超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐結(jié)焦機理分析與工程調(diào)整措施

王?林，王紅雨，韓?瑞，張亞夫，高景輝，孟穎琪

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超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐結(jié)焦機理分析與工程調(diào)整措施

王?林1，王紅雨1，韓?瑞2，張亞夫1，高景輝1，孟穎琪1

(1. 西安熱工研究院有限公司，西安 710054；2. 哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，哈爾濱 150001)

為解決350MW超臨界鍋爐嚴重結(jié)焦問題，現(xiàn)場采集典型焦塊樣品，發(fā)現(xiàn)其斷面有明顯分層現(xiàn)象；利用SEM-EDS(掃描電鏡及能譜分析)對高溫側(cè)與低溫側(cè)進行了微觀形貌與元素組成測試，確認兩層焦塊成分存在差異；結(jié)合煤灰成分分析與結(jié)渣性判別指標計算，得出實際燃用煤種灰熔點較低、結(jié)焦性強烈．綜合分析認為，煤質(zhì)惡劣、爐溫過高是鍋爐燃燒器區(qū)域水冷壁嚴重結(jié)焦的主要原因．通過采取增加吹灰頻率、優(yōu)化二次風配風、降低一次風量、調(diào)整煤粉細度及控制氧量等措施，大幅削弱爐內(nèi)燃燒強度，降低爐膛溫度，調(diào)整燃燒氣氛，抑制焦塊生成，使得冷灰斗處掉焦量顯著減少，熔融狀大焦基本消除，鍋爐運行安全平穩(wěn)．燃燒調(diào)整取得了較好的效果，相關(guān)經(jīng)驗可供同類機組參考．

結(jié)焦；燃燒調(diào)整；SEM-EDS；結(jié)渣指數(shù)；機理分析

當前我國霧霾頻發(fā)，大氣污染嚴重，利用熱電聯(lián)產(chǎn)機組實施集中供熱，是減少污染物排放[1]、提高采暖經(jīng)濟性的重要措施[2]．某地區(qū)新建熱電聯(lián)產(chǎn)工程包括2臺350MW超臨界燃煤機組，在啟動試運期間，鍋爐燃燒器區(qū)域出現(xiàn)了嚴重的結(jié)渣掉焦問題，導致左右側(cè)煙溫、汽溫偏差增大，干除渣設(shè)備過載停運，威脅鍋爐的運行安全．通過現(xiàn)場取樣分析與理論計算，認為入爐煤質(zhì)惡劣是結(jié)焦的主要原因，爐溫過高促進了結(jié)焦發(fā)展．在電廠煤種短期內(nèi)無法改善的情況下，通過采取加強吹灰、優(yōu)化配風、控制氧量等燃燒調(diào)整措施，顯著降低了爐膛溫度，抑制了受熱面結(jié)焦，相關(guān)經(jīng)驗可供同類機組參考．

1?問題描述

1.1?機組概況

某地新建熱電聯(lián)產(chǎn)工程機組鍋爐選用了哈爾濱鍋爐廠自主設(shè)計制造的一次再熱、超臨界參數(shù)、變壓運行直流鍋爐，型號為HG-1135/25.4-HM2．該爐采用∏式布局，單爐膛設(shè)計，具有平衡通風、固態(tài)排渣、緊身封閉等特點．鍋爐啟動系統(tǒng)不帶爐水循環(huán)泵．鍋爐的整體布置如圖1所示．

1—冷灰斗；2—煤粉燃燒器；3—SOFA燃燒器；4—中間集箱；5—屏式過熱器；6—高溫過熱器；7—汽水分離器；8—高溫再熱器；9—低溫再熱器；10—低溫過熱器；11—省煤器；12—脫硝SCR裝置；13—空氣預熱器

鍋爐主要設(shè)計參數(shù)如表1所示．表1中，BMCR (boiler maximum continuous rating)工況指鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況，主要是在滿足蒸汽參數(shù)、爐膛安全情況下的最大出力工況。TRL(turbine rated load)工況指汽輪機標定功率工況。

表1?鍋爐主要參數(shù)

