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锅炉结焦的危害、原因分析及预防措施

发表时间：2021/3/26 来源：《中国电力企业管理》2021年1月作者：杜昌明

[导读] 在火力发电厂的生产过程中，煤粉燃烧后的灰烬在炉膛内受热面产生结焦是燃煤锅炉运行中比较普遍的现象，它会造成受热面传热能力下降，降低锅炉的热效率。当大的焦块坠落时，容易引起炉膛负压波动，发生灭火事故，威胁到机组的安全经济运行。

中石油乌鲁木齐石化公司热电厂锅炉车间杜昌明 830000

摘要：在火力发电厂的生产过程中，煤粉燃烧后的灰烬在炉膛内受热面产生结焦是燃煤锅炉运行中比较普遍的现象，它会造成受热面传热能力下降，降低锅炉的热效率。当大的焦块坠落时，容易引起炉膛负压波动，发生灭火事故，威胁到机组的安全经济运行。本文针对锅炉易结焦的现象，通过对锅炉结焦的机理研究，从燃煤特性、炉膛结构特性和运行燃烧调整、炉内空气动力场、炉内气氛条件等方面分析了锅炉产生结焦的原因以及锅炉结焦的危害。通过对锅炉结焦的原因以及结焦的危害的认知，提出了从燃煤特性、燃烧工况的调整、定期吹灰等方面防治锅炉结焦的措施。
关键词:锅炉结焦；危害；原因分析；预防措施
        序言
        现代大型火力发电厂的锅炉大多是煤粉炉，在煤粉炉的运行中，由于直接燃用煤粉，燃烧后的灰烬在炉膛内辐射区域的受热面如水冷壁、凝渣管和屏式过热器等处易形成焦渣，造成受热面传热能力恶化，安全可靠性降低，有时甚至威胁到发电机组的安全经济运行。我电厂1、2号炉于1992年相继投产。3号炉于1997年投产，4、5号炉于2009年投产，1、2、3号炉从投入运行，运行状况较好，未出现锅炉结焦现象。2006年因锅炉燃用的煤种发生了变化，1、2号炉分别出现结焦，尤其是2号炉结焦较为严重，2007年4月8日、2008年3月18日2号炉因大块焦脱落造成锅炉灭火，使公司受到较大的经济损失。近几年，车间通过对锅炉喷燃器的改造和加强运行调整，情况有了很大的好转，因结焦影响带负荷和停炉的情况已经基本杜绝。所以，总结这些年来防止锅炉结焦的一些经验并加以推广，对锅炉安全运行调整也有一定的借鉴作用。
        1.锅炉结焦的危害
        通过对现场锅炉运行中出现的一些案例进行分析和总结，锅炉结焦的危害主要有以下一些：
        (1)结焦会降低受热面的传热能力,增加电耗。当水冷壁结焦较严重时，为了维持同样的蒸发量，必须增加燃料量和风量，使送、引风机负荷增加，还有可能引起风量不足，甚至限制锅炉出力。
        (2)水冷壁结焦会使炉膛出口烟温升高，造成炉膛出口受热面的结焦情况加剧，容易造成高温过热器超温甚至爆管。炉膛出口烟温升高还会引起炉膛出口结焦，会增加烟气侧的阻力，造成锅炉运行经济性降低。
