塔式鍋爐燃燒塔爾煤結(jié)焦渣原因分析及處理建議

山東電力建設(shè)第三工程有限公司 劉中博 柳振波

近年來，隨著巴基斯坦電力建設(shè)逐步展開，一批火電機(jī)組逐步建設(shè)投運(yùn)，其中包括330MW流化床機(jī)組、660MWΠ型爐、660MW塔式爐等。關(guān)于燃燒的煤種主要包括進(jìn)口印尼褐煤、巴基斯坦當(dāng)?shù)睾置海ㄋ柡置海?。隨著巴基斯坦國(guó)家政策的進(jìn)一步落實(shí)，燃燒當(dāng)?shù)厮柮旱囊笤絹碓絿?yán)格，各個(gè)電廠也在逐步開始燃燒當(dāng)?shù)厮柡置?，隨之也出現(xiàn)了一些問題，主要是塔爾煤結(jié)焦的問題，難以徹底解決。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)為1×660MW燃煤機(jī)組，鍋爐為超臨界參數(shù)、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、采用八角切圓燃燒方式、鍋爐房露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式鍋爐。制粉系統(tǒng)形式：三介質(zhì)風(fēng)扇磨煤機(jī)直吹式制粉系統(tǒng)；鍋爐底部設(shè)置左右對(duì)稱傾斜燃盡爐排，水冷壁區(qū)域設(shè)置水力吹灰器，其他區(qū)域設(shè)置蒸汽吹灰器。設(shè)計(jì)煤質(zhì)為褐煤，包括印尼進(jìn)口煤和巴基斯坦當(dāng)?shù)睾置海ㄋ柮旱V），目前機(jī)組已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn)行。

1 原因分析

1.1 問題說明

在機(jī)組試運(yùn)行期間，當(dāng)燃燒進(jìn)口印尼褐煤時(shí)，鍋爐能夠正常運(yùn)行且沒有任何焦渣，而在燃燒當(dāng)?shù)厮柮簳r(shí)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的爐內(nèi)結(jié)焦渣問題，結(jié)焦渣區(qū)域包括整個(gè)爐膛含燃燒器區(qū)域及冷灰斗區(qū)域，過熱器前排也發(fā)生了輕微結(jié)焦，也就是說，本項(xiàng)目鍋爐從冷灰斗至過熱器前排均存在不同程度結(jié)焦（渣），屬于典型的整個(gè)爐膛全面性結(jié)焦類型，鍋爐結(jié)焦渣問題直接影響著鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。結(jié)焦渣情況如圖1至圖2所示。當(dāng)爐內(nèi)出現(xiàn)大塊的渣不能在渣井出口處被破碎時(shí)，就會(huì)在渣井或干渣機(jī)出口碎渣機(jī)處發(fā)生堵塞，長(zhǎng)時(shí)間不能人工干預(yù)疏通堵塞的情況下，最終會(huì)導(dǎo)致停爐，給機(jī)組運(yùn)行造成極大隱患。

圖1 冷灰斗聚集大厚渣

圖2 后墻冷灰斗整體結(jié)渣

針對(duì)鍋爐出現(xiàn)的燃燒塔爾煤大面積結(jié)焦渣的問題，根據(jù)觀察到的現(xiàn)象從鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燃燒調(diào)整、設(shè)備運(yùn)行等幾個(gè)方面進(jìn)行了分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整試驗(yàn)，試圖從根本上解決塔爾煤的結(jié)焦渣問題。

1.2 冷灰斗結(jié)渣

利用停機(jī)機(jī)會(huì)對(duì)鍋爐結(jié)焦情況進(jìn)行了全面檢查，結(jié)渣情況可從上述圖中可見，圖示為爐后冷灰斗區(qū)域結(jié)渣情況，而前墻冷灰斗中間區(qū)域則結(jié)渣較少。綜合分析來看，爐內(nèi)火焰發(fā)生偏斜，且冷灰斗區(qū)域結(jié)焦渣存在相對(duì)獨(dú)立性，是造成渣井堵塞的根源。冷灰斗結(jié)焦渣的根本原因是：噴燃器與冷灰斗設(shè)計(jì)距離過小造成冷灰斗形成了高溫區(qū)域而結(jié)渣，與噴燃器區(qū)域配風(fēng)無直接因果關(guān)系。爐內(nèi)火焰切圓偏斜可通過燃燒調(diào)整來糾偏，但噴燃器與冷灰斗設(shè)計(jì)距離過小的缺陷，難以改造直接根除，只能通過其他方式減少影響[1]。

