孫 暉，方國權(quán)，郭向健，張喜來

（1. 浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆 阿克蘇 843000；2. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054）

0 引言

新疆準東煤具有低灰和中等熱值的特點，被廣泛應用于動力煤摻燒，但其堿金屬含量偏高，容易引起鍋爐受熱面結(jié)渣問題。結(jié)渣是指熔融態(tài)灰組織在爐膛水冷壁或輻射區(qū)懸吊式管屏表面沉淀并固化的過程［1］。準東煤結(jié)渣機理十分復雜，國內(nèi)已有許多學者進行了機理性研究［2-8］。從物理過程看，煤灰在較高火焰溫度下呈熔融和半熔融狀態(tài)，隨煙氣或者火焰沖刷爐墻而粘附在受熱面上，并在運行中進一步粘附熔融或半熔融狀態(tài)的灰粒和未燃盡的焦炭，使結(jié)渣進一步發(fā)展［9-12］。從化學過程看，煤粉燃燒促使礦物成分相互結(jié)合轉(zhuǎn)化，可能形成鐵橄欖石、鐵斜暉石、硬綠泥石、鈉長石、鈉霞石等易熔礦物［13-14］，降低了煤灰整體的熔融溫度，且微粒間常常發(fā)生團聚粘附，引起鍋爐受熱面結(jié)渣［15］?？傮w而言，鍋爐結(jié)渣與煤質(zhì)成分、煤灰熔融特性、煤粉細度、爐膛溫度、燃燒氣氛、運行方式等因素有關。燃煤鍋爐受熱面發(fā)生結(jié)渣，可能引起排煙升高、燃盡率降低、減溫水增大而使發(fā)電煤耗升高［16］，也可能引起撈渣機跳閘、渣井堵塞而使鍋爐出力受限，大渣掉落還可能引起爐膛負壓波動、爐底水封破壞、冷灰斗爆管、爐膛滅火等問題［17］，對發(fā)電煤耗、機組出力和鍋爐設備安全運行均存在不利影響，應予以高度重視。

本文介紹了某電站燃煤鍋爐運行中水冷壁結(jié)渣的現(xiàn)象、原因分析及治理措施。通過觀察爐底渣形態(tài)位置和爐膛吹灰試驗情況判斷結(jié)渣位置，進一步通過煤質(zhì)分析、空氣動力場、主燃燒區(qū)檢查等方式進行綜合診斷分析，從而推測結(jié)渣原因，并提出針對性防范措施。

1 設備概況

某發(fā)電機組容量為350 MW，鍋爐型號為SG-1173/25.5-M4418，系超臨界變壓運行螺旋管圈直流爐，型式為單爐膛、一次再熱、四角切圓燃燒方式、緊身封閉、濕態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π 型鍋爐。制粉系統(tǒng)配置5 臺ZGM95K型中速輥式磨煤機，共有5層煤粉燃燒器，燃燒方式采用擺動式、四角切圓、低氮燃燒技術(shù)，配置直流燃燒器。主風箱上部布置燃盡風燃燒器，包括可水平擺動的3層高位分離燃盡風噴嘴及3層低位分離燃盡風噴嘴。設計煤種為俄礦煤，校核煤種為托克遜煤。鍋爐容積熱負荷84 kW/m3、截面熱負荷4 190 kW/m2、燃燒區(qū)域熱負荷1 543 kW/m2。設計煤種的灰熔點1 260 ℃。

因設計煤種存在供應缺口，發(fā)電廠優(yōu)先采購北疆準東系列煤種，同時根據(jù)庫存情況，采購一部分由地方煤摻配而成的市場煤加以補充。準東系列煤摻燒比例在40%～63%，摻燒的準東系列煤包含準東混煤、紅沙泉煤、將二礦煤等，準東系列煤具有低灰、低硫、高水、中等熱值、易結(jié)渣等特性。常用煤種工業(yè)分析見表1、常用煤種堿金屬分析及灰熔點見表2、燃煤上倉方式見表3。

