火電廠四角切圓鍋爐結(jié)渣問題的研究

任志佳

摘 要： 本文研究了火電廠四角切圓鍋爐結(jié)渣問題，包括燃料特性的影響，鍋爐結(jié)構(gòu)的影響，運(yùn)行調(diào)整的影響等。

關(guān)鍵詞： 鍋爐；結(jié)渣；四角切圓

1.1 燃料特性的影響

灰的性質(zhì)主要是指它的熔化性和燒結(jié)性。熔化性影響爐內(nèi)的運(yùn)行工況，燒結(jié)性則影響對流受熱面，特別是過熱器的積灰性能。

當(dāng)燃料在爐內(nèi)燃燒時，在高溫的火焰中心，灰分一般處于熔化或軟化狀態(tài)，具有粘性，這種粘性的熔化灰粒，如果接觸到受熱面管子或爐墻，就會粘結(jié)于其上，即所謂結(jié)渣，并影響固態(tài)排渣爐的正常運(yùn)行。相反，對于液態(tài)排渣爐的燃燒室（或爐膛的熔渣段），卻希望灰渣保持著熔化的流動狀態(tài)，以便能順利地從爐底排渣孔排出。

關(guān)于灰分的性質(zhì)，目前都用試驗的方法來確定。把灰制成底為等邊三角形的錐體，底的邊長7mm，錐體高20mm，然后逐漸加熱，根據(jù)灰錐的狀態(tài)變化確定三個溫度指標(biāo)來表示灰的熔化性質(zhì)：

變形溫度t1是錐頂變圓或開始傾斜時的溫度；

軟化溫度t2是錐頂彎至錐底或成球形時的溫度；

熔化溫度t3是呈液體狀態(tài)能沿平面流動

1.2 鍋爐結(jié)構(gòu)的影響

對于鍋爐設(shè)計制造單位來說，主要是根據(jù)設(shè)計煤種的特性，去設(shè)計合理的鍋爐結(jié)構(gòu)。分析鍋爐結(jié)構(gòu)對結(jié)渣的影響，可以為鍋爐設(shè)計制造提供參考。

對于切圓燃燒鍋爐，爐內(nèi)空氣動力場不良是導(dǎo)致燃燒器區(qū)結(jié)渣的直接原因，而爐內(nèi)假想切圓的大小又直接影響了爐內(nèi)空氣動力場的合理情況。如果假想切圓太大，鍋爐在運(yùn)行時，從燃燒器噴口噴出的射流容易偏轉(zhuǎn)，造成熾熱的煤粉氣流直接沖刷水冷壁，導(dǎo)致結(jié)渣。對于四角切向燃燒鍋爐來說，在燃燒器方面影響結(jié)渣的主要因素有以下幾個。

（1）切圓直徑。

在實際的燃燒過程中，從燃燒器噴出的實際氣流總是在某種程度上會偏離設(shè)計方向，因此實際的氣流切圓直徑總是大于假想切圓直徑。冷態(tài)實驗表明，實際切圓直徑比假想切圓直徑大4～6倍。當(dāng)爐膛切圓直徑大于一定值時，結(jié)渣趨勢隨切圓直徑的增大而增大，大量熔融、半熔融顆粒將直接撞擊水冷壁并粘附于壁上而形成結(jié)渣。對于鍋爐容量小于400t/h的固態(tài)排渣煤粉爐，切圓直徑一般在500～1000mm的范圍內(nèi)；對于大容量的鍋爐，假想切圓直徑可取得更大些。

（2）氣流偏斜。

造成氣流偏離主要有2方面原因：由于燃燒器噴口軸線與相鄰兩側(cè)墻的夾角不同，造成射流兩側(cè)的補(bǔ)氣條件不同，形成靜壓差；由于爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流對氣流的橫向撞擊使射流偏轉(zhuǎn)。

從燃燒器噴口噴出的射流在其擴(kuò)展過程中總是要不斷卷吸周圍空間的氣體，狹長形的燃燒器射流卷吸主要發(fā)生在射流的長邊兩側(cè)，從而在射流兩側(cè)形成負(fù)壓區(qū)。當(dāng)射流兩側(cè)的補(bǔ)氣條件不同時，產(chǎn)生的負(fù)壓值不等，因而射流兩側(cè)就會產(chǎn)生壓差。在此壓差的作用下，射流要偏向壓力小的一側(cè)，即補(bǔ)氣條件差的一側(cè)，導(dǎo)致爐內(nèi)實際切圓直徑大于設(shè)計的假想切圓。

