火電廠煤粉爐燃燒過程中結(jié)焦問題探討

葉繼蘇+李輝

【摘 要】本文通過實例闡述了火力發(fā)電廠結(jié)焦對鍋爐的熱效率、鍋爐本體設(shè)備、經(jīng)濟、安全運行等方面產(chǎn)生一定的不利影響或危害，同時從理論和實踐經(jīng)驗出發(fā)，剖析了火電廠煤粉爐在燃燒過程中出現(xiàn)結(jié)焦問題的產(chǎn)生原因。分析得出，結(jié)焦問題并非不可避免，完全可以通過設(shè)計、運行、管理等方面采取合理的措施及調(diào)整來得到解決或緩解。

【關(guān)鍵詞】煤粉爐；結(jié)焦；氮氧化物；SOFA，ROFA

0 前言

煤在燃燒過程中，通常會在燃燒器周圍、水冷壁、水冷屏等設(shè)備上產(chǎn)生結(jié)焦。目前國內(nèi)大部分的煤粉爐由于煤質(zhì)摻燒比較復(fù)雜且不穩(wěn)定，同時為了滿足煤粒的燃盡而不產(chǎn)生燃煤的浪費和過度追求生產(chǎn)指標(biāo)等方面考慮，鍋爐的運行溫度普遍都比較高，尤其是在燃燒器和火焰中心，局部燃燒溫度往往達到1400-1600℃左右，在這么高的溫度下，燃料中的灰通常大多會熔化為液態(tài)或呈軟化狀態(tài)，最終形成結(jié)焦。而結(jié)焦塊的存在不僅嚴(yán)重影響到燃燒器的安全穩(wěn)定運行，同時也大大降低鍋爐水冷系統(tǒng)的換熱效果，降低鍋爐效率，提高煙氣溫度，增加設(shè)備維護及更換成本。因此對煤粉爐結(jié)焦的原因進行分析并找到預(yù)防結(jié)焦的處理措施，從而不斷提高煤粉爐燃燒的穩(wěn)定性和安全性是本文的主要目的。

1 鍋爐概況及煤灰特性

某石化熱電廠4#爐鍋爐型號為WGZ410/100-11型，系武漢鍋爐廠生產(chǎn)制造的高壓、自然循環(huán)、固態(tài)排渣、燃煤汽包鍋爐，燃燒系統(tǒng)為四角布置切圓燃燒，在主燃燒器上部設(shè)置SOFA分級燃燒系統(tǒng)，配有鋼球磨中間儲倉，熱風(fēng)送粉系統(tǒng)。額定蒸發(fā)量為410 t/h，實際燃煤資料及灰熔點如下：

2 鍋爐結(jié)焦現(xiàn)狀

根據(jù)電廠反饋，目前4#爐實際運行過程中，結(jié)焦現(xiàn)象比較嚴(yán)重，尤其是摻燒煤質(zhì)較差時，爐內(nèi)燃燒器區(qū)域存在結(jié)焦掉焦?fàn)顩r比較嚴(yán)重，導(dǎo)致燃燒器不能穩(wěn)定運行，煙溫升高，鍋爐負(fù)荷無法達到設(shè)計負(fù)荷，爐內(nèi)負(fù)壓波動較大，甚至導(dǎo)致鍋爐滅火停運情況時有發(fā)生。

3 結(jié)焦危害

根據(jù)筆者多年研究經(jīng)驗和工作實踐，鍋爐結(jié)焦產(chǎn)生的危害主要體現(xiàn)如下：

1）結(jié)焦會引起過熱氣溫升高，減溫水加大，排煙損失增加，進而影響鍋爐熱效率。

2）結(jié)焦會引起煙風(fēng)阻力加大，影響引風(fēng)機出力，增加設(shè)備磨損，增加電耗，甚至不得不進行更換整套設(shè)備，增加投資成本。

3）結(jié)焦焦塊當(dāng)達到一定體積時，由于受重力影響而掉落，砸壞冷灰斗水冷壁，掉入撈渣機或低負(fù)荷的情況下會引起燃燒波動造成鍋爐滅火。

4）清焦增加了電廠運行維護人員的勞動強度，而停爐處理給電廠帶來了更大的經(jīng)濟損失。

4 結(jié)焦原因分析

根據(jù)電廠運行人員反饋，燃燒器周圍結(jié)焦比較嚴(yán)重，經(jīng)常造成爐內(nèi)負(fù)壓大幅度波動，甚至熄火，影響鍋爐安全運行。

通過現(xiàn)場收集的部分資料、信息及運行狀況，初步總結(jié)分析4#爐燃燒器附近結(jié)焦主要與煤質(zhì)的變化、燃燒器配風(fēng)狀況、主燃區(qū)氣氛、燃燒器噴射角度等有關(guān)。