表1 常用煤種的工業(yè)分析結(jié)果和發(fā)熱量Table 1 Industrial analysis results and calorific values of common coals

表2 常用煤種堿金屬分析結(jié)果及灰熔點Table 2 Alkali metal analysis results and ash melting points of common coals

表3 燃煤上倉方式Table 3 Coal loading methods

2 結(jié)渣問題描述

自2021年10月26日B修后復役以來，該機組一直穩(wěn)定運行，準東系列煤種摻燒比例穩(wěn)定在40%～63%。但自2022 年1 月18 日以來，鍋爐撈渣機連續(xù)出現(xiàn)大量渣塊，典型事件及發(fā)電廠采取的相關舉措如表4所示。

表4 典型事件及相關舉措Table 4 Typical events and related measures

2.1 撈渣機過載跳閘

2022 年1 月18 日，燃煤上倉方式采用表3 中方式1，制粉系統(tǒng)A、B、C、D、E均運行。在機組電負荷由200 MW 升至270 MW 的過程中，撈渣機驅(qū)動油壓由5.78 MPa 快速上升到16.7 MPa，驅(qū)動油壓高觸發(fā)撈渣機跳閘。就地檢查發(fā)現(xiàn)撈渣機上槽體積滿渣，斜坡上升段存在塊狀渣塊，并有大渣塊在B渣井（B渣井對應3號、4號角，A渣井對應1號、2號角）下沿卡住。

2.2 渣井積渣

2022 年2 月22 日，燃煤上倉方式采用表3 中方式3，制粉系統(tǒng)A、B、C、D運行。由于試驗工作需要鍋爐本體10 h 內(nèi)未吹灰、機組負荷穩(wěn)定情況下，鍋爐右側(cè)墻B 渣井有明顯積渣，堆積高度達到3.5 m。經(jīng)機械擊打并處理，查明B渣井右側(cè)底部有大渣塊堵塞排渣口引起積渣。

3 診斷分析

3.1 煤質(zhì)分析

3.1.1 摻燒市場煤

煤灰成分一般含有三氧化二鐵Fe2O3、氧化鈣CaO、氧化鎂MgO、氧化鈉Na2O、氧化鉀K2O等堿性氧化物，以及二氧化硅SiO2、三氧化二鋁Al2O2、二氧化鈦TiO2、三氧化硫SO3等酸性氧化物。堿性氧化物有降低灰熔點作用，酸性氧化物有提高灰熔點作用，兩者的比值（堿酸比）是衡量煤種結(jié)渣性的重要指征之一。

2022年1月1日以來，準東系列煤種摻燒比例低于50%，鍋爐總體結(jié)渣情況良好，無大片狀渣的存在。市場煤屬于中低熱值、高灰分煤種，部分煤種干燥基灰分Ad達到35%，查看撈渣機出渣為細渣、散渣。根據(jù)摻燒經(jīng)驗，灰分大，即SiO2占比提高，堿酸比下降，有助于緩解準東系列煤摻燒結(jié)渣問題。因此，分析認為摻燒市場煤并不是導致結(jié)渣的主要原因。

3.1.2 摻燒準東系列煤

為了分析掉大渣是否與摻燒準東系列煤有關，取撈渣機跳閘前三日（即2022 年1 月16—18 日）入爐煤綜合樣進行化驗。工業(yè)分析結(jié)果見表5，灰堿金屬分析結(jié)果見表6?；灲Y(jié)果顯示入爐煤綜合樣的工業(yè)分析、灰堿金屬分析數(shù)據(jù)正常。

表5 入爐煤綜合樣工業(yè)分析結(jié)果Table 5 Industrial analysis of the as-fired coal samples

表6 入爐煤綜合樣灰堿金屬成分分析結(jié)果Table 6 Analysis of Alkali metal composition in ash of the as-fired coal samples

