论文部分内容阅读
摘要：针对华能石洞口第一电厂两台改造后锅炉严重结焦的状况，分析阐明了现代大型燃煤电站锅炉燃烧生成的复合化合物共晶体熔点温度要比纯净氧化物的熔化温度低得多是结焦的根本原因，并就防止和改善炉膛结焦运行可采取的措施及其有效性进行讨论，强调了加强吹灰、负荷控制、煤粉细度、风量调整及煤质等方面的运行措施对于改善锅炉结焦的意义。
关键词：320MW机组；结焦；吹灰
一、锅炉结焦状况及其危害
华能上海石洞口第一电厂四台320MW机组配套锅炉系上海锅炉厂生产的亚临界、一次中间再热、固态排渣、中间储仓式、直流∏型燃煤锅炉，采用四角切圆燃烧技术，设计煤种为贫煤。#1、#2号锅炉分别于2009年6月、2010年2月完成改造性大修并投产，制粉系统由钢球磨中间储仓式改为中速碗磨直吹式，设计煤种由贫煤改为烟煤。由于源煤质量不稳定，经常非设计煤种的低灰熔点烟煤作为燃料，水冷壁面及水冷壁之间均不同程度地出现结焦现象；燃用个别煤种时，结焦现象尤为严重。
锅炉结焦有诸多危害，大量落焦会导致干式排渣系统频繁跳闸，出渣系统跳闸会严重限制机组出力；炉膛内部结焦会增加受热面的传热阻力，使辐射吸热量下降，炉膛出口烟气温度升高，对流吸热量增加容易造成对流受热面超温，在减温水完全投用的条件下再热蒸汽管道仍然有可能超温；燃烧器喷口及其周围结焦，会改变流向及炉内动力工况，直接影响风粉混合及燃烧，严重时造成燃烧器损毁；结焦是一个单向不可逆的过程，若不及时采取措施，更有可能由于结焦加重导致塌焦砸坏冷灰斗等安全事故，最终被迫停炉处理。
二、锅炉结焦形成原因
正常情况下，煤粉气流在进入对流受热面以前应当完全燃烬，并已冷却至一定温度，这一过程在2至3秒内完成。处于燃烧中心（温度达1400℃）的煤粉颗粒可能已全部熔化或表面熔化，理想情况下煤灰离开燃烧中心碰到受热面以前应当已冷却成固体状态，这种情况下煤灰颗粒与受热面碰撞后仍会被烟气带走，只会造成受热面磨损和飞灰损失，不会在受热面形成结焦。假使煤灰与受热面撞击时，仍保持熔融状态，则会粘附在管壁上，形成结焦。
表一我厂设计煤种
煤灰成份中含有许多氧化物，可以分为金属氧化物和非金属氧化物，一般认为这些氧化物的配比对煤灰熔点起着决定性作用，在纯净状态下这些氧化物熔点很高，然而，实际煤中矿物质多以复合化合物的形式存在，燃烧生成的灰分也往往是多种组合结成的共晶体。这些复合化合物的共晶体熔点温度要远低于纯净氧物的熔化温度，各类氧化物熔化温度见表二
表二各类氧化物熔化温度
显然，燃烧生成的复合化合物共晶体熔点温度远低于纯净氧化物的熔化温度，这是锅炉炉膛结焦的根本原因。煤灰成分和炉膛温度无法改变，其他影响整个结焦过程的因素将在表三中展开：
表三锅炉结焦原因具体分析
三、运行防范措施及其效果
针对导致锅炉结焦的各个因素，本文提出六项运行防范措施以减轻锅炉结焦。
（一）加强吹灰
研究表明，无论炉内受热面的松散积灰还是粘结性的积灰，受热面上的沉积都需要经历一段时间。受热面结焦出现堆积和硬化亦是如此。从结焦形成过程以及影响结焦强度等方面，我们也可看到时间长度和结焦程度成正比。