        (3) 喷燃器出口结焦会影响煤粉气流的正常喷射或引起气流偏移，磨损水冷壁管，形成局部高温，加剧水冷壁结焦，甚至烧坏喷燃器或喷口被焦渣堵死。
        (4) 水冷壁结焦严重时，有可能破水循环引起水冷壁管局部过热爆管。
        (5)受热面结焦严重，会使工质吸热量减少，排烟温度升高，排烟热损失增加，降低锅炉热效率。
        (6)炉膛大面积掉焦时，可能会砸坏水冷壁管甚至导致灭火。
        (7)冷灰斗处结焦严重时，会使冷灰斗出口堵塞甚至被迫停炉。
        2.锅炉结焦的原因
        在固态排渣煤粉炉中，炉膛火焰燃烧中心温度高达1400℃—1600℃，燃料中的灰份在这个温度下，呈液态或软化状态，随着烟气的流动，烟气中灰粒的温度因水冷壁的吸热而不断降低。如灰渣撞击受热面或炉墙时仍保持软化或熔化状态，当碰到受热面后就会被冷却凝固粘结在壁面上，长期聚积后形成焦渣。炉内的结焦容易在受热表面粗糙、管排密和长期不清灰的区域产生。发生结焦后，由于焦层表面粗糙，炉渣与焦渣之间的粘附力加大，燃烧室内空间的温度与壁面的温度都因传热受阻而升高，使灰粒更加容易黏结,从而加速了结焦过程的发展。综合分析，锅炉的结焦主要与下列因素有关：
        (1)灰粒熔融特性、灰粘度、灰成分，与燃料的性质有关。灰的熔点越低、粘度越大，就越容易结焦。
        (2)锅炉的设计不合理。设计锅炉时，炉膛的容积热强度选得过大，水冷壁面积不够或喷燃器选型不合理等，均会使炉膛温度过高造成结焦。
        (3)水冷壁积灰，会使水冷壁吸热量减少，炉膛温度升高，导致结焦。
        (4)喷燃器的安装或检修不良。喷燃器的安装、检修质量对结焦也有很大影响，如切圆直径过大、中心偏斜等，都可能使火焰贴墙造成局部温度过高引起结焦。
        (5)运行调节不当，如四角风量不均衡、燃烧器风量及风煤配比不适当等，都会造成火焰偏斜使水冷壁局部温度过高引起结焦。1997年1号炉因一个角的二次总风门未开而导致严重结焦被迫停炉。另外，燃烧时风量不足、锅炉超出力运行、炉膛下部漏风、送风量过大、煤粉过粗等会使火焰中心上移，炉膛出口烟温升高，从而引起炉膛出口处受热面结焦。
        (6)受热面管道内壁结垢，使工质吸热能力变差，造成受热面局部温度过高引起结焦。
        3.造成我厂锅炉结焦的主要原因有以下一些：
        （1）结焦的内因受灰质的组成成分和熔化温度影响，燃用煤种的煤质对电厂锅炉的结焦有着根本的影。煤灰对于高温受热面沾污结焦的倾向，可用灰熔点温度及灰的主要成分来判断煤灰的结渣指标。通常可用灰成分中的钙酸比、硅铝比、铁钙比及硅比值来判断其结焦倾向，用Na2O的质量分数可以判断其沾污性。
        五彩湾准东煤样灰中Na2O实测值为10.65%，而锅炉设计值为0.98%，通过查阅有关碱性氧化物中资料Na2O对锅炉沾污影响最为显著，下面表为Na2O含量作为判断煤中沾污标准。

