鍋爐結(jié)焦原因分析

1、鍋爐結(jié)焦原因分析及治理改進 內(nèi)蒙古電力科學研究院鍋爐技術研究所 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 結(jié)焦的危害 結(jié)焦過程及判據(jù) 原因分析 治理改進措施1 1 概述 隨著國家西部開發(fā)戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，國民經(jīng)濟快速、穩(wěn)定發(fā)展，同時國家節(jié)能降耗、環(huán)保減排的治理力度也在不斷加大。電力能源建設迎來了飛速發(fā)展的大好時機和重大挑戰(zhàn)。近年來，一大批現(xiàn)代國外進口及國產(chǎn)大型鍋爐相繼投入商業(yè)運行。大型鍋爐機組燃料利用率高，具有良好的深度調(diào)峰能力，環(huán)境保護問題得到較好解決，熱工自動控制水平顯著加強提高。但鍋爐運行的安全性、可靠性研究成為日益重要的課題，它直接影響到燃煤發(fā)電技術發(fā)展和作為成熟商業(yè)技術的推廣應用。 我國

2、是產(chǎn)煤大國，煤炭資源豐富，煤種品質(zhì)差異很大，變化范圍寬廣。因此決定了火力發(fā)電廠以燃用煤炭為主，據(jù)統(tǒng)計我國7070以上發(fā)電裝機容量為燃煤發(fā)電機組，而區(qū)內(nèi)更高達9090以上。動力用煤普遍使用低品位劣質(zhì)煤種，加之現(xiàn)有供煤配煤系統(tǒng)有許多不完善之處，新增大容量火電機組較多，幅度較大，電站鍋爐燃用煤種品質(zhì)難以得到保證，鍋爐燃煤多變且灰分有不斷升高、熱值不斷下降的趨勢，有的煤種AarAar甚至高達4040以上，發(fā)熱量僅為13800KJ/Kg13800KJ/Kg（3300Kcal/Kg3300Kcal/Kg）接近于煤矸石品質(zhì)。鍋爐受熱面產(chǎn)生了許多磨損、積灰、結(jié)焦腐蝕、爆管等問題，使機組安全、可靠性得不到根本保

3、證，更談不上經(jīng)濟性運行。 鍋爐結(jié)焦是運行中常見問題，且無論鍋爐容量大小、形式如何，都難以避免。它對安全、經(jīng)濟運行影響大，所涉及到的設備、系統(tǒng)范圍廣，原因錯綜復雜，根本解決問題，難度較大。因此，結(jié)合鍋爐煤質(zhì)、運行熱力特性，對結(jié)焦機理進行研究分析，提出一些使用的防治改進技術，具有重要意義。 2 2 結(jié)焦的危害及治理意義2.1 2.1 結(jié)焦的危害 結(jié)焦使受熱面受到粘污，增大了傳熱熱阻，使傳熱惡化，據(jù)計算由于結(jié)焦會使受熱面?zhèn)鳠崮芰档?0306060。導致火焰中心上移，爐膛出口煙氣溫度升高，鍋排煙溫度升高。 各級減溫水用量大幅度增加，超過設計用量50506060，甚至引發(fā)屏式過熱器、高溫對流過熱器、再

4、熱器結(jié)焦、管壁超溫、爆管。因大型鍋爐過熱器壁溫安全裕度較小，正常運行時，已接近材料允許使用溫度，煙氣溫度升高，減溫水量不足，很容易引起超溫。 在高溫煙氣作用下，灰焦往往與管壁發(fā)生電化學反應，產(chǎn)生高溫腐蝕現(xiàn)象。煤中硫成份較高，會加劇這種腐蝕。 由于傳熱熱阻增大，燃料利用率下降，會使鍋爐無法維持在滿負荷下運行，只好進一步增加投煤量，提高煙氣溫度，燃料濃度升高，助燃風濃度相對降低，形成惡性循環(huán)。嚴重時只能維持4040負荷，甚至深度降負荷投油燃燒，借此維持平衡和甩焦。 造成較大的經(jīng)濟損失。主要表現(xiàn)在：爐膛及排煙溫度升高致使鍋爐效率平均降低1 12 2，煤耗大幅增加；低負荷運行經(jīng)濟性很差，甚至被迫停爐；