如何有效发挥吹灰作用？一是频率，要求二次吹灰间隔周期的长短应服从于是否有效，即根据结渣积灰的速度及时调整吹灰器使用频率，吹灰间隔周期的长短取决于灰渣特性，易结焦煤周期短，不易结焦煤周期可长些；二是各部位都能吹到，在机组改造时在炉膛受热面布置足够数量的除灰器，尤其是将容易结渣的部位处在吹灰器的有效半径内；三是吹灰蒸汽压力，压力必须达到除焦的目的，根据除焦效果调整吹灰蒸汽压力。
锅炉受热面吹灰器必须有效利用，我厂严格按运行规程240MW以上对各受热面进行吹灰，加强现场巡检，当发现吹灰器因泄漏、卡涩故障或程控失灵等故障时，立即手操退出，避免炉管和坏吹灰器损坏，加强吹灰器的缺陷管理和维修管理，出现故障及时消缺。我厂通过对吹灰蒸汽的压力进行了调节试验，将吹灰蒸汽压力由1.2MPa提升为2MPa，由于结渣的初始阶段大都是松散型渣， 如能使炉膛内的松散型渣在压力蒸汽的冲击及温差裂缝的共同作用下撕裂脱落，可避免在炉内出现硬渣或连片渣等结焦严重化的倾向。
经过上述实践，结焦现象得到控制和减轻，尤其是在连续高负荷运行时，提高吹灰频率效果明显，可以有效防止结焦的加剧。此外， 因为吹灰后积灰较少的水冷壁可更有效地吸收炉内辐射热，所以炉膛出口处火焰及烟气温度极大地降低，从根本上降低炉膛出口处受热面上结焦的可能性。
锅炉吹灰是一种常规防范和减轻结焦的手段，其可操作性和安全性强，方式正确可能会达到理想的预防结焦的效果。
（二）控制机组负荷
锅炉负荷的增加是通过增大炉内的燃料量和受热面的净热流来实现，燃料量增大可以提高炉内整体温度，这意味着受热面壁温的提高，炉内结焦的可能性增加。对于发现结焦剧增的锅炉，应通过减负荷来降低炉内温度水平，使结焦脱落。
利用昼夜间锅炉负荷的波动，可使炉膛水冷壁及分隔屏上的松散型渣在炉膛温度降低时冷缩掉落，从而避免出现结焦的堆积硬化。根据试验，#2炉在60%BMCR工况下，27m标高处炉内火焰温度比BMCR负荷时降低了130℃左右，分隔屏进口处烟温降低了110℃左右，大幅降低炉膛温度降低结焦可能性。同时，在#2炉连续减8%BMCR负荷过程中，有大量焦块掉落，证明大幅度降低炉膛温度确实使局部的结焦出现胀缩裂缝，有利于焦块脱落。
此外，如果在连续运行24h后能有6h的低负荷运行，则可能不会出现严重的结焦。所以， 合理控制锅炉负荷， 利用负荷波动来防止炉内严重结焦， 也是可以控制结焦的措施之一。建议锅炉BMCR 负荷下的连续运行时间控制在24h之内。 减负荷运行，降低炉膛温度虽然是控制结焦有效的方法，但是受制于电网负荷需求限制，而且会使发电量减少，因此仅能作为特殊情况下的应急措施使用。
（三）风量控制
炉内燃烧过程中空气量不足，燃料与空气混合不良，燃料和空气散布不均造成火焰偏斜等情况都会引起锅炉结焦。由于采用四角切圆旋风燃烧方式，燃烧区域二次风与一次风形成一夹角，同时采用摆动式燃烧器，设置五层煤粉喷嘴，大风箱结构，见图一。煤粉喷嘴四周设有周界风，在每相邻二层煤粉喷嘴之间设有一层辅助风喷嘴。大风箱顶部设有一层CCOFA（紧凑燃烬风）喷嘴，大风箱底部设有一层UFA（火下风）喷嘴。在大风箱上部布置二层可水平摆动的SOFA（分离燃烬风）喷嘴。
改造后烟煤炉一二次风夹角为25度，根据此种燃烧器布置形式，可对配风方式做如下调整：
提高总风量。提高过量空气系数，降低炉内还原性气氛，使燃料更充分燃烧；
