锅炉防治结焦改造及新技术应用.doc

对以煤做为燃料的电厂锅炉而言，结焦问题时有发生并且处理起来十分棘手。从理论上对锅炉结焦的机理进行分析、探讨，掌握锅炉结焦的规律，并采取合理的技术措施和管理措施来防治结焦，就具有长期的、现实的意义，而不断发展的锅炉防治结焦技术也为安全稳定运行提供了坚实保障。中州分公司热电厂4、5#锅炉投运后，炉膛结焦现象十分突出，严重影响到锅炉运行的安全性、经济性，甚至造成锅炉被迫停炉清焦，为此进行了锅炉防治结焦技术改造。1 锅炉概况中州分公司热电厂4、5#锅炉同为NG-220/9.8M22型高温高压锅炉，单汽包、自然循环、集中下降管、型露天布置，抗七级地震设计。锅炉前部为炉膛，四周布满膜式水冷壁，炉膛出口处布置屏式过热器，水平烟道内装设高低温两级过热器，尾部竖井交错布置两级省煤器和两级空气预热器，水平烟道和转向室均为膜式壁顶棚管包墙管。设计煤种为无烟煤，采用球磨机，中间粉仓，热风送粉的制粉系统。煤质特性见下表1。表1 锅炉设计煤质项目符号单位数 值碳Car%64.925氢Har%2.15氧Oar%2.38氮Nar%0.75硫St,ar%0.445全水分Mt%6.35挥发份Vdaf%8.58灰份Aar%23低值发热量Qnet,arKJ/kg23210（5545kcal/ kg）可磨系数KBTNkm1变形温度Dt1420软化温度St1490熔化温度Ft1500锅炉采用撞击块式水平浓淡燃烧器，一次风口还装有可拆的水平式钝体，四角布置，切向燃烧，假想切圆为700mm。一、二次风正切（逆时针），三次风反切（顺时针）。喷口布置形式从下至上为2-1-1-2-2-3。一、二、三次风设计数据见表2。表2 燃烧器设计风速风温名称份额(%)风速（m/sec）风温()一次风2221282.5二次风53.950371三次风20.150110锅炉启动、稳燃用0#轻柴油，采用高能点火枪，点火油枪为简单机械雾化油喷嘴结构。油枪布置在每组燃烧器的下二次风口中。此外，为稳定燃烧，在水冷壁面上敷设了96m2的卫燃带，卫燃带比例为0.117。2 结焦问题4、5#锅炉投入生产后，炉膛结焦现象十分突出，表现为：（1）喷燃器喷口处严重结焦，影响煤粉正常着火燃烧，造成火焰气流偏离正常轨迹。（2）卫燃带上普遍粘结大块焦渣，有的甚至厚达1m以上，炉内空气动力场遭到破坏。（3）喷口与卫燃带的焦渣向下延伸，以及大块焦渣的重力脱落，造成冷灰斗积渣严重，排渣不畅。严重的结焦威胁到了锅炉的正常生产，如水冷壁被焦块砸伤，冷灰斗堵塞，锅炉燃烧不稳，油耗升高，排烟温度与飞灰可燃物指标恶化等等，平均运行一个月就要被迫停炉清理一次。运行人员日常打焦还要冒着安全风险。进行锅炉防治结焦改造成为当务之急。3 结焦分析3.1 锅炉结焦机理炉内结焦是一个很复杂的物理化学过程，涉及煤的燃烧、炉内传热、煤的潜在结焦倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附过程等等。焦的生成通常有3个过程：一是煤灰燃烧中的形态变化过程，煤粉在很高的温升速度下，灰份的蒸发、分解、氧化、挥发以至于熔融形成结晶体几乎同时进行。二是灰粒向水冷壁的输送过程，按照颗粒度大小，分别主要依靠气相扩散、热迁移以及惯性迁移进行输送。三是灰渣在管壁上粘接和凝聚的过程，先后形成初始沉积层和梳状沉积物（第二层灰），并由此开始结焦。围绕焦的生成过程，以下方面诱因发挥了主要作用：（1）煤的潜在结焦性。煤灰的成分与熔化特征温度和烟温特性间存在着统计关联。硫酸盐和氧化铁含量高时灰粒特别容易熔化，碱性矿物质多的灰也容易形成易熔的共晶体。