5、經(jīng)常停爐清焦，運行、檢修成本增加，少發(fā)電量進一步帶來損失。 人身、設備安全受到嚴重威脅。墜落的焦塊可能造成鍋爐滅火、放炮，經(jīng)常砸壞爐底冷灰斗水冷壁、爐底除渣設備和液壓關斷門，甚至造成人員。2.2 2.2 治理意義 顯著的經(jīng)濟效益 降低鍋爐的啟停損失，減少燃油消耗量，燃料利用率提高。統(tǒng)計計算表明，300MW300MW機組，啟停一次經(jīng)濟損失為240240260260萬元。鍋爐效率提高1 12 2，可降低發(fā)電煤耗8 810g/KW.h10g/KW.h，排煙溫度降低1010，可降低發(fā)電煤耗1 12g/KW.h2g/KW.h。提高機組可靠性增加發(fā)電量，增加帶負荷能力。使檢修（搶修、臨修）、運行維護成本降

6、低30304040。良好的社會效益 增加機組可利用小時數(shù)，鍋爐安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、可靠性得到根本保證，確保東送潮流穩(wěn)定。啟停次數(shù)減少，燃油量減少，水、汽排放量降低，環(huán)境污染程度減輕，有利于資源有效合理利用。 提高勞動生產(chǎn)率，降低檢修勞動強度。提高企業(yè)競爭力，為機組節(jié)能降耗工作開展，創(chuàng)造了有利條件。3 3 結(jié)焦過程及判據(jù) 3.1 3.1 結(jié)焦過程 結(jié)焦：煙氣中攜帶的熔化或部分熔化的灰顆粒，碰撞到受熱面管子被冷卻凝固而形成。形態(tài)主要以粘稠或熔融的沉淀物形式出現(xiàn)，主要出現(xiàn)在輻射、半輻射和高溫對流等受熱面。 結(jié)焦過程：結(jié)焦是一個物理、化學綜合過程，基本上分兩個階段。首先是煤中的堿金屬化合物、黃鐵礦分解產(chǎn)

7、物、鈣和磷的化合物，由煤顆粒中揮發(fā)出來，變成以氧化物、氯化物、氫氧化物的蒸汽或氣體，隨煙氣沖刷高過管子，換熱冷卻后在管子外表面凝結(jié)，形成粘結(jié)性沉淀層。同時，在高溫煙氣中硫氧化物氣體長期作用（燒結(jié)）下，形成薄而密實的硫酸鹽沉積層（第一層灰）。該沉積灰層極難清除。然后隨著灰層厚度不斷增加，其灰污表面溫度不斷升高，逐漸接近于當?shù)責煔鉁囟龋舸藷煔鉁囟仁够姨幱谌刍癄顟B(tài)，則在第一層粗糙的灰層表面及易 粘附一些煙氣中尚未得到冷卻成為凝固狀態(tài)的液態(tài)灰顆粒，形成增長速度很快的梳狀、松散多孔的外灰層沉積物（第二層灰），也就開始了結(jié)焦過程。形成第二層灰渣后，渣層中發(fā)生物理化學變化，使灰層強度增加。繼續(xù)粘附灰粒，厚

8、度逐漸增大。 其次，由于燃燒器最上層一次風噴口到屏過底部距離，不能滿足煤粉在爐膛內(nèi)充分燃燒要求，停留時間短，或爐膛內(nèi)水冷壁結(jié)焦，致使爐膛出口煙氣溫度，高于灰的熔化溫度，灰粒處于熔融或半熔融狀態(tài)，直接粘附在高過管子外表面。不斷發(fā)展、惡化，使煙氣通道堵塞。3.2 3.2 結(jié)焦判據(jù) 工程中常用的預測爐內(nèi)結(jié)焦傾向方法有以下幾種：3.2.13.2.1根據(jù)煤灰熔點溫度進行預測 還原性氣氛中煤灰初始變形溫度t t1 1。t t1 112891289，不結(jié)焦；t t1 11108110812881288，中等結(jié)焦；t t1 111071107，嚴重結(jié)焦。美國CECE公司DTDT（相當t t1 1）溫度判據(jù)為：

9、DTDT13711371，不結(jié)焦；DTDT1093109312041204，易結(jié)焦。 弱還原性氣氛中煤灰軟化溫度t t2 2。t t2 213901390，輕微結(jié)焦；t t2 21260126013901390，中等結(jié)焦；t t2 212601260，嚴重結(jié)焦。該判據(jù)具有6565的分辨率。日本用t t2 2溫度判據(jù)為：t t2 212301230，結(jié)焦性低；t t2 212301230，結(jié)焦性高。3.2.2 3.2.2 根據(jù)煤灰成份綜合比值進行預測 硅比系數(shù)G G。定義式如下： 式3.21 式中當量FeFe2 2O O3 3FeFe2 2O O3 31.11FeO1.11FeO1.43Fe1.

