燃用準(zhǔn)東煤鍋爐防結(jié)焦特性分析

李鵬，曾琦，張大德，俞立洋，王振平

（新疆新特能源股份公司自備電廠，烏魯木齊 830011）

燃用準(zhǔn)東煤鍋爐防結(jié)焦特性分析

李鵬，曾琦，張大德，俞立洋，王振平

（新疆新特能源股份公司自備電廠，烏魯木齊 830011）

介紹了準(zhǔn)東煤的結(jié)焦特性，論述了燃用準(zhǔn)東煤鍋爐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了燃用準(zhǔn)東煤鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)，理清了優(yōu)化鍋爐爐膛尺寸、吹灰器布置、燃燒器分組、撈渣機(jī)選型和爐膛出口煙溫監(jiān)視點(diǎn)的思路，提出了技術(shù)改造措施。

準(zhǔn)東煤；鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)；結(jié)焦；優(yōu)化；技術(shù)改造

0 引言

準(zhǔn)東區(qū)域是指準(zhǔn)噶爾盆地東部從新疆阜康市到昌吉回族自治州木壘哈薩克自治縣的一條狹長地帶，東西長約220 km，南北寬約60 km，煤田成煤面積約1.4萬km2，探明煤炭資源儲量為2 136億t。準(zhǔn)東煤具有揮發(fā)分高、熱值高、灰熔點(diǎn)低、易結(jié)焦的特性，新疆地區(qū)電廠燃用準(zhǔn)東煤后普遍出現(xiàn)爐膛結(jié)焦、受熱面沾污、對流換熱面積灰等現(xiàn)象。

新疆新特能源股份公司自備電廠（以下簡稱自備電廠）設(shè)計(jì)煤種為典型準(zhǔn)東煤，為國內(nèi)首個(gè)專為燃燒準(zhǔn)東煤而設(shè)計(jì)的電站。投產(chǎn)后通過多方面努力，已實(shí)現(xiàn)燃用準(zhǔn)東煤80%的比例且鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定。鍋爐結(jié)焦一方面是煤質(zhì)問題，但更重要的一方面是設(shè)計(jì)問題，應(yīng)從鍋爐設(shè)計(jì)入手，從根本上進(jìn)行防結(jié)焦設(shè)計(jì)。本文從自備電廠鍋爐設(shè)計(jì)尺寸、二次風(fēng)口布置、燃燒器形式及熱力參數(shù)等方面入手，對燃用準(zhǔn)東煤鍋爐結(jié)焦特性進(jìn)行分析，提出防結(jié)焦措施。

1 準(zhǔn)東煤結(jié)焦特性

1.1 準(zhǔn)東煤

由于新疆準(zhǔn)東地區(qū)特殊的自然地理環(huán)境，準(zhǔn)東煤的一個(gè)顯著特點(diǎn)是煤灰中堿金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，堿金屬氧化鈉（Na2O）的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（以灰分計(jì)）總體都在2%以上。為方便起見，對比堿金屬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常將煤中各種鈉鹽折算成Na2O，總體按Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)給出?；抑懈髟氐姆悬c(diǎn)及熔點(diǎn)見表1，灰組分的熔點(diǎn)見表2。

從表1、表2可以看出，Na，K等元素熔點(diǎn)非常低，在很低的溫度下就已液化、蒸發(fā)，遇較冷的水冷

表1 灰中各元素的沸點(diǎn)及熔點(diǎn) ℃

表2 灰組分的熔點(diǎn) ℃

壁后凝結(jié)，這樣就形成了結(jié)渣的原生層。其他元素在高溫及煙氣的影響下轉(zhuǎn)化成比元素熔點(diǎn)更低的化合物，有時(shí)會形成共熔體，共熔體熔點(diǎn)比這些化合物的熔點(diǎn)還要低，增加了結(jié)焦的可能性。

