魯博穎,郭建輝,石 永,惠建龍
(陜西興化集團(tuán)有限責(zé)任公司 陜西興平 713100)
燃煤鍋爐結(jié)渣是鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最大障礙。影響鍋爐結(jié)渣的因素很多,主要有煤的灰熔點(diǎn)、還原性氣體含量、煤的沾污性能、爐膛溫度、空氣動力場、爐膛出口煙氣溫度、缺氧燃燒、鍋爐吹灰等。本文根據(jù)各因素的影響來分析如何預(yù)防鍋爐爐膛結(jié)渣,并提出相應(yīng)的處理方法[1]。
在鍋爐爐膛中心,燃燒火焰中心溫度為1 500~1 700 ℃。在燃燒過程中,煤粉顆粒中所含的易熔或易氣化的物質(zhì)迅速揮發(fā)成氣態(tài)進(jìn)入煙氣中,當(dāng)溫度降低時(shí)發(fā)生凝結(jié),或黏附在煙氣沖刷的受熱面、爐墻上,或在飛灰顆粒表面形成熔融的堿化物膜(也稱為堿性膜),然后黏附在受熱面上形成初始結(jié)渣層,成為結(jié)渣發(fā)展的條件。渣層中發(fā)生物理化學(xué)變化,渣層的強(qiáng)度不斷增大,隨外表溫度不斷升高,渣層越來越厚,當(dāng)結(jié)渣的溫度達(dá)到熔化溫度時(shí),就會流到鄰近的受熱面上,擴(kuò)大了結(jié)渣的范圍。因此,結(jié)渣過程是一個(gè)自動加劇的過程。
鍋爐中易結(jié)渣處一般在噴燃器出口、衛(wèi)燃帶、水冷壁受熱面,嚴(yán)重結(jié)渣時(shí)還會出現(xiàn)在過熱器位置,導(dǎo)致過熱器換熱效果差(有可能引起爆管)、引風(fēng)機(jī)出力增大、爐膛呈正壓,造成鍋爐停爐。
鍋爐結(jié)渣是一個(gè)十分復(fù)雜的物理、化學(xué)、動力學(xué)過程,涉及煤的燃燒、爐內(nèi)傳熱和傳質(zhì)、煤的潛在結(jié)渣傾向、煤灰粒子在爐內(nèi)運(yùn)動、煤灰與管壁間的黏附等,至今還沒有能定量描述結(jié)渣過程的數(shù)學(xué)模型。
鍋爐結(jié)渣將對機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不良的影響。水冷壁、過熱器受熱面發(fā)生結(jié)渣后,爐膛出口煙氣溫度、蒸汽溫度及排煙溫度升高,嚴(yán)重時(shí)會引起管壁過熱、超溫,危及受熱面的安全性。結(jié)渣往往是不均勻的,會使過熱器熱偏差增大。水冷壁處結(jié)渣對自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)安全性造成不利的影響。鍋爐上部結(jié)渣后出現(xiàn)渣塊掉落時(shí),可能會砸壞水冷壁,影響穩(wěn)定燃燒,嚴(yán)重時(shí)造成鍋爐滅火。若燃燒器噴口結(jié)渣,會影響氣流的正常噴射,破壞爐內(nèi)的空氣動力工況,嚴(yán)重時(shí)鍋爐會滅火。如果結(jié)渣嚴(yán)重,將迫使鍋爐停止運(yùn)行,進(jìn)行除渣。過熱器處結(jié)渣,使鍋爐通風(fēng)阻力增大,耗電量上升。結(jié)渣還會引起受熱面超溫、鍋爐通風(fēng)量不足、蒸發(fā)量不足等問題,可能會限制鍋爐出力,使機(jī)組被迫減負(fù)荷運(yùn)行。
煤灰組成極其復(fù)雜,主要由硅、鋁、鐵、鈦、鎂、鈣、釩、錳、鉀、鈉、硫、磷、氧等元素組成,大多數(shù)以氧化態(tài)存在,含量由高到低順序大致為SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、SO3、TiO2、K2O、MgO、Na2O、MnO3等。
陜西興化集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱陜西興化公司)4×160 t/h鍋爐燃煤主要來自甘肅和陜北煤礦,其中來自甘肅某煤礦煤種分析數(shù)據(jù)見表1,物質(zhì)熔點(diǎn)見表2。除此之外,鍋爐還摻燒了來自煤氣化裝置和甲醇合成裝置的燃料氣,該燃料氣的主要成分為CO、CH4、H2、CH3OH、N2、H2O、CO2、Ar等。
