燃煤锅炉结焦及预防措施研究

王志强

（煤科院节能技术有限公司，北京 100013）

我国“富煤、贫油、少气”的资源特点，以及煤炭作为一次能源的低成本， 决定了未来相当长的时间内我国以煤炭为主的能源结构不会改变。

煤炭根据使用目的， 有提供动力和炼焦两大用途，锅炉作为提供动力的设备，在燃用煤炭时，极易发生结焦现象，锅炉结焦危害很大，影响燃煤锅炉的安全性及经济性，10%以上的锅炉非正常停机是由于结焦造成的，同时也导致了许多现场事故。

炉膛水冷壁结焦，会使热负荷增加、对流传热量提高，导致蒸汽温度和金属管壁超过温度限制，同时也会引起炉内空气动力场不均、燃烧火焰发生偏斜，导致水冷壁管污垢严重、扰乱锅炉的燃烧、炉膛因受热不均匀致使炉壁被撕裂。 燃烧器喷口及其周围区域结焦，会干扰煤粉的射流轨迹，引起炉内空气动力场的变化，并干扰风粉的混合以及煤粉的燃烧。炉膛出口受热面上的结焦，不仅会干扰热交换，使通风阻力增大，严重的情况下还有可能堵住烟气通道，令燃烧恶化。特别是灰渣集聚并从受热面脱落，会砸到冷灰斗，严重时甚至造成锅炉停运打焦[1]。

1 燃煤锅炉结焦的研究

锅炉运行时，煤灰、煤渣在靠近水冷壁、燃烧器和炉膛内壁前， 如果软化的灰渣颗粒温度降低凝结成固态，就会在受热面上形成一层疏松的灰层，吹灰操作即可清除。当燃烧区域高温过热时，一部分灰渣在接触到水冷壁前，没有经过足够的降温放热，处于熔融和半熔融状态，此时的灰渣有较高的粘性，容易吸附在燃烧器和水冷壁上， 已粘附的颗粒物极易粘附其他灰渣颗粒物，使结渣面继续扩大。

1.1 锅炉燃烧结焦的机理研究

煤炭燃烧是煤炭利用的主要方式， 在各类锅炉中，炉内结渣是普遍问题。 煤粉在锅炉内燃烧，熔化或部分熔化的颗粒被夹带在烟气中， 它们碰到水冷壁后沉积，形成初始层，随后厚度不断增加，水冷壁传热效率降低，表面温度上升，使表面灰粒熔融，形成结渣[2]。究其原因，可以分为以下几个因素：煤质灰熔点的高低、锅炉设备热负荷的设计、煤粉颗粒的粗细、一二次风的配比及动力场、锅炉的运行负荷及燃烧环境。

1.2 锅炉燃烧结焦的煤质因素研究

煤的灰熔点是一个温度范围，通常为1 000～1 600℃。软化温度＞1 350 ℃称为难熔煤，软化温度在1 200～1 350 ℃之间，称为中熔灰分煤，软化温度＜1 200 ℃称为易熔煤。 灰熔点越低越容易结渣，灰中的化学成分和矿物质对灰熔点有较大影响。

1.2.1 化学成分对灰熔点的影响

煤灰的化学成分，主要是一些无机氧化物[3-4]，如碱性氧化物和酸性氧化物。 其中，Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O为碱性氧化物，SiO2、Al2O3、TiO2为酸性氧化物。煤灰处于一定的环境氛围中，氧化物的多少决定了灰熔点的高低。一般来说，酸性氧化物可以提高煤的灰熔点，碱性氧化物能够降低煤的灰熔点[5-6]。 但是，灰中化学成分在高温下会相互作用，影响灰熔点的高低，富含碱性金属氧化物的煤，灰熔点较低，因为高温时，碱性金属氧化物与灰中SiO2和Al2O3作用，生成长石类、硬石膏等一些低熔点的矿物。

CaO含量对灰熔点有双重作用，在高温下，含量低于35%时，容易与灰中Al2O3和SiO2作用，生成低熔点的矿物，降低了煤的灰熔点；超过此量后，会提高灰熔点[7]。

SiO2和Al2O3自身熔点比较高， 是煤灰的主要成分。Al2O3结构稳定，起骨架作用，能使灰熔点升高。煤灰中SiO2呈玻璃体结构，SiO2含量低于40%时， 与灰中其它组分作用， 生成共熔物， 使灰熔点降低；在40%～60%之间，对灰熔点基本没有影响；超过70%时与Al2O3的作用相似。