為評價入爐煤綜合樣的結(jié)渣傾向性，采用經(jīng)驗判別指標［18］進行綜合判斷，判別準則見表7。

表7 結(jié)渣傾向性的經(jīng)驗判別指標Table 7 Empirical discriminators for slagging tendency

根據(jù)入爐煤綜合樣灰堿金屬分析，計算得到的各項經(jīng)驗判別指標見表8，其中硅鋁比和結(jié)渣指數(shù)指示為嚴重結(jié)渣，堿酸比和硅比指示為中等結(jié)渣，鐵鈣比指示為偏中等結(jié)渣。從各項經(jīng)驗判別指標可以看出，摻燒準東系列煤后，入爐煤綜合樣的結(jié)渣傾向性至少為中等結(jié)渣，也可能達到嚴重結(jié)渣等級。

表8 入爐煤綜合樣的結(jié)渣經(jīng)驗判別指標計算結(jié)果Table 8 Calculations of empirical discriminators for slagging tendency of as-fired coal samples

3.2 落渣位置分析

通過安裝在水冷壁集箱引出管管壁上的熱電偶，對水冷壁管束金屬壁溫進行在線監(jiān)測。正常情況下爐膛短吹灰器吹灰后，水冷壁掉大渣會引起水冷壁局部區(qū)域吸熱量快速上升、個別點壁溫高的現(xiàn)象。2022 年1 月18 日撈渣機跳閘前，鍋爐水冷壁螺旋段、垂直段壁溫波動均在正常范圍內(nèi)。撈渣機跳閘時（即大渣掉落后），螺旋段、垂直段壁溫測點變化也不明顯。故本次事件結(jié)渣位置在水冷壁螺旋段、垂直段的可能性極小。

鍋爐分隔屏、后屏、折焰角區(qū)域可以通過觀火孔進行查看，正常運行時分隔屏略有掛焦，但不存在大渣塊粘附情況。撈渣機上槽體及斜坡面出現(xiàn)大量渣塊，而撈渣機地面濺水量不大，爐膛負壓由-90 Pa升至99 Pa，鍋爐總風量由1 224 t/h降至1 158 t/h，故判斷該事件非分隔屏、后屏、折焰角所結(jié)渣塊掉落所致。

3.3 爐膛吹灰試驗分析

為進一步查明結(jié)渣部位，進行了爐膛吹灰試驗。根據(jù)煤粉燃燒器布置，通過逐支執(zhí)行爐膛吹灰器，逐一排查結(jié)渣位置。爐膛吹灰器A 層位于主燃燒器下方、B 層位于主燃燒器上方，以A 層為例的爐膛吹灰器布置情況如圖1所示。

圖1 爐膛吹灰器布置示意圖Fig.1 Arrangement of furnace soot blowers

1月28日白班，進行鍋爐燃燒器區(qū)域A、B層短吹灰器吹灰試驗。當執(zhí)行完A4、A5 吹灰器后，撈渣機驅(qū)動油壓迅速從5 MPa 上升至12 MPa，現(xiàn)場查看撈渣機上槽體滿渣，且存在部分大渣塊。1月29 日夜班，再次執(zhí)行A4、A5 吹灰器后，撈渣機驅(qū)動油壓從5 MPa上升至6.6 MPa，經(jīng)現(xiàn)場查看有較大量的散渣，情況相比1月28日有所好轉(zhuǎn)。

A4、A5 吹灰器工作時，能對3 號角A、B 煤粉燃燒器周邊及冷灰斗拐角產(chǎn)生蒸汽吹掃，沖擊渣塊松動掉落。在鍋爐停爐檢修前，通過適當調(diào)整吹灰方式，尤其是加快3號角A層燃燒器附近的吹灰頻次，可有效緩解撈渣機頻繁出現(xiàn)大渣的狀況。試驗表明，3號角主燃燒器中下部附近存在容易結(jié)渣或積渣區(qū)域（觀火孔查看盲點區(qū)）。