射流偏轉(zhuǎn)后，進(jìn)一步加強(qiáng)了兩則補(bǔ)氣條件的差異，加大了兩側(cè)的壓差，加劇了射流的偏轉(zhuǎn)。單純從射流卷吸作用對射流偏轉(zhuǎn)的影響考慮，射流的偏轉(zhuǎn)主要由于射流兩則的補(bǔ)氣空間有差異，射流兩側(cè)存在壓差造成的。

當(dāng)燃燒器寬度增加后，向火側(cè)的氣流更容易地進(jìn)入到背火側(cè)，從而可以降低射流兩側(cè)的壓差，使射流偏轉(zhuǎn)減小。在四角切向燃燒鍋爐中，煤粉氣流的大多數(shù)熱量來源于上游火焰與煤粉氣流的對流換熱，因而一次風(fēng)射流的寬度相對較小，射流的剛性較差，抗偏轉(zhuǎn)的能力較差，容易導(dǎo)致射流偏轉(zhuǎn)。

（3）爐膛截面形狀的影響。

爐膛截面形狀如設(shè)計不當(dāng)，除影響火焰充滿度外，還影響補(bǔ)氣條件和使氣流貼壁。當(dāng)爐膛寬深比超過1.2時，射流兩側(cè)補(bǔ)氣條件相差懸殊，氣流偏斜嚴(yán)重。

從以上分析可知，防止結(jié)渣，主要應(yīng)從降低爐膛溫度和保證良好的空氣動力場兩方面來考慮。降低爐膛溫度的措施設(shè)計時，要認(rèn)真選取鍋爐的爐膛容積熱負(fù)荷qv、爐膛截面熱負(fù)荷qa和燃燒器區(qū)域壁面熱負(fù)荷qr，它們是影響爐膛溫度高低及分布的主要參數(shù)。在以上的推薦值中，可取低限。對灰熔融特性溫度低的煤，取下限。此外，還要合理選擇單只燃燒器的熱功率，取較低的熱空氣溫度，采用煙氣再循環(huán)等。改善爐內(nèi)空氣動力場，爐膛寬深比不大于1.2，選擇合適的假想切圓直徑，選擇合適的燃燒器總高度比以及一、二次風(fēng)量和風(fēng)速要適當(dāng)。鍋爐結(jié)構(gòu)對結(jié)渣有重要影響，應(yīng)合理選擇鍋爐設(shè)計參數(shù)，降低爐膛溫度水平，保證良好的空氣動力工況，防止結(jié)渣。

1.3 運(yùn)行調(diào)整的影響

結(jié)渣是固態(tài)除渣煤粉鍋爐設(shè)計和運(yùn)行中最突出考慮的問題。結(jié)渣會嚴(yán)重地危害鍋爐運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，甚至被迫停爐。因而防止和減輕結(jié)渣是鍋爐設(shè)計和運(yùn)行中非常重要的問題。

運(yùn)行因素對結(jié)渣的影響：

1.爐內(nèi)過量空氣系數(shù)α

過量空氣系數(shù)增加，受熱面的積灰、結(jié)渣趨勢減輕。首先，當(dāng)α增加時，爐膛出口煙溫降低，可減輕對流受熱面積灰、結(jié)渣。其次，隨著過量空氣系數(shù)的增加，爐膛壁面處的煙溫降低，爐內(nèi)受熱面結(jié)渣趨勢減少。第三，α過低易造成氧量不足，在爐內(nèi)出現(xiàn)還原性氣氛，熔點較高的Fe2O3被還原成熔點較低的FeO，從而使灰熔點降低，增加了結(jié)渣的可能性。因此，必須送入足夠的氧量。2.四角風(fēng)粉的均勻性