MgO熔点较高，含量较少，但对煤灰熔点的影响较大[8]，有双重作用，镁基熔剂为助熔剂，加入镁基熔剂后，在高温下，与灰中的铝硅酸盐相互作用，生成低熔点矿物，降低了灰熔点。

Fe2O3所处环境氛围不同时， 对灰熔点的影响不同。 一般情况下，含量小于50%时降低灰熔点，在弱还原氛围下此作用更明显；超过50%后，会提高灰熔点。 铁系熔剂为助熔剂，加入铁系熔剂后，在高温下与灰中的铝硅酸盐相互作用，生成低熔点长石，降低了灰熔点。

Na2O和K2O含量较少，熔点较低，但对灰熔点的影响不能忽略。高温时，易于与煤灰中SiO2和A12O3作用，生成长石类矿物，降低了灰熔点[9]。

1.2.2 矿物组成对灰熔点的影响

煤中矿物分为两大类[10]:内在矿物和外来矿物。在高温下， 这些矿物质本身及相互之间发生复杂的反应，形成不同物质，这些物质决定了灰熔融特性和煤炭结渣性。

总的来说，根据煤中这些矿物对灰熔点的影响，可以将其分为两类: 助熔矿物和耐熔矿物。 其中长石、硅酸钙、赤铁矿、硬石膏和重晶石为助熔矿物，而石英、高岭石、莫来石和钛氧化物为耐熔矿物。 助熔矿物的总量占矿物总量的百分比， 决定了煤灰熔融温度的高低。

WU X J等人[11]研究了煤中矿石对灰熔点的影响。提出灰熔点的高低取决于石英、 高岭石和长石的含量，随着高岭石含量的增加，灰熔点升高；高岭石含量相同时，长石含量高的煤灰熔点低。

VASSILEV S V等人[12]分析了煤化学组成和矿物组成，认为煤灰中硅酸盐含量高时，灰熔点较高；而含有较多氧化物和长石时，灰熔点较低。

总的来说，在煤灰中，助熔矿物的百分比越大，灰熔融温度越低；助熔矿物的百分比越小，灰熔融温度越高。

1.2.3 煤种掺混对锅炉燃烧结焦影响的研究

多数锅炉在建厂选址之时， 考虑到燃料的运输成本，大都建在坑口附近，根据坑口煤质特性进行锅炉设计，但是锅炉不可能自始至终燃用单一煤种，而是燃用两种或多种按一定比例混配而成的混煤，混煤不是简单的煤种机械混合过程， 其燃烧特性也不是几种组分煤种性质的简单叠加。 由于组成混煤的煤质特性的差异，在混合燃烧过程中，不同煤质的煤粉颗粒之间会互相影响和相互作用， 使得混煤的煤质特性比单一煤要复杂得多， 难以简单地由原来单一煤种的掺混比例预知其混煤各个方面的特性。 为解决上述问题，国内外进行了相关研究。

在国外，美国将中东部地区含硫高的煤质和西部地区含硫低的煤质掺混燃烧，不仅能够达到降低SOx排放的要求，也能达到稳定的状态，能够极大地防止锅炉结焦。德国燃烧褐煤的电厂在掺混15%的烟煤后，能够满负荷稳定运行，且粗灰和飞灰中未燃成分降低，出口烟温下降，结焦明显减少。MANTON N J等人[13]将英国Fe2O3含量高的煤种与美国和南非CaO含量高的煤种混合，发现结渣性能显著提高，且混煤的组成对结渣的影响表现出一些非线性的关系。

在国内， 主要是通过实验设备研究混煤的燃烧特性，锅炉结渣起主要作用的是煤灰中的内在成分，其中铁的作用不可忽视，三价铁是聚合物的构成者，提高灰熔温度；二价铁是聚合物的破坏者，降低灰熔温度[14-16]。

1.3 锅炉燃烧结焦的煤质外部因素研究

燃煤锅炉结焦， 煤中的灰分及熔融点起到了一定作用，但外部燃烧条件、锅炉设备、运行参数、运行条件、运行环境也起到了一定作用，现今大多数燃煤工业锅炉和电厂锅炉结焦原因除去煤质的影响外，主要集中在以下几个方面：

