解決410 t/h燃煤鍋爐嚴重結(jié)焦的實踐與分析

盧廣軍，陳文斌

(中石化巴陵石油化工有限公司熱電部，云溪 414014)

0 引 言

燃煤鍋爐結(jié)焦，會降低受熱面?zhèn)鳠嵝Ч箿p溫水量、排煙溫度、風(fēng)機電耗增加。結(jié)焦嚴重時，可能會引起受熱面超溫以及水冷壁水循環(huán)惡化，限制機組帶負荷能力[1-2]，甚至造成受熱面爆管，爐膛垮大焦導(dǎo)致鍋爐非計劃停運，危及設(shè)備及人員的安全[3-4]。巴陵石化410 t/h燃煤鍋爐2015年完成低氮改造后，鍋爐結(jié)焦情況加劇，2020年10月因垮大焦被迫停運。為了提高燃煤機組運行可靠性，避免化工廠停車減產(chǎn)，解決爐膛嚴重結(jié)焦問題勢在必行。本文結(jié)合該鍋爐的實際情況，探索出了一套適用于該鍋爐的結(jié)焦防治措施，并取得了較好效果，對同類燃煤鍋爐具有借鑒意義。

1 鍋爐設(shè)備及結(jié)焦概況

巴陵石化410 t/h鍋爐是杭州鍋爐廠設(shè)計制造的NG-410/9.8-M高溫高壓、“п”型固態(tài)排渣煤粉爐，采用角置水平濃淡直流式煤粉燃燒器，布置在爐膛的正四角，假想切圓直徑為φ500/φ700 mm，中間倉儲式制粉系統(tǒng)，2012年投產(chǎn)，2015年完成脫硝SCR及低氮燃燒器改造，鍋爐設(shè)計煤種為貧煤。鍋爐設(shè)計參數(shù)及煤質(zhì)見表1。燃燒器布置如圖1所示。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)

圖1 燃燒器布置及燃燒過程簡圖

2012年投產(chǎn)后，長期燃用23 000 kJ/kg以上高熱值貧煤，爐膛溫度較高，最高1 550 ℃左右，存在局部結(jié)焦現(xiàn)象。2015年脫硝SCR及低氮燃燒器改造后，鍋爐結(jié)焦加劇。2019年開始頻繁發(fā)生嚴重結(jié)焦導(dǎo)致的冷灰斗喉部焦塊搭橋現(xiàn)象(如圖2所示)，且結(jié)焦位置集中在爐膛右后墻三次風(fēng)噴口及水冷壁附近，焦軟難以清除。結(jié)焦使鍋爐帶負荷能力下降15%。2020年10月垮大焦被迫停爐，焦塊搭橋后積滿爐膛約5米高，且呈半熔融狀，形成一個整體，在運行中無法清除。此次結(jié)焦停爐造成化工單位停車減產(chǎn)，經(jīng)濟損失巨大。

圖2 爐膛結(jié)焦及冷灰斗喉部搭橋

2 結(jié)焦原因分析

煤粉燃燒產(chǎn)生的煤灰在一定的溫度下熔化，聚積在一起，形成焦渣。水冷壁受熱面由于吸熱，在貼近壁面的位置煙氣溫度急劇下降，當熔融或半熔融狀態(tài)的焦渣貼近或受氣流攜帶沖刷水冷壁時，就會吸附在上面，并呈現(xiàn)惡性循環(huán)的局面[5]。結(jié)合該燃煤鍋爐實際，分析鍋爐結(jié)焦的主要原因為以下四個方面：鍋爐qF取值偏高、局部爐膛溫度偏高、火焰沖刷爐墻、局部缺氧形成還原氣氛、清焦不及時。

