火电厂煤粉炉燃烧过程中结焦问题探讨

叶继苏+李辉

【摘 要】本文通过实例阐述了火力发电厂结焦对锅炉的热效率、锅炉本体设备、经济、安全运行等方面产生一定的不利影响或危害，同时从理论和实践经验出发，剖析了火电厂煤粉炉在燃烧过程中出现结焦问题的产生原因。分析得出，结焦问题并非不可避免，完全可以通过设计、运行、管理等方面采取合理的措施及调整来得到解决或缓解。

【关键词】煤粉炉；结焦；氮氧化物；SOFA，ROFA

0 前言

煤在燃烧过程中，通常会在燃烧器周围、水冷壁、水冷屏等设备上产生结焦。目前国内大部分的煤粉炉由于煤质掺烧比较复杂且不稳定，同时为了满足煤粒的燃尽而不产生燃煤的浪费和过度追求生产指标等方面考虑，锅炉的运行温度普遍都比较高，尤其是在燃烧器和火焰中心，局部燃烧温度往往达到1400-1600℃左右，在这么高的温度下，燃料中的灰通常大多会熔化为液态或呈软化状态，最终形成结焦。而结焦块的存在不仅严重影响到燃烧器的安全稳定运行，同时也大大降低锅炉水冷系统的换热效果，降低锅炉效率，提高烟气温度，增加设备维护及更换成本。因此对煤粉炉结焦的原因进行分析并找到预防结焦的处理措施，从而不断提高煤粉炉燃烧的稳定性和安全性是本文的主要目的。

1 锅炉概况及煤灰特性

某石化热电厂4#炉锅炉型号为WGZ410/100-11型，系武汉锅炉厂生产制造的高压、自然循环、固态排渣、燃煤汽包锅炉，燃烧系统为四角布置切圆燃烧，在主燃烧器上部设置SOFA分级燃烧系统，配有钢球磨中间储仓，热风送粉系统。额定蒸发量为410 t/h，实际燃煤资料及灰熔点如下：

2 锅炉结焦现状

根据电厂反馈，目前4#炉实际运行过程中，结焦现象比较严重，尤其是掺烧煤质较差时，炉内燃烧器区域存在结焦掉焦状况比较严重，导致燃烧器不能稳定运行，烟温升高，锅炉负荷无法达到设计负荷，炉内负压波动较大，甚至导致锅炉灭火停运情况时有发生。

3 结焦危害

根据笔者多年研究经验和工作实践，锅炉结焦产生的危害主要体现如下：

1）结焦会引起过热气温升高，减温水加大，排烟损失增加，进而影响锅炉热效率。

2）结焦会引起烟风阻力加大，影响引风机出力，增加设备磨损，增加电耗，甚至不得不进行更换整套设备，增加投资成本。

3）结焦焦块当达到一定体积时，由于受重力影响而掉落，砸坏冷灰斗水冷壁，掉入捞渣机或低负荷的情况下会引起燃烧波动造成锅炉灭火。

4）清焦增加了电厂运行维护人员的劳动强度，而停炉处理给电厂带来了更大的经济损失。

4 结焦原因分析

根据电厂运行人员反馈，燃烧器周围结焦比较严重，经常造成炉内负压大幅度波动，甚至熄火，影响锅炉安全運行。

通过现场收集的部分资料、信息及运行状况，初步总结分析4#炉燃烧器附近结焦主要与煤质的变化、燃烧器配风状况、主燃区气氛、燃烧器喷射角度等有关。

首先，煤灰特性对结焦有较大的影响，特别是掺烧灰熔点较低的煤种时结焦现象更加严重。通过现场实际煤质资料分析，电厂大部分掺烧煤在弱还原气氛下其软化温度才1320℃，属于易结焦煤质，而煤粉炉在燃烧区域温度一般在1400℃以上，燃烧区的温度高于灰熔点，势必造成燃烧器区域结焦。而目前4#炉采用的是SOFA空气分级燃烧系统，将24%～28%的空气从主燃区域抽走，造成该区域处于还原性气氛下，进一步降低了灰熔点；同时由于该系统的局限性，在燃烧区域无法形成较好的空气动力场氛围，喷口的风量风速均受此影响，为结焦提供有利的环境。

其次，燃烧器一、二次风配风比例失衡，燃烧区域空气动力场组织情况差，二次风刚性减弱，形成“粉包风”，煤粉刷墙，导致结焦。从现场了解到，4#炉的送风系统是由2台送风机分别从锅炉两侧送风，经空预器加热后，分成一、二次风分别进一次送粉系统和二次风系统。由于电厂实际燃煤粒径较粗，如4#炉燃烧器的设计煤粉细度为R90=15%，而实际运行过程中煤粉细度R90在21%以上，造成煤粒越粗，所需要的一次风量越大，一次风率占比越大，二次风率减少，一次风速越大，二次风速越小；从电厂运行画面上也可看出，实际一次风速最高为31m/s，平均28m/s，高于燃烧器设计一次风速，二次风风速平均在20m/s左右；加上4#炉一次风量又没有有效的调节手段；导致一次风射流刚性过强，二次风的刚性太弱，形成“粉包风”状态，火焰更靠近射流根部，煤粉容易在喷口处沉积燃烧，进而在燃烧器附近形成结焦。

另外，低过量空气系数运行也是造成配风比例失衡的一个原因。根据电厂提供的“4#炉各段烟温情况”来看，为了控制炉膛出口NOx的排放，锅炉处于低过量空气系数（2.3%-2.8%氧量）下运行，送入炉膛的总风量低于燃烧器的设计风量。而一次风率又取决于制粉系统，其风量在同等负荷运行下基本保持不变，因此，这部分减少的风量只能从二次风上减少，进一步导致二次风率的降低，影响到二次风射流刚性，不利于主燃区燃烧组织，这也是造成结焦的又一原因。