3.4 爐內(nèi)空氣動力場排查

在2021年10月檢修期間，對部分磨煤機出口粉管可調(diào)縮孔和部分燃燒器進行常規(guī)檢修，無較大改造工作。若制粉系統(tǒng)各粉管參數(shù)偏差較大，也可能存在鍋爐燃燒火焰中心切圓傾斜，致鍋爐右側(cè)墻及后墻灰渣沾污、結(jié)渣。經(jīng)排查可知，鍋爐大渣塊首次掉落在檢修完成約2個月以后，從時間上判斷，空氣動力場嚴重不均、火焰偏斜貼墻的可能性不大。且結(jié)渣發(fā)生后（2 月18 日），緊急進行制粉系統(tǒng)粉管風速、流量調(diào)平試驗，試驗結(jié)果表明一次風各粉管參數(shù)偏差均在合格范圍內(nèi)，僅有2C 磨煤機一次風量實際偏高，也已立即糾正。因此，爐內(nèi)風粉配風場總體均勻，不是形成大渣塊的主要原因。

3.5 燃燒器分析

鑒于3號角主燃燒器中下部附近存在容易結(jié)渣或積渣區(qū)域，且并非由空氣動力場不均勻引起，故可推測3號角煤粉燃燒器存在局部燒損問題，如圖2所示。當燃燒器周界風噴口燒損變形后，周界風流量和壓力不足，無法形成全周嚴密的風包粉射流，導致部分煤灰隨煙氣沖刷燃燒器側(cè)邊水冷套，并形成局部結(jié)渣。渣塊隨時間推移不斷積聚，同時受到爐膛火焰輻射后呈現(xiàn)軟化。當外因?qū)е碌臓t膛溫度、負壓、風量擾動后，渣塊下墜至冷灰斗包角處。

圖2 煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of a pulverized coal burner

2022 年1 月18 日撈出的所有渣塊底部平整，無管排輪廓，也印證了冷灰斗處有渣塊沉積。3號角燃燒器及冷灰斗布置如圖3所示。當日負荷連續(xù)波動過程中，煤粉燃燒器側(cè)邊所結(jié)渣塊下墜，擊打冷灰斗沉積渣塊，然后一起滑落至撈渣機上槽體，遇水急劇冷卻部分變?yōu)樗樵?，最終碎渣與渣塊導致?lián)圃鼨C過負荷跳閘。結(jié)合當日壁溫變化情況，可判明主要是冷灰斗包角處沉積渣塊滑落，導致?lián)圃鼨C過載跳閘。

圖3 燃燒器及冷灰斗布置Fig.3 Arrangement of the burner and cold ash hooper

3.6 停爐檢查

2022 年3 月19 日，機組臨時調(diào)停8 天。因檢修時間不足，使用攝像頭拍攝鍋爐B3煤粉燃燒器噴口，證實B3煤粉燃燒器下沿周界風板變形導致部分堵塞，致B3煤粉射流下部包裹不足，燃燒后其灰渣沾污側(cè)邊水冷壁，并在其下方冷灰斗存積。該燃燒器修復問題留待停爐檢修時處理。

4 防范措施

4.1 運行調(diào)整措施

1）通過針對性吹灰提升吹掃效果，減少煤粉燃燒器區(qū)域及冷灰斗包角區(qū)域異常結(jié)渣、積渣頻率及落渣量。安裝基于雷達掃描探測的爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測爐內(nèi)結(jié)渣情況，并配套開發(fā)智能吹灰系統(tǒng)，實現(xiàn)吹灰效果、吹灰蒸汽耗量和管排吹掃磨損的綜合優(yōu)化。

2）適當增大鍋爐氧量、二次風與爐膛差壓、周界風擋板開度。尤其是加大摻燒準東系列煤種制粉系統(tǒng)對應燃燒層的周界風開度，增強風包粉，避免因周界風太小造成燃燒器噴口附近結(jié)渣，進而引起燃燒器燒損、燃燒切圓不規(guī)整以及鍋爐結(jié)渣加重。

