1000MW超超临界直流锅炉结焦、结渣的分析与预防.doc

1000MW超超临界直流锅炉结焦、结渣的分析及预防杨志勇华电邹县发电有限公司，山东省邹城市唐村镇 邮编273522摘要：在市场煤、计划电的现况下，锅炉燃用设计煤种的困难较大，锅炉出现结焦不可避免。锅炉结渣即锅炉结焦，是指灰渣在高温下熔化后粘结在炉墙、受热面、炉排上的现象。由于硬件(设备、系统、煤质等)缺陷和软件（人为运行调整）因素，煤粉锅炉在运行过程中的结焦是客观存在、不可避免的。这一方面是由于锅炉结焦的客观规律性所决定的，在另一方面还受现阶段燃煤情况影响。解决结焦、积渣问题，成为了摆在我们面前的重要问题。关键词：1000MW；锅炉；结焦；结渣6在市场煤、计划电的现况下，锅炉燃用设计煤种的困难较大，锅炉出现结焦不可避免。锅炉结渣即锅炉结焦，是指灰渣在高温下熔化后粘结在炉墙、受热面、炉排上的现象。由于硬件(设备、系统、煤质等)缺陷和软件（人为运行调整）因素，煤粉锅炉在运行过程中的结焦是客观存在、不可避免的。这一方面是由于锅炉结焦的客观规律性所决定的，在另一方面还受现阶段燃煤情况影响。华电邹县发电有限公司（以下简称邹县公司）21000MW机组锅炉减负荷期间，多次出现炉内掉大焦、大渣现象，造成捞渣机放渣门鼓开、多处多次漏水；因受大焦冲击，致使炉底水封破坏。解决结焦、积渣问题，成为了摆在我们面前的重要问题。1 锅炉结焦的危害锅炉结焦不但增加了锅炉受热面的传热阻力，使受热面传热恶化、煤耗增加、降低锅炉的热经济性，还可能造成烟气通道的堵塞，影响了锅炉的安全运行，严重时会发生设备损坏、人身伤害事故。所以说锅炉结焦对锅炉的安全、经济运行及可靠性有很大的影响。1.1结焦、结渣的危害会引起过热汽温升高，并导致过热汽温、再热汽温减温水开大，甚至会导致受热面超温爆破；结焦会使锅炉出力降低，严重时造成被迫停炉；结焦会缩短锅炉设备的使用寿命；排烟损失增大，锅炉效率降低；引风机消耗电量增加；由于结焦往往是不均匀的，因而水冷壁结渣会对直流锅炉水冷壁的热偏差带来不利影响。1.2 结焦、结渣易成灰渣大块，严重时使捞渣机工作不正常或渣沟受堵，不得不降负荷运行。1.3 结焦、结渣若熔合成大块时，因重力从上部落下，导致砸坏冷灰斗水冷壁。低负荷会因掉大块焦而引起燃烧不稳甚至熄火。1.4 若造成水冷壁全部结焦时，只有停炉进行人工清焦。今年上半年我厂#3炉就出现一次因大面积落焦致使冷灰斗堵塞，引起锅炉灰渣爬至12m，而被迫停炉处理。1.5 锅炉的大焦块、渣块掉下后，瞬间造成炉底水封破坏，使炉底漏入大量冷风，火焰中心上移，炉膛出口烟温、排烟温度、受热面壁温、汽温大幅波动并上升，甚至造成燃烧器区域（尤其是下排燃烧器区域）煤粉火焰着火状况的严重恶化，使炉膛负压产生剧烈波动（超限）而引起锅炉灭火。1.6 降低锅炉效率。（1）锅炉受热面结焦时，减少了工质的吸热量，使排烟温度升高，造成排烟热损失增大。（2）炉膛内结焦会造成炉内空气动力场不均；燃烧器喷口及其附近结焦,会影响到煤粉射流及改变炉内燃烧空气动力工况，直接影响风粉的混合和燃烧；这些会造成化学和机械不完全燃烧损失的增加。2 锅炉结焦的过程、形式和原因锅炉结焦是个很复杂的物理化学过程，它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复杂过程。2.1 锅炉结焦的基本形式炉膛结焦可产生于水冷壁，也可产生于炉膛出口处的屏过上。运行中的煤粉锅炉，燃烧火焰中心温度在2000以上。