形成結(jié)渣的化學(xué)反應(yīng):
Fe2O3+H2=H2O+2FeO
Fe2O3+CO=CO2+2FeO
FeO-SiO2共熔體中有個(gè)一致熔融化合物2FeO·SiO2(正硅酸鐵或鐵橄欖石),熔點(diǎn)為1 208 ℃。該化合物熔化時(shí)不穩(wěn)定,分解為偏硅酸亞鐵[2FeO·SiO2+SiO2=2(FeO·SiO2)],ΔHm>0,在溫度低于1 208 ℃時(shí)反應(yīng)向左進(jìn)行,這極大地加速了結(jié)渣的可能性。CaO·FeO·SiO2共熔體熔點(diǎn)為1 100 ℃,遠(yuǎn)低于上述煤種的變形溫度(DT),很大程度上增加了結(jié)渣的可能性。
為了盡量減輕結(jié)渣帶來的影響,應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)爐膛的煤粉質(zhì)量,摻燒灰熔點(diǎn)高的煤。在煤粉內(nèi)加入添加劑,可提高灰熔點(diǎn),并使強(qiáng)黏結(jié)性的渣變?yōu)槭杷傻脑?,便于清除和脫落,但此法需考慮對水冷壁的腐蝕,應(yīng)謹(jǐn)慎使用。
表1 甘肅某煤礦煤種分析數(shù)據(jù)
表2 物質(zhì)熔點(diǎn)
陜西興化公司摻燒的燃料氣中含有還原性成分CO、H2,其含量高將降低煤的灰熔點(diǎn),易發(fā)生結(jié)渣,因此鍋爐在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)應(yīng)少用或停用燃料氣。
目前各國對煤的沾污性能的判斷指標(biāo)不同,以德國EVT公司采用的計(jì)算公式來說明煤的沾污性能。由于鍋爐燃煤的硫含量較高,此公式考慮了硫含量對沾污性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:煤中硫含量的增加與受熱面沾污加劇成正比關(guān)系。沾污指數(shù)按式(1)計(jì)算:
Kv=(0.5+wNa2O+wK2O)×(0.5+wS)
(1)
式中:Kv——沾污指數(shù);
wNa2O——煤灰中含Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù);
wK2O——煤灰中含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù);
wS——煤灰中含S質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
當(dāng)Kv<4時(shí)沾污較輕,當(dāng)Kv>4時(shí)沾污較重。鍋爐用煤含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18%~0.97%,Kv值一般為2.54~4.77,因此對鍋爐受熱面沾污影響較大,在較短時(shí)間內(nèi)就會在高溫過熱器處形成黏結(jié)性積灰。當(dāng)高溫過熱器管排之間的結(jié)渣和積灰封堵了大部分的煙氣流通截面后,會在水平煙道方向形成煙氣走廊,造成煙氣流速大于設(shè)計(jì)值,飛灰顆粒對管壁的撞擊力、沖刷力加大,磨損加劇[2]。
進(jìn)行鍋爐空氣動力場試驗(yàn)的目的是為了保證鍋爐四角一、二次風(fēng)速在規(guī)定范圍內(nèi),四角來粉均勻,防止因鍋爐切向燃燒偏斜造成受熱面結(jié)焦,故燃燒器的燃燒工況與整個(gè)爐膛的空氣動力特性密切相關(guān)。