1.3 爐內(nèi)整體結(jié)渣

鍋爐從冷灰斗至過熱器前排均存在不同程度結(jié)焦渣，屬于典型的整個(gè)爐膛全面性結(jié)焦類型，整體上看，鍋爐負(fù)荷越高，結(jié)焦的高度越高，超負(fù)荷、滿負(fù)荷結(jié)焦位置已經(jīng)到了過熱器。對(duì)于爐內(nèi)整體結(jié)焦，分析主要原因在于塔爾煤種的嚴(yán)重結(jié)渣特性、爐內(nèi)整體溫度較高而導(dǎo)致。塔爾煤的結(jié)焦嚴(yán)重的特性，與國(guó)內(nèi)的新疆準(zhǔn)東煤特性極為類似，只能從設(shè)計(jì)選型、燃燒調(diào)整上來綜合考慮；爐內(nèi)整體溫度高的問題，可從燃燒調(diào)整上得到總體控制。而現(xiàn)階段，鍋爐型式無法改變，混煤燃燒業(yè)主也不同意，只能從燃燒調(diào)整上進(jìn)行最大可能的控制。通過火焰電視觀察到的爐內(nèi)結(jié)焦渣情況，如圖3所示。可以看到爐后冷灰斗結(jié)焦渣較多，火焰電視處因空氣泄漏冷卻，結(jié)焦渣也較多[2]。

圖3 爐內(nèi)結(jié)渣情況

1.4 鍋爐降負(fù)荷期間結(jié)渣掉落數(shù)量多

由于機(jī)組調(diào)整運(yùn)行期間在當(dāng)?shù)氐亩?，電廠的負(fù)荷情況基本上是白天、前半夜?jié)M負(fù)荷，后半夜50%負(fù)荷，夜間減負(fù)荷幅度大、速度快，短時(shí)間落渣量極大，大多數(shù)時(shí)間內(nèi)排渣順利，少數(shù)時(shí)間在渣井格柵板上方積累一些較大焦塊，需要利用擠壓頭破碎。即使渣塊順利通過了渣井格柵板（孔尺寸為270mm×281mm），但是如果焦塊尺寸較大且硬的話，碎渣機(jī)無法快速完成破碎處理，導(dǎo)致碎渣機(jī)電機(jī)與負(fù)載銷軸斷裂，就只能利用除渣系統(tǒng)旁路就地排渣。分析原因主要在于爐內(nèi)結(jié)渣量大，吹灰器不能全部清除，結(jié)渣均附著在受熱面上，當(dāng)負(fù)荷降低，受熱面溫度降低發(fā)生收縮變形，結(jié)渣便直接脫落，整個(gè)受熱面同時(shí)變形，則造成落渣量大的問題。爐內(nèi)局部溫度高則會(huì)造成結(jié)渣熔融，較大渣塊冷卻后變硬，碎渣機(jī)無法破碎，導(dǎo)致干渣機(jī)旁路開啟就地排渣，如圖4所示。

圖4 硬塊堵塞后就地排渣

1.5 吹灰器吹掃覆蓋面不到位

機(jī)組運(yùn)行及檢查過程中，發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)部分受熱面產(chǎn)生的結(jié)渣不能全部被水力吹灰器吹掃，部分位置運(yùn)行中會(huì)造成大渣塊產(chǎn)生，直至自行脫落，存在大渣塊堵塞渣井的風(fēng)險(xiǎn)。該問題主要存在在設(shè)備調(diào)試階段，需要注意水力吹灰器吹掃曲線與實(shí)際爐內(nèi)的一一對(duì)應(yīng)情況[3]。

1.6 煤質(zhì)的影響

總體上，在整個(gè)塔爾煤燃燒調(diào)整試驗(yàn)期間，業(yè)主按照接近PC煤質(zhì)進(jìn)行了塔爾煤采購(gòu)，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)煤質(zhì)化驗(yàn)，煤質(zhì)在工業(yè)分析、元素分析、灰分分析、熱值等均偏離PC煤質(zhì)，按照外方的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，塔爾煤屬于嚴(yán)重結(jié)渣、嚴(yán)重沾污的煤種，需要重點(diǎn)考慮結(jié)渣和沾污的應(yīng)對(duì)措施。從外方的設(shè)計(jì)上來看除了吹力吹灰器的設(shè)計(jì)之外，對(duì)避免塔爾煤嚴(yán)重結(jié)渣和沾污的特性沒有作詳細(xì)的說明。

在灰熔點(diǎn)溫度上不同批次煤質(zhì)差別較大，有的煤質(zhì)DT為1120℃，而有的DT為1340℃，差異較大，部分煤質(zhì)ST（1140℃）與DT（1130℃）之間非常接近，這對(duì)于鍋爐燃燒調(diào)整來說非常不利，在煤質(zhì)灰熔點(diǎn)溫度不知情的情況下，很容易造成鍋爐結(jié)渣。