从邹县公司2*1000MW锅炉设计来看：在额定工况下，屏式过热器进/出口烟温为1360/1129，设计/校核煤种的灰熔化温度T3为1410/1350，灰软化温度T2为1350/1290，灰变形温度T1为1270/1200。屏过以后烟温降至灰变形温度T1以下，无结焦危险。并且燃烧中心的灰粒在接近水冷壁或屏过时已经固化，不会粘附在受热面上形成焦。但如果锅炉在设计安装及调试过程中出现偏差，或者运行操作不当，使燃烧中心偏斜，灰粒冲墙，以及超负荷运行等，则会使炉温及水冷壁附近的烟温过高，在此过高的烟温下，熔灰不能凝固，碰到受热面上就会粘结成渣（俗称结焦）。发生结焦后，焦层表面粗糙，粘附力大，加之因传热受阻，而使炉温升高，加速了结焦过程的发展和蔓延。尤其大容量机组，炉膛燃烧区域的冷却能力相对降低，对于稳定燃烧有利，但却增加了促进结渣的因素。2.2 煤灰在燃烧过程中形态变化煤中的灰是指存在于煤中的所有的无机物质,同时也包括存在于煤中有机化合物中的无机元素。煤粉燃烧时，在高温受热面上形成污染和结渣的基本过程可分为两个阶段。开始在管子上形成一层疏松灰，但是随着其厚度的增加，其外表面温度不断升高，逐渐接近于当地的烟气温度，若此烟气温度高到使灰处于熔化状态，则在第一层灰上面形成增长速度很快的梳状沉积物，也就开始了结渣。2.3 灰粒向水冷壁的输运过程灰颗粒向水冷壁面输运是结渣的重要环节。灰颗粒的输运机理主要有三类：第一类为尺寸小于1颗粒和气相灰分的气相扩散。二类为小于10的颗粒,由于炉内温度梯度的存在而使小粒子从高温区向低温区运动，造成灰分沉积。三类为大于10的灰粒,当含灰气流转向时,具有较大惯性动量的灰粒离开气流而撞击到水冷壁面而形成结焦。2.4 灰渣在管壁上的粘接和聚积长大在水冷壁壁面的灰层处于熔化状态或者炉内飞灰在迁移到水冷壁面时本身处于熔化状态时,水冷壁发生结渣，又因结焦使温度进一步升高而加剧结焦的进程，形成恶性循环。结焦是锅炉运行中比较普遍的问题，一般情况下，随着烟气一起运动的灰渣颗粒，由于炉膛水冷壁受热面的吸热而同烟气一起被冷却，如果液态的渣粒在接近水冷壁或炉墙前，已经因为温度降低而凝固，当附着在受热面管壁上时，将形成一层疏松的灰层，运行中通过吹灰很容易除掉。当炉膛内温度较高时，一部分灰颗粒已经达到熔融或半熔融状态，若这部分灰颗粒在达到受热面前未得到足够冷却达到凝固状态，具有较高的粘结能力，就容易粘附在受烟气冲刷受热面或炉墙上，甚至达到熔化状态，粘附熔融或半熔融状态的灰颗粒和未燃尽的焦炭使结焦不断发展。在燃烧过程中，煤粉颗粒中所含的易熔或易气化的物质迅速挥发，成气态进入烟气中，当温度降低时凝结，或者粘附在烟气冲刷的受热面或炉墙上。或者凝结在飞灰颗粒表面，成为熔融的碱化膜，然后粘附在受热面上形成初始结焦层，成为结焦发展的条件。在分析了结焦、结渣的过程、形式后，进一步分析影响结焦的主要因素，为解决锅炉结焦提供依据。2.5 影响结焦的主要因素2.5.1 煤质特性。燃用煤种的煤质对电厂锅炉的结焦有着根本的影响，结焦的内因受灰质的组成成分和熔化温度影响。在影响结焦的因素中，煤质特性起这主要的作用。煤粉在燃烧时，其灰份熔融特性中软化温度T2 的高低是评价煤灰是否容易结焦的主要指标。飞灰的成分决定着其熔点，当煤粉中碱性氧化物含量大时，灰熔点低，容易结焦；当煤粉中氧化硅，氧化铝含量大时，灰熔点高，就不容易结焦。从现在燃煤煤质来看，煤的灰份远远高于设计、校核煤种，是造成锅炉结渣的主要原因。