660MW機(jī)組鍋爐爐內(nèi)結(jié)渣的原因及解決措施探討

王慶智 神華國能寧夏煤電有限公司

爐內(nèi)爐渣對于鍋爐來說是普遍存在的問題，而且爐內(nèi)爐渣會嚴(yán)重影響鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，隨著鍋爐機(jī)械容量的增加而更加突出。最顯著的例子是北侖港一號機(jī)組60OMW鍋爐爐的爐身嚴(yán)重，引發(fā)爆炸事故，造成嚴(yán)重設(shè)備損壞和人員傷亡。目前沙角發(fā)電廠660MW機(jī)組C3鍋爐也存在嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。找出結(jié)渣的主要原因，采取相應(yīng)的解決措施或預(yù)防措施已迫在眉睫。爐內(nèi)結(jié)渣的性質(zhì)可以概括為煙氣中的熔融灰粘附在熱表面上并產(chǎn)生熔渣的結(jié)果。爐內(nèi)結(jié)渣有三個重要因素：一是燃料的灰熔點。第二一個爐內(nèi)結(jié)渣的因素則是當(dāng)空氣溫度高于熔點時，氣流中的熔渣正處在熔化的狀態(tài)。三是這種氣流只有在沖洗受熱面時才會產(chǎn)生結(jié)渣。因此，燃煤鍋爐爐渣不僅是一個物理化學(xué)過程，而且是一個非常復(fù)雜的水動力過程。影響結(jié)渣的因素很多，不僅與煤的特性（灰熔點、灰組成、灰粘度等）有關(guān)，而且與爐膛傳熱參數(shù)、燃燒室結(jié)構(gòu)、爐氣動態(tài)條件和鍋爐運行參數(shù)密切相關(guān)。

一、C3爐基本情況簡介

（一）設(shè)備及主要參數(shù)簡介

沙角發(fā)電廠C3鍋爐是由美國abbce公司設(shè)計生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)單汽包中間再熱控制循環(huán)鍋爐。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量2100t/h，采用膜式水冷壁，單爐切向燃燒。爐膛尺寸（寬×深mm）為19558×16432，爐膛高度為57300mm，寬高比為1.19。設(shè)計中采用的是國產(chǎn)神府東勝煤，從澳大利亞進(jìn)口校核炭。制粉系統(tǒng)是正壓直噴式制粉系統(tǒng)，配置6臺hp983碗型中速研炭機(jī)，設(shè)計力為53t/h，5臺蜂窩機(jī)可以滿足BMCR的輸出。鍋爐設(shè)計爐膛容積熱負(fù)荷（BMCR）為0.112MW/M（403.2mJ/h×M’），爐段熱負(fù)荷（BMCR）為5.60MW/M（2016mj/h·M’），燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷為1.33mw/M’。

（二）煤質(zhì)特性

這個爐的設(shè)計煤是國產(chǎn)的神府東勝煤，校準(zhǔn)煤是澳大利亞的進(jìn)口煤。從以上的煤炭及灰分特性分析表可以看出，進(jìn)口煤與國產(chǎn)煤之間存在一定的差距，特別是灰融點的差異很大。國產(chǎn)煤的灰融點比進(jìn)口煤低，國產(chǎn)煤比進(jìn)口煤更容易焦煤。兩個煤的渣特性可以由煤化溫度確定。并用灰分組成綜合指數(shù)R進(jìn)行預(yù)測，用煤灰軟化溫度判斷嚴(yán)重煤種，進(jìn)口煤屬于中等結(jié)焦傾向煤。

（三）鍋爐燃燒系統(tǒng)

進(jìn)口煤被認(rèn)為是“潔凈煤”。因此，在爐膛設(shè)計中，只有調(diào)整過熱器/再熱器受熱面的數(shù)目和比例，才能得到設(shè)計蒸汽溫度。過熱蒸汽溫度采用減溫方式控制，再熱蒸汽溫度通過燃燒器擺動控制在設(shè)計范圍內(nèi)。國內(nèi)煤炭被認(rèn)為是“臟煤”。如果不采取一定的措施，在運行中會引起爐膛結(jié)焦，而爐膛結(jié)焦就會產(chǎn)生降低水冷壁的吸熱量的后果，最終就會導(dǎo)致爐膛出口煙氣溫度升高。如果爐膛出口處的煙氣溫度超過設(shè)計裕度，則會出現(xiàn)性能和控制問題。因此，CE公司在鍋爐設(shè)計中采用同心圓燃燒系統(tǒng)（CFS），適用于國內(nèi)燃煤的燃燒。對同心圓燃燒系統(tǒng)中的幾個輔助空氣噴嘴進(jìn)行了改進(jìn)。改造后的噴嘴將二次風(fēng)吹入水冷壁，增大氣球的角動量，并帶動更多的煙氣進(jìn)入風(fēng)箱下方的爐膛，在風(fēng)箱頂部沿水冷壁形成富氧區(qū)。這種作用很容易處理爐內(nèi)的爆炸或消除散焦。