提高二次风量。在一次风速不变的情况下，提高二次风量可使煤粉气流偏转动量增加，助燃空气对燃料的卷吸能力增加，风粉混合和煤粉燃烬更为彻底；
增加燃烬风量。在受热面附近人为制造氧化气氛，使煤粉燃烧良好而不在炉壁附近产生还原性气氛，同时避免火焰偏斜直接冲刷炉壁。
一次风量调平。利用各类停炉检修的机会，及时进行一次风调平试验，降低燃料分布不均造成火焰中心偏移的可能性。
以弱化结焦为目的，我厂对以下三种可行的运行调整方式进行研究对比：
总风量偏置：以负荷对应DCS设定总风量为基数，[0，10%]为修正系数，增加总风量，增加部分全部为燃烬风量；
二次风量偏置：以总二次风量为基数，[-10%，10%]为修正系数，修正二次风量；
氧量偏置：以总风量为基数，[-6%，6%]为修正系数，修正二次风量。
经过实践，我们总结出以下几点：总风量偏置直接作用于燃烬风，位于炉33M，在燃烧器组顶部，但对于其下的水冷壁难以起到气膜的保护作用。二次风量偏置可使二次风量增加，总风量不变，对燃烧器区域的结焦有一定改善作用，但4个角的燃烬风量相应减少直至最小值10000Nm3/h，对NOX排放量有一定影响。氧量偏置的增加同时作用于二次风量和燃烬风量，燃烧器区域和水冷壁区域风量同时增加，缓解结焦的作用最为明显。因此，我厂将按比例增加燃烧区域二次风量和燃烬风量为主要调节措施，提高炉内过剩空气系数，优化燃烧器区域和水冷壁区域的风量配比，根据结焦程度进行2%-4%比例增量调整，对减缓结焦发展有一定积极影响。
（四）控制煤粉细度
煤粉细度对炉膛结焦有不同的影响。煤粉太粗，粗重颗粒容易从气流中分离出来与壁面发生碰撞，且不易得到充分冷却，不仅不利于着火和煤粒的燃烬，而且易造成炉膛上部和过热器部位结焦。煤粉太细，着火速度快，不仅会增加制粉电耗，而且会增加燃烧器区域结焦的可能性，尤其在燃用挥发份高的煤种时，更容易出现结焦现象。因此，要控制好煤粉细度，保证煤粉细度的均匀性，合理的煤粉细度应通过试验确定。中速磨出口煤粉细度的设计值R200/R90为18.3/0.6，通过在#1炉对磨煤机磨辊与磨盘间隙和旋转分离器转速试验调整，并在同负荷同煤种下比较结焦现象，我们暂将煤粉细度控制在16.3/0.6的水平，更为合理的煤粉细度须通过大量数据进一步分析摸索。
（五）适当降低磨煤机出口温度
中速碗磨或者钢球磨都是通过热风送粉，通过热风对煤的干燥，煤粉的碾制过程中更易于研磨，同时预热煤粉。通过降低磨煤机出口温度可以推迟其入炉后的着火点，增加其在炉内的吸热量，降低炉内热负荷，对缓解结焦有积极作用。因此，我厂根据煤的挥发份，将磨煤机出口温度降低至设计工况允许范围内的最低值65℃。
（六）改变煤质
因前文所述煤灰的熔融特性不仅与灰的成分有关，还与燃烧过程中灰中各成分之间的相互作用有关，则混煤灰熔融特性比单一煤种更复杂，不同煤种成分问的相互作用，都会使煤灰的熔点改变。不同特性的煤采用不同的配比掺混后，甚至会出现混煤的熔点比单一煤种的灰熔点高或低的现象。
在必须燃用低灰熔点煤种时掺入另一种高灰熔点煤可改变煤的性质，但混合煤的灰熔点并非是前两者的算术平均值，其特性是一种新的煤种，我们尝试高灰熔点煤：低灰熔点煤=1：1或者2：1的掺配方式，我们未对化合物质量分数做实际采样分析，但实践证明混煤确可一定程度上达到弱化结焦的目的。