最后，由于燃烧器安装时角度偏斜、切圆偏大导致煤粉气流喷射时歪斜而出现擦墙现象，都会在不同程度上致使锅炉出现严重结焦现象。

5 处理措施

针对上述现状的分析，可以通过以下几个措施来对结焦掉焦状况进行改进：

1）改进现有SOFA系统

采用目前世界上更先进的低氮分级燃烧技术，如摩博泰科公司的ROFA技术，既能从空气分级燃烧的燃烧机理上降低NOx的排放，也能从锅炉优化燃烧方面大大改善炉内的烟气温度分布、物料分布、热量的吸收、CO的氧化和炉膛上部燃料的燃烬，从而大大降低锅炉的结焦可能性。

2）控制锅炉氧量

在控制NOx排放的基础上，将锅炉出口氧量控制在3.0%-3.5%左右，避免锅炉低过量空气系数下运行时影响到主燃区燃烧组织；endprint

3）严格控制入炉煤质

掺烧的煤种尽量稳定，尤其是低灰熔点的煤尽量少用；入炉前对收集的煤种的各项性能指标（尤其是灰的各项指标），混煤的不同比例等进行研究，分析结焦/结渣指数，为运行提供充足的依据。严格配煤管理，实现合理的燃煤混合，避免入炉煤的突变。

4）优化制粉系统运行方式

建议电厂对制粉系统进行性能试验，试验应确定最佳风粉比、粉管风速、细粉分离器风门开度、制粉系统最佳通风量、磨煤机最佳转速、钢球磨最佳钢球充满度等相关运行参数，优化磨煤机运行方式并纳入锅炉操作规程。寻求最佳制粉系统运行方式，提高入炉煤的煤粉细度，从而降低一次风率、三次风率以及三次风带粉率，并降低制粉系统漏风，提高二次风率，避免“粉包风”现象，达到“风包粉”效果，这样就可以大大降低燃烧器周围的结焦情况。

5）减少漏风

减少炉膛和落灰口及制粉系统等部分的漏风，如制粉系统中应重点检查给煤机的捅煤孔、磨煤机钢球加入孔盖及木块分离器的检查门等是否严重漏风，也要防止细粉分离器下部锁气器不严，避免因制粉系统大量漏風而产生炉内烟气量增大和烟气温度超温等问题，从而间接导致燃烧器区域二次风的减少及结焦产生可能。

6）增强燃烧器二次风射流刚性

对二次风喷口进行缩口改造，减小二次风喷口截面，提高二次风速；优化制粉系统运行方式，降低一次风率，提高二次风率；提高粗细粉分离器分离效率，降低三次风率和三次风带粉量，提高二次风率.

7）调整燃烧器喷射角度

8）加强燃烧工况组织的管理

在煤种没有明显变化的情况下，但运行时发生比较明显的结焦现象，则有必要进行空气动力场试验，寻找可能引起变化的设备原因并消除。锅炉如果进行过比较大的改造，例如燃烧器改造等，则需进行空气动力场试验，避免气流贴墙，风速和风向不合适等不利因素发生，对四角燃烧的锅炉避免燃烧切圆的异变或偏离。选择多种典型煤种和配煤比例，分别进行燃烧调整，实现燃烧优化，减少结焦的发生，并作为运行的基本依据，运行中煤种变化后及时调整燃烧工况。控制适当的煤粉细度，防止煤粉过粗，尽可能使各燃烧区的煤粉浓度均匀，

避免高温火焰冲刷。

9）加强运行管理

加强监视，确保定期吹灰，并根据结焦/结渣情况及时调整吹灰频率。必要时及时人工除渣/除焦，避免管子表面结焦多而形成半流动性，或结焦表面被烧结后难以清除。利用昼夜负荷变化的机会改变燃烧工况，促使自动掉焦。加强燃烧调整，避免燃烧工况大起大落，严格控制升温升压速度，防止出现烟气温度大偏差。

10）特殊条件下采取化学处理剂来防止结焦，或使焦疏松易于清理或自己脱落。

6 建议

▲建议电厂对锅炉进行整体性能测试，尤其要实测一下锅炉正常运行时一、二、三次风的分配比率；摸底试验锅炉在各负荷下安全运行的最小一次风量，并写进锅炉运行规程，同时也为优化改造提供设计依据；

▲应改善煤质掺烧情况，掺烧高灰熔点的煤种，拒绝低灰熔点煤掺烧；

▲提高粗细粉分离器分离效率，提高煤粉细度，将R90控制在低氮燃烧器设计值范围内；

▲增加一、二、三次风的调节和监控手段；

7 结语

锅炉结焦原因尽管复杂，煤质掺烧千变万化，但只要深入研究其生成机理，不断总结经验，采取相应的措施和科学合理的管理，结焦问题一定能够避免和减少。

【参考文献】

[1]赵超.煤粉炉结焦相关问题研究[J].科技经济导刊.2016，21：92.

[2]杨根山，周莲风.煤粉炉结焦的预防[J].化学工业与工程技术.2007，28（增刊）：155-156

[3]冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌.锅炉原理及计算第三版[M].北京：科学出版社，2003，124.

[4]顾英春，田庆峰，吴华栋.旋转对冲燃尽风燃烧技术可行性分析[J].热电技术.2012，2：10-12.endprint