當(dāng)燃燒器配風(fēng)不均勻或鍋爐降負(fù)荷，燃燒器缺角或缺對角運(yùn)行時，爐內(nèi)火焰中心會發(fā)生偏斜。熾熱煤粉氣流直接沖刷水冷壁，造成局部熱負(fù)荷過高，這極易引起結(jié)渣。因此，運(yùn)行時要盡量調(diào)平四角風(fēng)量。降低負(fù)荷時，則要避免缺角情況運(yùn)行。要保證空氣和燃燒的良好混合，避免在水冷壁附近形成還原性氣氛，防止局部嚴(yán)重積灰、結(jié)渣。當(dāng)一、二次風(fēng)的位置、風(fēng)速、風(fēng)量不均勻時，盡管爐內(nèi)總空氣量大，但仍會出現(xiàn)局部區(qū)域熾熱焦碳和揮發(fā)份得不到氧量而出現(xiàn)局部還原性氣氛，引起結(jié)渣。

2.爐內(nèi)溫度水平

爐內(nèi)溫度水平對結(jié)渣的影響是多方面的。第一，爐內(nèi)溫度水平高，將使煤中一些易揮發(fā)堿性氧化物汽化或升華，使堿金屬化合物在受熱面上凝結(jié)。堿金屬氧化物汽化溫度一般在1400℃以上，而凝結(jié)溫度在1000℃～1100℃。堿金屬直接凝結(jié)在受熱面上會形成致密的強(qiáng)粘結(jié)灰。第二，當(dāng)煙氣溫度較高且管壁溫度也高時，可在初始灰層中形成產(chǎn)生低熔點復(fù)合硫酸鹽反應(yīng)的條件，還會使含有堿金屬化合物的積灰外表面粘結(jié)性增強(qiáng)，加速積灰過程的發(fā)展。第三，當(dāng)煙溫度高時煤灰呈融化或半融化狀態(tài)，熔融灰會直接粘結(jié)在受熱面上，產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)渣。溫度升高，將使受熱面結(jié)渣呈指數(shù)規(guī)律上升。對易結(jié)渣煤，要嚴(yán)格控制爐內(nèi)溫度水平，如加大運(yùn)行過量空氣系數(shù)，增加配風(fēng)的均勻性，防止局部熱負(fù)荷過高和產(chǎn)生局部還原氣氛，調(diào)整四角風(fēng)粉分配的均勻性，防止一次風(fēng)氣流直接沖刷壁面，必要時采取降負(fù)荷運(yùn)行。

3.煤粉細(xì)度

煤粉粗時，火炬拖長，粗粉因慣性作用會直接沖刷受熱面。另外，粗煤粉燃燒溫度比煙溫高許多， 融化比例高，沖刷水冷壁后容易引起結(jié)渣。但煤粉太細(xì)也會帶來問題。煤粉越細(xì)，燃燒狀況越好，爐膛出口溫度將升高，也易引起結(jié)渣。因此，針對具體的煤種，應(yīng)該進(jìn)行調(diào)整試驗，以尋求最佳煤粉細(xì)度。5.一次風(fēng)速

適當(dāng)提高一次風(fēng)速，可推遲煤粉的著火，使著火點離燃燒器較遠(yuǎn)，火焰高溫區(qū)也相應(yīng)推移到爐膛中心，可以避免噴口附近結(jié)焦。在四角切圓燃燒鍋爐中，提高一次風(fēng)速還可增加一次風(fēng)射流的剛性，減少由于射流兩側(cè)靜壓作用而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，避免一次風(fēng)氣流直接沖刷水冷壁而產(chǎn)生結(jié)渣。不過應(yīng)該注意的是，一次風(fēng)速提高，要受到煤粉著火條件的限制。

為了防止鍋爐結(jié)渣，查明爐內(nèi)工況，需要利用停爐機(jī)會進(jìn)行爐膛冷態(tài)空氣動力場試驗。通過冷態(tài)空氣動力場試驗，可以直觀地檢查爐內(nèi)氣流的分布、擴(kuò)散、擾動等現(xiàn)象是否良好。當(dāng)鍋爐燃燒工況不正常時，空氣動力場試驗結(jié)果可以幫助分析發(fā)現(xiàn)的問題。

正確的爐膛設(shè)計，合理地組織爐內(nèi)流動工況和燃燒過程；保持充足的過量空氣系數(shù)，適當(dāng)?shù)臓t內(nèi)溫度水平，適宜的煤粉細(xì)度；保證鍋爐燃用與鍋爐設(shè)計相接近的煤種，合理的運(yùn)行方式等，對防止和減輕結(jié)渣是不可缺少的。endprint