2.5.2 钢球质量不合格。因为钢球质量不合格，使得大量铁屑混入煤粉中，从而增加了煤粉中的碱性氧化物含量，碱金属氧化物是组成低熔点共熔体的重要成分。近期由于煤质较差，可磨性系数降低，使磨煤机钢球消耗量增加，使进入炉膛的铁屑量增加。2.5.3 炉膛内温度。燃烧器区域的温度越高，飞灰就越容易达到软化状态或熔融状态，产生结焦的可能性就越大，另外煤粉中易挥发的物质气化也越强烈，也为结焦创造了条件。我厂四期锅炉设计上低Nox燃烧，燃烧器区域为低氧燃烧，二次风量较低，这就使得燃烧器区域壁面热负荷增高，在燃烧低熔点煤粉的时候就很容易结焦。2.5.4 风煤配比不当。煤粉在炉膛中燃烧，需要足够的风量，如果风量不足，炉内生成较多的还原性气体，将使灰熔点降低，引起或加剧结焦、积渣。低负荷运行时不存在氧量偏低、风量不足的问题。而在高负荷运行时，如果采用大风量运行，势必要提高二次风压力，反而会使结焦、积渣加剧。同时，风量太大，送、吸风机动叶开度和电机电流太大，存在着风机喘振的危险；如果风量太低，氧量偏低，一方面容易因造成缺氧，使还原性气氛增强，灰熔点降低，引起结焦、积渣；另一方面，锅炉燃烧不充分，炉膛内冒黑烟，使飞灰含碳量增加。2.5.5 空气动力场特性影响。由于火嘴安装角度不正、配风的不合理及炉冷态试验误差等导致炉内空气动力工况不良而造成火焰中心偏离，使高温烟气冲刷水冷壁面，熔渣在未凝固前接触壁面而结焦。2.5.6 煤粉浓度与细度的影响。浓度高的煤粉，增加燃烧器出口处热负荷，如果靠近炉墙，就会在炉墙附近形成还原性气氛，易引起在炉墙上结焦；粗煤粒从燃烧器出来后，容易脱离主流，导致燃烧的粉粒和灰粒撞击水冷壁管，形成结焦。煤粉细度对燃烧有很大影响，煤粉细，使着火点提前，易在喷口处结焦；煤粉粗，着火推迟，火焰中心上移，炉膛出口温度提高，易在炉膛出口处结焦。2.5.7 锅炉设计。邹县公司21000MW机组锅炉燃烧设备系统为前后墙布置，采用对冲燃烧、旋流式燃烧器系统，风、粉气流从投运的煤粉燃烧器、燃尽风喷进炉膛后，各只燃烧器在炉膛内形成一个独立的火焰。前、后墙各布置3层HTNR3燃烧器，每层8只；同时在前、后墙各布置一层燃尽风喷口，其中每层2只侧燃尽风（SAP）喷口，8只燃尽风（AAP）喷口。为了提高燃烧器的低负荷稳燃、防止结渣及降低Nox排放，采用了煤粉浓缩器、火焰稳焰环及稳焰齿。燃烧器层间距为5.8198m，燃烧器列间距为3.683m，上层燃烧器中心线距屏底距离约为22.3m，下层燃烧器中心线距冷灰斗拐点距离约为3.381m。最外侧燃烧器中心线与侧墙距离为4.0962m，燃尽风距最上层燃烧器中心线距离为7.1501m。燃烧器配风分为一次风、内二次风和外二次风，分别通过一次风管，燃烧器内同心的内二次风、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段分别送入炉膛。其中内二次风为直流，外二次风为旋流。从设计上燃尽风口至最上层燃烧器中心线距离的7.1501m范围的水冷壁结焦的可能性非常大。2.5.8 一次风压力和磨煤机出口温度的影响。在同样煤种条件下，一次风压力越低，磨煤机出口温度越高，着火点离燃烧器喷口越近，越容易使燃烧器喷口周围温度升高，燃烧器喷口周围越容易结焦、积渣。总结影响结渣的基本因素有三个：炉内的空气动力场，煤粉或灰的粒度和重度，这影响到烟气和灰粒在炉内的流动。灰粒从烟气中分离出来与壁面的碰撞，既与煤粉细度，也与煤灰的选择性沉积相关的。