燃用神华煤防结焦技术研究

周骥

摘 要：神华煤发热量大，价格相对经济，但是灰熔点低，易结焦，本文从神华煤的特性出发，从锅炉的设计、调试、运行等方面分析了燃用神华煤防结焦的安全措施，为今后本项目的运行检修提供指导。

关键词：火力发电厂；神华煤；燃烧；结焦

引言

神华煤作为国内燃煤电厂煤源之一，储量大，发热量大，但其灰熔点低，结焦倾向明显的缺点也很突出。研究神华煤的防结焦特性，保证锅炉在燃用神华煤时能安全、稳定、长期运行，研究神华煤的防结焦特性具有很强的现实意义，通过对神华煤特性的研究，为锅炉的设计、调试、运行提供一定的指导。

1、本工程概况

本工程建造二台1000MW燃煤汽轮发电机组，锅炉东方锅炉厂生产的超超临界、一次中间再热变压运行直流炉、采用平衡通风、单炉膛、前后墙对冲燃烧方式、固态排渣、露天布置、全钢构架悬吊结构Π型锅炉。本工程设计煤源为神华宁夏煤业枣泉煤矿和梅花井煤矿的烟煤。

2、结焦的机理

通常认为，煤粉颗粒进入炉膛后被迅速加热至燃烧，所含灰分中的矿物质迅速分解、挥发、氧化并发生反应，碱金属氧化物、黄铁矿残渣等会气化并随着烟气扩散运动至水冷壁，受冷凝结，形成比较薄的初始垢层。初始垢层粘合力大于光滑的金属壁面，未凝固的熔融态、半熔态颗粒部分会随烟气到达受热面并受冷凝固聚集，随着粘合力增加，积灰厚度增加，渣层的外表温度不断升高，接近软化温度时会形成粘附性很强的塑性渣膜，并随时间增长逐渐烧结，形成大块的焦渣。当渣面温度超过软化温度逐渐接近烟气温度后，焦渣本身厚度不再增加，渣层逐渐转变为流动态，结渣面向背风侧扩散，扩大了结焦、积渣的范围。因此，结焦的过程能自动加剧。

3、结焦的危害

3.1锅炉热效率下降

受热面结焦后，传热恶化、排烟温度升高，锅炉燃烧热效率下降；燃烧器出口结焦，会造成气流偏斜，燃烧恶化，有可能使机械不完全燃烧热损失和化学不完全燃烧热损失增大；大量结焦还会影响锅炉的通风流场，使锅炉通风阻力增大，厂用电量上升。

3.2影响锅炉出力

水冷壁结焦后，锅炉传热效率下降，炉膛出口烟温升高，蒸汽出口温度升高，管壁温度升高，炉内通风阻力的增大，都会成为限制锅炉出力的因素。

3.3影响锅炉运行的安全性

结焦后过热器、再热器处烟温升高，引起管壁超温的概率增加。由于结焦往往是不均匀的，引起炉膛内烟气流场发生改变，炉膛内各点温度热偏差增大，对锅炉的水冷壁热偏差带来不利影响：炉膛上部大块结焦掉落时，会造成炉膛负压大幅度波动，影响锅炉燃烧稳定性，严重时可能砸坏冷灰斗水冷壁管，造成炉膛灭火或堵塞排渣口，使锅炉被迫停止运行；大块焦掉落，还会造成炉底水封大量高温水溅出，烫伤就地巡检人员。

4、神华煤特点

神华煤是我国目前最重要的动力煤之一，形成于侏罗纪时代，具有高挥发份、中高热值、易着火、易燃尽等优点，燃烧经济性好，环境保护效益高，价格也相对经济。因此，不少燃煤发电厂使用神华煤作为燃料，国内一些大容量燃煤锅炉很多采用神华煤作为设计煤种。但是神华煤也有很大的缺点，那就是是灰熔点低，积灰指数偏高，具有强的结渣性和粘结性，给锅炉的安全稳定运行带来了很大的隐患。研究如何使燃用神华煤的同时保证锅炉不结焦或者减少结焦具有很强的现实意义。

5、本项目神华煤的燃烧特性及对结焦的影响

5.1发热量大

神华煤的低位发热量高，达到了23.42-25.09 MJ/kg，本项目设计煤种低位发热量为20.324 MJ/kg，低于神华煤低位发热量。发热量大意味着单位热量需要的燃料较少，燃烧也更为集中，在炉膛会产生更高温度的烟气，有利于结焦的产生。

5.2灰分含量低

神华煤的收到基灰分约为4-9%，低于本项目设计煤种的灰分（15.59%）含量。较低的灰分含量在燃烧中产生较少的灰渣颗粒，灰渣与管壁接触的量减少，有利于结焦的预防。

5.3挥发份较低

神华煤的收到基会挥发份为24%-34%，低于本项目设计煤种的收到基挥发份（34.69%）含量。挥发份含量低，在燃烧神华煤时煤粉的着火延后，火焰中心离燃烧器区域水冷壁更远，有利于水冷壁结焦的控制。同时挥发份低会导致火焰中心上移，提高屏式过热器温度，不利于预防结焦。

5.4灰熔点低

神华煤的煤灰软化温度为1150-1250℃，与本项目设计煤种的煤灰软化温度1170℃基本持平。在灰熔点上与本项目设计参数相差不大，同属于易结焦的煤种。不管是否燃用神华，均需要控制炉膛内部最高温度，防止大规模结焦。