1.7 燃燒過程風(fēng)粉控制措施不足

外方鍋爐二次風(fēng)不設(shè)計(jì)調(diào)門、磨煤機(jī)出口上下粉管不設(shè)計(jì)風(fēng)速測(cè)量裝置，減弱了的配風(fēng)調(diào)整的靈活性，增加了燃燒調(diào)整的難度。

1.8 燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)選取不當(dāng)

外方鍋爐燃燒器區(qū)壁面熱負(fù)荷設(shè)計(jì)取值為2.297MW/m2，按照國(guó)內(nèi)規(guī)范褐煤范圍為1.0～1.3MW/m2，明顯外方燃燒器取值過大。如此燃燒器設(shè)計(jì)，即使對(duì)于高灰熔點(diǎn)煤質(zhì)（DT1340℃）也難以避免燃燒器區(qū)域結(jié)焦（渣）。由于燃燒器屬于外方的典型設(shè)計(jì)，對(duì)于塔爾煤種的具體適應(yīng)性，設(shè)備選型期間沒有進(jìn)行相關(guān)的燃燒試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1.9 灰斗保溫澆注料的設(shè)計(jì)容易造成結(jié)渣聚集

鍋爐冷灰斗在四個(gè)角部設(shè)計(jì)的保溫澆注料區(qū)域不一致，1、2號(hào)角與5、6號(hào)角一致，澆注料面積較大，容易形成結(jié)渣堆積。存在問題的是：對(duì)于以上涉及外方鍋爐存在的問題，在調(diào)試過程中均與外方進(jìn)行溝通，外方答復(fù)這屬于外方褐煤鍋爐的典型經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，不予調(diào)整和變更。

2 處理方案

由于本項(xiàng)目涉及外方的鍋爐設(shè)計(jì)以及業(yè)主的合同關(guān)閉問題，尤其是塔爾煤的結(jié)渣嚴(yán)重的特性，只能從盡快關(guān)閉合同的角度來考慮相關(guān)燃燒調(diào)整措施。

2.1 針對(duì)冷灰斗區(qū)域的結(jié)焦

一是減少下層粉管粉量，減少高溫火焰對(duì)冷灰斗的影響；二是增加下層二次風(fēng)量，增強(qiáng)對(duì)冷灰斗的冷卻；三是降低磨轉(zhuǎn)速，防止火焰氣流在中心形成的激烈碰撞下竄；四是優(yōu)化冷灰斗區(qū)域水吹曲線，消除未覆蓋區(qū)域。

2.2 針對(duì)爐內(nèi)整體結(jié)焦渣問題

上述采取的措施降低了冷灰斗區(qū)域的溫度，但理論上也提高了上部區(qū)域的燃燒份額，需要綜合考慮，上、下兼顧，采取的主要措施如下：考慮冷灰斗區(qū)域已經(jīng)安全，對(duì)相應(yīng)執(zhí)行的措施進(jìn)行回調(diào)，適當(dāng)降低爐膛上部區(qū)域的燃燒份額，冷灰斗溫度可能小幅度增加，尋找上、下能量分布的平衡；增加冷煙風(fēng)量，提高對(duì)流換熱比例，降低輻射換熱比重，整體上降低爐膛上部區(qū)域溫度；對(duì)上部區(qū)域的水吹曲線進(jìn)行全面優(yōu)化，更換更合適的槍頭，根據(jù)負(fù)荷分布制定科學(xué)的水吹范圍，全面吹灰改為“精準(zhǔn)吹灰”。

2.3 針對(duì)鍋爐降負(fù)荷期間結(jié)渣掉落數(shù)量多的問題

針對(duì)塔爾煤的結(jié)渣煤種，在燃燒調(diào)整完成后，結(jié)渣數(shù)量也是一定的，在吹灰器正常吹掃的基礎(chǔ)上，受熱面上殘留的焦渣基本會(huì)達(dá)到平衡。當(dāng)突然出現(xiàn)負(fù)荷降低，受熱面發(fā)生較大的收縮變形，勢(shì)必會(huì)造成結(jié)渣大量脫落，這個(gè)現(xiàn)象從根本上無法避免，在除渣設(shè)備不能提前考慮增大選型的基礎(chǔ)下，只能加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)控，避免大量落渣堵塞排渣系統(tǒng)。如果發(fā)生大塊渣堵塞渣井，則采取手動(dòng)捅碎的方式處理。