爐膛燃燒器的油嘴和風(fēng)嘴在整個60度角范圍內(nèi)擺動，上下30度角，煤粉噴嘴按比例上下20度擺動，使?fàn)t膛火球升降，從而調(diào)節(jié)爐膛的吸熱量。當(dāng)噴嘴向下傾斜時，爐內(nèi)火球下降，吸收爐內(nèi)更多的輻射熱，到達(dá)過熱器和再熱器的煙氣溫度降低，從而降低過熱器和再熱器的蒸汽溫度。當(dāng)噴嘴向上擺動時，過程正好相反。

二、爐內(nèi)空氣動力場試驗

（一）習(xí)慣運行工況，目的是了解習(xí)慣運行下的爐內(nèi)氣流運動狀況

A層除1號角貼墻嚴(yán)重外，其余角均正?；蚵云?。F層一次風(fēng)也正常，其余樓層貼墻，e層一次風(fēng)最嚴(yán)重。熔爐中心的大部分區(qū)域沒有紙屑。從爐底可以清楚地看到許多紙屑沿著水冷壁落下。據(jù)估計，當(dāng)爐膛處于熱態(tài)時，可能會有部分煤粉沿水冷壁落下。

為了適應(yīng)實際工況下測得的速度分布，實際切圓的相對直徑約為0.65。由于風(fēng)速分布是在a層一次風(fēng)水位上測得的，因此只能代表a層兩側(cè)一次風(fēng)和風(fēng)的分布情況，風(fēng)速分布與一次風(fēng)速及周圍送風(fēng)條件有關(guān)。從一次風(fēng)速測量結(jié)果來看，a層一次風(fēng)速最高，達(dá)到31m/s，F(xiàn)層一次風(fēng)速為22m/s，其他層一次風(fēng)速約為16m/s，說明a層一次風(fēng)速最高，氣流剛度最強(qiáng)，氣流偏斜較小。而且，a層的一次風(fēng)在底部，爐底的氣流更容易供給射流兩側(cè)，兩側(cè)的壓差也相應(yīng)減小。F層一次風(fēng)也有類似情況。速度場測量結(jié)果與紙屑測量結(jié)果一致。

從整個試驗結(jié)果可以看出，除a、F層一次風(fēng)外，其他各層一次風(fēng)均嚴(yán)重粘附在壁面上，可能造成水冷壁結(jié)渣。尤其是E層一次風(fēng)的粘壁現(xiàn)象最為嚴(yán)重。整個爐膛實際氣流切圓過大，爐膛中心無風(fēng)區(qū)過大，氣流不飽滿。

（二）保持一、二次風(fēng)門開度不變（習(xí)慣運行工況），關(guān)閉BC、DE、FF 工況

目的是了解二次風(fēng)偏折的影響，關(guān)閉偏二次風(fēng)，一方面減少氣流切向運動的動量，同時切斷相連的射流，改善送風(fēng)條件。如果偏轉(zhuǎn)的二次風(fēng)是實際切向圓的主流，停止偏轉(zhuǎn)的二次風(fēng)后，實際切向圓應(yīng)大大減小，一次風(fēng)射流不應(yīng)粘在墻上。試驗結(jié)果表明，一次風(fēng)射流仍然附著在壁面上，但比工況1的效果好。結(jié)果表明，二次風(fēng)偏轉(zhuǎn)角對實際氣流切向圓有一定影響。然而，對于C3爐，一次風(fēng)射流粘壁的主要原因是一次風(fēng)和其他二次風(fēng)燃燒器的安裝切線圓過大。

（三）保持二次風(fēng)門開度不變（習(xí)慣運行工況），提高一次風(fēng)速運行工況

將各層一次風(fēng)速調(diào)整為22m/S～24m/S左右，根據(jù)紙屑試驗結(jié)果，粘壁情況有所改善（與工況1相比），但仍有較多的粘壁現(xiàn)象，即A層的速度場，由于A層一次風(fēng)速由31m/S降為22m/S，剛度減弱，撓度增大。因此，實測的實際切向圓比正常工況下大，實際切向圓的相對直徑約為0.80。試驗結(jié)果表明，提高一次風(fēng)風(fēng)速可以減輕結(jié)渣。實際運行中一次風(fēng)速偏差較大，a層一次風(fēng)速最高，f層一次風(fēng)速最高，其余均較小。

