330MW四角切圆燃煤锅炉结焦原因分析及应对措施

国能承德热电有限责任公司 石建良

燃煤锅炉结焦是影响燃煤电厂平稳安全运行的主要因素，受限于地理、交通运输条件等因素，我国众多燃煤电厂长期采用多种品质不一、煤质严重偏离设计煤种的配煤方式。由于煤种复杂多变、煤质下降，锅炉受热面很容易出现结渣，再加上现场运行人员对燃煤锅炉炉膛内的燃烧状态了解不足，在运行时凭经验进行配煤方式及配风方式的调整，从而导致锅炉受热面的结渣加剧，严重危害了锅炉的安全稳定运行。

燃煤锅炉结焦会影响炉内正常的燃烧工况，增大锅炉排烟热损失、降低效率，结焦严重时需要停炉检修，严重影响电网的经济性与安全运行[1]。同时由于煤炭市场供应的日益紧张，为降低运行成本，越来越多的燃煤电厂选择掺烧偏离设计煤种的高灰分煤，进一步加剧了炉内结焦现象[2]。因此需对电厂的结焦原因进行分析，根据结焦原因进一步提出防范措施，保证燃煤电厂的安全平稳高效运行。

1 设备概况及煤质参数

本文的研究对象为某电厂1号机组锅炉，该锅炉为上海锅炉有限公司制造的亚临界压力、一次中间再热、单炉膛四角切圆、自然循环、平衡通风锅炉，炉膛宽14022mm、深13640mm、高65500mm，四角对称、交叉布置5层一次风、6层二次风喷口，在炉膛上部布置4层分离燃尽风喷口。锅炉采用正压直吹式制粉系统，配置五台中速磨，燃烧器四角布置，切圆燃烧。锅炉在最大连续出力负荷工况（BMCR）、额定负荷工况（BRL）、75%热耗率验收工况（75%THA）以及50%热耗率验收工况（50%THA）下的设计参数如表1。锅炉的运行方式为能带动基本负荷，并具有一定的负荷调峰能力。

表1 锅炉主要设计参数

煤质成分是决定炉内组分分布、温度水平和导致炉膛受热面结焦的重要原因，充分了解现场所用煤种及煤种之间的掺混方式是保证数值计算准确性的基础。该电厂使用煤种较多、煤种复杂、煤灰含量多、热值高低不一，现将测得的各层燃烧器混煤特性数据列于表2。

表2 各层燃烧器混煤特性分析

通常根据煤灰程度、煤种中各成分含量多少、煤种的低位发热量等来进行煤种分类，根据现场煤灰取样所测得的数据（元素分析、工业分析及热值），参照我国工业锅炉中的煤种分类方式，可将电厂实际所用煤种大致分为劣质煤、一般煤、优质煤。

2 结焦概况及结焦原因分析

自该电厂掺烧高灰分、低热值煤后，机组锅炉在运行时存在炉膛及过热器、再热器区域结焦问题，结焦区域分布于前后墙、侧墙水冷壁以及屏式再热器，且水冷壁中部结焦较为严重，结焦面积较大，并数次出现掉焦现象。锅炉共五层燃烧器，除第二层外其余各层均存在较为严重的结焦现象，且喷嘴附近结焦严重，对气流形成切圆动力场有较为严重的影响。电厂运行过程中数次发生焦块掉落情况，造成较大的安全隐患并且导致低负荷工况下燃烧不稳定。同时结焦还导致锅炉排烟温度高于设定值，造成排烟热损失增加。由于结焦较为严重，锅炉数次进行停炉检修，对电厂的平稳运行产生了较大影响，据粗略估计，因清焦进行一次停炉检修电厂将损失数百万元，因此预防或减轻炉内结渣状况是燃煤机组亟须解决的一大难题。

