劉維岐，汪山入，高文杰，吳 炬，宋大勇，張家維

(1.沈陽工程學(xué)院，沈陽 110136； 2.沈陽市熱力工程設(shè)計(jì)研究院，沈陽 110000；3.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，南京 210023)

0 引 言

近年來國內(nèi)燃煤煤質(zhì)變化頻繁，大部分電廠燃煤煤質(zhì)已偏離設(shè)計(jì)煤種，部分電廠燃煤煤質(zhì)偏離較為嚴(yán)重[1]。燃煤煤質(zhì)偏離較大時(shí)，會給鍋爐的實(shí)際運(yùn)行帶來很多問題，如鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性變差，鍋爐結(jié)焦、壁溫超溫等[2-4]。當(dāng)鍋爐燃用高結(jié)渣特性煤種時(shí)，容易出現(xiàn)結(jié)焦的現(xiàn)象。有學(xué)者對鍋爐結(jié)焦的原因，從燃煤灰成分對灰熔融特性及結(jié)焦特性的影響，Al、K、Na、Fe、Ca等元素對灰熔融特性的影響進(jìn)行了研究[5-6]。部分學(xué)者從鍋爐運(yùn)行參數(shù)變化、煤質(zhì)變化及結(jié)焦機(jī)理進(jìn)行研究[7-10]，分析鍋爐結(jié)焦原因并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

某電廠600 MW超臨界對沖燃燒鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)了嚴(yán)重的掉焦?fàn)顩r，在臨時(shí)停機(jī)檢查中發(fā)現(xiàn)，鍋爐屏式過熱器最前排管屏位置發(fā)生嚴(yán)重結(jié)焦。因此，通過結(jié)焦機(jī)理分析，找出鍋爐結(jié)焦原因，進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

1 鍋爐結(jié)焦?fàn)顩r分析

1.1 設(shè)備簡介

以某電廠600 MW前后墻對沖燃燒的超臨界直流Π型鍋爐為研究對象。鍋爐型號為HG-1900/25.4-YM3型。制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，共配有6臺磨煤機(jī)。鍋爐設(shè)計(jì)煤種為鐵法次煙煤，鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)和校核煤質(zhì)見表1。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)特性Table 1 Coal quality characteristics of boiler design

鍋爐運(yùn)行期間，鍋爐掉焦主要為兩種，一種為黑色，一種為紅色，如圖1所示。

圖1 鍋爐焦塊Fig.1 The coke lumps in boiler

鍋爐臨時(shí)停機(jī)期間，對爐內(nèi)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)鍋爐屏式過熱器最前排管屏位置結(jié)焦嚴(yán)重，清理下來的焦塊及屏過結(jié)焦?fàn)顩r如圖2所示。

圖2 屏過結(jié)焦及焦塊狀況Fig.2 Coking and coke block of platen superheater

為了分析鍋爐結(jié)焦原因，對鍋爐所燃用的9種煤質(zhì)及2種焦塊進(jìn)行灰成分分析、灰熔融性及結(jié)渣特性分析，并對鍋爐進(jìn)行吹灰試驗(yàn)及爐膛溫度場測試。

1.2 鍋爐吹灰試驗(yàn)

鍋爐吹灰試驗(yàn)主要分兩步進(jìn)行，觀察鍋爐掉焦情況。先對鍋爐水冷壁區(qū)域進(jìn)行吹灰，然后進(jìn)行過熱器受熱面吹灰。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鍋爐水冷壁區(qū)域吹灰時(shí)，掉焦主要為黑色焦塊；鍋爐屏過吹灰時(shí)，掉焦主要為紅色焦塊。

1.3 鍋爐爐膛溫度場試驗(yàn)

對不同負(fù)荷下鍋爐爐膛溫度場進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 爐膛溫度場測試結(jié)果Table 2 Test results of furnance temperature field 單位：℃

