jì)，再調(diào)整磨煤機(jī)入口一次風(fēng)量，保證合理的一次風(fēng)粉管風(fēng)速及其出口溫度，優(yōu)化磨煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)，并通過調(diào)整主燃燒區(qū)二次風(fēng)和燃盡風(fēng)擋板開度、爐膛出口氧量和運(yùn)行負(fù)荷，考察鍋爐在不同工況下的安全性與經(jīng)濟(jì)性。試驗(yàn)結(jié)果表明：清除冷灰斗上面的澆筑料降低了爐膛的溫度場(chǎng)；鍋爐在均勻配風(fēng)方式下，爐內(nèi)燃燒情況較好，飛灰含碳量較低，排煙溫度較低，爐效較高；高負(fù)荷下，爐膛氧量宜控制在4.0%～4.5%。

冷灰斗結(jié)焦；燃燒優(yōu)化；效率

通常鍋爐的燃燒器噴口和水冷壁等受熱面易發(fā)生結(jié)焦，而冷灰斗出現(xiàn)結(jié)焦情況較為少見。印尼某發(fā)電廠3臺(tái)466 t/h機(jī)組在過完168 h后，從撈渣機(jī)排出表面光滑、堅(jiān)硬結(jié)實(shí)的焦粒，并且3臺(tái)鍋爐冷灰斗斜面均出現(xiàn)不同程度的結(jié)焦情況，結(jié)焦嚴(yán)重時(shí)甚至完全堵塞排渣口，對(duì)鍋爐和撈渣機(jī)安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在停爐期間對(duì)水冷壁進(jìn)行觀察，水冷壁較為光潔，各觀火孔處無明顯掛焦現(xiàn)象。為解決鍋爐冷灰斗結(jié)焦問題，掌握機(jī)組運(yùn)行特性，采取了一系列燃燒優(yōu)化調(diào)整手段。

1 設(shè)備概述

鍋爐為SG-466/13.73-M2003型超高壓自然循環(huán)、一次中間再熱、四角噴燃切圓燃燒、固態(tài)排渣煤粉鍋爐，單汽包Π型結(jié)構(gòu)布置；采用復(fù)合式空氣分級(jí)低NOx燃燒系統(tǒng)，可水平擺動(dòng)的高/低位燃盡風(fēng)(H/LUOFA)，水平濃淡分離噴嘴；主燃燒器由上部燃燒器和下部燃燒器組成；主燃燒器共設(shè)置四層一次風(fēng)噴嘴，一、二次風(fēng)間隔布置，采用水平濃淡分離的燃燒技術(shù)。燃燒器噴嘴除底部二次風(fēng)噴嘴不擺動(dòng)外，其余噴嘴均可手動(dòng)擺動(dòng)，供燃燒調(diào)整。配置4臺(tái)中速磨煤機(jī)，3運(yùn)行1備用，每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)一層燃燒器。

2 結(jié)焦現(xiàn)象與原因分析

在鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)撈渣機(jī)排出光亮堅(jiān)硬的小焦粒，不是普通意義上疏松易脆的渣(見圖1)。停爐后，全面檢查爐內(nèi)結(jié)焦情況，發(fā)現(xiàn)僅冷灰斗斜面結(jié)焦并且有部分焦塊往外伸出懸空，如圖2所示；圖3為受機(jī)組負(fù)荷擾動(dòng)或吹灰期間從冷灰斗脫落的焦塊。文獻(xiàn)[1]也出現(xiàn)冷灰斗結(jié)焦，但只是一局部結(jié)焦燃用貧瘦煤和無煙煤的混煤。

有多方面因素可以導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦，它不僅與煤質(zhì)有關(guān)，而且還與鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，比如爐膛熱負(fù)荷、燃燒器的布置方式、空動(dòng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及各受熱面的布置形式，同時(shí)還受運(yùn)行工況的影響，諸如煤粉細(xì)度、配風(fēng)方式、爐膛溫度控制、負(fù)荷波動(dòng)以及過量空氣系數(shù)等因素。

