超临界锅炉结焦原因分析及预防措施

董文强

（广东大唐国际潮州发电有限责任公司，广东 潮州 515723）

1 设备概述

某电厂600 MW机组锅炉是由哈尔滨锅炉有限责任公司引进三井巴布科克能源公司（Mitsui Babcock Energy Limited）技术生产的超临界参数变压运行直流锅炉，单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。锅炉燃烧方式为前后墙对冲燃烧，前后墙各布置3层哈尔滨工业大学设计的中心给粉旋流低NOx燃烧器，每层各有5只，共30只。改造后的中心给粉旋流低氮燃烧器原理如图1所示，该燃烧器一次风管内主要有煤粉浓缩器、中心支架组件，燃烧器内、外二次风喷口同心布置，燃烧器喷口注有浇筑料密封。

图1 中心给粉燃烧器

2 锅炉结焦原理

产生结渣的先决条件是呈熔融状态颗粒与壁面的碰撞，通常情况下，燃烧后的灰渣颗粒会随着烟气一起流动，当流动至炉膛水冷壁或其他受热面时，因为受热面吸热导致温度下降，混合在烟气中的大渣粒因为温度骤降就会凝固，附着在受热面的管壁上，形成一层比较疏松的灰层。在炉膛内温度较高的状态下，部分达到熔融或半熔融状态的灰粒具有较高的黏结力，就会导致在受热面上，不断循环反复，就会导致结焦不断发展[1]。

3 常见的锅炉结焦原因分析

3.1 燃烧器损坏造成受热面结焦

燃烧会根据旋转强度的不同，产生不同的煤粉气流，燃烧最佳气流应为开放型气流，当燃烧器设计不合理或者对煤种适应差，燃烧器喷口、燃烧室或者煤粉浓缩器损坏时，一次风刚性变差，气流的射程减小，燃烧器正常气流被破坏，容易形成全扩散气流，又叫做“飞边”。这样的气流离开燃烧器后便会贴墙运动，一方面会使火焰刷墙、燃烧偏斜，另一方面会使燃烧器局部温度升高，造成燃烧器周围结焦或侧墙结焦[2]。局部结焦会进一步导致炉膛温度升高，炉膛温度升高使含有碱金属化合物的积灰外表面黏结性增强，加速积灰过程的发展，使受热面结渣呈指数规律上升。

3.2 氧量降低造成上部受热面结渣

1）氧量降低对锅炉炉膛出口烟温的影响。低氮燃烧器改造后，由于主燃区的温度和氧量的降低，使得煤粉在主燃区的燃尽程度下降，煤粉的燃尽过程延长，火焰中心有所上移。未燃尽的组分随气流上升到炉膛上部的燃尽区与燃尽风进一步混合燃烧，完成煤粉的燃烧过程，由于未燃尽的组分在燃尽区的进一步燃烧，造成该区域温度比改造前有明显升高。随着负荷增加，氧量的降低，炉膛出口烟温会明显升高，造成积渣。

2）氧量降低对灰熔点的影响。从低氮燃烧器原理可知，为降低NOx的排放量，主燃烧器区域内为低温、低氧燃烧。氧量降低后，CO的生成量会随之升高，炉内还原性气氛增强，在还原性气氛下，容易导致熔点较高的Fe2O3，还原为熔点较低的FeO，在高温还原性气氛下，FeO会与SiO2、CaO等化合物生成低熔点共晶体，进而加剧锅炉的结焦现象，燃用低熔点煤时更容易使受热面结焦。

3.3 煤粉细度控制不当造成受热面结焦

某电厂600 MW超临界机组出现结焦后，对所有制粉系统进行摸底发现，各台磨煤机平均煤粉细度均在20%左右，但是其中有两台磨煤机3号粉管煤粉细度明显偏大，达到40%，有一台磨煤机4、5号粉管煤粉细度明显偏小，分别为8%、9%，调整后锅炉结焦问题得到彻底解决。煤粉过细，煤粉颗粒表面积增大，增加煤粉与空气中氧气的接触有利于燃烧，但煤粉出燃烧器喷口易着火，使喷燃器区域热负荷更高，容易造成喷燃器附近结焦并烧坏火嘴[3]；煤粉过粗，火焰中心上移，使炉膛出口温度升高，容易导致炉膛出口受热面管壁结焦。当单台磨煤机个别粉管煤粉细度明显偏大，粗颗粒容易从气流中分离出来与壁面碰撞，因热容量大，换热系数小而在受热面冷却固化，导致结焦发生。所以运行中应保持煤粉细度在合格的范围内。