首先，煤灰特性對結(jié)焦有較大的影響，特別是摻燒灰熔點較低的煤種時結(jié)焦現(xiàn)象更加嚴(yán)重。通過現(xiàn)場實際煤質(zhì)資料分析，電廠大部分摻燒煤在弱還原氣氛下其軟化溫度才1320℃，屬于易結(jié)焦煤質(zhì)，而煤粉爐在燃燒區(qū)域溫度一般在1400℃以上，燃燒區(qū)的溫度高于灰熔點，勢必造成燃燒器區(qū)域結(jié)焦。而目前4#爐采用的是SOFA空氣分級燃燒系統(tǒng)，將24%～28%的空氣從主燃區(qū)域抽走，造成該區(qū)域處于還原性氣氛下，進一步降低了灰熔點；同時由于該系統(tǒng)的局限性，在燃燒區(qū)域無法形成較好的空氣動力場氛圍，噴口的風(fēng)量風(fēng)速均受此影響，為結(jié)焦提供有利的環(huán)境。

其次，燃燒器一、二次風(fēng)配風(fēng)比例失衡，燃燒區(qū)域空氣動力場組織情況差，二次風(fēng)剛性減弱，形成“粉包風(fēng)”，煤粉刷墻，導(dǎo)致結(jié)焦。從現(xiàn)場了解到，4#爐的送風(fēng)系統(tǒng)是由2臺送風(fēng)機分別從鍋爐兩側(cè)送風(fēng)，經(jīng)空預(yù)器加熱后，分成一、二次風(fēng)分別進一次送粉系統(tǒng)和二次風(fēng)系統(tǒng)。由于電廠實際燃煤粒徑較粗，如4#爐燃燒器的設(shè)計煤粉細(xì)度為R90=15%，而實際運行過程中煤粉細(xì)度R90在21%以上，造成煤粒越粗，所需要的一次風(fēng)量越大，一次風(fēng)率占比越大，二次風(fēng)率減少，一次風(fēng)速越大，二次風(fēng)速越??；從電廠運行畫面上也可看出，實際一次風(fēng)速最高為31m/s，平均28m/s，高于燃燒器設(shè)計一次風(fēng)速，二次風(fēng)風(fēng)速平均在20m/s左右；加上4#爐一次風(fēng)量又沒有有效的調(diào)節(jié)手段；導(dǎo)致一次風(fēng)射流剛性過強，二次風(fēng)的剛性太弱，形成“粉包風(fēng)”狀態(tài)，火焰更靠近射流根部，煤粉容易在噴口處沉積燃燒，進而在燃燒器附近形成結(jié)焦。

另外，低過量空氣系數(shù)運行也是造成配風(fēng)比例失衡的一個原因。根據(jù)電廠提供的“4#爐各段煙溫情況”來看，為了控制爐膛出口NOx的排放，鍋爐處于低過量空氣系數(shù)（2.3%-2.8%氧量）下運行，送入爐膛的總風(fēng)量低于燃燒器的設(shè)計風(fēng)量。而一次風(fēng)率又取決于制粉系統(tǒng)，其風(fēng)量在同等負(fù)荷運行下基本保持不變，因此，這部分減少的風(fēng)量只能從二次風(fēng)上減少，進一步導(dǎo)致二次風(fēng)率的降低，影響到二次風(fēng)射流剛性，不利于主燃區(qū)燃燒組織，這也是造成結(jié)焦的又一原因。

最后，由于燃燒器安裝時角度偏斜、切圓偏大導(dǎo)致煤粉氣流噴射時歪斜而出現(xiàn)擦墻現(xiàn)象，都會在不同程度上致使鍋爐出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)焦現(xiàn)象。

5 處理措施

針對上述現(xiàn)狀的分析，可以通過以下幾個措施來對結(jié)焦掉焦?fàn)顩r進行改進：

1）改進現(xiàn)有SOFA系統(tǒng)

采用目前世界上更先進的低氮分級燃燒技術(shù)，如摩博泰科公司的ROFA技術(shù)，既能從空氣分級燃燒的燃燒機理上降低NOx的排放，也能從鍋爐優(yōu)化燃燒方面大大改善爐內(nèi)的煙氣溫度分布、物料分布、熱量的吸收、CO的氧化和爐膛上部燃料的燃燼，從而大大降低鍋爐的結(jié)焦可能性。

2）控制鍋爐氧量

在控制NOx排放的基礎(chǔ)上，將鍋爐出口氧量控制在3.0%-3.5%左右，避免鍋爐低過量空氣系數(shù)下運行時影響到主燃區(qū)燃燒組織；endprint

3）嚴(yán)格控制入爐煤質(zhì)

摻燒的煤種盡量穩(wěn)定，尤其是低灰熔點的煤盡量少用；入爐前對收集的煤種的各項性能指標(biāo)（尤其是灰的各項指標(biāo)），混煤的不同比例等進行研究，分析結(jié)焦/結(jié)渣指數(shù)，為運行提供充足的依據(jù)。嚴(yán)格配煤管理，實現(xiàn)合理的燃煤混合，避免入爐煤的突變。