由煤的燃烧特性、锅炉负荷及炉内空气动力场所构成的炉内温度场以及煤灰的熔融特性，这影响到与壁面撞磋的灰粒是否呈熔融状态具有黏结的能力，这也与受热面的热负荷，受热面的清洁程度相联系的。3 预防结渣的主要手段煤粉锅炉在运行过程中的结焦是客观存在、不可避免的，作为运行人员，在防止和降低锅炉结焦时首先应清楚结焦、结渣及落渣时的象征，从而做到提前调整，采取措施最大程度的降低锅炉的结焦、结渣。预防结渣主要从不使炉温过高，火焰不冲墙和防止灰熔点降低着手。 3.1 加强燃煤的管理与控制 首先，燃煤供应应符合锅炉设计煤质或接近设计煤质的主要特性。严把质量关，严重不符合本厂锅炉燃烧要求的燃煤，应拒收。燃料上煤尽量保证稳定的煤质，当煤质发生变化，应加强配煤，使煤质达到锅炉设计允许变化范围内，并及时提供入炉煤煤质分析，特别是灰熔点数据，供运行人员参考以利于锅炉燃烧调整。在燃烧挥发份高、热量高的煤粉时，应提高一次风速，推迟着火点，减少烟气回流降低喷口附近的热负荷，减少喷燃器口结焦。近期在炉渣中发现有大量的红褐色渣块，怀疑是燃煤中掺土、沙量大的原因，应联系化学化验其成分。3.2 建立合理的燃烧工况加强燃烧调整通过试验建立合理的燃烧工况，并制定相应的运行措施。确定锅炉在不同负荷下燃烧时及磨煤机的投运方式，防止燃烧器区域热负荷过于集中和单只燃烧器热功率过大；确定锅炉不投油稳燃的最低负荷，尽量避免在高负荷时油煤混烧，造成燃烧器区域局部缺氧和热负荷过高；确定煤粉经济细度；保证各支燃烧器热负荷尽量相等，且煤粉浓度尽量均匀；避免火焰中心过分上移造成屏区结渣，或火焰中心下移导致炉膛底部热负荷升高和火焰直接冲刷冷灰斗；确定合宜的一、二次风的风率、风速和风煤配比，使煤粉燃烧良好而不在炉壁附近产生还原性气氛；避免火焰偏斜直接冲刷炉壁等。应用各种运行措施控制炉内温度水平。适当提高二次风压，加大运行中过量空气系数，增加配风的均匀性，防止局部热负荷过高和产生局部还原性气氛，调整各层风粉分配的均匀性，防止一次风气流直接冲刷壁面，必要时采取降负荷运行。组织合理而良好的炉内空气动力场是防止结焦的前提。当灰渣撞击炉壁时，若仍保持软化或熔化状态，易黏结附于炉壁上形成结渣，因此必须保持燃烧中心适中，防止火焰中心偏斜和贴边，并尽量保持燃烧器对冲运行方式，避免较大颗粒的未燃尽碳及灰粒冲击对面水冷壁面而加重结焦的形成。3.3 加强锅炉运行工况的检查与分析 运行人虽应经常检查锅炉的结渣情况，发现结渣严重应及时汇报处理；定期分析锅炉运行工况，对易结渣的燃煤要重点分析减温水量的变化和炉膛出口温度的变化规律，以及过热器、再热器管壁温度变化的情况，炉膛氧量的变化，各受热面在不同负荷和运行方式下烟温、汽温的进出口温差变化情况。锅炉在额定工况运行时，若发现减温水量异常增大和过热器、再热器管壁超温，或减温水已开足，而仍有受热面管壁超温时，应适当降低负荷运行并加强吹灰。 3.4 从运行调整入手，防止和降低锅炉结焦、结渣3.4.1 选择合理的运行氧量。 增大炉内送风量时，理论燃烧温度降低，虽然炉膛出口温度变化不大，但炉膛平均温度确是降低的，炉内富氧燃烧，可抑制还原性气氛，因此有利于防止炉膛结渣。 一次风速不变，增加炉膛氧量就可以使二次风动量增大，有利于实现防止煤粉贴壁。其他一些情况，也可做出类似分析。一般来讲，增大炉内的过量空气系数（增大燃烧器区二次风量）可以防止结渣。3.4.2一次风速和风温。 