圖1 撈渣機(jī)排出焦粒

圖2 冷灰斗結(jié)焦情況

圖3 脫落的焦塊

2.1 煤質(zhì)分析

鍋爐設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行的煤種均為典型的高揮發(fā)分低熔點(diǎn)的印尼褐煤，而且具有高水分、低灰分、低硫分、易自燃的特點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)，常以灰熔融性溫度的高低來判斷結(jié)渣程度。判斷結(jié)渣的指數(shù)包括：灰熔融性溫度、灰成分和灰高溫黏度三種形式[2]。綜合國(guó)內(nèi)外分辨率較高的各種結(jié)渣指數(shù)判據(jù)[3-4]，結(jié)果見表1。由表1可見，設(shè)計(jì)煤種和實(shí)際煤種均為容易嚴(yán)重結(jié)渣的煤種，因此在進(jìn)行鍋爐設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行時(shí)應(yīng)充分考慮煤種的易結(jié)渣特性。

酸堿比：

(1)

硅比指數(shù)：

(2)

結(jié)渣指數(shù)：

(3)

2.2 主要原因

為了摸清鍋爐結(jié)焦的主要原因，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鍋爐進(jìn)行各項(xiàng)檢查，比如各觀火孔處的結(jié)焦情況和爐膛內(nèi)的溫度，冷灰斗結(jié)焦情況，灰渣含碳量，一、二次風(fēng)和燃盡風(fēng)噴嘴擺動(dòng)機(jī)構(gòu)開度，一次風(fēng)粉進(jìn)、出口溫度，一次風(fēng)速，煤粉細(xì)度，爐膛出口含氧量等。

四周的水冷壁較為光潔，可以判定熔融態(tài)的焦滴不是通過貼壁下落到達(dá)冷灰斗坡面，而是以直接下落為主要方式。熔融的焦滴在冷灰斗坡面堆積下流至排渣口并往外伸出懸空凝結(jié)，在吹灰期間嚴(yán)密觀察撈渣機(jī)出渣情況，發(fā)現(xiàn)受煙氣擾動(dòng)極易成塊脫落，大小不一(見圖3)。直接從排渣口落入撈渣機(jī)的焦滴遇水激冷成大小不一的焦粒。焦滴在下落過程中，沾粘、包覆較多未燃燒的煤粉，導(dǎo)致渣斗排除的碎渣含碳量較高(渣的可燃物甚至達(dá)到了84%)。

對(duì)3臺(tái)鍋爐進(jìn)行了爐膛溫度測(cè)試，在130 MW負(fù)荷以上，不同的試驗(yàn)工況下AB層和CD層主燃燒區(qū)域溫度均處于1 300～1 450℃，大部分工況溫度處于1 350～1 400℃，遠(yuǎn)高于灰熔點(diǎn)溫度1 250℃，爐膛出口溫度處于1 050～1 200℃。因此爐膛內(nèi)溫度較高是導(dǎo)致鍋爐結(jié)焦的原因之一。在試驗(yàn)期間，發(fā)現(xiàn)3臺(tái)鍋爐安裝時(shí)在冷灰斗斜面上敷設(shè)了澆筑料，該澆筑料可能會(huì)對(duì)鍋爐結(jié)焦產(chǎn)生較大的影響。

3 燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)

3.1 拆除澆筑料

澆筑料與衛(wèi)燃帶具有相同的傳熱性質(zhì)，澆筑料致使冷灰斗處水冷壁吸熱減弱，從而大大削弱了冷渣效果，熔融的焦滴未冷卻充分即落在冷灰斗斜坡面上凝結(jié)，焦附著在澆筑料上，其熱導(dǎo)率低，熱阻大，進(jìn)一步使冷灰斗處水冷壁吸熱降低，以此造成惡性循環(huán)，從而破壞爐內(nèi)總體熱平衡過程。在試驗(yàn)期間，電廠利用停機(jī)檢修機(jī)會(huì)已基本清除了3臺(tái)鍋爐冷灰斗斜面的澆筑料。

在澆筑料清除后，通過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，冷灰斗已沒有大面積結(jié)焦情況，僅有輕微結(jié)焦現(xiàn)象，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行不會(huì)產(chǎn)生影響。3臺(tái)鍋爐AB層燃燒器區(qū)域溫度較澆注料清除前降低了30～50℃。因此，再采取一系列的調(diào)整措施來完全消除結(jié)焦現(xiàn)象并提高鍋爐的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 制粉系統(tǒng)調(diào)整

制粉系統(tǒng)對(duì)鍋爐燃燒和結(jié)焦情況有很大的影響，如煤粉細(xì)度、一次風(fēng)速、磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉溫度、磨煤機(jī)組合形式。