6、防止结焦措施

6.1设计方面

1）降低炉膛单位面积热负荷。

设计时适当降低炉膛的热负荷，增大炉膛面积，能有效的降低炉膛内的最高温度，但增大炉膛面积会导致锅炉的最低稳燃负荷升高，不利于在低负荷下锅炉的安全稳定运行。

2）优化锅炉结构。

在设计时充分借鉴以往的設计经验，并在设计时进行炉内流场的模拟实验，保证炉内的流场在各个负荷段均能保持均匀，火焰不刷墙，炉内温度分布较为均匀。

6.2调试方面

1）提高制粉系统煤粉均匀性

提高每台制粉系统粉管出粉均匀，可以降低炉内最高温度，防止局部高温的产生。局部高温的产生会大大提高局部结焦的概率，使结焦处的受热面管壁温度升高，甚至引起超温。通过煤粉的均流试验（在每台制粉系统的粉管支管上安装可调缩孔和风速测量装置）和燃烧调整试验。将每个粉管的出力调节均匀，配合不同制粉系统的切换调整，保证炉膛内的热负荷均匀，不发生局部温度过高。

2）在调试阶段进行空气动力场分布测试实验，配合二次风、燃尽风的调整，提高炉内空气流场分布的均匀性。endprint

6.3燃料配煤方面

1）燃煤掺混掺烧

掺烧高灰熔点煤，提高入炉煤灰熔点，加强入炉煤质化验，控制入炉煤软化温度高于1100℃。掺烧神华煤时，控制神华煤的掺烧比例，若结焦情况较为严重，可降低神华煤的掺烧比例。考虑四川电网中火电机组运行的特殊性，可能会长期处于低负荷运行，且负荷很少出现大幅波动情况，可以通过预测机组负荷的方式，改变神华煤的掺烧比例，使神华煤能得到最大限度的利用。

2）针对不同的负荷供给不同的煤种

高负荷时炉膛热负荷高，发生结焦的可能性较大，此时供给灰熔点较高的煤，防止炉膛内结焦的发生；在低负荷时，炉膛热负荷低，此时可以供给灰熔点较低的煤，炉膛内部也不会结焦。通过不同上煤方式的组合，达到燃用神华煤的同时防止结焦的目的。

6.4运行调整方面

1）降低炉膛内热负荷

结焦严重时可降低机组负荷降低炉膛单位面积的热负荷，从而降低炉膛内部的最高烟气温度，控制最高温度在灰熔点以下，减少熔融或者半熔融灰分的产生。这样可以减少灰分附着在管壁上的量，干燥的飞灰附着在管壁上可以通过蒸汽吹灰清洁。

2）提高煤粉细度，降低燃烧后灰分颗粒温度

炉内煤粉在燃烧时其颗粒温度要高于烟气温度，煤粉的粒径越大，其温度越高。某研究结果表明：在与燃烧器距离一定的情况下，500μm粒度的颗粒温度最多可比烟气温度高240℃左右；100μm粒度的颗粒温度比烟气温度高100℃左右；而50μm粒度的颗粒温度比烟气温度高25℃左右，且大颗粒煤粉由于燃尽时间较长，所以其保持较高温度水平的时间更长。煤粉细度提高后，灰分颗粒温度与炉膛的烟气温差变小。提高煤粉细度能降低灰分颗粒的温度，降低结焦发生的概率。但是过高的煤粉细度会增加制粉系统单耗，容易导致磨煤机堵磨，降低磨煤机的出力高限。需要通过实验得到最佳的煤粉细度。

3）不同制粉系统组合方式的调整

不同制粉系统的运行组合能改变炉内的流场分布，改变火焰中心的高度。若屏式过热器结焦情况严重，可以通过停用上层制粉系统，启用下层制粉系统的方式降低炉膛火焰中心，降低炉膛出口温度，延缓结焦的发展。也可以通过降低一次风流量或者二次风流量的方式降低炉膛出口温度。

4）合理控制吹灰压力和吹灰时间

蒸汽吹灰的目的是为了吹掉附着在受热面管壁上的飞灰，达到清洁受热面的效果。但吹灰压力过高、频率过高及每次吹灰的时间太长也会增加吹灰蒸汽对受热面管壁吹损，降低管壁的使用寿命甚至造成受热面爆管。经过吹灰的调整试验，观察不同吹灰压力和时间对锅炉排烟温度的影响，在经济性和安全性之间得出最优的吹灰效果。

5）加强对受热面结焦情况的检查

通过就地巡检或者炉膛掉焦的频率，初步判断炉膛内部结焦的状况。根据结焦的状况采取增加吹灰频率或者降低机组负荷的方式等方式防止结焦情况的继续扩大。

6.5检修维护方面

1）加强停炉后的检查

每次停炉后对受热面管壁结焦情况、燃烧器喷口结焦情况进行检查，分析结焦原因，为运行的下阶段调整操作提供一定的指导。若燃烧器已严重烧损，则及时对烧损部位进行更换，防止由于燃烧器的损坏而导致的炉内流场的改变。

2）结焦后的处理

若由于大块焦掉落引起的捞渣机链条卡涩，应及时组织检修力量进行清理，减少炉底水封破坏时间，保障锅炉的正常运行。

7、结论

设计阶段采用降低炉膛单位面积热负荷、优化锅炉结构；调试阶段采用提高制粉系统煤粉均匀性、进行炉内流场试验；燃烧配煤方面采用燃煤掺混掺烧、针对不同的负荷供给不同的煤种；运行调整方面采用降低炉膛内热负荷、提高煤粉细度，降低燃烧后灰分颗粒温度、不同制粉系统组合方式的调整、合理控制吹灰压力和吹灰时间、加强对受热面结焦情况的检查等方面的控制，控制神華煤燃烧时可能发生的结焦现象。

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