造成结焦的根本原因是当炉内温度高于灰熔点时，灰融化并沉积在水冷壁过热器等受热面，可见炉内温度对于结焦有很大的影响。此外，当烟气中含有H2S、CO 等还原性气体时结焦程度也会增大[3]，这是因为还原性气体可将灰分中熔点较高的Fe2O3还原为熔点较低的FeO。因此，影响炉内温度和还原性气体分布的参数都将对锅炉结焦产生影响。导致炉内结焦的因素很多，包括一次风、二次风风速、比例，过量空气系数，燃烧器摆角，煤种掺混比例等。对于实际运行中的锅炉来说，受热面结焦状况的严重程度与配风运行参数及配煤运行参数的关系最大。针对该电厂锅炉，主要从煤质和操作两个方面分析结焦原因。

2.1 煤质因素的影响

由于受到煤炭价格波动等其他方面的影响，一号机组实际用煤与设计煤种和校核煤种有较大差异，由表2可知，在B 层到E 层燃烧器的实际用煤的灰分含量相较于设计煤种和校核煤种（19.67%和16.87%）均高于10%。灰分含量越高燃烧后灰量越多，在高温下结焦的面积和程度也就越大[4]。

除煤种灰分含量外，煤种热值的高低同样会影响炉膛结焦。由表2可知，每一层燃烧器所用煤种的热值均低于设计煤种和校核煤种热值（23641kJ·kg-1和19669kJ·kg-1）25%以上。根据设计参数，1号机组在BMCR 工况下燃料消耗量为131.6t/h。然而根据现场实测数据，在负荷为329MW 时实际耗煤量达到了188t/h，相比设计工况高出了37%。在相同负荷时耗煤量更大，燃烧后产生的灰量也就更多，加剧了结焦现象。

除了以上两种原因外，灰熔点的高低对于结焦也有重要影响。研究表明，灰熔点越高灰融化沉积在受热面的可能性就越小，进而结焦的可能性就越低[5]。因此对1号机组煤粉燃烧后生成的灰渣熔点进行分析。分析发现灰分的熔点均在1335℃以上，均高于设计煤种和校核煤种（1190℃和1160℃）。使用的煤种灰分熔点较高，然而却产生了较为严重的结焦问题，可见除煤质的影响，操作参数也对机组结焦产生了影响，导致炉内的燃烧动力场并未达到理想情况。

2.2 操作因素的影响

配风比例、配风均匀性和燃烧器摆角对于良好的燃烧动力场形成有着至关重要的影响，进一步影响结焦程度。倘若组织不合理造成燃烧器喷口处积灰结焦，进一步破坏燃烧动力场，导致高温处结焦加剧，造成恶性循环。

一次风、二次风分布比例对于燃烧工况至关重要。通过DCS 系统获得某一时刻323MW 时的一、二次风量和占比：该工况下，总风量为865.6t/h，其中一次风总量为401.6t/h，占总风量的46.4%、接近50%，，相比于设计工况20.7%的一次风率相差较大。一方面，一次风占比过大导致煤粉进入炉膛初期着火困难，炉膛下半部温度较低，火焰重心上移，火焰拉长，炉膛上部燃烧较为剧烈，炉膛出口烟气温度高于设计值，造成过热器和再热器结焦，同时增大了排烟热损失；另一方面，一次风量过大导致二次风量减少，煤粉得不到充分燃烧所需要的氧气，无法形成稳定的燃烧。同时，一次风量大导致煤粉颗粒的初速度较大，未燃物冲刷受热面的机会增大，增大了水冷壁发生结焦的可能性。

除配风比例外，每一层一二次风分布均匀性同样会影响结焦程度。同样以上述工况为例，研究一次风各个角风量均匀性对于结焦的影响。在该工况下，现场实际测得的A 层燃烧器1、2、3、4各角风速分别为30.6m/s、60m/s、26m/s 和52m/s，而在设计参数下，一次风速仅为27.4m/s，与实际相差较大。因为风速相差较大导致各个角的煤粉速度不一致，在炉膛内形成浓煤区和淡煤区，进一步产生局部高温区和局部低温区，燃烧工况不理想。此外，在风速较大的气流影响下，风速较低的气流会发生偏斜，造成煤粉贴壁燃烧，使得水冷壁结焦。