四、小结
通过采取上述几个方面的运行防范措施，我厂结焦现象取得了明显控制，对机组安全运行及节能降耗产生积极作用。
关键词：320MW机组；结焦；吹灰
一、锅炉结焦状况及其危害
华能上海石洞口第一电厂四台320MW机组配套锅炉系上海锅炉厂生产的亚临界、一次中间再热、固态排渣、中间储仓式、直流∏型燃煤锅炉，采用四角切圆燃烧技术，设计煤种为贫煤。#1、#2号锅炉分别于2009年6月、2010年2月完成改造性大修并投产，制粉系统由钢球磨中间储仓式改为中速碗磨直吹式，设计煤种由贫煤改为烟煤。由于源煤质量不稳定，经常非设计煤种的低灰熔点烟煤作为燃料，水冷壁面及水冷壁之间均不同程度地出现结焦现象；燃用个别煤种时，结焦现象尤为严重。
锅炉结焦有诸多危害，大量落焦会导致干式排渣系统频繁跳闸，出渣系统跳闸会严重限制机组出力；炉膛内部结焦会增加受热面的传热阻力，使辐射吸热量下降，炉膛出口烟气温度升高，对流吸热量增加容易造成对流受热面超温，在减温水完全投用的条件下再热蒸汽管道仍然有可能超温；燃烧器喷口及其周围结焦，会改变流向及炉内动力工况，直接影响风粉混合及燃烧，严重时造成燃烧器损毁；结焦是一个单向不可逆的过程，若不及时采取措施，更有可能由于结焦加重导致塌焦砸坏冷灰斗等安全事故，最终被迫停炉处理。
二、锅炉结焦形成原因
正常情况下，煤粉气流在进入对流受热面以前应当完全燃烬，并已冷却至一定温度，这一过程在2至3秒内完成。处于燃烧中心（温度达1400℃）的煤粉颗粒可能已全部熔化或表面熔化，理想情况下煤灰离开燃烧中心碰到受热面以前应当已冷却成固体状态，这种情况下煤灰颗粒与受热面碰撞后仍会被烟气带走，只会造成受热面磨损和飞灰损失，不会在受热面形成结焦。假使煤灰与受热面撞击时，仍保持熔融状态，则会粘附在管壁上，形成结焦。
表一我厂设计煤种
煤灰成份中含有许多氧化物，可以分为金属氧化物和非金属氧化物，一般认为这些氧化物的配比对煤灰熔点起着决定性作用，在纯净状态下这些氧化物熔点很高，然而，实际煤中矿物质多以复合化合物的形式存在，燃烧生成的灰分也往往是多种组合结成的共晶体。这些复合化合物的共晶体熔点温度要远低于纯净氧物的熔化温度，各类氧化物熔化温度见表二
表二各类氧化物熔化温度
显然，燃烧生成的复合化合物共晶体熔点温度远低于纯净氧化物的熔化温度，这是锅炉炉膛结焦的根本原因。煤灰成分和炉膛温度无法改变，其他影响整个结焦过程的因素将在表三中展开：
表三锅炉结焦原因具体分析
三、运行防范措施及其效果
针对导致锅炉结焦的各个因素，本文提出六项运行防范措施以减轻锅炉结焦。
（一）加强吹灰
研究表明，无论炉内受热面的松散积灰还是粘结性的积灰，受热面上的沉积都需要经历一段时间。受热面结焦出现堆积和硬化亦是如此。从结焦形成过程以及影响结焦强度等方面，我们也可看到时间长度和结焦程度成正比。
如何有效发挥吹灰作用？一是频率，要求二次吹灰间隔周期的长短应服从于是否有效，即根据结渣积灰的速度及时调整吹灰器使用频率，吹灰间隔周期的长短取决于灰渣特性，易结焦煤周期短，不易结焦煤周期可长些；二是各部位都能吹到，在机组改造时在炉膛受热面布置足够数量的除灰器，尤其是将容易结渣的部位处在吹灰器的有效半径内；三是吹灰蒸汽压力，压力必须达到除焦的目的，根据除焦效果调整吹灰蒸汽压力。
