煤粉锅炉炉膛出口受热面结焦问题研究

李其华，冯伟忠

(1.上海电力学院能源与机械工程学院，上海 200090；2．上海申能电力科技有限公司，上海 200137)

大型燃煤发电厂以煤为主要燃料。在燃煤电厂的锅炉运行中，经常会发生锅炉结焦现象，影响到机组的安全运行。若结焦严重还可能诱发运行事故，导致设备损坏，甚至造成人员伤亡。例如，1993年3月10日，我国浙江某电厂600 MW锅炉，因为大量结焦引发恶性爆炸事故，造成设备的严重破坏和重大的人员伤亡。该机组停运132天，少发电近14亿kWh[1]。至此以后，人们往往谈焦色变。因此，锅炉的结焦和防治问题，一直以来都是电厂锅炉工作人员致力于研究和解决的问题。

1 燃煤锅炉炉内受热面结焦概述

1.1 结焦的形成过程

我国电厂锅炉主要是以煤作为燃料，由于燃煤品质、成分的变化比较大，因此其灰分的成分也比较复杂。煤灰的软化温度(ST)作为评价锅炉结焦特性的重要指标，反映了锅炉的结焦特性。当灰粒温度低于ST时，在受热面上只能形成疏松的弱黏聚型灰渣，易脱落；当灰粒或积灰温度高于ST时，固态的灰粒将逐渐趋于熔融状态，当其温度达到或高于FT时会迅速融化，而熔化的灰粒具有较强的粘性，当它未得到及时冷却而与受热面接触时，就会粘附在受热面上形成结焦，导致传热恶化。

结焦本身是一种复杂的物理化学过程，有自动加剧的特点。

1.2 判别煤结焦性能的方法

大量的研究及运行实践表明，煤的结焦性能主要是决定于煤灰的成分。目前尚无统一的判别煤的结焦性能的方法，通常从灰熔点及煤灰的酸碱性两个方面进行判断[2]。上海外高桥第三发电厂(以下简称外三)锅炉燃用设计煤种为神华东胜煤，设计煤种主要特性见表1，煤灰主要成分分析见表2。

表1 设计煤种主要特性

表2 设计煤种煤灰特性

根据表1、表2可知，外三使用的设计煤种神华煤具有低灰、低硫、发热量高的特点，是一种优质动力煤。但由于其灰熔点较低，具有较强的结焦倾向。因此，燃用此类煤种的电厂在持续高负荷运行时，易发生炉膛出口对流受热面的结焦问题。900 MW锅炉过热器结焦情况见图1。

2 燃煤锅炉炉膛出口受热面结焦现象及其产生机理分析

因环保原因，我国沿海地区特别是沿海大城市煤电的设计煤种较多的选用灰分和硫分较低的神华煤，但该煤种具有较强的结焦倾向，有些批次煤的ST甚至低于1 200℃。ALSTOM公司曾委托德国Clausthal工程技术大学对该煤样做了结焦特性试验。结果发现，该煤种的结焦速率较慢，但附着力极强，一旦结焦就很难去除。2004年9月，上海外高桥第二发电厂(以下简称外二)6号炉168 h试运行期间，进行了纯烧设计煤种神华煤的持续高负荷运行。在过后的停炉检查中，发现其炉膛出口的一级过热器出现了结焦，其厚度不大且相当均匀，但难以去除，结焦情况见图1[3]。事实上，沿海地区从20世纪90年代起就普遍采用掺烧至少20%左右的山西大同煤以缓解结焦问题。

图1 900 MW锅炉过热器结焦情况

与此相反，从2013年底起，外三全面实施广义回热技术之后，就开始停止掺烧高灰熔点的大同煤，至今从未出现炉膛出口受热面的结焦问题。在此期间，所用神华煤的ST最低达1 150℃，FT仅为1 170℃，远低于炉膛出口(屏底)烟温1 232℃的设计值[3]。

与锅炉相关的教科书甚至是锅炉设计规范都明确表示，为了保证炉膛内水冷壁和炉膛出口的受热面不结焦，必须使炉膛出口烟温低于煤灰的软化温度ST。由于锅炉运行中影响炉膛出口烟温的因素很多，为留有一定安全裕度，通常当燃用煤质灰分的软化温度ST与变形温度DT相差小于100℃时，炉膛的出口烟温θ1”≤ST-100℃[4]。按照此理论，基于外三的炉膛出口(屏底)烟温1 232℃的设计值和所用神华煤ST最低达1 150℃，FT也仅为1 170℃，很明显纯烧神华煤是不符合逻辑的，根据教科书和以往经验，这必然会导致炉膛出口受热面严重结焦，甚至引发重大事故。但事实上，从使用至今，外三纯烧神华煤而从未出现锅炉结焦问题。