4）優(yōu)化制粉系統(tǒng)運行方式

建議電廠對制粉系統(tǒng)進行性能試驗，試驗應(yīng)確定最佳風(fēng)粉比、粉管風(fēng)速、細(xì)粉分離器風(fēng)門開度、制粉系統(tǒng)最佳通風(fēng)量、磨煤機最佳轉(zhuǎn)速、鋼球磨最佳鋼球充滿度等相關(guān)運行參數(shù)，優(yōu)化磨煤機運行方式并納入鍋爐操作規(guī)程。尋求最佳制粉系統(tǒng)運行方式，提高入爐煤的煤粉細(xì)度，從而降低一次風(fēng)率、三次風(fēng)率以及三次風(fēng)帶粉率，并降低制粉系統(tǒng)漏風(fēng)，提高二次風(fēng)率，避免“粉包風(fēng)”現(xiàn)象，達到“風(fēng)包粉”效果，這樣就可以大大降低燃燒器周圍的結(jié)焦情況。

5）減少漏風(fēng)

減少爐膛和落灰口及制粉系統(tǒng)等部分的漏風(fēng)，如制粉系統(tǒng)中應(yīng)重點檢查給煤機的捅煤孔、磨煤機鋼球加入孔蓋及木塊分離器的檢查門等是否嚴(yán)重漏風(fēng)，也要防止細(xì)粉分離器下部鎖氣器不嚴(yán)，避免因制粉系統(tǒng)大量漏風(fēng)而產(chǎn)生爐內(nèi)煙氣量增大和煙氣溫度超溫等問題，從而間接導(dǎo)致燃燒器區(qū)域二次風(fēng)的減少及結(jié)焦產(chǎn)生可能。

6）增強燃燒器二次風(fēng)射流剛性

對二次風(fēng)噴口進行縮口改造，減小二次風(fēng)噴口截面，提高二次風(fēng)速；優(yōu)化制粉系統(tǒng)運行方式，降低一次風(fēng)率，提高二次風(fēng)率；提高粗細(xì)粉分離器分離效率，降低三次風(fēng)率和三次風(fēng)帶粉量，提高二次風(fēng)率.

7）調(diào)整燃燒器噴射角度

8）加強燃燒工況組織的管理

在煤種沒有明顯變化的情況下，但運行時發(fā)生比較明顯的結(jié)焦現(xiàn)象，則有必要進行空氣動力場試驗，尋找可能引起變化的設(shè)備原因并消除。鍋爐如果進行過比較大的改造，例如燃燒器改造等，則需進行空氣動力場試驗，避免氣流貼墻，風(fēng)速和風(fēng)向不合適等不利因素發(fā)生，對四角燃燒的鍋爐避免燃燒切圓的異變或偏離。選擇多種典型煤種和配煤比例，分別進行燃燒調(diào)整，實現(xiàn)燃燒優(yōu)化，減少結(jié)焦的發(fā)生，并作為運行的基本依據(jù)，運行中煤種變化后及時調(diào)整燃燒工況。控制適當(dāng)?shù)拿悍奂?xì)度，防止煤粉過粗，盡可能使各燃燒區(qū)的煤粉濃度均勻，

避免高溫火焰沖刷。

9）加強運行管理

加強監(jiān)視，確保定期吹灰，并根據(jù)結(jié)焦/結(jié)渣情況及時調(diào)整吹灰頻率。必要時及時人工除渣/除焦，避免管子表面結(jié)焦多而形成半流動性，或結(jié)焦表面被燒結(jié)后難以清除。利用晝夜負(fù)荷變化的機會改變?nèi)紵r，促使自動掉焦。加強燃燒調(diào)整，避免燃燒工況大起大落，嚴(yán)格控制升溫升壓速度，防止出現(xiàn)煙氣溫度大偏差。

10）特殊條件下采取化學(xué)處理劑來防止結(jié)焦，或使焦疏松易于清理或自己脫落。

6 建議

▲建議電廠對鍋爐進行整體性能測試，尤其要實測一下鍋爐正常運行時一、二、三次風(fēng)的分配比率；摸底試驗鍋爐在各負(fù)荷下安全運行的最小一次風(fēng)量，并寫進鍋爐運行規(guī)程，同時也為優(yōu)化改造提供設(shè)計依據(jù)；

▲應(yīng)改善煤質(zhì)摻燒情況，摻燒高灰熔點的煤種，拒絕低灰熔點煤摻燒；

▲提高粗細(xì)粉分離器分離效率，提高煤粉細(xì)度，將R90控制在低氮燃燒器設(shè)計值范圍內(nèi)；

▲增加一、二、三次風(fēng)的調(diào)節(jié)和監(jiān)控手段；

7 結(jié)語

鍋爐結(jié)焦原因盡管復(fù)雜，煤質(zhì)摻燒千變?nèi)f化，但只要深入研究其生成機理，不斷總結(jié)經(jīng)驗，采取相應(yīng)的措施和科學(xué)合理的管理，結(jié)焦問題一定能夠避免和減少。

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