由表2中結(jié)果可知，鍋爐主燃燒區(qū)域溫度偏低，燃盡風(fēng)區(qū)域溫度偏高。測試中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在420 MW負(fù)荷下前墻最下層B磨運(yùn)行時(shí)，實(shí)測兩側(cè)爐膛溫度僅為908 ℃、922 ℃。試驗(yàn)過程中將B磨二次風(fēng)門開度由30%升高到60%時(shí)，B磨兩側(cè)爐膛溫度升高到1 031 ℃、1 054 ℃。加大二次風(fēng)門開度，可使燃燒溫度提高，說明鍋爐主燃燒區(qū)域存在缺氧燃燒的情況。

1.4 燃煤結(jié)焦特性分析

對9種煤樣及2種焦塊樣品進(jìn)行灰成分、灰熔融性及焦渣特性分析。

根據(jù)灰渣的軟化溫度情況，通過軟化溫度(ts)分析法對鍋爐燃用的主要煤質(zhì)結(jié)渣特性進(jìn)行分析。當(dāng)ts<1 260 ℃時(shí)，為結(jié)渣嚴(yán)重煤質(zhì)；當(dāng)1 260≤ts≤1 390 ℃時(shí)，為結(jié)渣中等煤質(zhì)；當(dāng)ts>1 390 ℃時(shí)，為結(jié)渣輕微煤質(zhì)。根據(jù)軟化溫度分析法，鍋爐燃用主要煤質(zhì)及焦塊的結(jié)渣特性分析結(jié)果見表3。

由表3中數(shù)據(jù)可知，“雙樹”煤質(zhì)為結(jié)渣中等煤質(zhì)。

表3 煤質(zhì)結(jié)渣特性分析—軟化溫度分析法Table 3 Analysis of slagging characteristics of coal-softening temperature analysis method 單位：℃

根據(jù)灰成分綜合指數(shù)法對鍋爐燃用的主要煤質(zhì)結(jié)渣特性進(jìn)行分析，依據(jù)結(jié)渣特性經(jīng)驗(yàn)判別指數(shù)對化驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。通過函數(shù)ω取其各成分在灰中的百分含量，判別指數(shù)計(jì)算式如下。

酸堿比：

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)

綜合結(jié)渣指數(shù)：

R=1.24B/A+0.28ω(SiO2)/ω(Al2O3)-

0.0023ts-0.019G+5.4

(3)

當(dāng)R<1.5時(shí)，為結(jié)渣輕微煤質(zhì)；當(dāng)1.5≤R<1.75時(shí)，為結(jié)渣中等偏輕煤質(zhì)；當(dāng)1.75≤R<2.25時(shí)，為結(jié)渣中等煤質(zhì)；當(dāng)2.25≤R<2.5時(shí)，為結(jié)渣中等偏重煤質(zhì)；當(dāng)R≥2.5時(shí)，為結(jié)渣嚴(yán)重煤質(zhì)。

根據(jù)灰成分綜合指數(shù)法，鍋爐燃用主要煤質(zhì)及焦塊的結(jié)渣特性分析結(jié)果見表4。

由表4中數(shù)據(jù)可知，“雙樹”煤種屬于中等偏重結(jié)渣傾向煤種。

表4 煤質(zhì)結(jié)渣特性分析—綜合指數(shù)法Table 4 Analysis of slagging characteristics of coal-comprehensive index method

根據(jù)《煤中堿金屬(鉀、鈉)含量分級》(MT/T 1074—2008)中的相關(guān)規(guī)定，對燃用煤中堿金屬含量進(jìn)行分級，根據(jù)灰中堿金屬(鉀、鈉)的含量，對煤中鉀和鈉總量(以干燥基計(jì)算)進(jìn)行計(jì)算。

煤中鉀和鈉總量：

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

(4)

式中：Ad為干燥基灰分。

當(dāng)ω(K+Na)d≤0.10時(shí)，為特低堿煤；當(dāng)0.10<ω(K+Na)d≤0.30時(shí)，為低堿煤；當(dāng)0.30<ω(K+Na)d≤0.50時(shí)，為中堿煤；當(dāng)ω(K+Na)d>0.50時(shí)，為高堿煤。