进一步分析可以发现，将炉膛出口烟温与ST对比作为煤粉锅炉结焦的判据并不科学。烟气向上出了燃烧器区域后，温度将逐步下降，而尚在燃烧中的颗粒的温度必然高于烟气温度。而若颗粒已燃尽，其辐射散热强度远高于以两原子气体为主要成分的烟气，因此当颗粒运动至炉膛出口处时，其温度必然低于烟气。即烟温并不简单地等同于煤灰温度，而产生结焦的是煤灰本身而不是烟气，所以锅炉受热面结焦主要原因是煤灰颗粒与锅炉受热面接触时灰粒自身温度高于ST。

根据传热学，煤灰颗粒和烟气的辐射特性相差很大，烟气中N2、O2等二原子气体无辐射特性，并且烟气中二原子气体占绝大部分，虽然烟气中CO2、H2O 等三原子气体具备辐射特性，但其辐射频谱呈间断性，如图2所示[5]，其等效黑度远低于全频谱辐射的煤灰颗粒。

总而言之，造成锅炉炉膛出口受热面结焦的主要原因是当易结焦类煤灰颗粒被烟气携带到炉膛出口处时，自身温度仍高于其软化温度(ST)而成熔融状态，熔化的灰粒具有较强的粘性，就会粘附在受热面上形成结焦。

图2 CO2和H2O主要光带示意图

3 燃煤锅炉炉膛出口受热面结焦问题的数学建模分析

通过分析，要解决煤粉锅炉炉膛出口受热面的结焦问题，关键在于煤灰颗粒被烟气携带到炉膛出口处受热面时，自身温度应低于其ST，即无论采取何种措施，只要保证煤灰颗粒在炉膛出口处温度低于ST，就能从根本上防止锅炉炉膛出口受热面的结焦问题。因此，基于外三电厂锅炉总体结构，以单个煤粉颗粒为研究对象，对其在炉内燃烧器区域上方的竖直运动、燃烧和传热进行建模分析，并推导出煤粉(煤灰)颗粒温度随炉膛竖直高度的变化关系，从而找到影响炉膛出口处煤灰颗粒温度的关键因素。

3.1 外三锅炉简介

上海外高桥第三发电厂2X 1 000 MW超超临界机组锅炉为2 955 t/h超超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛塔式布置、一次中间再热、四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊构造、露天布置。锅炉燃用设计煤种为神府东胜煤。制粉系统采用中速磨煤机的正压直吹式制粉系统。锅炉额定工况时，5台磨运行(从下到上依次为B、C、D、E、F磨)，1台磨(A磨)备用。锅炉总体布置见图3。

图3 外三锅炉总体布置图

3.2 煤粉颗粒竖直运动分析

在此，主要研究炉膛出口半辐射受热面以及对流受热面的结焦问题。因此，可假设煤粉颗粒在燃烧器区域上方的运动过程中不会碰到四周水冷壁即不发生撞墙现象。即在此只需研究煤粉颗粒的竖直运动，以球形颗粒为典型，首先研究煤粉球形颗粒在静止烟气流中的自由沉降。以煤粉球形颗粒为研究对象，对其在炉膛内的竖直方向上进行受力分析，如图4所示。

图4 球形颗粒自由沉降时受力分析图

直径为d的球形颗粒从静止开始在静止烟气流中自由下落，在重力的作用下降落的速度逐渐增大，同时受到的流体阻力也逐渐增大。当作用在球形颗粒的重力W与作用在其上的流体的浮力FB、流体的阻力FD达到平衡，即

W=FB+FD

(1)

则，颗粒在流体中将以等速度uf自由沉降。uf即煤粉颗粒的自由沉降速度[6]。将煤粉颗粒的重力、流体的浮力和流体的阻力带入式(1)，得

(2)

式中d——颗粒直径，m；CD——阻力系数；ρs——颗粒密度，kg/m3；ρg——烟气密度，kg/m3。

现在考虑煤粉颗粒在煤粉锅炉炉膛内烟气中竖直向上运动的实际情况，即当煤粉颗粒被以速度ug垂直上升的烟气流带走时，煤粉颗粒的绝对速度为

up=ug-uf

(3)

其中，烟气流速ug的计算可以通过锅炉实际运行时的烟气容积流量mg与炉膛横截面积A的比值计算，即：

ug=mg/A

(4)