1.2 堿金屬加劇結(jié)焦

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果煤灰中含有較多的Na2SO4和NaCl成分時(shí)，就會存在嚴(yán)重的結(jié)渣傾向，因?yàn)殁c鹽形成的共熔體（Na2SO4-NaCl）熔點(diǎn)特別低，結(jié)渣嚴(yán)重，800～1000℃時(shí)鈉成分能和硅酸鹽反應(yīng)，形成堿金屬化合物。堿金屬化合物在水冷壁管表面與金屬互相作用，形成有黏性的硫酸鹽和復(fù)雜的堿性硫酸鐵。硫酸鹽容易在高溫過熱器等受熱面上冷凝形成沾污，受熱面沾污后換熱效果下降，使管壁上污染物的溫度升高。如果不能及時(shí)清除此沾污層，就會為進(jìn)一步結(jié)渣提供“溫床”。鈉成分沾污過程如圖1所示。

圖1 金屬鈉對沾污結(jié)渣的影響

2 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 鍋爐概況

自備電廠鍋爐型號為HG-1176／25.4-HM2，鍋爐為一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、Π型、緊身封閉布置。直吹式制粉系統(tǒng)配6臺MPS160HP-II型磨煤機(jī)，5臺運(yùn)行1臺備用。鍋爐采用四角切圓燃燒方式，每臺磨煤機(jī)對應(yīng)1層4個(gè)噴燃器，燃盡風(fēng)布置在主燃燒器區(qū)上方。設(shè)計(jì)煤種為準(zhǔn)東五彩灣地區(qū)天池能源南露天礦煤，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 鍋爐特點(diǎn)

查閱鍋爐設(shè)計(jì)說明書及相關(guān)設(shè)計(jì)資料，通過與同類型鍋爐的比較，說明表3中鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)對減緩準(zhǔn)東煤結(jié)焦有下列益處。

（1）采用正方形爐膛，其寬、深均為14 627mm。這種正方形爐膛為爐內(nèi)各層四角切圓提供了足夠空間，燃燒器出口四周的補(bǔ)氣條件相同，有利于燃燒器出口射流沿設(shè)計(jì)方向流入爐內(nèi)，這樣可有效防止燃燒器區(qū)域結(jié)焦。正方形爐膛內(nèi)空氣動(dòng)力場比長方形爐膛容易建立對稱的空氣動(dòng)力場，以避免氣流偏斜沖刷水冷壁，減少煤粉沖刷水冷壁，防止鍋爐結(jié)焦。

（2）噴燃器中心之間較大的間距。為防止主燃燒器區(qū)域結(jié)焦，適當(dāng)增加各層噴燃器中心之間的距離，使燃燒器周圍壁面熱負(fù)荷降低，可有效減輕燃燒器噴口周圍因溫度過高造成的結(jié)焦。自備電廠鍋爐一次風(fēng)中心間距為1 581mm，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的間距偏大。為了進(jìn)一步減輕燃燒器區(qū)域的結(jié)焦，在最底層磨煤機(jī)和第4臺磨煤機(jī)上又加大了與相鄰一次風(fēng)中心的距離，分別達(dá)到1810mm，減少結(jié)焦的效果非常明顯。

（3）最上層噴燃器口中心到分隔屏底部之間有較大的距離。鍋爐燃燒器最上層噴燃器口中心到分隔屏底部和最下層噴燃器口中心至冷灰斗拐點(diǎn)均有足夠的距離。表3中鍋爐最上層噴燃器口至屏底距離為20.20m，最下層噴燃器口至冷灰斗拐點(diǎn)距離為4.86m。正因?yàn)榧哟罅俗钌蠈訃娙计骺谥行牡椒指羝疗恋椎木嚯x，使煤粉在爐膛內(nèi)停留時(shí)間增加，為進(jìn)入爐膛的煤粉在爐膛內(nèi)完成著火、燃燒、燃盡提供了充足的時(shí)間。

（4）二次風(fēng)噴口布置。鍋爐＃1，＃2，＃3，＃4角燃燒器共布置15層噴口，其中一次風(fēng)噴口6層，二次風(fēng)噴口9層，燃燒器布置如圖2所示。

圖2 燃燒器布置

鍋爐在A，B層和D，E層一次風(fēng)噴口中間布置了2層二次風(fēng)噴口，這樣布置的目的是在煤粉中間增加二次風(fēng)，使煤粉燃燒氧量增加，有利于煤粉充分燃盡并增加了低負(fù)荷時(shí)燃燒的穩(wěn)定性。