Tab.1?Main design parameters of boiler

本工程鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每臺爐配置6臺ZGM95G-II型磨煤機，運行方式為5運1備(5臺運行，1臺備用)．鍋爐燃燒系統(tǒng)由油槍和直流煤粉燃燒器組成，布置在爐膛四角位置，采用切圓燃燒方式．從下到上依次為A、B、C、D、E、F層煤粉燃燒器．最底層煤粉燃燒器安裝有斜插式的微油點火裝置(如圖2所示)．最頂層煤粉噴嘴上方7542mm處設(shè)置有4層分離式燃盡風，用以實現(xiàn)分級燃燒，降低NO排放，同時形成反向切圓，消除煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，降低左右側(cè)煙溫偏差．

1—水冷壁；2—煤粉燃燒器；3—油配風管；4—微油槍

從圖2可知，微油燃燒器投用后，其火焰將對對側(cè)煤粉燃燒器的內(nèi)壁形成直接沖刷，造成“火焰刷墻”的惡劣工況，煤粉流經(jīng)此處易引發(fā)壁面結(jié)渣．

1.2?結(jié)焦情況

機組整套啟動期間，鍋爐點火后，經(jīng)歷沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，并按照啟動曲線逐步增加負荷．當機組負荷升至280MW附近時，爐底開始掉落熔融狀大塊焦渣．此時爐內(nèi)負壓波動頻繁，過熱蒸汽溫度超高報警，干除渣系統(tǒng)的鋼帶機、碎渣機等電機電流顯著增大．負荷繼續(xù)升至300MW后保持穩(wěn)定，就地檢查發(fā)現(xiàn)，干渣機落渣口處發(fā)生嚴重堵焦，熔融狀的大焦塊相互堆積，難以排出至鋼帶上(如圖3所示)．焦塊量多塊大，冷卻后質(zhì)地堅硬，碎渣機牙輪磨損嚴重，入口處大量積渣，最終導致干除渣系統(tǒng)過載停運，機組試運行工作被迫中斷．

圖3?熔融狀焦塊堆積

機組停爐后，利用觀火孔對鍋爐各層燃燒器進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)最底層燃燒器噴口處有結(jié)焦．拆開入口煤粉管道，對燃燒器內(nèi)部焦渣進行清理，清理后情況如圖4所示．從圖中可知，焦塊數(shù)量較多，質(zhì)地堅硬，內(nèi)部存在空隙，主要分布在斜插式微油槍與煤粉燃燒器相交區(qū)域．推測煤粉顆粒經(jīng)過此處時，被微油槍火焰沖擊至油配風管對面，受熱軟化，聚集粘附，最終形成焦渣．同層煤粉燃燒器中某一角的燃燒器結(jié)焦，將引起爐內(nèi)燃燒切圓偏斜，煙氣刷墻，引發(fā)受熱面結(jié)焦結(jié)渣[3]．此外，火焰中心偏斜也會增大左右側(cè)煙氣溫度、蒸汽參數(shù)偏差，影響鍋爐性能的正常?發(fā)揮．

圖4?燃燒器內(nèi)部焦渣

2?原因分析

煤粉在燃燒過程中，其內(nèi)部的礦物成分會發(fā)生復雜的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，不同物質(zhì)在高溫條件下相互結(jié)合，形成低熔點的共熔化合物，降低了煤灰整體的熔融溫?度[4-7]，且微粒間常常發(fā)生團聚粘附[8]，引起鍋爐受熱面結(jié)焦結(jié)渣．

鍋爐結(jié)焦與煤灰熔融特性、爐膛溫度、燃燒氣氛、反應(yīng)時間等因素有關(guān)[9]．通常情況下，灰熔點越低，爐膛溫度越高，還原性氣氛越強，反應(yīng)時間越長，鍋爐結(jié)焦也越厲害．為揭示出本機組鍋爐結(jié)焦嚴重的原因，對焦塊樣品進行了多項測試，根據(jù)分析結(jié)果進行了相關(guān)計算．