3.4 配煤掺烧不当造成锅炉结焦

某电厂在掺烧低灰熔点菲律宾煤过程中，屏式过热器出现了明显结焦现象，通过煤样和焦样分析可知，菲律宾煤属于易结焦煤，结焦特性如表1所示。在结焦前菲律宾煤最大掺烧比例达到60%，掺烧方式采用分磨掺烧方式，后通过采取将掺烧比例降低至30%以下且在最下层磨煤机掺配措施锅炉结焦明显得到改善。

表1 菲律宾结焦特性分析表

掺烧试验表明，不同灰渣特性的煤种掺烧对于结焦有着明显的影响，大比例单烧结焦性较强的煤种时，锅炉容易发生严重结焦，但通过严控易结焦煤种的比例或者与高熔点的煤种按一定比例炉外预混掺烧时，结焦会得到有效控制。

4 锅炉结焦预防措施

4.1 设计及检修方面

1）进行燃烧器、受热面等影响炉内动力场的改造时，应充分考虑设计煤种和实际掺烧煤种特性，详细核算，充分调研，保证改造后锅炉对煤种的强适应性。

2）燃烧器改造后，锅炉投运前应进行冷态炉膛空气动力场试验，以检查燃烧器安装角度是否正确，确定锅炉炉内空气动力场符合设计要求。

3）机组检修时，重点检查燃烧器喷口浇注料、煤粉浓缩器及中心支架组件、喷口同心度等，及时对损坏的燃烧器进行更换，对存在变形和磨损的燃烧器进行修补。

4）若煤粉细度明显异常，经运行调整无效，应及时检查磨煤机磨辊、动态分离器、折向挡板等。

4.2 运行调整方面

1）优化氧量调整曲线，提高氧量控制值，将尾部CO浓度（质量分数）控制在（200～500）×10-6，防止缺氧燃烧造成炉内还原性气氛增强及锅炉大面积结焦。

2）保持合理的一次风速和旋流强度，一次风速控制在27～32 m/s，调整一、二次风率、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水冷壁等。

3）掺配高挥发份煤种时，提高磨煤机风煤比，推迟着火，预防燃烧器烧损。

4）定期利用测温装置对燃烧器喷口及炉内大屏等处测温，分析炉内温度场变化，及时发现炉膛局部温度高、燃烧器出口火焰紊乱等异常，并采取相应的调整措施。

5）积极进行制粉系统性能试验，将磨煤机一次风调平、煤粉浓度调平，严格控制煤粉细度在合理范围内，烟煤R90推荐控制在18%～25%，褐煤R90推荐控制在25%～30%。

6）避免机组长期低负荷运行，采用变负荷甩焦，每天负荷变化不小于25%额定负荷。

4.3 配煤掺烧方面

1）掺烧低灰熔点易结焦煤种时，若发现锅炉有明显结焦现象，应立即停止掺烧，待炉膛清洁后再降低比例掺烧。

2）配煤时充分掌握各煤种的煤质特性，合理控制褐煤与烟煤的掺烧比例，采用变比例方式改变燃烧器热负荷，正常应采用炉内分仓掺烧方式，避免炉外预混引起的燃烧缺氧。

3）掺烧低灰熔点易结焦煤种时，采用与不易结焦煤种炉外预混掺配，对预防结焦有利，但采用此方式时，应对混煤取样化验并进行相关指标分析，确定科学的掺烧比例。

4）对于新引进煤种，如果灰熔点偏低（转化温度＜1 100℃），为防止出现锅炉大面积结焦异常，必须谨慎试烧，必要时联系电科院做掺烧试验后，才允许正式掺烧。

5 结论

1）主燃区缺氧燃烧会导致炉内还原性气氛变强；燃烧器损坏会导致全扩散燃烧气流，燃烧偏斜；煤种的易结焦特性、炉内强还原性气氛、燃烧器全扩散气流、煤粉细度偏粗或偏细、配煤掺烧不当、一次风速偏低、旋流强度偏大等是造成锅炉结焦的主要原因。

2）为有效预防锅炉结焦，燃烧器改造时要充分考虑电厂实际掺烧煤种，机组检修时要全面检查燃烧器并对损坏部位进行修复，机组运行时要调平各磨煤机一次风速、煤粉细度，执行变负荷甩焦、定期对燃烧器喷口及炉内大屏等处测温等措施，制定配煤方案时要掌握各煤种的煤质特性，采用合理的配煤方式，低灰熔点易结焦煤种必须进行试烧并控制比例掺烧。