（5）燃燒器設(shè)計(jì)。自備電廠鍋爐的一次風(fēng)噴口均采用百葉窗式水平濃淡燃燒技術(shù)，當(dāng)來自煤粉管道的煤粉氣流經(jīng)過百葉窗式煤粉濃縮器時(shí)，煤粉顆粒與濃縮器葉片碰撞后，大部分煤粉顆粒流向一側(cè)，在水平方向就形成了濃煤粉氣流。相對少量煤粉流向另一側(cè)，形成淡煤粉氣流。濃、淡兩股氣流從燃燒器的左、右側(cè)分開進(jìn)入爐膛，濃煤粉氣流從向火側(cè)切向噴入爐膛，形成內(nèi)側(cè)較小的假想切圓，淡煤粉氣流在背火側(cè)切向噴入爐膛，形成外側(cè)較大的假想切圓，在爐膛中心形成的2個(gè)假想切圓，在冷態(tài)情況下，直徑分別為565mm和754mm。采用百葉窗式水平濃淡燃燒器形成水平濃淡燃燒，濃煤粉氣流由于煤粉濃度高，所需著火熱大大降低，因此容易著火。由于大部分煤粉多在濃側(cè)，而這部分煤粉布置在內(nèi)側(cè)，減少了煤粉顆粒沖刷水冷壁的機(jī)會，對防止水冷壁結(jié)渣很有利，噴燃器簡圖如圖3所示。

圖3 噴燃器

（6）設(shè)計(jì)的爐膛出口煙氣溫度較低。運(yùn)行實(shí)踐表明，嚴(yán)格控制爐膛出口煙氣溫度，以確保熔性灰和黏性灰不進(jìn)入節(jié)距較小的對流受熱面，可改善過熱器和再熱器表面結(jié)焦。選擇適當(dāng)?shù)臓t膛出口煙氣溫度，使?fàn)t膛出口煙氣溫度遠(yuǎn)低于灰的變形溫度，可從根本上減少因灰融化引起的爐內(nèi)結(jié)焦。

3 理清優(yōu)化思路

通過近一年的努力，鍋爐目前可以穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了在鍋爐設(shè)計(jì)中存在以下3個(gè)方面的不足，可再對鍋爐設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

（1）因準(zhǔn)東煤具有易結(jié)焦性能，故在主燃燒區(qū)域頻繁結(jié)焦，在原設(shè)計(jì)中，爐膛吹灰器只有60個(gè)，分別布置在爐膛各處區(qū)域，主燃燒區(qū)沒有設(shè)置吹灰器。在鍋爐設(shè)計(jì)中，作者建議在鍋爐主燃燒區(qū)利用原設(shè)計(jì)的蒸汽管道增加蒸汽吹灰器，新增吹灰器分3層布置，分別布置在噴燃器B層和C層之間，噴燃器D層和E層之間，噴燃器E層和F層之間。每層16個(gè)蒸汽吹灰器均布在這一層的爐本體四面，新增3層共48個(gè)吹灰器。新增3層吹灰器與原吹灰器型號、規(guī)格相同，具體布置如圖4所示。這樣可以有效地清除主燃燒區(qū)域的結(jié)焦。

（2）撈渣機(jī)選型的優(yōu)化。西安熱工研究院有限公司的研究成果表明，鍋爐在燃用準(zhǔn)東煤時(shí)，結(jié)焦是不可避免的。鍋爐結(jié)焦后會有大量掉焦，這樣會造成撈渣機(jī)過負(fù)荷頻繁跳閘。作者建議對撈渣機(jī)電動(dòng)機(jī)、液壓油站及渣倉進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，增大撈渣機(jī)電動(dòng)機(jī)和液壓油站出力，以保證在發(fā)生事故時(shí)撈渣機(jī)達(dá)到最大出力，使撈渣機(jī)能及時(shí)將灰渣排出，保障鍋爐安全運(yùn)行。

圖4 新增吹灰器布置

（3）爐膛出口煙溫監(jiān)視點(diǎn)優(yōu)化。在傳統(tǒng)的鍋爐設(shè)計(jì)中，只在爐膛出口的左墻或右墻設(shè)置一個(gè)溫度測點(diǎn)，四角切圓形式的煤粉爐在燃燒過程中，若發(fā)生火焰偏斜對運(yùn)行燃燒穩(wěn)定會造成不利影響。作者建議在鍋爐出口增加溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)位置選在原有的煙溫測點(diǎn)的同一平面的前墻和后墻，在此處各增加1個(gè)溫度測點(diǎn)，并將實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)傳至集控室監(jiān)控畫面，增加溫度測點(diǎn)后，有利于運(yùn)行人員對爐內(nèi)燃燒情況監(jiān)控，可對爐內(nèi)火焰是否偏斜做出準(zhǔn)確判斷。