因此，随着煤粒的燃烧，煤粒在炉膛内的竖直高度H(m)随其燃烧时间t(s)变化的表达式如下：

H=H0+upt

(5)

式中H0——煤粒刚开始燃烧时的竖直高度，m。

3.3 煤粉颗粒燃烧分析

燃料在炉膛内的燃烧，其关键环节是着火和燃尽这两步。而对于煤粉锅炉，其燃烧过程大致要经历以下几个阶段：煤粉受热，水分析出；继续受热，绝大部分挥发分析出；挥发分的着火与燃烧；焦炭的形成和着火燃烧；灰渣的形成。

大部分挥发分着火及燃尽时间仅占整个燃烧过程的10%[4]，为0.2～0.5 s；而焦炭燃尽的过程所占的时间很长，约为90%。从燃烧放热量来看，焦炭占煤粉总放热量的60%～95%。着火过程主要取决于煤中干燥无灰基挥发分的大小，而燃尽过程主要取决于焦炭的燃烧速度。而焦炭主要由固定碳和灰分组成，其中灰为氧和燃烧产物的扩散增加了障碍。氧气必须克服这个障碍才能到达焦炭表面，产物也需要克服灰阻力才能到达表面，尤其是在接近燃尽时，灰分将阻碍燃烧[7]。因此，在焦炭的燃烧过程中，可将焦炭的燃烧速率与焦炭含灰量近似处理为反比例关系。

3.4 煤粉颗粒传热分析

假设在炉内燃烧工况相同的情况下，煤粉从离炉膛出口最近的一层燃烧器即F层燃烧器喷口喷出时，其燃程最短，相应煤灰降温的时间最短，最易引起炉膛出口受热面结焦。因此，以F层燃烧器出口的煤粉颗粒为研究对象，而通常炉内煤粉颗粒的热平衡可以写成以下形式：

(6)

式中mp——煤粒的质量，kg；cp——煤粒的比热容，J/(kg·K)；Tp——煤粒的温度，K；t——煤粒在炉内竖直方向的运动时间，s；Q0——煤粒燃烧的放热量，W；Q1——炉内火焰中心与煤粒间的辐射换热量，W；Q2——炉膛内受热面与煤粒间的辐射换热量，W；Q3——烟气与煤粒间的换热量，W。

根据传热学基本知识[5]，Q1、Q2的表达式如下：

(7)

(8)

式中ε——煤粒的黑度；σ0——黑体辐射常数，W/(m2·K4)；r——煤粒半径，m；X1——炉膛火焰中心相对于煤粒的辐射角系数；X2——炉膛内受热面相对于煤粒的辐射角系数；T0——炉膛火焰中心温度，K；Tw——炉膛内受热面壁面温度，K。

根据燃烧学基本理论[8]，Q0、Q3的表达式如下：

(9)

(10)

式中 ——煤粒燃烧速率，kg/s；Δhc——煤粒燃烧反应热，J/kg；cpg——烟气比热容，J/(kg·K)；kg——烟气导热系数，W/(m·K)；Tg——烟气温度，K。

4 燃煤锅炉炉膛出口受热面结焦问题计算结果分析

通过外三塔式炉的设计参数，依据建立的数学模型，对同一颗粒不同燃烧速率下煤粒温度沿炉膛竖直高度的变化进行了数值计算，得到计算结果如图5所示。

图6为ALSTOM公司采用计算机三维数字仿真计算得到的外二电厂锅炉炉膛内烟气沿高度方向的平均温度分布图[9]。而外三锅炉设计参数上除了炉膛竖直高度比外二高了几米之外，其他设计参数均与外二一致，因此外三锅炉炉膛内烟气沿高度方向的平均温度变化曲线可由图6满负荷曲线模拟得出。

图5中曲线1代表着煤粉颗粒在正常燃烧速率情况下的温度分布；曲线2代表着煤粉颗粒在较低燃烧速率下的温度分布。从图5中可以很明显的看出，烟气温度与煤粉颗粒温度是有区别的，且正常燃烧速率情况下炉膛出口处煤灰温度低于表1中设计煤种的ST(1 170℃)，更低于此处烟气的设计温度1 232℃，不会发生结焦；但在较低燃烧速率下，炉膛出口处煤灰温度会高于设计煤种的ST，从而会发生结焦问题。此外，由图5可知，煤粉颗粒从进入炉膛到燃尽变为煤灰颗粒的过程中，经历了升温和降温两个阶段。而此前提到的外二6号炉168试运行期间发生了结焦现象就是因为其炉膛高度比外三低，使煤灰没有充足的降温时间而使其在与炉膛出口的一级过热器接触时温度仍高于ST，从而出现了结焦现象。