2.1?焦塊形貌與成分分析

從干除渣系統(tǒng)落渣口處揀取典型焦塊作為樣品，利用錘擊方式將焦塊斷面暴露出來，從斷面上獲得SEM-EDS分析所需的小顆粒樣品．

從圖5可以看出，在焦塊一側(cè)出現(xiàn)大量鼓泡，表面呈現(xiàn)釉質(zhì)光澤，為高溫條件下煤灰中礦物成分形成的非晶相玻璃體，另一側(cè)表面粗糙，布滿細膩灰粒，結(jié)構(gòu)較為疏松，應(yīng)為低溫下形成的初始結(jié)焦面．

圖5?焦塊外觀

切開焦塊后，發(fā)現(xiàn)其斷面有明顯的分層現(xiàn)象．高溫側(cè)氣泡面呈現(xiàn)黃綠色，占據(jù)份額較大，低溫側(cè)細灰面則呈現(xiàn)黑色，且內(nèi)部含有空隙．為方便對比研究，將焦塊內(nèi)黃綠色部分定義為區(qū)域1，黑色部分定義為區(qū)域2，具體分布如圖6所示．

為揭示向火面與背火面物質(zhì)組成差異，對焦塊上區(qū)域1和區(qū)域2部位取樣進行SEM-EDS分析．兩者的微觀形貌如圖7和圖8所示．

圖6?焦塊斷面

從圖7中可知，高溫側(cè)焦塊表面光滑，結(jié)構(gòu)致密，推測此處煤灰中的無機物，在高溫條件下發(fā)生團聚熔融，不同礦物成分發(fā)生了分解轉(zhuǎn)化，形成了大量非晶相的玻璃體．研究表明[10]，溫度越高，煤灰中晶相物質(zhì)向非晶相的轉(zhuǎn)化反應(yīng)越劇烈，焦塊中非晶相的含量也越高．區(qū)域1處通體呈現(xiàn)黃綠色，且?guī)в杏再|(zhì)光澤，說明該側(cè)面對爐膛，受到高溫煙氣沖刷，煤灰中石英和黏土礦物等大量轉(zhuǎn)化為非晶相的玻璃體[11].

圖7?焦塊高溫側(cè)微觀形貌

圖8?焦塊低溫側(cè)微觀形貌

從圖8可知，低溫側(cè)焦塊表面粗糙，布滿褶皺，粘附有較多細碎顆粒．結(jié)合區(qū)域2外觀整體呈現(xiàn)黑色，且內(nèi)部存在空隙，推測為未燃盡的煤粒夾雜灰粒，在煙溫不高的條件下，軟化聚集，粘附于受熱面上，形成了初始結(jié)焦層．

對區(qū)域1和區(qū)域2處焦塊進行EDS分析，結(jié)果如圖9所示．從圖中可知，高溫側(cè)與低溫側(cè)焦塊主要元素都是C、O、Al、Si等元素．其中區(qū)域1焦塊中C含量低于區(qū)域2，說明低溫側(cè)含有較多未燃盡的煤粒，這與區(qū)域2黑色外觀相一致；高溫側(cè)O含量高于低溫側(cè)，表明煤粒燃燒過程中生成了大量含氧的化合物，使得區(qū)域1中O所占比重升高；高溫側(cè)Fe含量明顯高于低溫側(cè)，推測煤灰中的赤鐵礦成分與SiO2等發(fā)生了低溫共熔反應(yīng)[12]，生成了大量非晶相玻璃體，使得區(qū)域1焦塊呈現(xiàn)出釉質(zhì)光澤．

圖9?焦塊元素含量分析

2.2?煤質(zhì)分析

煤灰中的無機成分對其熔融特性具有重要影響，對現(xiàn)場入爐煤樣進行了煤質(zhì)與灰熔融特性分析，測試結(jié)果與設(shè)計煤種對比如表2、表3所示．

表2?煤質(zhì)分析對比

Tab.2?Comparative analysis of coal quality

從表2結(jié)果可知，實際煤的水分低、O含量高、低位發(fā)熱量大，燃燒時將會具有更高的爐膛溫度．此外，實際煤的S含量略高于設(shè)計煤，將對煤種結(jié)焦性產(chǎn)生一定的不利影響．