2.1 鍋爐qF取值偏高

該鍋爐目前入爐煤基本按照潞安煤:鄭煤=1∶1或2∶1的比例進行配比，摻燒少量晉煤、鄭州煤電來煤，摻混后的煤種屬于高熱值貧煤，見表2。

表2 入爐煤的摻混比例及工業(yè)分析

該鍋爐設(shè)計的爐膛容積熱負荷qv為144 kW/m3，按下式(1)計算，選取推薦值見表(3)，可以看出qv的選取基本合理。

qv=B·Q/V

(1)

式中，B為每小時燃料消耗量，kg/h；Q為每千克燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg；V為爐膛容積，m3；其中1 kJ/h=0.278 W。

表3 爐膛容積熱負荷qv推薦值[10] (kW/m3)

該鍋爐設(shè)計的爐膛截面熱負荷qF為3.52 MW/m3，按下式(2)計算，選取推薦值見表4，由表4可以看出爐膛的截面熱負荷取值為該煤種推薦值的上限，對鍋爐的防結(jié)焦不利，實際運行中的爐膛溫度水平也反映了該問題，目前鍋爐的設(shè)計趨勢是適當降低qF值。

表4 410 t/h切向燃燒鍋爐爐膛截面熱負荷qF推薦值[10] (MW/m2)

qF=B·Q/F

(2)

式中，F(xiàn)為爐膛截面積。

2.2 局部爐膛溫度偏高

主要入爐煤的灰熔點見表5，摻燒后的燃煤屬于不易結(jié)焦煤種。機組負荷>75%時，燃燒區(qū)爐膛溫度均值1 530 ℃，局部達到1 630 ℃(表6)，超過了燃煤的FT溫度，結(jié)焦是必然現(xiàn)象，而局部爐膛溫度偏高造成結(jié)焦惡化。

表5 潞安煤及鄭煤灰熔點分析

表6 機組負荷>75%時爐膛溫度分布

2.3 火焰沖刷爐墻

冷態(tài)空氣動力場試驗時，一、二、三次風(fēng)全投工況，前后墻實際切圓直徑為6.0 m/6.3 m(如圖3所示)，相比爐膛截面的當量直徑為0.65，實際切圓直徑是假想切圓直徑的9倍。整個切圓向右后墻偏移，后墻靠右(丙角處)貼壁風(fēng)速最大3.7 m/s(如圖4所示)，這與熱態(tài)時右后墻經(jīng)?？绱蠼瓜鄬?yīng)。

圖3 冷態(tài)一二三次風(fēng)全投切圓

圖4 貼壁風(fēng)速測量

2.4 局部缺氧形成還原氣氛

該鍋爐空預(yù)器一直存在堵塞及漏風(fēng)，在高負荷下，受引風(fēng)機出力的限制，爐膛出口氧量一直偏低，僅為2.0%左右。低氮燃燒改造在主燃區(qū)的上方增加了燃盡風(fēng)，主燃區(qū)的氧量進一步降低，使得煤粉著火推遲，火焰中心上移，主燃區(qū)上部熱負荷集中，形成了較強的還原性氣氛，降低了灰熔點，還原性氣氛加劇了爐膛結(jié)焦[6]。

2.5 清焦不及時，結(jié)成大焦

鍋爐積灰或結(jié)焦較多時，如發(fā)現(xiàn)或清理不及時，都會造成受熱面換熱效果變差，爐膛溫度升高，也會使受熱面變粗糙，灰渣更容易附著在受熱面上，形成惡性循環(huán)，結(jié)成大焦。該鍋爐運行中僅對四個角燃燒器周圍的焦進行定期清理，水冷壁四面墻上設(shè)置的看火孔及打焦孔未定期打焦，使大焦連成片，大焦掉落時卡在冷灰斗喉部位置搭橋，鍋爐被迫停運。

3 防治結(jié)焦采取的措施

3.1 空氣動力場試驗

在冷態(tài)試驗過程中，通過可調(diào)縮孔將一次風(fēng)速調(diào)平，相對偏差控制在5%以內(nèi)。將特性差的二次風(fēng)門進行調(diào)整，做到同開度下，同層二次風(fēng)風(fēng)速基本一致。調(diào)整三次風(fēng)擋板，使三次風(fēng)速偏差<10%。另外對存在變形或損壞的二次風(fēng)、三次風(fēng)噴口進行修復(fù)，進一步減小氣流偏斜，規(guī)范流向。通過以上手段，爐內(nèi)切圓基本位于爐膛中心，基本無偏移，貼壁風(fēng)風(fēng)速均<1 m/s。