(1) 對(duì)于高揮發(fā)分煤，穩(wěn)燃不成問題，但是煤粉偏粗會(huì)延長(zhǎng)著火距離，容易造成火焰沖墻，引起結(jié)焦，并且對(duì)燃燒的安全性和經(jīng)濟(jì)性不利；如煤粉偏細(xì)，則會(huì)因著火點(diǎn)前移，使噴嘴出口及其附近區(qū)域結(jié)渣。煤粉細(xì)度在很大程度上還影響著飛灰和爐渣中可燃物的含量。經(jīng)過檢測(cè)煤粉細(xì)度R90遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值25%，同時(shí)在飛灰中發(fā)現(xiàn)有較大的黑色顆粒，經(jīng)過分析是R200較高的緣故。通過調(diào)節(jié)磨煤機(jī)靜態(tài)分離器擋板開度來調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度(見表2)。

由表2可見，B磨煤機(jī)的初始煤粉細(xì)度即滿足要求，未對(duì)其作調(diào)整。實(shí)際操作中，磨煤機(jī)出口分離器擋板對(duì)煤粉細(xì)度調(diào)節(jié)特性不理想，磨煤機(jī)在分離器擋板開度30～45°時(shí)，煤粉細(xì)度R90均在30%以上，難以達(dá)到設(shè)計(jì)值25%，另外通過調(diào)節(jié)磨輥加載力以及磨煤機(jī)通風(fēng)量均不能有效調(diào)節(jié)煤粉細(xì)度。在試驗(yàn)期間，當(dāng)磨煤機(jī)出口分離器擋板角度降到30°以下時(shí)，對(duì)磨煤機(jī)出力有一定影響，容易造成磨煤機(jī)堵塞和機(jī)組負(fù)荷及汽溫異常波動(dòng)。因此，最后將4臺(tái)磨煤機(jī)的分離器擋板開度定在40、45、40、41，以使R90和R200盡量滿足要求。

表2 煤粉細(xì)度調(diào)整結(jié)果

(2)提高一次風(fēng)速會(huì)增強(qiáng)其剛性，使著火區(qū)煤粉濃度降低、火焰溫度下降，煤粉氣流推遲著火，減少燃燒器噴口結(jié)焦，但是過高的一次風(fēng)速會(huì)使二次風(fēng)包裹不住煤粉而使其沖刷爐墻而結(jié)焦。一次風(fēng)速過低則剛性不足，不利于切圓的形成，而且有可能發(fā)生回火，使噴口結(jié)渣甚至燒壞噴嘴。磨煤機(jī)各粉管一次風(fēng)速調(diào)整如圖4所示。

圖4 磨煤機(jī)各粉管一次風(fēng)速調(diào)整

試驗(yàn)過程中通過觀察發(fā)現(xiàn)在1、3號(hào)角燃燒器附近水冷壁有掛焦現(xiàn)象，經(jīng)過測(cè)試A、C磨煤機(jī)一次風(fēng)均勻性較差，1號(hào)角偏高，3號(hào)角偏低。通過調(diào)整可調(diào)縮孔，平衡同一臺(tái)磨出口4根粉管的阻力，調(diào)整后進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，根據(jù)風(fēng)速偏差經(jīng)過測(cè)量—調(diào)整—測(cè)量，直到各粉管一次風(fēng)速偏差在±5%以內(nèi)。

(3)鍋爐燃燒煤種屬于高揮發(fā)分、高水分煤，為防止制粉系統(tǒng)積粉發(fā)生爆炸，適當(dāng)提高磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉溫度，可以降低排煙溫度，總風(fēng)量不變的情況下會(huì)使熱一次風(fēng)量增加、熱一次風(fēng)溫降低，同時(shí)提高磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉溫度使煤粉提前著火。因此，綜合鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，將磨煤機(jī)出口一次風(fēng)粉溫度從60℃提高到63℃，注意磨煤機(jī)入口混合風(fēng)溫不得超過270℃。

(4)變磨煤機(jī)組合試驗(yàn)中，電負(fù)荷均保持在130 MW左右，將運(yùn)行氧量保持在4.5%左右，爐膛風(fēng)箱差壓保持0.65 kPa，磨煤機(jī)組合分別為ABC、BCD、ABCD，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。由表3可以看出，四磨同開的情況下鍋爐效率較低，這是因?yàn)橄啾冗\(yùn)行3臺(tái)磨，4臺(tái)磨運(yùn)行的情況下所需一次風(fēng)量和總風(fēng)量增加，導(dǎo)致干煙氣損失增加，同時(shí)風(fēng)機(jī)電耗增加。從冷灰斗結(jié)焦的情況來考慮，停用上層磨煤機(jī)使火焰中心下移，AB層主燃燒區(qū)域的溫度較高，不利于改善冷灰斗結(jié)焦的情況；而四磨同開則將鍋爐的熱負(fù)荷均勻分配到整個(gè)爐膛，最大程度的減輕結(jié)焦現(xiàn)象，但是增加了磨煤機(jī)電耗，鍋爐效率低一些，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性不足。