從表3中可知，設(shè)計煤和實際煤的煤灰中含量最高的都是SiO2．研究表明，SiO2在結(jié)焦過程中會與其他物質(zhì)形成多種低熔點的共熔物，但由于其本身熔點高達1700℃，且含量極大，綜合看仍然對灰熔點提升有貢獻[13]．實際用煤的灰中SiO2含量低于設(shè)計煤4.59%，這無疑將會導致實際用煤的灰熔點下降，增大結(jié)焦的可能性．

表3?灰成分及灰熔點分析對比

Tab.3 Comparative analysis of components and melting point of ash

Al2O3是煤灰中含量第2高的成分，該物質(zhì)熔點極高(達2054℃)，晶體結(jié)構(gòu)牢固，在煤焦中起到支撐骨架的作用[14]，對灰熔點的影響更大．實際煤中Al2O3含量低于設(shè)計煤，這對抑制結(jié)焦不利．

Fe2O3具有助熔的效果[15]，MgO則會降低煤灰的熔融特征溫度[16]，TiO2則可提高灰熔點．從表3可知，實際用煤的煤灰中，F(xiàn)e2O3含量是設(shè)計煤的2.95倍，MgO含量是設(shè)計煤的3.34倍，TiO2含量則僅是設(shè)計煤的61%，上述三項成分的含量差異將會大大降低實際煤的灰熔融特征溫度，增大其結(jié)焦傾向．

利用煤灰軟化溫度(S)來對煤種的結(jié)焦性進行評估是目前鍋爐行業(yè)內(nèi)的常用做法．通常情況下，S＜1250℃時煤結(jié)焦傾向較大，而本機組燃用煤種的實測灰熔點為1200℃，低于設(shè)計煤種90℃，屬于典型的易結(jié)焦煤種．綜合分析結(jié)果，煤質(zhì)惡劣是鍋爐結(jié)焦的根本原因．

2.3?結(jié)渣性分析

為定量判斷實際用煤的結(jié)渣特性，參考相關(guān)研?究[17]，引入以下經(jīng)驗判別指數(shù)(計算式中取各成分在灰中的百分含量)進行分析．

(1) 酸堿比，即煤灰中堿性氧化物含量與酸性氧化物質(zhì)量之比：

/＝(Na2O＋CaO＋Fe2O3＋K2O＋

MgO)/(TiO2＋SiO2＋Al2O3)

(2) 硅比：＝SiO2/(SiO2+Fe2O3+CaO+MgO)

(3) 硅鋁比：＝SiO2/Al2O3

(4) 鐵鈣比：＝Fe2O3/CaO

(5) 綜合結(jié)渣指數(shù)為

＝5.415-1.9+1.237/-0.002S+0.282

根據(jù)相關(guān)文獻，各項判別指數(shù)評價界限如表4?所示[9]．

表4?結(jié)渣指數(shù)判別標準

Tab.4?Rating standard of slagging index

經(jīng)計算后，實際燃用煤種的各項結(jié)渣指標判斷結(jié)果如表5所示．

表5?結(jié)渣指標計算結(jié)果

Tab.5?Calculation results of slagging indexes

從表4可知，針對實際燃用煤種，3項指標評價為“中等”，2項指標評價為“嚴重”．綜合焦樣分析與指標計算結(jié)果，認為本工程實際燃用煤的灰熔點較低，結(jié)渣性強烈．機組啟動調(diào)試期間，較高的爐膛溫度使得該煤的強結(jié)焦性得到充分展現(xiàn)．在現(xiàn)場煤質(zhì)短期內(nèi)無法改善的情況下，通過采取多種措施實現(xiàn)鍋爐低強度燃燒，降低爐膛溫度，是治理受熱面結(jié)焦的主要辦法．

3?調(diào)整措施

由前述分析可知，煤質(zhì)惡劣是鍋爐結(jié)焦的根本原因，而爐溫較高則促進了結(jié)焦進一步發(fā)展．因此，利用低強度燃燒來保證合理爐溫，抑制受熱面結(jié)焦成為本次燃燒調(diào)整的主要思路．為實現(xiàn)這一目標，綜合采取了多項減弱燃燒的措施．