3）運行專工加強參數(shù)分析與現(xiàn)場查看；集控值班員關注渣量、渣質(zhì)；巡檢員定期開展觀火看焦工作，尤其關注冷灰斗斜坡面的積渣情況。

4）燃料配比優(yōu)化。通過爐外預混、分磨摻燒方式，控制準東系列煤的最大摻燒比例在62%以下；若出現(xiàn)大渣塊頻次較高，需將準東系列煤摻燒比例降至50%以下。此外，摻燒防結(jié)渣添加劑可改變堿金屬釋放特性，對防結(jié)渣有益。例如，摻燒適量的高嶺土或含鎂/鋁化合物的工業(yè)添加劑，可抑制煤中鈉元素的釋放量；摻燒污泥等富磷添加劑，可減少低熔點硅酸鹽礦物質(zhì)的生成，并生成高熔點的磷酸鹽和含鈉磷酸鹽，提高準東煤的熔融溫度并減少鈉的釋放。

5）保持爐內(nèi)火焰溫度和煙氣溫度合理水平。爐膛的火焰中心位置不應過高，控制火焰中心溫度在1 200～1 300 ℃，盡量不超過1 350 ℃，緩解氣態(tài)堿金屬元素析出。同時適當降低燃盡風率，降低屏底煙溫，防止屏式過熱器掛渣。

6）定期測試煤粉細度，及時調(diào)整磨煤機出口動態(tài)分離器，確保煤粉細度在合格范圍內(nèi)，降低大顆?！帮w邊”導致結(jié)渣的可能性。

4.2 加強檢修過程管理

1）受熱面防結(jié)渣噴涂。在水冷壁和屏式過熱器易結(jié)渣位置噴涂復合陶瓷涂層或納米陶瓷涂層，削弱煤灰熔滴黏附力，可有效減少受熱面沾污和結(jié)渣。應用數(shù)值模擬、熱力計算等方法分析確定最佳噴涂面積，有利于在改善沾污結(jié)渣現(xiàn)象的同時，降低減溫水量和提升汽溫。

2）利用鍋爐停爐機會對各燃燒器及其護板燒損情況進行全面檢查，更換受損嚴重的燃燒器及其護板。檢查燃燒器噴口附近及冷灰斗包角附近的結(jié)渣情況。對各二次風門開度進行鍋爐內(nèi)外核對。

3）新增鍋爐高溫再熱器出口、低溫再熱器進口煙溫測點，設立高溫再熱器與低溫再熱器壓差報警，通過煙溫及壓差監(jiān)視判斷鍋爐結(jié)渣及積灰情況。

4）在鍋爐各煤粉燃燒器上加裝壁溫測點，監(jiān)視燃燒器或二次風室壁溫，監(jiān)測噴口著火距離，利于配風調(diào)節(jié)，反映燃燒器周邊熱輻射水平、防止燃燒器燒損、判別燃燒器周邊結(jié)渣沾污情況。

5）每次C 修后應進行一次風熱態(tài)調(diào)平試驗，使同一臺磨煤機各煤粉管之間的流量偏差不超過5%，從而保證爐內(nèi)四角切圓規(guī)整性。同時，在正常運行中應查看煤粉射流剛性，如有火焰飄忽性往上卷吸，可適當加大一次風壓以提高射流強度，或增大周界風量加強風粉包裹。

5 結(jié)語

通過落渣位置、短吹灰器吹灰試驗、煤質(zhì)分析、空氣動力場、燃燒器區(qū)域檢查，對鍋爐結(jié)渣問題進行診斷分析。準確判斷出結(jié)渣位于3號角煤粉燃燒器側(cè)邊水冷套部位，并排除了空氣動力場不均的可能性。根據(jù)摻燒準東系列煤后的煤質(zhì)分析和灰成分分析，認為入爐煤具有中等結(jié)渣傾向是鍋爐結(jié)渣的內(nèi)因。根據(jù)燃燒器燒損情況，認為燃燒器周界風變形堵塞是鍋爐結(jié)渣的外因。據(jù)此，從運行調(diào)整和檢修過程管理兩個方面，提出防范鍋爐結(jié)渣的措施。