锅炉受热面吹灰器必须有效利用，我厂严格按运行规程240MW以上对各受热面进行吹灰，加强现场巡检，当发现吹灰器因泄漏、卡涩故障或程控失灵等故障时，立即手操退出，避免炉管和坏吹灰器损坏，加强吹灰器的缺陷管理和维修管理，出现故障及时消缺。我厂通过对吹灰蒸汽的压力进行了调节试验，将吹灰蒸汽压力由1.2MPa提升为2MPa，由于结渣的初始阶段大都是松散型渣， 如能使炉膛内的松散型渣在压力蒸汽的冲击及温差裂缝的共同作用下撕裂脱落，可避免在炉内出现硬渣或连片渣等结焦严重化的倾向。
经过上述实践，结焦现象得到控制和减轻，尤其是在连续高负荷运行时，提高吹灰频率效果明显，可以有效防止结焦的加剧。此外， 因为吹灰后积灰较少的水冷壁可更有效地吸收炉内辐射热，所以炉膛出口处火焰及烟气温度极大地降低，从根本上降低炉膛出口处受热面上结焦的可能性。
锅炉吹灰是一种常规防范和减轻结焦的手段，其可操作性和安全性强，方式正确可能会达到理想的预防结焦的效果。
（二）控制机组负荷
锅炉负荷的增加是通过增大炉内的燃料量和受热面的净热流来实现，燃料量增大可以提高炉内整体温度，这意味着受热面壁温的提高，炉内结焦的可能性增加。对于发现结焦剧增的锅炉，应通过减负荷来降低炉内温度水平，使结焦脱落。
利用昼夜间锅炉负荷的波动，可使炉膛水冷壁及分隔屏上的松散型渣在炉膛温度降低时冷缩掉落，从而避免出现结焦的堆积硬化。根据试验，#2炉在60%BMCR工况下，27m标高处炉内火焰温度比BMCR负荷时降低了130℃左右，分隔屏进口处烟温降低了110℃左右，大幅降低炉膛温度降低结焦可能性。同时，在#2炉连续减8%BMCR负荷过程中，有大量焦块掉落，证明大幅度降低炉膛温度确实使局部的结焦出现胀缩裂缝，有利于焦块脱落。
此外，如果在连续运行24h后能有6h的低负荷运行，则可能不会出现严重的结焦。所以， 合理控制锅炉负荷， 利用负荷波动来防止炉内严重结焦， 也是可以控制结焦的措施之一。建议锅炉BMCR 负荷下的连续运行时间控制在24h之内。 减负荷运行，降低炉膛温度虽然是控制结焦有效的方法，但是受制于电网负荷需求限制，而且会使发电量减少，因此仅能作为特殊情况下的应急措施使用。
（三）风量控制
炉内燃烧过程中空气量不足，燃料与空气混合不良，燃料和空气散布不均造成火焰偏斜等情况都会引起锅炉结焦。由于采用四角切圆旋风燃烧方式，燃烧区域二次风与一次风形成一夹角，同时采用摆动式燃烧器，设置五层煤粉喷嘴，大风箱结构，见图一。煤粉喷嘴四周设有周界风，在每相邻二层煤粉喷嘴之间设有一层辅助风喷嘴。大风箱顶部设有一层CCOFA（紧凑燃烬风）喷嘴，大风箱底部设有一层UFA（火下风）喷嘴。在大风箱上部布置二层可水平摆动的SOFA（分离燃烬风）喷嘴。
改造后烟煤炉一二次风夹角为25度，根据此种燃烧器布置形式，可对配风方式做如下调整：
提高总风量。提高过量空气系数，降低炉内还原性气氛，使燃料更充分燃烧；
提高二次风量。在一次风速不变的情况下，提高二次风量可使煤粉气流偏转动量增加，助燃空气对燃料的卷吸能力增加，风粉混合和煤粉燃烬更为彻底；