        通过上述表，我厂掺烧的准东煤掺烧的煤中灰份Na2O含量属于严重积灰、结焦型煤质。
        下面通过灰分中碱酸比(B／A)来分析煤质对结焦的影响
        碱酸比的计算公式为：

        我厂掺烧五彩湾准东煤中灰份碱酸比为2.25，属严重强结焦煤种。
        （2）五彩湾准东煤中的全水分实测值为31.4%，而我厂锅炉设计值均远远小于这个值，由于煤粉干燥时间和温度是根据锅炉燃料全水份值而设计的，全水份大使得煤粉在制粉过程中干燥不彻底，含水煤粉进入炉膛后先吸热干燥，然后才能有效燃烧，造成煤粉燃烧滞后，炉膛出口温度、过热器温度增高，加剧过热器部位积灰结焦。
        （3）五彩湾准东煤种的灰变形温度为1150℃，而我厂锅炉设计值为1250℃，远低于设计值，非常容易造成锅炉结焦。
        4.炉膛结构设计问题
        炉膛容积热负荷、炉膛断面热负荷、燃烧器区域热负荷、炉膛几何尺寸对锅炉结焦有直接关系。炉膛容积热负荷设计值选取不但影响煤的燃尽，更重要的是影响炉膛出口温度和炉膛温度，选取不当易使炉膛上部及炉膛受热面结焦。
        5.运行中氧量对锅炉结焦的影响
        （1）锅炉运行的氧量它对锅炉的结焦有非常大的影响，如果锅炉运行氧量偏低，燃烧不完全，煤中的碳与不足量的氧发生化学反应及燃烧，会产生大量的还原气体一氧化碳，炉内还原性气氛较强。
　　　　       C＋O2（不足量）＝CO2＋CO
        在炉内氧化性气氛中，铁可能以FeO的形式存在，而FeO熔点较低，灰熔点随之迅速降低，而且FeO最容易与灰渣中的SiO2形成熔点很低的2FeO﹒SiO2，其灰熔点仅为1065℃。
        （2）炉膛燃烧器区域热负荷或容积热负荷偏高，在燃烧器区域燃料燃烧放出的大量热量没有足够的水冷壁受热面来吸收，因此导致燃烧器区域的局部温度过高，造成燃烧器区域的；另外，燃料和烟气在炉内的停留时间过短，燃料未能完全燃烧，引起炉膛出口烟温偏高，造成炉膛出口受热面结渣。
        （3）锅炉在实际运行中，由于炉内气流组织不佳，造成火焰中心偏移。譬如，四角上的燃烧器风粉动量分配不均匀，致使实际切圆变形，高温火焰偏离炉膛中心，而造成锅炉局部结焦严重。
        （4）锅炉在实际运行中由于种种原因造成切圆直径偏大，出现一次风粉气流贴墙等情况，也容易造成结渣。
        （5）煤粉对锅炉结焦的影响。如果煤粉细度变大，煤粉变粗，煤煤中的粗颗粒很容易从煤粉气流中分离出来与水冷壁发生冲撞；此外，粗颗粒的燃尽需要相当长的时间，因此常常贴壁造成还原性气氛　而增加了结渣的机率。
        （6）一次风速偏高。一次风速度偏高，一次风射流本身的动量或者说一次风射流的刚性较强，致使煤粉气流冲击对面炉墙，不但会引起锅炉飞灰含量增加，而且会造成炉墙结渣。
        6.防止锅炉结焦的措施
        锅炉积灰结焦严重时，将严生危及锅炉的经济和安全运行，因此根据我厂实际供煤情况和锅炉运行情况提出以下防范措施：
        （1）加强燃料监督工作，提高对煤质的分析，给运行提供燃烧调整上的依据。
        （2）根据目前的燃煤供应情况，进行合理、科学的燃煤掺烧方法。掺混煤种选择恰当、配比合理、混合均匀，保证入炉煤质与锅炉及其它系统、设备的适应性和煤质的长期的稳定性，克服因煤质变化引起的任何问题。科学合理的配煤不尽能防止锅炉结焦，而且也提高了劣质煤的利用率，降低了燃料成本和发电成本。
        （3）运行人员加强锅炉运行工况与设备状况的分析。对易结焦的煤种要加强对减温水变化、炉膛出口温度、各级烟温及过热器、省煤器管壁温度变化趋势的分析。发现锅炉减温水量异常增大以及管壁温度和排烟温度异常等情况，应立即汇报相关人员，采取适当方法，比如调整煤质或降低锅炉负荷运行。
        （4）重视炉膛吹灰工作。在煤质无法改变的情况下，要坚持吹灰工作。保证吹灰器完好并正常投入。发现吹灰效果不好或吹灰器故障，应立即联系检修人员消缺。尽量保持炉膛水冷壁和各水平烟道、尾部烟道的受热面的清洁。吹灰时加强对渣系统的检查和监视。发现异常时可以暂时中断吹灰工作，但是应该尽快排除异常，及时恢复。发现严重结焦、必要时可以连续吹灰。
        （5）加强燃烧调整，及时调整过剩空气系数和一、二次风率、煤粉细度、风速和风煤比，使煤粉燃烧良好，不在水冷壁附近产生还原性气，避免火焰偏斜直接冲刷水冷壁；严禁低氧量长时间运行，避免缺氧燃烧造成高温腐蚀或严重结焦（渣）；各角配风均匀，火焰中心保持适当位置，防止所流冲刷水冷壁造成大面积结焦；周期性改变锅炉负荷可控制大量结焦、掉焦，但要防止负荷大幅度变化造成大块落焦砸坏承压部件；在保证锅炉汽温的前提下开大上排二次风门，减少下排二次风门开度或者采取其它方法适当降低火焰中心，减少炉膛上部结焦；尽量提高热风温度，以利于煤粉的干燥和完全燃烧、
        结束语
        从上述可以看出，引起锅炉积灰结焦的主要因素有四个方面，即煤质特性、锅炉设计特性参数和、炉内燃烧的空气动力场特性及锅炉运行调整。锅炉发生积灰结焦是多因素复合作用结果。但其中，以煤质特性占绝对因素。通过具体分析锅炉结焦原因并采取有效对策，可以抑制锅炉结焦，改善锅炉运行工况，提高锅炉热效率。
参考文献：
1）《电站锅炉运行与燃烧调整》，黄新远，中国电力出版社
2）《锅炉运行》，朱全利，中国电力出版社
3)《电厂锅炉原理》，丁立新，中国电力出版社