3.2 加強熱態(tài)調(diào)整

(1)一次風(fēng)速的調(diào)整

一次風(fēng)壓由原先的1.8 kPa降至1.5 kPa，一次風(fēng)速維持19～22 m/s，縮短了著火距離，減小了一次風(fēng)的切圓，降低了煤粉直接沖刷水冷壁的風(fēng)險。另外一次風(fēng)速降低后，同氧量下，提高了二次風(fēng)量，提高了運行中主燃燒器區(qū)域的二次風(fēng)速及二次風(fēng)的剛性，火焰更加集中[1]。

(2)二次風(fēng)優(yōu)化配風(fēng)

通過對爐膛溫度測量對比及結(jié)焦情況的觀察，高負荷時當采用上上、上、中、下二次風(fēng)速為15、28、22、40 m/s的配風(fēng)方式時，爐膛溫度相對均勻，最高點<1 550 ℃，一段時間內(nèi)掉焦次數(shù)明顯減少。說明該配風(fēng)方式較適合目前的煤質(zhì)及鍋爐的運行狀況。

(3)通過燃盡風(fēng)調(diào)整燃燒偏差

切圓鍋爐煙溫偏差不完全是燃燒和換熱的問題，也是一種空氣動力現(xiàn)象[7]，控制偏差可有效的控制燃燒的均衡，進一步可影響局部的爐膛溫度。目前采取的消除切圓鍋爐偏差的手段主要是靠調(diào)整燃盡風(fēng)或燃燒器的水平擺角實現(xiàn)反切[8-9]。該鍋爐燃燒器水平擺角不能調(diào)節(jié)，但筆者在調(diào)整試驗時發(fā)現(xiàn)將甲角與丁角作為一個整體，丙角與乙角作為一個整體，進行調(diào)節(jié)爐膛左右氧量的偏差具有明顯效果。當爐左氧量低的情況下，開大甲、丁角的燃盡風(fēng)門，可以提高爐左的氧量。通過上述分開調(diào)整燃盡風(fēng)的手段，減少了左右側(cè)燃燒偏差。

(4)控制合適的爐膛氧量及燃盡風(fēng)量

熱態(tài)調(diào)整過程中，發(fā)現(xiàn)爐膛出口氧量在5%左右時，局部爐膛溫度達到了1 650 ℃，落大焦次數(shù)明顯增加，且難以擠碎，說明主燃區(qū)燃燒過于劇烈，加劇了爐膛結(jié)焦。氧量低于2.5%時，落大焦次數(shù)也會增加，且鍋爐飛灰可燃物達到了6%。經(jīng)過長時間的觀察發(fā)現(xiàn)氧量控制在3%～4%左右時，落大焦次數(shù)減少及飛灰可燃物含量<4%。另外通過燃盡風(fēng)開度控制SCR入口NOx在600 mg/m3左右，均衡主燃區(qū)與燃盡區(qū)的風(fēng)量配比。

通過熱態(tài)調(diào)整，鍋爐負荷>75%時爐膛溫度分布見表7。調(diào)整后爐膛溫度整體下降12℃，最高爐膛溫度1 560 ℃，較之前下降了70 ℃，效果明顯。