增加燃烬风量。在受热面附近人为制造氧化气氛，使煤粉燃烧良好而不在炉壁附近产生还原性气氛，同时避免火焰偏斜直接冲刷炉壁。
一次风量调平。利用各类停炉检修的机会，及时进行一次风调平试验，降低燃料分布不均造成火焰中心偏移的可能性。
以弱化结焦为目的，我厂对以下三种可行的运行调整方式进行研究对比：
总风量偏置：以负荷对应DCS设定总风量为基数，[0，10%]为修正系数，增加总风量，增加部分全部为燃烬风量；
二次风量偏置：以总二次风量为基数，[-10%，10%]为修正系数，修正二次风量；
氧量偏置：以总风量为基数，[-6%，6%]为修正系数，修正二次风量。
经过实践，我们总结出以下几点：总风量偏置直接作用于燃烬风，位于炉33M，在燃烧器组顶部，但对于其下的水冷壁难以起到气膜的保护作用。二次风量偏置可使二次风量增加，总风量不变，对燃烧器区域的结焦有一定改善作用，但4个角的燃烬风量相应减少直至最小值10000Nm3/h，对NOX排放量有一定影响。氧量偏置的增加同时作用于二次风量和燃烬风量，燃烧器区域和水冷壁区域风量同时增加，缓解结焦的作用最为明显。因此，我厂将按比例增加燃烧区域二次风量和燃烬风量为主要调节措施，提高炉内过剩空气系数，优化燃烧器区域和水冷壁区域的风量配比，根据结焦程度进行2%-4%比例增量调整，对减缓结焦发展有一定积极影响。
（四）控制煤粉细度
煤粉细度对炉膛结焦有不同的影响。煤粉太粗，粗重颗粒容易从气流中分离出来与壁面发生碰撞，且不易得到充分冷却，不仅不利于着火和煤粒的燃烬，而且易造成炉膛上部和过热器部位结焦。煤粉太细，着火速度快，不仅会增加制粉电耗，而且会增加燃烧器区域结焦的可能性，尤其在燃用挥发份高的煤种时，更容易出现结焦现象。因此，要控制好煤粉细度，保证煤粉细度的均匀性，合理的煤粉细度应通过试验确定。中速磨出口煤粉细度的设计值R200/R90为18.3/0.6，通过在#1炉对磨煤机磨辊与磨盘间隙和旋转分离器转速试验调整，并在同负荷同煤种下比较结焦现象，我们暂将煤粉细度控制在16.3/0.6的水平，更为合理的煤粉细度须通过大量数据进一步分析摸索。
（五）适当降低磨煤机出口温度
中速碗磨或者钢球磨都是通过热风送粉，通过热风对煤的干燥，煤粉的碾制过程中更易于研磨，同时预热煤粉。通过降低磨煤机出口温度可以推迟其入炉后的着火点，增加其在炉内的吸热量，降低炉内热负荷，对缓解结焦有积极作用。因此，我厂根据煤的挥发份，将磨煤机出口温度降低至设计工况允许范围内的最低值65℃。
（六）改变煤质
因前文所述煤灰的熔融特性不仅与灰的成分有关，还与燃烧过程中灰中各成分之间的相互作用有关，则混煤灰熔融特性比单一煤种更复杂，不同煤种成分问的相互作用，都会使煤灰的熔点改变。不同特性的煤采用不同的配比掺混后，甚至会出现混煤的熔点比单一煤种的灰熔点高或低的现象。
在必须燃用低灰熔点煤种时掺入另一种高灰熔点煤可改变煤的性质，但混合煤的灰熔点并非是前两者的算术平均值，其特性是一种新的煤种，我们尝试高灰熔点煤：低灰熔点煤=1：1或者2：1的掺配方式，我们未对化合物质量分数做实际采样分析，但实践证明混煤确可一定程度上达到弱化结焦的目的。
四、小结
通过采取上述几个方面的运行防范措施，我厂结焦现象取得了明显控制，对机组安全运行及节能降耗产生积极作用。