（2）锅炉设计不当。主要指炉膛热负荷（包括炉膛容积热负荷和断面热负荷）、煤粉在炉膛内逗留的时间、燃烧器结构形式、辅机配备以及受热面的布置、卫燃带的敷设等。卫燃带由于表面温度很高，又很粗糙，更容易为惯性粒子所粘附而结焦。（3）空气动力场不良。一次风门与二次风门调节不当，四角风速分配不均，造成煤在炉内燃烧不良、烟气温度不均匀。烟温高、空气少的地方容易结焦。气流紊乱也使得熔融的灰渣容易贴壁。（4）燃烧过程中空气供应量不足。同一煤种的灰渣,在弱还原性中,其灰熔点最低,在氧化性中则较高。已有研究表明，较大的还原性气氛可使灰的软化温度降低150以上。这时炉膛温度即使不高,也可能产生结焦。（5）安装或检修质量不好。如炉膛切圆未达到设计要求，未进行燃烧调整试验，吹灰器故障欠修，等。（6）煤粉细度和粒度分布对锅炉结渣有一定影响。煤粉过细、过粗均可能引起结渣。（7）锅炉高负荷连续运行。此时炉膛热负荷增加，温度升高，熔融的灰粒更多，结焦的可能性进一步增大。（8）煤质发热量过高或过低。发热量过低反映了煤中灰份含量高，为结焦提供了材料。发热量过高则会使炉膛温度及出口烟温骤升，造成灰的熔融软化，诱发结焦。3.2 4、5#锅炉结焦要因根据4、5#锅炉实际运行情况，分析造成结焦的主要原因有：（1）卫燃带敷设不合理。在燃烧器出口处的向火面和背火面，一、二、三次风的卷吸很强，且卷吸气流流动比较混乱，是容易产生结渣的部位。根据现场实际情况四角不适宜再敷设卫燃带。此外，炉膛卫燃带是整块布置，也为结大焦提供了条件。（2）燃烧器一次风喷口设计不合理。原锅炉在燃烧器设计中，为了增加稳燃效果，稳燃器角度和尺寸取得较大，同时喷口外壳尺寸较短，使得一次风气流在离开喷口后，没有形成封闭回流区，煤粉气流进炉膛的刚性也被减弱，结果在喷口两侧很容易产生结焦。结焦后，喷口出口气流流动方向发生变化，导致炉内空气动力场被破坏，进一步加剧了卫燃带上的结焦。卫燃带上大面积结焦后，炉内温度水平升高，又促使炉内结焦加剧。这种具有正反馈性质的结焦，使得结焦情况越来越严重。（3）煤质的结焦性。4、5#锅炉所用煤主要是山西晋城无烟煤和河南焦作方庄无烟煤，其中的化学成分有诱发结焦的可能，特别是灰份含量超标时。根据资料1进行的煤灰成份对锅炉受热面结焦程度的预测分析表明，目前锅炉使用的无烟煤在硅比G、硅/铝比、碱/酸比（B/A）、结渣温度tjz等几项指标中属于不易焦焦的范畴，但铁钙比（0.97-1.28）、沾污指数Rf（2.77-4.29）属于严重结焦的区域，在炉内容易结焦。此外方庄无烟煤水份含量偏高，水分增加使得三次风量加大，三次风速提高，影响炉内空气动力场；并使得二次风进一步减少，燃烧器下部形成还原性气氛，加速结焦。4 主要改造措施防治结焦是一个综合工程，那些引起结焦的因素都应得到有效控制。根据结焦成因分析，主要改造措施围绕改进燃烧器设计、优化卫燃带布置进行。4、5#锅炉先后进行了下表3所列的技术改造。表3 4、5#锅炉防治结焦改造主要技术措施改造技术要点防治结焦作用4#锅炉1）钝体高度由180mm降低至160mm，钝体角度从30降低为20，加大一次风喷嘴导流段。基本形成封闭回流区，解决引起锅炉结焦的气流紊乱问题。2）增加二级浓淡煤粉分离器。提高煤粉浓缩比，增加低负荷燃烧效果。3）一次风喷口加装侧二次风。高负荷运行时，在靠近水冷壁区域形成较强的氧化性气氛，并防止气流刷墙结焦。4）打掉炉中心2m，四角向火侧和背火侧各0.5m的卫燃带。（共打掉28m2的卫燃带。）避免喷口附近结焦，同时防止水冷壁结大焦。5#锅炉1）改用百叶窗水平浓淡燃烧器。