3.1?增加吹灰頻率

通常情況下，鍋爐吹灰每天進行1次即可．根據(jù)鍋爐結(jié)焦嚴重的實際情況，要求在機組負荷達到280MW后，白班和夜班各進行一次全爐吹灰．沿著煙氣流向，依次吹掃爐膛、水平煙道、尾部煙道等區(qū)域，避免小焦塊因時間過長，團聚粘連形成熔融的大焦塊．鍋爐尾部SCR催化劑處安裝有聲波吹灰器，自機組啟動后就保持投用狀態(tài)．將空氣預熱器和低溫省煤器處的蒸汽吹灰器吹掃間隔時間重新設(shè)定為8h，保持吹灰程控連續(xù)投入，減輕受熱面沾污．

3.2?提高一次風速，降低風煤配比

由于微油點火槍采用斜插方式伸入下層煤粉燃燒器中，火焰沖擊力強，易將煤粒夾帶至燃燒器內(nèi)壁，形成內(nèi)部焦塊．某一燃燒器結(jié)焦后，阻力增大，煤粉氣流的流速下降，四角煤粉噴嘴的均衡性受到破壞，這會引起切圓偏斜，火焰刷墻．煙氣沖刷受熱面將促進水冷壁結(jié)焦，增大鍋爐左右側(cè)的煙溫、汽溫偏差，降低機組效率，影響鍋爐運行安全．

提高一次風射流的剛性，有助于削弱微油火焰的沖擊力，減輕燃燒器內(nèi)部結(jié)焦，同時，較高的一次風速能夠?qū)⒒鹧娓邷貐^(qū)推至爐膛中心，避免噴口附近結(jié)焦．實際操作中把一次風機的出口風壓提高至9.6～10.0kPa，同時進一步壓低磨煤機入口風量，將風煤比由2.0調(diào)整至1.8左右，減少進入爐膛的煤粉量，減弱爐膛內(nèi)的燃燒強度．

3.3?調(diào)整合理煤粉細度

煤粉細度選取不合理，將會加重爐膛結(jié)焦[18]．通常情況下，過粗的煤粉顆粒不易燃盡，且運動慣性較大，在氣流夾帶下發(fā)生刷墻的可能性也更高，故煤粉細度過大不利于抑制結(jié)焦．過細的煤粉則會提前著火，在噴口附近即燃燒完全，大大提高爐膛截面熱?負荷．

為達到減弱爐內(nèi)燃燒強度，降低爐膛溫度的目的，將煤粉細度(R90)由設(shè)計值的22%提高至30%，取得了較好的實際效果．

3.4?降低省煤器出口氧量

通常情況下，某種煤的灰熔點在還原性氣氛下比在氧化性氣氛下要低，即還原性氣氛下的結(jié)焦傾向更大[19]．鍋爐實際燃燒中，調(diào)整省煤器的出口氧量即可改變爐膛內(nèi)的燃燒氣氛．為實現(xiàn)降低爐膛溫度的目標，采取了減少供風，降低省煤器出口氧量至2.6～2.8范圍內(nèi)，進一步減弱燃燒．盡管弱還原性氣氛下煤的灰熔點有所降低，其不利影響遠遠小于因降低爐溫而帶來的抑制結(jié)焦的有利影響．

3.5?優(yōu)化二次風配風

為避免煤粒未燃盡即掉入冷灰斗，加重干渣機落渣口處的焦塊堆積，故增大了托底風的風量．同時，隨著機組負荷增大，適當增大周界風開度，抑制燃燒器區(qū)域結(jié)焦；關(guān)小風門，提高燃盡風及其他二次風的風壓，避免發(fā)生煙氣流貼墻情況．具體調(diào)整結(jié)果如表6所示．

表6?二次風門調(diào)整結(jié)果

Tab.6?Valve adjustment of secondary air

完成上述調(diào)整措施后，為評估效果，利用紅外測溫槍，在250MW和350MW兩個負荷下，透過4個角上的觀火孔對爐膛溫度進行實際測量．不同負荷下，調(diào)整前后的對比結(jié)果如圖10和圖11所示．各測溫點數(shù)據(jù)為4個角觀火孔所測溫度的平均值．測點1位于A層煤粉燃燒器下部，測點2在B層煤粉燃燒器附近，測點3在D層煤粉燃燒器附近，測點4靠近F層煤粉燃燒器，測點5和6分別位于燃盡風下部和上部區(qū)域．