（四）全關(guān)二次風(fēng)，單開一次風(fēng)速運行工況

了解一次風(fēng)是否正常。在熱條件下運行時，單次風(fēng)不能進(jìn)入運行，冷態(tài)試驗只能了解一種風(fēng)中的單一情況。由于一次風(fēng)是單次風(fēng)，每層的單風(fēng)隙較大，所以通風(fēng)條件良好。為了正確安裝，實際的圓角較小，一次風(fēng)射流必須相對平坦。不得有氣流粘墻。紙屑試驗結(jié)果表明，a、B層一次風(fēng)切圓實際值最小，C、D層稍大，e層最大，e層角2略靠近壁面?？梢杂嬎愠鰧嶋H切圓的相對直徑約為0.45，這對于單次一次風(fēng)來說明顯過大。

三、C3爐結(jié)渣原因分析

（一）爐內(nèi)實際切圓太大

在爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)燃燒形成一股強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)氣流。氣流的最大切向線構(gòu)成爐膛內(nèi)的實際切圓。爐膛中心是一個低速風(fēng)區(qū)，其特征是在燃燒鍋爐的爐膛內(nèi)切割成空氣動力場。實際切向圓是破碎燃燒的一個重要參數(shù)；它對結(jié)渣、穩(wěn)定燃燒、煙氣速度和爐膛出口煙溫偏差有重要影響。如果實際切向圓過大，容易產(chǎn)生結(jié)渣

因此，確保適當(dāng)?shù)膶嶋H切向直徑是非常重要的。影響實際切向直徑的主要參數(shù)有：

第一、燃燒器高寬比；第二、安裝切圓直徑；第三、一.二次風(fēng)動量比；第四、燃燒器的間隙率；第五、燃燒器噴口總面積與爐膛截面積比；第六、燃燒器擺角等。文獻(xiàn)1給出了實際切圓的經(jīng)驗公式及其適用范圍。由于爐內(nèi)流場的復(fù)雜性和多種因素的影響，經(jīng)驗公式具有一定的局限性。

一般來說，實際切圓的當(dāng)量直徑在0.4～0.8之間?？紤]到煤質(zhì)特性、燃燒穩(wěn)定和結(jié)渣，煙煤或易結(jié)渣煤取較小值，無煙煤和硬渣煤取較大值。C3爐實際切向相對直徑大于0.65，煤質(zhì)屬于中等結(jié)渣或嚴(yán)重結(jié)渣傾向煤，運行中容易引起水冷壁結(jié)焦。

（二）煤質(zhì)問題

如前所述，C3爐的設(shè)計煤種和標(biāo)定煤種均為中渣或重渣傾向煤種，容易燃燒。

（三）射流兩側(cè)補(bǔ)氣條件差異較大

射流兩側(cè)的送風(fēng)條件主要取決于爐段長寬比、假想切圓直徑和燃燒器高寬比。當(dāng)噴孔兩側(cè)的切向直徑增大時，兩側(cè)壁面上的空氣供給角差增大。由于送風(fēng)條件的不同，射流兩側(cè)的壓力差使氣流容易產(chǎn)生邊緣。

四、爐內(nèi)結(jié)渣的解決措施探討

（一）增大爐內(nèi)的過量空氣系數(shù)α

爐壁的煙溫度隨著過量空氣系數(shù)的增加而降低，爐內(nèi)沉積物減少，受熱表面的渣趨于減少。此外，α過低易導(dǎo)致氧氣不足，爐內(nèi)出現(xiàn)還原氣氛。高熔點Fezo 3還原為低熔點FeO，大大降低了灰熔點，提高了爐渣的可能性。因此，必須輸送足夠的氧氣。目前C3鍋爐的過量空氣系數(shù)在1.15左右，建議提高到1.2-1.25。但是，過量空氣的增加可能會導(dǎo)致鍋爐效率略有下降。

（二）適當(dāng)提高一次風(fēng)速

提高一次風(fēng)速可以延緩煤粉的著火，使著火點離燃燒器更遠(yuǎn)，火焰的高溫區(qū)也隨之向爐膛中心移動，避免了噴煤附近結(jié)焦。在四角切向爐內(nèi)，提高一次風(fēng)速度還可以增加一次風(fēng)射流的剛度，減小射流兩側(cè)靜壓引起的偏轉(zhuǎn)，避免一次風(fēng)氣流結(jié)焦直接沖刷壁面。