降低一次风初温可提高着火热，延迟着火，对减轻结渣总是有利的，但降低一次风温，对锅炉稳燃，尤其是低负荷和煤质差时是不利的，并且一次风温低，也影响制粉系统的出力；提高一次风风速可推迟着火点位置，防止燃烧器和炉膛结渣。若煤种的挥发分高，稳燃一般不成问题，可适当增大一次风速。但过高的一次风速会产生煤粉颗粒冲墙而加剧结渣。3.4.3 煤粉细度。 煤粉中的粗颗粒极容易从气流中分离出来与水冷壁冲撞，由于颗粒较大，到达水冷壁以前的冷却固化不太容易；此外，粗煤粒都需要较长的燃尽时间，因而它们往往在贴壁处造成还原性气氛，使灰熔点降低。因此在燃用易结渣的煤种时，适当减小煤粉细度、控制好煤粉的颗粒均匀度是很有意义的。但煤粉过细，一是电耗高，制粉出力受到影响，影响机组的出力。二是炉膛出口烟温升高，易引起炉膛出口屏过结焦。近期由于煤质不好，磨煤机制粉较困难，在高负荷时，磨煤机风量增加，出现煤粉变粗，在炉渣中发现大颗粒未燃尽煤粒，这使得高负荷期间锅炉结焦的可能增加。在低负荷期间发现炉渣内有煤粉黏结的碳块，细度较好，原因可能是在喷燃器附近由于缺氧燃烧造成。因此运行中应及时调整制粉系统运行方式，确保煤粉细度合格，并保证锅炉低负荷时风量的供应，避免缺氧燃烧。3.4.4 燃烧器热负荷。 运行中及时调整保证各燃烧器负荷均匀且避免热负荷过于集中，由于燃烧不集中，传热分散，会使炉膛温度降低，结渣缓解。限制单只燃烧器的热功率也是防止热负荷过于集中的有效方法，对于减轻燃烧器区域的结渣十分有效。这就要求，在负荷变化时应根据情况及时启停制粉系统，均匀承担负荷。加强燃烧调整，避免大起大落，幅度太大。严格控制升温升压速度，防止出现两侧烟气温度偏差。在负荷允许的情况下，采用多燃烧器、少燃料、尽量前后墙对称运行的燃烧方式，有利于燃烧调节，容易适应负荷的变化，同时风粉混合较好，火焰充满程度好，燃烧比较完全稳定，锅炉不易结焦、积渣。但当燃料的挥发份降低时，则可以采用集中燃烧器、增加煤粉浓度的运行方式，使炉膛热负荷较集中，以利于燃料的稳定燃烧。3.4.5 风粉均匀性。 各只一次风气流是否均匀、煤粉浓度是否成比例，不仅影响燃烧的位置，也影响灰熔点。如果配合不好，即使风量充裕也会造成有些局部地区空气多些，另一些地区空气少些；有的粉多风少，有的粉少风多。这样空气少的地方就会出现还原性气体，而使灰熔点降低，造成局部结渣。3.4.6 吹灰操作。 吹灰操作的目的，是维持受热面的清洁，防止壁面的初次污染和壁温升高。壁温的升高使其接收熔渣变得十分容易。尤其对于新锅炉的初次吹灰和正常运行吹灰操作的时间间隔的控制非常关键。否则，在沾污已较重时再去吹灰，清扫能力就大大减弱。坚持锅炉定期吹灰工作，根据汽温变化、炉膛出口烟温及两侧烟温差变化可适当增加吹灰次数。A、减温水量不正常地升高。B、两侧任一侧烟温不正常高于。C、过热器、再热器管壁温度比正常值偏高。D、省煤器、空气预热器部位温度不正常升高时，应进行吹灰。3.4.7 加强巡回检查。 防止喷燃器结焦、积渣运行，消除炉膛底部的漏风，重点检查锅炉炉底渣斗水封，防止水封失水造成炉底大量漏风。A、正常巡回检查中，一定要注意检查燃烧器区及BSOD前、后温度，发现异常，及时汇报，进行处理。B、磨煤机正常运行中，一定要注意监视磨煤机总风量不低于80%额定风量，并注意其变化趋势。发现异常，要立即就地检查，进行针对性处理。C、磨煤机正常停运后，要就地检查分离器出口挡板、自然冷风门位置正确，防止喷燃器烧坏。D、经常检查捞渣机的运行情况，发现无渣或渣量明显减少时，应立即汇报值长。确保渣斗水位正常，严防因