表7 調(diào)整后機組負荷>75%時爐膛溫度分布

3.3 加強入爐煤混配

根據(jù)來煤礦點、煤種的不同，分類堆放。做好煤質(zhì)分析，掌握各種煤的特性，杜絕高熱值煤種集中入爐燃燒。

3.4 加強設(shè)備管理及運行管理

(1)定期快速降負荷

鍋爐滿負荷運行超48小時后，協(xié)調(diào)調(diào)度，快速降負荷至60%，利用爐膛溫度的急劇變化，使焦快掉落，避免爐膛跨大焦。

(2)定期風(fēng)門特性試驗及風(fēng)速、風(fēng)壓校核

一、二次風(fēng)門和風(fēng)速的準確性，是保證燃燒穩(wěn)定、預(yù)防結(jié)焦的基礎(chǔ)。利用停爐機會，定期開展冷態(tài)空氣動力場、風(fēng)門特性及風(fēng)速校對試驗。靜態(tài)試驗時按要求完成DCS與就地顯示的核對，并及時反饋糾正。日常運行時，關(guān)注風(fēng)門調(diào)整對風(fēng)速及氧量的影響，出現(xiàn)異常時，就地核對，及時糾正存在問題的風(fēng)門。

(3)定期組織爐膛蒸汽吹灰

根據(jù)爐膛溫度、減溫水量及爐膛結(jié)焦積灰情況，定期組織爐膛蒸汽吹灰，保持受熱面清潔，可以有效降低爐膛溫度，防止超溫和結(jié)焦惡化。當爐膛溫度和減溫水量明顯增加時，應(yīng)適當增加吹灰頻次，再組織燃燒調(diào)優(yōu)，盡可能降低結(jié)焦對燃燒的影響。

(4)加強各看火孔的清焦工作，增設(shè)爐底打焦孔，避免盲區(qū)清焦

鍋爐結(jié)焦是一個逐漸積累的過程，加強燃燒狀況判斷，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)焦尤為重要。一旦發(fā)現(xiàn)干渣監(jiān)視局部變暗，掉灰渣量變少，打焦難度增加，出現(xiàn)大量軟焦或噴口、水冷壁區(qū)域掛焦增加，爐膛出口溫度、減溫水流量在相同負荷下明顯上升，嚴重時主蒸汽及過熱器壁溫超溫，局部或大面積火焰呈現(xiàn)白色且刺眼時，要認真全面分析，加強燃燒調(diào)整，并及時清除各看火孔的焦塊。另外在爐底擠渣門上部增設(shè)打焦孔，防范因大焦掉落后無法清除，造成冷灰斗搭橋，釀成鍋爐停運的事件。

4 結(jié)束語

針對巴陵石化410 t/h鍋爐嚴重結(jié)焦問題，在多因素綜合分析的基礎(chǔ)上，通過冷態(tài)試驗調(diào)平了一、二、三次風(fēng)，修復(fù)了燒損的二、三次風(fēng)噴口，使爐內(nèi)切圓正常，較小了貼壁風(fēng)速；熱態(tài)下降低一次風(fēng)速、控制合適的氧量及燃盡風(fēng)開度，并調(diào)整二次風(fēng)配風(fēng)，通過燃盡風(fēng)減小了左右偏差，降低了局部爐膛溫度；加強設(shè)備管理的同時，定期降負荷，開展爐膛吹灰。

采取以上手段后，近一年鍋爐運行狀態(tài)良好，結(jié)焦情況得到大大改善，打焦時間從原來每天4個小時縮短至30分鐘以內(nèi)，原先的打焦人員由8人降低至4人，節(jié)約人工成本40萬/年。未發(fā)生一起嚴重結(jié)焦導(dǎo)致的鍋爐非停事件，節(jié)約成本150萬/年。鍋爐再未發(fā)生過長期超溫現(xiàn)象，主汽溫度合格率達到99.99%以上，統(tǒng)計飛灰含碳量降低1%，節(jié)約燃煤成本40萬/年。

需要指出的是，以上手段只是適用于目前的煤種及設(shè)備特性，當煤種變化時需要制定另外一套防結(jié)焦策略。提高鍋爐的寬煤種適應(yīng)性。另外如果徹底改善鍋爐結(jié)焦狀況，只有通過降低爐膛容積熱負荷、截面熱負荷及燃燒器優(yōu)化改造等方面入手。