表3 變磨煤機(jī)組合方式下的爐效

圖5為不同磨煤機(jī)組合形式下爐膛溫度隨爐膛高度的分布圖。在圖5中，溫度為從AB層燃燒器(15 m)、CD層燃燒器(20 m)、LUOFA(24 m)、HUOFA(27 m)、爐膛出口(35 m)和大屏(40 m)等處觀火孔所測(cè)溫度的平均值，可見BCD磨運(yùn)行方式下AB層較CD層燃燒器區(qū)域的溫度低，但仍然在1 400℃，火焰中心微略上移，而其他各層溫度分布在不同磨煤機(jī)組合形式下并無明顯差異，因此改變磨煤機(jī)的組合形式并不能有效降低爐膛溫度。

圖5 變磨煤機(jī)組合下的爐膛溫度

3.3 配風(fēng)方式及氧量調(diào)整

燃燒器風(fēng)門擋板從下至上依次為：AA、A、AB、B、BB，CC、C、CD、D、DD，LUOFA、HUOFA。A、B、C、D為燃料風(fēng)門，AA、AB、BB、CC、CD、DD為二次風(fēng)門，LUOFA、HUOFA為燃盡風(fēng)門。

3.3.1 變二次風(fēng)

選擇在機(jī)組負(fù)荷為130 MW，4臺(tái)磨煤機(jī)全部運(yùn)行的方式下，通過控制總風(fēng)量進(jìn)行了變二次風(fēng)試驗(yàn)，比較均勻配風(fēng)、腰鼓配風(fēng)和縮腰配風(fēng)對(duì)鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)性的影響。表4是變二次風(fēng)配風(fēng)方式試驗(yàn)結(jié)果，圖6為爐膛溫度沿爐高的分布。

表4 變二次風(fēng)配風(fēng)方式下的爐效

圖6 變二次風(fēng)配風(fēng)方式下的爐溫

不同二次風(fēng)配風(fēng)方式對(duì)爐內(nèi)煤粉燃燒的影響是明顯的。由于煤種為高揮發(fā)分和高熱值煤，著火特性較好，燃燒初期需要充足的氧量供應(yīng)，腰鼓配風(fēng)和縮腰配風(fēng)會(huì)發(fā)生煤粉氣流局部缺氧而產(chǎn)生難燃盡碳，而導(dǎo)致爐膛出口煙溫、各段煙溫、排煙溫度上升，爐效下降。這兩種配風(fēng)方式容易導(dǎo)致爐膛內(nèi)局部產(chǎn)生還原性氣氛，導(dǎo)致結(jié)焦。

與腰鼓配風(fēng)相比，均勻配風(fēng)和縮腰配風(fēng)可以略微降低下層燃燒器區(qū)域的溫度，在縮腰配風(fēng)方式下爐膛出口溫度最低。

3.3.2 變氧量

選擇在機(jī)組負(fù)荷為130 MW，4臺(tái)磨煤機(jī)全部運(yùn)行的方式下進(jìn)行了變氧量試驗(yàn)。比較爐膛出口氧量分別在4.0，4.5和5.0時(shí)鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。表5為變氧量方式下的爐效試驗(yàn)結(jié)果，圖7為變氧量方式下爐膛溫度沿爐高方向的分布。

表5 變氧量方式下的爐效

爐膛氧量的變化對(duì)爐膛燃燒和溫度場(chǎng)的分布有著重要的影響。爐膛氧量的提高是通過提高送風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)的。由表5和圖7可以看出，機(jī)組在較高負(fù)荷下，適當(dāng)提高氧量有利于煤粉的完全燃燒和降低灰渣可燃物，但是送風(fēng)量增加即排煙量增加，使排煙熱損失增加，同時(shí)風(fēng)機(jī)的電耗也增加了。爐膛各處的溫度會(huì)因?yàn)闋t膛送風(fēng)量的增加而略有降低。綜合考慮，爐膛氧量宜控制在4.0%～4.5%。

圖7 變氧量方式下的爐膛溫度

3.4 運(yùn)行負(fù)荷變化

選擇在機(jī)組發(fā)電功率為145、130、100 MW條件下進(jìn)行對(duì)比，表6為變負(fù)荷方式下的爐效試驗(yàn)結(jié)果，圖8為變負(fù)荷運(yùn)行方式下爐膛溫度沿爐高方向的分布。