在实际操作中，也会通过改变喷嘴竖直角度来调整燃烧动力场。在喷嘴上扬时，颗粒上升速度提高、停留时间缩短，在炉膛中下部的燃烧不完全，在炉膛上部靠近过热器区域进行燃烧，火焰重心上移，造成过热器再热器温度提高，增加了结焦的可能性。同时，由于火焰中心上移、未燃尽颗粒量增加，在炉膛上部高温的作用下，未燃尽炭中的灰分变为熔融状态，沉积黏附在上部过热器再热器水冷壁上，进一步加剧结焦的风险。

综上，为保证炉膛内煤粉的稳定燃烧，防止因煤质因素和操作因素造成结焦现象，需对该机组锅炉提出相应调整。

3 防结焦应对措施

调整一次风速。在315MW 负荷下，通过调整风门开度实现对一次风速进行调整，研究在两种不同一次风速（33m/s、23m/s）下炉膛内温度、组分分布情况，进一步推断对结焦的影响。通过现场测量发现，相比于低一次风速，高一次风速下的炉膛内火焰高温区高度明显更高，这表明高一次风速推迟了煤粉的燃烧，导致火焰的上移，容易造成过热器与再热器结焦。同时低一次风速工况下的水冷壁周围CO 含量较低，有利于防止水冷壁发生结焦。因此为保证火焰中心不被抬高，一次风速不宜过大。

调整过量空气系数。过量空气系数是实际提供的空气量与煤粉燃烧实际需要的空气量之比。过量空气系数是影响炉内空气动力场和燃烧稳定性的重要因素。当过量空气系数过小时，煤粉燃烧得不到充足的氧气，造成煤粉缺氧燃烧，燃烧生成CO、H2S 等还原性气体，加剧壁面的结焦。过小的过量空气系数还有可能造成空气煤粉混合不充分，造成燃烧不稳定；当过量空气系数过大时气速过高，炉膛尾部烟道烟气残余旋转较强，烟气速度偏差较大，从而造成锅炉受热面结焦加剧。同时过量空气系数过大还会使得进入锅炉的低温烟气质量增加，降低了燃烧系统的温度，延迟燃料的着火。针对1号机组锅炉，当负荷在297MW 附近时，应选取过量空气系数为1.25，此时燃烧稳定，炉膛下部区域的CO生成量较少。

调整配煤方式。由以上小节可知，通过调整配风方式可以改善燃烧动力场，使煤粉和气流混合均匀，火焰中心位于炉膛中部，减少气流和颗粒对水冷壁的冲刷，从而减小结焦的危害。然而影响结焦的首要因素仍然是煤质的自身特点，不同煤种在不同的配煤方式下，炉内的温度场组分场都存在差异，从而造成不同的结焦现象。因此要结合电厂实际用煤的性质，通过合理的配煤减轻受热面的结焦。在复杂燃料下，通常采用炉内掺混（即不同燃烧器层送入的煤种单一，各层燃烧器的煤种进入炉膛内部掺混）和炉外掺混（即煤粉颗粒在进入炉膛之前掺混）。

通过现场研究发现，对于该电厂锅炉，下两层（即A、B 层）煤质对中下部水冷壁影响较大，因此A、B 两层燃烧器应燃用低灰分高热值的优质煤降低结焦风险。

综上，本文首先介绍了某电厂1号机组结焦概况，并从煤质和操作分析了受热面结焦原因，影响因素包括：煤种灰分含量、煤种热值、煤种灰分熔点、配风比例、配风均匀性和喷嘴竖直角度等。针对影响结焦的因素，提出了如下防结焦应对措施。

调整一次风速：降低一次风速可以使燃烧中心下移，防止气流偏斜冲刷水冷壁，降低受热面结焦风险；调整过量空气系数：适宜的过量空气系数可以使煤粉与空气充分混合，稳定燃烧，能提供充足的氧气使煤粉充分燃烧，降低壁面区域CO、H2S 等还原性气体含量，防止结焦发生；调整配煤方式：在复杂燃料条件下，电厂锅炉通常采用炉内掺混和炉外掺混两种配煤方式。针对该锅炉，下两层燃烧器应燃用低灰分高热值煤种，降低结焦风险。