爐膛燃燒區(qū)域內(nèi)的結(jié)渣常發(fā)生在火焰或煙氣直接沖刷處,若無上述情況,即使大量灰粒已呈熔融狀態(tài),由于不與水冷壁接觸,也不會黏結(jié)在水冷壁上。若空氣動力場不良,造成切圓過大或火焰中心偏移,將導(dǎo)致高溫?zé)煔鉀_刷水冷壁面而結(jié)渣。因此,應(yīng)及時(shí)調(diào)整各風(fēng)門開度及風(fēng)煤配比,盡量均勻提供四角煤粉濃度及各燃燒器配風(fēng)量,并適當(dāng)提高一次風(fēng)速[3]。
爐膛出口煙氣溫度直接反映了火焰是否有偏斜現(xiàn)象。測溫點(diǎn)一般南北兩側(cè)各布置1個(gè),二者溫差直接反映了火焰對兩側(cè)水冷壁的沖力方向、一二次風(fēng)的分布是否均勻,間接反映了結(jié)渣的可能方向。因此,日常生產(chǎn)中應(yīng)注意觀察2個(gè)測溫點(diǎn)的溫差大小。
當(dāng)空氣量充足時(shí),控制爐膛出口煙氣溫度是避免爐膛結(jié)渣的重要措施之一,一般爐膛出口煙氣溫度控制在低于灰熔點(diǎn)50~100 ℃就可避免爐膛上部結(jié)渣。為避免爐膛出口煙氣溫度過高,可采用合理配風(fēng)、降低火焰中心高度、減小爐膛熱強(qiáng)度等措施。
火焰中心上移將導(dǎo)致出口煙氣溫度上升,排煙溫度升高,引起屏式過熱器、低溫過熱器和高溫過熱器結(jié)渣,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆管。因此,實(shí)際生產(chǎn)中必須控制好火焰中心高度,嚴(yán)防火焰中心上移。
下部爐膛投用燃料氣時(shí),若熱負(fù)荷過高,易發(fā)生局部結(jié)渣,此時(shí)可適當(dāng)提高送風(fēng)機(jī)風(fēng)壓,保持爐膛中氧體積分?jǐn)?shù)為4%~5%,控制壓力為-70 Pa,并稍微延長著火點(diǎn)。
缺氧燃燒會產(chǎn)生還原性氣氛,使煤灰熔點(diǎn)大幅下降,誘發(fā)嚴(yán)重結(jié)渣。所以控制合適的爐膛氧量非常重要。固態(tài)排渣煤粉爐過??諝庀禂?shù)為1.20~1.25,過??諝庀禂?shù)過小將導(dǎo)致缺氧燃燒。鍋爐過??諝庀禂?shù)按式(2)計(jì)算:
α=0.209/(0.209-φO2)
(2)
式中:α——過??諝庀禂?shù);
φO2——O2體積分?jǐn)?shù)實(shí)測值,%。
鍋爐用燃料煤含灰量和含硫量高,運(yùn)行中會引起受熱面沾污積灰、結(jié)渣。結(jié)渣后,外部輻射熱減少、傳熱速率下降,導(dǎo)致鍋爐效率下降;此外,高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行時(shí),爐膛容積熱負(fù)荷增大,過熱器溫度嚴(yán)重升高,燃料氣的投用極大地增加了爐膛結(jié)渣的可能性。因此,應(yīng)定時(shí)采用蒸汽對爐膛受熱面進(jìn)行吹灰。吹灰一般采用壓力1.0~1.5 MPa、溫度400 ℃的過熱蒸汽,能有效清除水冷壁及屏式過熱器積灰。
爐膛結(jié)渣是一種危害性較大的鍋爐運(yùn)行障礙,必須從煤質(zhì)、運(yùn)行、檢修及其他方面進(jìn)行綜合分析,最終將危害程度降至最低。另外,當(dāng)鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),爐膛容積熱負(fù)荷過大,爐膛出口煙氣溫度高,為防止局部嚴(yán)重結(jié)渣,甚至發(fā)生爆管事故,應(yīng)強(qiáng)化給水質(zhì)量,對受熱面及時(shí)吹灰,適當(dāng)加強(qiáng)排污。在例行巡檢過程中,如發(fā)現(xiàn)底部有大渣掉落或渣量異常少時(shí),應(yīng)對爐膛受熱面和噴燃口進(jìn)行檢查,發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。