综合性能较好。2）在一次口浓侧增加钝体。进一步提高着火稳定性。3）在两一次风之间增加一狭窄可调的二次风。提高煤种的适应性。4）一次风喷口加装侧二次风。在靠近水冷壁区域形成较强的氧化性气氛，并防止气流刷墙结焦。5）燃烧切园由700m减小到513mm。强化燃烧，减小煤灰颗粒向水冷壁的惯性迁移。6）打掉四角向火侧和背火侧各0.5m卫燃带， 以及炉膛上部标高13.8米至15米范围内的卫燃带。（共打掉约32m2的卫燃带。）避免喷口附近结焦，同时防止水冷壁结大焦。卫燃带的改造部位见下图1。图1 卫燃带改造示意图改造之外配合采取了其它技术管理措施，如停止劣质无烟煤的使用，及时发现和清除喷口及水冷壁上的结焦，提高给水温度，调整煤粉细度，增加吹灰次数，优化配风，加强锅炉密封性检查，等等。5 改造效果及不足改造之后的4#、5#锅炉结焦情况明显好转，没有结大焦现象，没有因结大焦而导致计划外停炉。从效益上看，锅炉的连续运行确保了向氧化铝的稳定供汽，确保了汽轮机多创发电效益，减少了运行人员打焦工作量，并减少了启停炉消耗与清焦检修费用。仅节油一项，每次启停炉需要消耗约20吨轻柴油，价值20吨5000元/吨=100000元。这意味着两台炉每月可节省燃油费用20万元。两台炉改造后也有一些不足，如运行中落焦较为频繁。4#锅炉还暴露出了稳燃问题，燃烧工况对挥发份的变化和落焦的扰动极为敏感，运行最低负荷只能保证180t/h。分析认为是喷口处卫燃带被打掉造成煤粉着火温度不足，炉墙中心2m卫燃带被打掉造成炉膛温度水平低所致。最后被迫掺烧一部分烟煤来解决问题。这表明改造时对于着火稳燃的考虑不周。5#锅炉则表现为在调平四角的风速后，炉膛两侧出口烟温偏差较大，超过100；同样煤质下，5#锅炉飞灰可燃物、排烟温度相比4#锅炉偏高，煤耗也偏高。这反映了改造设计的百叶窗水平浓淡燃烧器气流的刚性较强，在炉膛出口有残余旋转。火焰长、后期煤粉和空气混合不好，是浓淡分离燃烧技术应用于低挥发份煤时的弊端。6 防治结焦的新技术4、5#锅炉防治结焦改造取得了实效，结焦不再成为阻碍生产的关键性问题，但在煤质恶化、持续高负荷运行的情况下，对结焦问题仍不可掉以轻心。可采取如下新技术进行进一步结焦防治。6.1 煤中添加除焦剂除焦剂通过化学的方法有效提高煤的灰熔点，破坏煤灰的粘结性，改变焦渣的物理状态与化学反应，使焦渣变酥软易粉化，从而达到减少或防止锅炉结焦的目的。除焦剂有多种添加方法。有的将溶解于水中的除焦剂连续均匀微量地加入给煤机内的入炉煤上，有的采用加药器直接喷入炉膛高温区或焦块上。目前热电厂4、5#锅炉采取了煤中添加除焦剂的方法，并取得了较好的效果。6.2 卫燃带使用隔热涂料用耐火材料和钩钉敷设的卫燃带是确保锅炉稳燃的重要手段，但经常又是生成大片焦渣的策源地。避免结焦与确保稳燃看似矛盾。一种新的卫燃带敷设技术是水冷壁耐高温隔热涂料的使用。这是一种能耐1800度高温、并阻止水冷壁辐射吸热的涂料，能有效减少涂层下受热面的吸热，从而起到卫燃带的作用。由于喷涂上去后陶瓷化的涂层表面坚硬光滑，不容易粘贴挂焦，克服了以往卫燃带存在的挂焦问题。6.3 水、汽联合吹灰吹灰是防止积灰结焦加剧的常用方法，炉膛一般也都设计有蒸汽吹灰器。但对于硬焦，用蒸汽往往吹不掉，而采用水力吹灰就很有效。水力除焦是用较高压力的水（最高可达1.5Mpa）射向焦体，由于焦块温度很高，遇水急冷而破碎，从水冷壁或卫燃带上掉下来。根据有些电厂的经验，联合使用水、汽吹灰效果更佳，即用水吹灰后接着再用蒸汽吹灰。6.4 受热面结焦预测做好受热面结焦预测也是防治手段之一。一种切实可