4 技術(shù)改造

根據(jù)鍋爐優(yōu)化思路和燃用準(zhǔn)東煤的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，自備電廠計(jì)劃在大修期間對鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造，以實(shí)現(xiàn)鍋爐更高比例燃用準(zhǔn)東煤，計(jì)劃改造項(xiàng)目有如下3個(gè)方面。

（1）為減少燃用準(zhǔn)東煤時(shí)主燃燒區(qū)域的結(jié)焦，必須對現(xiàn)用鍋爐進(jìn)行改造。為此自備電廠與鍋爐生產(chǎn)廠家進(jìn)行了溝通，生產(chǎn)廠家同意自備電廠利用已有蒸汽管道，增加48個(gè)蒸汽吹灰器。新增蒸汽吹灰器與原有短吹型號相同，具體布置如圖4所示。

（2）為使撈渣機(jī)在大量掉焦事故發(fā)生時(shí)能及時(shí)處理事故，在撈渣機(jī)頂部安裝1臺卷揚(yáng)機(jī)，當(dāng)撈渣機(jī)刮板上有大量煤渣過載時(shí)，可利用卷揚(yáng)機(jī)的拉升動(dòng)力將撈渣機(jī)鏈條拉動(dòng)，不斷將撈渣機(jī)刮板上的大焦排入渣倉，直到撈渣機(jī)恢復(fù)正常。

（3）為準(zhǔn)確判斷爐內(nèi)燃燒情況，在鍋爐出口原有爐膛出口煙溫測點(diǎn)同一平面的前墻和后墻處，各增加一個(gè)溫度測點(diǎn)，并將溫度數(shù)據(jù)傳至分散控制系統(tǒng)（DCS）監(jiān)控畫面。

5 結(jié)束語

綜上所述，從爐膛尺寸、吹灰器布置、燃燒器分組、噴燃器等方面入手，對鍋爐進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于堿金屬的作用，使灰熔點(diǎn)迅速降低，因此建議在對爐膛截面熱負(fù)荷的選取時(shí)，應(yīng)盡量考慮上限。傳統(tǒng)的一次風(fēng)布置較為集中，導(dǎo)致主燃燒區(qū)域過熱，結(jié)焦嚴(yán)重，建議在對噴燃器設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行分組。在最低穩(wěn)燃的基礎(chǔ)上，增加噴燃器間的間距，降低爐膛主燃燒區(qū)截面熱負(fù)荷，這樣會有利于緩解爐內(nèi)結(jié)焦。在大修中，可對吹灰器布置、撈渣機(jī)、爐膛出口溫度測點(diǎn)等進(jìn)行技術(shù)改造。通過提升鍋爐燃用準(zhǔn)東煤固有防結(jié)焦特性，不斷提高燃用準(zhǔn)東煤比例，以節(jié)約燃料成本。

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（本文責(zé)編：王書平）

TK 229.6：TK 227.2

：A

：1674-1951（2015）02-0039-03

李鵬（1978—），男，新疆烏魯木齊人，高級工程師，從事火力發(fā)電廠運(yùn)行管理方面的工作（E-mail：lpc77＠163.com）。

曾琦（1975—），男，新疆烏魯木齊人，高級工程師，從事火力發(fā)電廠運(yùn)行管理方面的工作（E-mail：2622918928＠qq. com）。

張大德（1963—），男，甘肅平?jīng)鋈?，工程師，從事電廠生產(chǎn)管理方面的工作。

俞立洋（1988—），男，新疆烏魯木齊人，助理工程師，從事火力發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行方面的工作（E-mail：yuliyangyly＠163.com）。

王振平（1978—），男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事火力發(fā)電廠熱控運(yùn)行方面的工作（E-mail：whx20110109＠163. com）。

2014-03-14；

2014-09-15

新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（XJKJ1400）