10、43Fe。硅比中分母大多為助熔劑，SiOSiO2 2大則灰渣粘度和灰熔點較高，因此，G G越大，結(jié)焦傾向越小。判據(jù)如下： 3222OFe100當量MgOCaOSiOSiOG 硅/ /鋁比。判據(jù)為：SiOSiO2 2/Al/Al2 2O O3 31.871.87，輕微結(jié)焦；SiOSiO2 2/Al/Al2 2O O3 31.871.872.652.65，中等結(jié)焦；SiOSiO2 2/Al/Al2 2O O3 32.652.65，嚴重結(jié)焦。 鐵/ /鈣比（美國判據(jù)）。推薦值為：FeFe2 2O O3 3/CaO/CaO0.30.3，不結(jié)焦；FeFe2 2O O3 3/CaO/CaO0.30.33.

11、03.0，中等或嚴重結(jié)焦；FeFe2 2O O3 3/CaO/CaO3.03.0，不結(jié)焦。 堿/ /酸比（B/AB/A）。定義式如下： 式3.23.22 2硅比 我國 美國法國結(jié)焦傾向G G78.878.8 727280807272輕微66.166.178.878.8 6565727265657272中等66.166.1 505065656565嚴重23222232OFe/TiOOAlSiOOKONaMgOCaOAB判據(jù)如下： 上述預測爐內(nèi)結(jié)焦傾向的方法沒有絕對性，實際應用，往往幾種方法互相結(jié)合采用，綜合判定。 堿酸比 我國 國外結(jié)焦傾向B/A B/A 0.40.40.70.7嚴重0.2060

12、.2060.40.40.40.40.70.7中等0.2060.2060.40.4輕微 4 4 原因分析 鍋爐結(jié)焦，往往是由于眾多因素綜合作用，而產(chǎn)生的。所涉及到的設備、系統(tǒng)亦較多。本文將從燃料、設備、運行等幾方面加以分析。4.1 4.1 燃料入爐煤 1168 1168 煤灰熔點：煤灰熔點是導致鍋爐結(jié)焦的重要原因之一。根據(jù)判據(jù)，t t1 111001100、t t2 212001200的煤即屬于易結(jié)焦煤種。因該溫度已非常接近爐內(nèi)煙氣溫度，煤灰顆粒處于熔融狀態(tài)，煤灰粘結(jié)到受熱面管子上的幾率較大。 煤灰成分：煤灰中對結(jié)焦有重要影響的成份主要為堿金屬化合物（包括氧化物、氯化物、氫氧化物等）、含鐵礦物鹽

13、、復合硫酸鹽、硅鋁酸鹽，它們往往形成共熔體復合鹽，在高溫煙氣中分解、揮發(fā)而成蒸汽、氣體，有的發(fā)生化學反應。堿金屬氧化物、氯化物及其硅酸鹽、硫酸鹽類易揮發(fā)，能促進灰層形成，降低灰熔點；FeSFeS、FeOFeO熔點較低，且使灰熔點降低；SiOSiO2 2熔點和氣化溫度很 高，但硅酸鹽的共熔體熔點有較大降低，AlAl2 2O O3 3使灰熔點升高；CaOCaO則是低熔點共晶體的重要組成部分，在1010以內(nèi)，可使灰熔點降低, ,當3030后，灰熔點顯著升高。 灰量：灰熔點與灰份含量有一定關系，灰份為7 71515，灰熔點迅速降低，在10102525的范圍內(nèi)，灰熔點出現(xiàn)最低值。4.2 4.2 鍋爐設備