图5 煤粒及烟气沿炉膛高度方向的温度分布图

图6 900 MW锅炉炉膛沿高度方向的平均温度分布图

通过分析可知，在锅炉设计上适当提高炉膛高度或在锅炉运行中适当提高煤粉颗粒燃烧速率，从而给煤灰足够的降温时间，最终使其与炉膛出口处受热面接触时温度低于ST，都可以使锅炉炉膛出口受热面结焦情况得以极大缓解甚至消除。当然直接掺烧高灰熔点煤来提高ST同样可行。

5 燃煤锅炉炉膛出口受热面结焦问题解决方法的探究

虽然受热面结焦过程与多种复杂因素有关，但由结焦机理可知，任何原因的结焦都由两个基本条件构成，一是烟气中的煤灰颗粒与受热面接触，二是与受热面接触时煤灰颗粒温度高于其软化温度而呈熔融状态。也就是说，只要破坏其中任一一个必要条件即可从根本上防止结焦现象的出现。

5.1 常规措施分析

(1)掺烧高灰熔点煤如大同煤等，从而提高煤灰颗粒的ST。

(2)加装屏区吹灰器，及时吹灰，防治积灰过多而使积灰外表面温度升至ST而结焦。

(3)炉膛放大和受热面调整，而使煤灰颗粒有足够的降温时间。

通过掺烧高灰熔点大同煤、加装屏区吹灰器、炉膛放大等措施可以极大改善锅炉炉膛出口受热面结焦问题，但同时会导致锅炉造价和运行成本上升[10]。

5.2 广义回热技术及成效分析

5.2.1广义回热技术基本原理

现有的热力循环理论，完全建立在孤立的汽水系统上。如果将热力循环的视角拓展至整个汽轮发电机组甚至全发电厂，情况就会发生很大的变化。事实上，锅炉输入的介质除了给水，还有空气(进风)和煤(煤粉)。如果将回热的介质从单纯的给水拓展至水、风、煤，汽轮机抽汽热能的利用空间将被拓宽，排汽损失将减少。

广义回热循环理论[11]，就是从降低汽轮机排汽损失的角度出发，将回热循环从汽水系统拓展至机组、电厂甚至整个社会，如图7所示。

图7 广义回热系列技术示意图

5.2.2成效分析

进风回热系列技术及送粉回热技术实施后，煤粉颗粒在进入炉膛前绝大部分都已充分干燥并预热。内水分在析出过程中形成大量微孔，这使得颗粒的孔隙率及与氧气的接触概率大增，在进入炉膛后能迅速着火、升温并燃烧，并且燃烧速率和颗粒质量的下降速率很快，制粉干燥出力的大大改善以及二次风热风温度的进一步提升，使得煤粉的燃烧速率和燃尽率显著上升[12]。

基于广义回热的风粉加热技术正是充分保证了着火和燃烧的高效，煤粉颗粒的燃尽时间缩短，从而留有足够的降温时间使其在炉膛出口处的温度低于ST。因此，此技术可以在提高机组效率(包括锅炉效率及循环热效率)的基础上，使锅炉炉膛出口受热面结焦情况得以极大缓解甚至消除。

6 结语

(1)神华煤种具有低灰、低硫、发热量高的特点，是一种优质动力煤，但灰熔点较低，具有较强的结焦倾向。因此，燃用神华煤的电厂在持续高负荷运行时，易发生结焦问题，严重影响电站锅炉的安全稳定运行。

(2)造成锅炉炉膛出口受热面结焦的主要原因是当煤灰颗粒被烟气携带到炉膛出口处受热面时，自身温度仍高于软化温度ST而成熔融状态，熔化的灰粒具有较强的粘性，就会粘附在受热面上形成结焦。

(3)研究结果表明，在锅炉设计时适当提高炉膛高度或在锅炉运行中适当提高煤粉颗粒燃烧速率从而给煤灰足够的降温时间，最终使煤灰颗粒在炉膛出口处的温度低于ST，都可以使煤粉锅炉炉膛出口受热面结焦情况得以极大缓解甚至消除。

(4)广义回热技术可以在提高机组效率的基础上使锅炉炉膛出口受热面结焦情况得以极大缓解甚至消除，给其他燃煤机组提供了很高的参考价值和借鉴意义。