從圖10和圖11中可以看出，調(diào)整后各區(qū)域爐膛

圖10?負荷250MW爐膛溫度

圖11?負荷350MW爐膛溫度

溫度均有所降低，其中B、C、D等中間層燃燒器區(qū)域溫度下降明顯，250MW時最大降溫值為47℃，滿負荷350MW時，最大降溫值達到130℃．經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，干渣機落渣口處掉焦量大大減小，大型熔融狀焦塊基本消除，干除渣系統(tǒng)排渣正常，工作穩(wěn)定．鍋爐各項參數(shù)達到額定值，運行安全平穩(wěn)，結(jié)焦治理措施取得了較好的效果．

4?結(jié)?論

本文針對350MW超臨界鍋爐嚴重結(jié)焦問題，利用現(xiàn)場取樣分析和結(jié)渣指標計算，得出煤質(zhì)惡劣，爐溫過高是結(jié)渣強烈的主要原因．

(1) 焦塊斷面存在明顯分層，高溫側(cè)主要為表面光滑的非晶態(tài)玻璃體，呈黃綠色；低溫側(cè)則粘附較多未燃盡碳粒，呈黑色．

(2) 實際燃用煤種灰熔點僅為1200℃，且灰中Fe2O3含量是設(shè)計煤的2.95倍，MgO含量是設(shè)計煤的3.34倍，TiO2含量則僅是設(shè)計煤的61%，將會極大降低灰熔點．

(3) 結(jié)渣性判別指數(shù)計算結(jié)果表明，實際燃用煤種的結(jié)焦性在中等至嚴重之間，屬于強結(jié)渣性煤．

(4) 通過增加吹灰頻率、提高一次風速、降低風煤配比、調(diào)整合理煤粉細度、控制爐膛出口氧量以及優(yōu)化二次風門開度等措施，降低了爐膛溫度，調(diào)整了爐內(nèi)氣氛，削弱了燃燒強度，有效抑制了結(jié)焦．

經(jīng)調(diào)試后，落渣口處熔融狀大焦基本消除，鍋爐運行安全穩(wěn)定．相關(guān)治理措施取得了較好的效果，經(jīng)驗可供后續(xù)同類機組參考．

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Mechanism Analysis and Engineering Adjustment of Coking Problem in Cogeneration Super Critical Boiler

Wang Lin1，Wang Hongyu1，Han Rui2，Zhang Yafu1，Gao Jinghui1，Meng Yingqi1

(1. Xi′an Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Xi′an 710054，China；2. School of Energy Science and Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China)

To solve the serious coking problem in a 350MW supercritical boiler，we collected typical coke-block samples on site，and found obvious stratification in the cross section of coke block. SEM-EDS was used to analyze the morphology and element composition of the high and low temperature sides, and the cost difference between the two sides was confirmed. Our analysis and slagging discriminant index calculations show that the actual coal burning ash had a low melting point and strong coking. Comprehensive analysis revealed that poor coal quality and high furnace temperature were the main reasons for the serious coking of water wall in the boiler burner area. By increasing the soot blowing frequency，optimizing the secondary air distribution，reducing the primary air volume，adjusting the fineness of the pulverized coal，and controlling the oxygen content，we can greatly weaken the combustion intensity in the furnace，lower the furnace temperature，adjust the combustion atmosphere，and restrain the formation of coke block. We significantly reduced the coke drop at the ash hopper and essentially eliminated the generation of large fused coke. This operation was safe and stable. The combustion adjustment achieved good results and these findings can be used as reference for similar units.

coking；combustion adjustment；SEM-EDS；slagging index；mechanism analysis

TK16

A

1006-8740(2019)01-0037-08

10.11715/rskxjs.R201804029

2018-03-04．

王?林（1989—??），男，碩士研究生，工程師，wangmumu1989@qq.com.

王紅雨，男，本科，研究員，wanghongyu@tpri.com.cn.