14、 爐膛幾何尺寸：重要幾何尺寸包括爐膛長寬及斷面尺寸、爐膛有效高度、火焰相對中心等。這些尺寸決定了爐膛熱負荷是否與煤種相匹配，并能夠滿足爐內(nèi)火焰充滿度好，煤粉充分燃燒，組織合理的燃燒空氣動力工況。爐膛斷面寬深比宜為1.01.01.11.1，不宜超過1.251.25。如幾何尺寸設計不當，將使熱負荷值較高則必然導致爐內(nèi)局部區(qū)域或整體結(jié)焦。我國各容量電站鍋爐熱負荷推薦值如下： 爐膛容積熱負荷推薦值（q qV V） KW/mKW/m3 3 爐膛斷面熱負荷推薦值（q qA A） MW/mMW/m3 3 燃料 固態(tài)排渣爐 液態(tài)排渣爐 開式爐膛半開式爐膛熔渣段無煙煤1091091401401451451691

15、69538538698698貧煤116116163163151151186186163163198198523523698698煙煤9999198198186186198198523523640640褐煤9393151151油233233349349氣349349鍋爐蒸發(fā)量（鍋爐蒸發(fā)量（t/ht/h）2202204104106706701000100020002000切切向向燃燃燒燒褐煤和易結(jié)褐煤和易結(jié)渣煤渣煤2.102.102.562.562.912.913.373.373.203.203.723.723.203.203.783.783.303.303.833.83煙煤煙煤2.332.332

16、.672.672.792.794.074.073.723.724.654.654.374.375.405.404.804.805.625.62無煙煤、貧無煙煤、貧煤煤2.202.203.483.482.582.583.503.502.732.734.004.004.984.98 前墻或?qū)_燃燒前墻或?qū)_燃燒2.212.212.792.793.023.023.723.723.493.494.074.07 油、氣油、氣4.074.074.774.774.194.195.295.295.235.236.166.166.126.127.797.797.097.098.148.14 燃燒器區(qū)域容積熱負荷

17、（q qrvrv）及壁面熱負荷（q qrfrf） 燃燒器角度，切圓直徑，高寬比等幾何尺寸：對于四角切圓燃燒的直流燃燒器組較為重要的幾何尺寸為：燃燒器噴口軸線與水冷壁夾角或與爐膛斷面對角線間夾角，該尺寸決定了假想切圓直徑的大小和噴口兩側(cè)壓差大小。假想切圓大則實際切圓也較大。切圓過大，則氣流偏轉(zhuǎn)明顯，易造成氣流掃邊，如圖所示。對固態(tài)排渣爐假想切圓直徑d d0 0（0.080.080.10.1）A A，液態(tài)排渣爐d d0 0（0.10.10.160.16）A A，對燃油鍋爐d d0 00.15A0.15A。由于臨角氣流燃料q qrvrv MW/m MW/m3 3q qrfrf MW/m MW/m2

18、2無煙煤、貧煤0.350.350.750.751.01.01.81.8煙煤0.400.400.780.781.11.11.21.2褐煤0.190.190.440.440.930.931.361.36和上下氣流的相互作用，及熱煙氣膨脹，實際切圓直徑是假想切圓直徑的7 78 8倍。 高寬比h/bh/b，燃燒器一、二次風噴口間相對間距/b/b。h/bh/b過大意味著氣流剛性變差，/b/b過小意味著氣流上下部分的補氣條件不足，這些都會導致氣流出離噴口后，迅速發(fā)生大幅度偏轉(zhuǎn)，使切圓直徑變大，極易發(fā)生氣流掃邊。h/bh/b推薦值為8 89 9。/b/b對無煙煤和貧煤0.30.30.90.9，對煙煤和褐煤為

19、0 00.30.3。因此，大型鍋爐燃燒器一般分為上下兩組，之間并保持有較大間距。 對于旋流燃燒器主要幾何尺寸為：相鄰燃燒器的間距a a，該推薦值為雙層錯列布置時，為（3.53.54.04.0）D D，雙層順列布置時，為（2.52.53.03.0）D D。邊側(cè)燃燒器至臨墻距離a ab b該推薦值為（1.41.41.61.6）D D。a a過小則相鄰燃燒器火焰氣流不能自由擴散，相互產(chǎn)生干擾。a ab b過小則會導致火焰刷墻。 火焰高度：燃燒器最上排一次風（三次風）噴口到屏底距離或出口煙窗中心的距離。通常要求該距離（爐寬爐深）/2/2，四角切圓燃燒的鍋爐該值要大于前墻或?qū)_燃燒的鍋爐。該值過小則煤粉