由表6和圖8可見,機(jī)組在100～130 MW時(shí)的鍋爐效率較高，機(jī)組在145 MW和130 MW下爐膛溫度變化不大，當(dāng)負(fù)荷降到100 MW時(shí)，爐膛溫度下降明顯，低負(fù)荷運(yùn)行利于鍋爐的安全性。

表6 變負(fù)荷方式下的爐效

圖8 變負(fù)荷方式下的爐膛溫度

在實(shí)際運(yùn)行中，鍋爐長(zhǎng)期低負(fù)荷或高負(fù)荷運(yùn)行，均不利于鍋爐的安全運(yùn)行，應(yīng)通過加減負(fù)荷增加鍋爐擾動(dòng)，使鍋爐結(jié)焦自動(dòng)脫落。若機(jī)組長(zhǎng)期在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量將負(fù)荷提高以定期吹灰。

4 結(jié)語

采用清除冷灰斗上面的澆筑料的方式，降低了爐膛的溫度場(chǎng)，有效緩解了冷灰斗結(jié)焦情況；鍋爐在均勻配風(fēng)方式下，爐內(nèi)燃燒情況較好，飛灰含碳量較低，排煙溫度較低，爐效較高；高負(fù)荷下，爐膛氧量宜控制在4.0%～4.5%。

通過采取這些措施，掌握了該類型四角切圓鍋爐冷灰斗結(jié)焦的原因，鍋爐冷灰斗結(jié)焦情況基本消除，為長(zhǎng)期安全地燃燒該印尼褐煤打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無需再安裝昂貴的配煤機(jī)，降低了運(yùn)行成本，提高了機(jī)組的安全性；同時(shí)，掌握了該類型鍋爐的燃燒特性，指導(dǎo)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性得以提高。

[1] 段學(xué)農(nóng),李文軍, 王 新, 等. 四角切圓鍋爐冷灰斗局部結(jié)焦異常分析與對(duì)策[J].華中電力,2010,23(5):34-36.

DUAN Xue-nong, LI Wen-jun, WANG Xin, et al. Analysis and countermeasure to anomalous partial coking in furnace hopper of tangential circle firing boiler[J]. Central China Electric Power,2010,23(5):34-36.

[2] 徐旭常,周力行. 燃燒技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[3] 岑可法. 鍋爐和熱交換器的積灰、結(jié)渣、磨損和腐蝕的防止原理與計(jì)算[M]. 北京:科學(xué)出版社,1994.

[4] 董明鋼. 高鈉煤對(duì)鍋爐受熱面結(jié)渣、沾污和腐蝕的影響及預(yù)防措施[J].熱力發(fā)電,2008,37(9):35-39.

DONG Ming-gang. Influence of high-sodium coal upon slagging,contamination,and corrosion on the heating surface of boilers[J]. Thermal Power Generation,2008,37(9):35-39.

(本文編輯：趙艷粉)

Causes and Countermeasures of Ash Hopper Slagging in the Coal-Fired Boiler

HAN Lei1,2，HAN Qiang1，MA Hong-tao1，LIU Shan-bo1，JIAO Shi-chao1

(1. Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China;2. National Energy Distributed Energy Technology R&D Center，Hangzhou 310030，China)

For ash hopper slagging in all the three boilers, adjust the angles of the separators baffle of the coal mills to make the fineness of pulverized coal close to the designed value; adjust the primary air flow of the coal mill inlet to ensure the reasonable primary air velocity and the outlet temperature and optimize the operating parameters of the coal mills; adjust the opening of the secondary air and burning wind baffle in the main combustion zone, the oxygen amount and operation load of the furnace outlet, and test the safety and economy of boiler under different conditions. The results reveal that the temperature field of the boiler was reduced by clearing pouring material above ash hopper. Under the condition of even distribution of wind, the combustion of the furnace was better with lower carbon content of fly ash, lower exhaust temperature, and higher efficiency. Under high load, the oxygen content should be controlled around 4.0% to 4.5%.

ash hopper slagging; combustion optimization; efficiency

10.11973/dlyny201605023

韓 磊(1987)，男，碩士，工程師，從事天燃?xì)夥植际侥茉凑镜倪\(yùn)行優(yōu)化技術(shù)。

TK227.2

B

2095-1256(2016)05-0632-05

2016-06-03