2.4 針對(duì)煤質(zhì)的影響

塔爾煤結(jié)渣的特性是無法改變的，在鍋爐選型已經(jīng)無法更改的基礎(chǔ)上，燃燒調(diào)整也無實(shí)際效果的情況下，建議業(yè)主盡量按照接近PC煤質(zhì)進(jìn)行塔爾煤采購(gòu)，盡量改善煤質(zhì)，減少結(jié)渣的形成。尤其要注意堿金屬含量的控制，按照國(guó)內(nèi)新疆準(zhǔn)東煤質(zhì)的燃燒經(jīng)驗(yàn)，氧化鈉等堿金屬含量越多，對(duì)受熱面的沾污越厲害，鍋爐的性能也就越難以保證。在煤質(zhì)灰熔點(diǎn)溫度上也應(yīng)盡量提高，以免爐在煤質(zhì)灰熔點(diǎn)溫度不知情的情況下，爐膛超溫很容易造成鍋爐結(jié)渣。

2.5 吹灰器吹掃覆蓋面不到位

機(jī)組運(yùn)行及檢查過程中，特別關(guān)注水力吹灰的供水壓力，避免壓力不足導(dǎo)致吹掃效果不好。當(dāng)更換水槍噴嘴管徑時(shí)，應(yīng)同時(shí)調(diào)整水力吹灰器的吹掃曲線，確保整個(gè)受熱面能夠被覆蓋到。

2.6 關(guān)于鍋爐本體的設(shè)計(jì)缺陷

諸如爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理問題、燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)選取不當(dāng)問題、灰斗保溫澆注料的設(shè)計(jì)容易造成結(jié)渣聚集問題，現(xiàn)階段都無法從根本上解決，只能從燃燒調(diào)整，爐膛溫度控制，爐內(nèi)結(jié)渣監(jiān)視等方面來降低結(jié)渣的風(fēng)險(xiǎn)，避免造成大渣塊堵塞渣井和碎渣機(jī)。

2.7 關(guān)于燃燒過程風(fēng)粉控制措施不足的問題

原鍋爐二次風(fēng)不設(shè)計(jì)調(diào)門、磨煤機(jī)出口上下粉管不設(shè)計(jì)風(fēng)速測(cè)量裝置，減弱了的配風(fēng)調(diào)整的靈活性，增加了燃燒調(diào)整的難度。在實(shí)際燃燒調(diào)整的過程中，首先要確保一定期間內(nèi)煤種的變化較少，然后依據(jù)實(shí)際調(diào)整效果確定二次風(fēng)門的開度比例，然后維持不變。當(dāng)煤種發(fā)生變化時(shí)，務(wù)必也做相應(yīng)調(diào)整。

3 建議

本項(xiàng)目鍋爐設(shè)置了爐底燃盡爐排，但在實(shí)際運(yùn)行中爐排的燃盡效果不明顯，爐排上基本無灰渣累積，導(dǎo)致該處的爐排風(fēng)無法發(fā)揮作用，建議后續(xù)類似鍋爐選型取消燃盡爐排的設(shè)計(jì)；關(guān)于燃燒器二次風(fēng)門的設(shè)計(jì)，后續(xù)類似項(xiàng)目務(wù)必要增加二次風(fēng)調(diào)門的設(shè)計(jì)，否則，整個(gè)燃燒器就不能進(jìn)行燃燒微調(diào)。當(dāng)然，這與燃燒器的整體設(shè)計(jì)與調(diào)節(jié)原則有關(guān)系，在煤種無法確保一定不變的情況下，還是應(yīng)保證燃燒器的可調(diào)節(jié)性。自動(dòng)化的單一設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)任何電廠的煤種變化。

關(guān)于煤質(zhì)對(duì)應(yīng)的鍋爐選型問題，首先要確保煤質(zhì)的一致性，兩種煤質(zhì)的結(jié)渣特性要確保一致，否則就無法在燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、爐膛設(shè)計(jì)、煙風(fēng)配置上確保有效性；在煤質(zhì)的選擇上，盡量避免100%燃燒結(jié)渣煤種，結(jié)渣嚴(yán)重的煤種對(duì)受熱面的腐蝕是無法預(yù)測(cè)的，增加的水力吹灰器對(duì)受熱面的壽命影響到目前還沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，建議盡量采用摻煤等措施，降低煤種的結(jié)渣特性；在結(jié)渣特性嚴(yán)重的爐型中，關(guān)于除渣形式（濕式與干式除渣）的選擇建議充分考慮，選擇干式除渣，則對(duì)碎渣機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)，避免因破碎不了而頻繁開啟排渣旁路，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)輸渣困難。