20、得不到充分燃燒，火焰上移，灰粒到達爐膛出口來不及凝固，極易引起結(jié)焦。下限推薦值如下： 固態(tài)排渣爐火焰高度下限值（m m）： 風機出力：現(xiàn)代大型鍋爐風機設計選型時，采用的裕度都較小，一般為5 51010。當燃料發(fā)生變化時，或空預器堵灰、漏風嚴重時，造成風機出力不足。這樣會造成煤粉濃度相對變大，二次風相對不足，從而導致爐內(nèi)產(chǎn)生還原性氣氛，灰熔點降低發(fā)生結(jié)焦。 衛(wèi)燃帶：衛(wèi)燃帶使水冷壁受熱面吸熱量減少，燃燒器區(qū)域煙氣溫度升高，局部熱負荷增加。并人為增加了管子粗糙度，提高了灰粒粘附能力。如果設置不當，極易產(chǎn)生嚴重結(jié)焦問題。 燃料 鍋爐蒸發(fā)量（t/ht/h） 75 75 13013022022041041

21、06706701000100020002000無煙煤、貧煤 7.57.59.59.511.511.514.514.515151818煙煤、褐煤 7 79 912121414171716.516.5212120202424油 5 58 8101012121414 爐膛漏風：鍋爐爐墻孔門往往存在很大的漏風，漏入的冷空氣使該處煙氣中液態(tài)灰粒得到急速冷卻，使灰粒粘附在孔門處形成積灰和焦層。同時，漏入的冷空氣擾亂了局部煙氣流，增加了灰粒粘附在管子上的幾率，使灰焦層迅速增厚。4.3 4.3 運行工況 熱偏差：現(xiàn)代大型鍋爐，尤其四角切圓燃燒的鍋爐，由于氣流旋轉(zhuǎn)動量矩增大，極易在燃燒器區(qū)域、爐膛出口區(qū)域產(chǎn)生較

22、大的煙氣溫度、速度偏差，偏差系數(shù)可以達到1.251.251.301.30。致使局部熱負荷大幅升高，為結(jié)焦創(chuàng)造了有利條件。 風速：各層一次風速、二次風速偏差較大，造成火焰、煙氣偏斜，氣流剛性不足，偏轉(zhuǎn)刷墻，煤粉濃度分布不均，局部熱負荷增大且形成還原性氣氛，造成結(jié)焦。 煤粉細度：不同細度的煤粉燃燒具有不同的溫度，煤粉越粗則燃燒溫度越高，火焰拖長，熔化比例高。且粗煤粉顆粒轉(zhuǎn)動慣性大，容易貫穿煙氣粘附到受熱面管子上。煤粉過細，使堿金屬化合物極易從煤粉中揮發(fā)出來，增快了第一層灰的形成，同時煤粉著火提前，強度提高，局部煙溫、熱負荷迅速提高，促進了燃燒器噴口和水冷壁結(jié)焦。 燃燒動力工況：一、二次風率配比不當

23、，一次風射流剛性差，補氣條件不好，燃燒器投停方式不合理，造成爐內(nèi)風粉不均，燃燒動力工況紊亂，局部形成還原性氣氛，局部煙氣溫度偏高，熱負荷大，導致切圓變大，氣流偏轉(zhuǎn)，結(jié)焦嚴重發(fā)生。 氣氛：爐膛過?？諝庀禂?shù)增加，則爐膛壁面溫度降低，受熱面沉積物減少。供氧不足則產(chǎn)生還原性氣氛，熔點較高的FeFe2 2O O3 3還原為較低熔點的FeOFeO，從而使灰熔點 點大大降低，增加結(jié)焦可能性。在還原性氣氛中，鐵與硅、鋁的氧化物形成了更低熔點的硅、鋁酸鹽，進一步使灰熔點降低。 5 5 治理改進措施 在采用排除法，進行試驗分析后，確定產(chǎn)生結(jié)焦的主要原因，即可有針對性地采取治理措施。 摻燒：在場地允許，有大型參煤設備時，對于易結(jié)焦和高灰份煤，采用煤種摻燒是解決結(jié)焦的有效方法。摻混入灰熔點較高的煤，可在一定程度改善混煤的灰渣特性，提高灰熔點，對受熱面有沖刷作用，使沉積量降低。減輕爐內(nèi)結(jié)焦。摻燒比例需進行試驗確定，并盡量做到摻混均勻。 改造燃燒器：減小燃燒器與對角線之間夾角，縮小假想切圓直徑，一般要求為d d0 0（0.050.050.060.06）A A，相對切圓直徑0.50