根據(jù)式(4)，對各煤種中堿金屬含量進(jìn)行計(jì)算，判別結(jié)果見表5。

表5 鍋爐燃用煤質(zhì)堿金屬含量分級Table 5 Classification of alkali metal content of boiler coal

由表5中計(jì)算結(jié)果可以看出，鍋爐燃用的9種燃煤中，有4種燃煤為高堿性煤種。堿金屬化合物在受熱面(1 000～1 100 ℃)直接凝結(jié)，形成致密的強(qiáng)黏結(jié)性灰，同時(shí)堿金屬化合物可使灰表面的黏結(jié)性增強(qiáng)，加速積灰過程的發(fā)展，煤灰呈熔化或半熔化狀態(tài)，熔融灰會直接黏在受熱面上，造成鍋爐受熱面結(jié)焦。

對紅色、黑色兩種焦塊進(jìn)行灰成分分析及灰熔融特性分析，發(fā)現(xiàn)該兩種焦塊成分、灰熔融性非常相近，其結(jié)果見表6。

表6 兩種焦塊灰成分及熔融性分析結(jié)果Table 6 Analysis results of ash composition and fusibility of two kinds of coke blocks

焦塊顏色不同，主要為其內(nèi)部鐵元素氧化物狀態(tài)不同，氧化性氛圍下生成的Fe2O3為紅褐色，還原性氛圍下生成的FeO為灰黑色。兩種焦塊成分及熔融性相近，表明兩種焦塊為同一種灰分產(chǎn)生，但其形成機(jī)理不同。

1.5 鍋爐結(jié)焦原因分析

通過試驗(yàn)分析以及對灰成分、灰熔融性分析可知，鍋爐燃用灰軟化溫度偏低及堿金屬含量較高的煤種，是鍋爐結(jié)焦的主要原因。同時(shí)，鍋爐主燃燒區(qū)域二次風(fēng)配風(fēng)風(fēng)量偏低，主燃燒區(qū)域缺氧燃燒，導(dǎo)致鍋爐燃燒中心提高，增加鍋爐屏過結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)。鍋爐主燃燒區(qū)域缺氧，使得鍋爐在主燃燒區(qū)形成黑色焦塊，燃盡區(qū)域氧量充足，且未完全燃燒的煤粉及可燃?xì)怏w燃燒，使得燃盡區(qū)域溫度較高，形成紅色焦塊。

2 解決方案及效果

調(diào)取鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鍋爐二次風(fēng)門開度是隨著該層燃燒器燃煤量而變化的，風(fēng)門開度與給煤量的比例系數(shù)約為1.23。鍋爐二次風(fēng)門開度隨磨煤機(jī)燃煤量變化如圖3所示。

圖3 二次風(fēng)門開度與給煤量運(yùn)行情況Fig.3 Secondary air valve opening and coal feeding operation

為了提高主燃燒區(qū)送風(fēng)量，在420～600 MW負(fù)荷工況下，將比例系數(shù)調(diào)整至1.8。復(fù)測鍋爐爐膛溫度場發(fā)現(xiàn)，鍋爐主燃燒區(qū)燃燒溫度明顯提高，鍋爐燃盡區(qū)域溫度降低約100 ℃。鍋爐運(yùn)行中，掉焦情況得到明顯緩解。

3 結(jié) 語

針對HG-1900/25.4-YM3型前后墻對沖燃燒的超臨界直流Π型鍋爐，燃用具有較強(qiáng)結(jié)焦特征的低灰熔點(diǎn)煤種?，F(xiàn)場實(shí)例研究表明，采取以下措施可以明顯改善結(jié)焦?fàn)顩r：

1)鍋爐燃用灰熔點(diǎn)較低煤種時(shí)，應(yīng)將灰熔點(diǎn)較低的煤種盡量安排在低負(fù)荷工況下燃燒。

2)420～600 MW負(fù)荷工況下，將風(fēng)門開度與給煤量的比例系數(shù)由1.23調(diào)整至1.8。

3)燃用易結(jié)焦煤質(zhì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)鍋爐吹灰。