（1）锅炉设备设计不合理，锅炉热负荷和截面热负荷偏高

国电蓬莱发电有限公司的曹文涛对锅炉设备热负荷设计影响锅炉结焦的原因进行了分析， 发现炉膛容积热负荷qv和截面热负荷qF如果设计过高，表示炉膛容积过小，水冷壁受热面布置得小，炉内火焰温度较高，反而容易结渣。反之，表示炉膛内容积较大，虽然不容易造成结渣现象， 但是因为炉膛火焰温度的偏低容易造成灭火，严重威胁生命安全。

吴英等人[17]针对600 MW四墙切圆燃烧超临界锅炉燃烧器区域容易结焦问题进行了研究， 发现燃烧器区域截面热负荷较高， 通过提高一次风速并调整煤粉细度，使煤粉着火推迟，远离喷口，达到降低燃烧器区域热负荷的目的，减少结焦。

（2）煤粉粗细粒度不合适

周政[18]针对煤粉细度对结焦的影响进行了研究，粗的煤粉燃烧时间长，导致火焰拉长，炉膛出口的灰处于温度较高的环境下，容易造成炉膛出口处结焦；煤粉过细，着火过早，极易破坏燃烧器，在燃烧器周围结焦， 所以应根据燃料的实际情况对煤粉粗细进行调整。

林树亮、李建军[19]针对350 MW超临界直流锅炉结焦原因进行了分析， 发现煤粉细度不合理容易造成结焦现象，煤粉偏细，导致着火提前，燃烧器区域热负荷骤增， 容易发生结焦， 将煤粉细度适当调粗后，结焦状况有所减轻。 陈飞[20]针对600 MW前后墙对冲燃烧锅炉结焦原因进行了研究， 发现煤粉过细是造成燃烧器区域发生结焦的主要原因。

（3）一二次风的配比及动力场不合适

上海电力学院章琪[21]针对一台1 000 MW四角切圆塔式燃煤锅炉，运用Fluent软件对炉内燃烧进行了三维稳态数值模拟研究，建立了结焦模型，将大于煤灰软化温度并撞击到壁面的颗粒视为结焦颗粒，以结焦颗粒质量占总颗粒质量的百分比作为判断锅炉水冷壁结焦程度的依据。研究发现正宝塔配风下，相比均等配风、倒宝塔配风和缩腰配风，水冷壁结焦情况较轻微、飞灰含碳量较低。

准东高钠煤灰熔点较低，容易结焦，吕太等人[22]针对330 MW四角切圆锅炉燃烧器分层布置上层燃烧器区域严重结焦的问题，采用试验与模拟相结合的方法进行研究。 四角切圆锅炉气体动力结构比较复杂，从燃烧器喷嘴喷射出来的气流并不能保持沿喷嘴几何轴线方向前进，会出现一定程度的偏斜，使气流偏向炉墙一侧，外加燃用灰熔点较低的准东煤，且上层主燃区有较强的还原性气氛，致使锅炉结焦严重。 通过燃烧优化调整，改变上层主燃区一、二次风配风方式，上层主燃区射流刚性增强，炉内速度场与温度场收缩，煤粉颗粒着火时间延长，且上层主燃区还原性气氛减弱，有效解决了炉膛严重结焦的问题。

陈红等人对采用正四角同心双切圆燃烧方式的国投曲靖发电有限公司4#锅炉的严重结焦和掉焦灭火现象进行了研究， 发现运行时二次风率降低导致二次风速相应降低，最终造成二次风刚度降低，使得炉内燃烧切圆扩大，造成煤粉贴壁结焦。

赖禄斌[23]针对600 MW锅炉结焦原因进行分析时发现，适当提高一次风速，煤粉着火时间延迟，让着火点距离喷口的间距变长， 有效减少燃烧器喷口的结焦，同时气流刚性得到增强，防止一次风对炉膛壁面的冲击而产生的结焦现象。

韩廷秀[24]针对670 t/h锅炉燃烧器进行防结焦改造技术研究， 通过对切圆燃烧锅炉带侧二次风的一次风射流刚性的研究， 发现侧二次风对一次风的刚性能产生显著影响， 侧二次风与一次风的动量比应维持在0.73～0.86之间， 此时气流沿水冷壁的速度有所减少，气流贴壁减少，氧含量值升高，受热面管壁温度下降，有效防止结焦的发生。

（4）锅炉的运行负荷及燃烧环境

赖禄斌针对600 MW锅炉结焦原因进行分析，提出了一些定量数据， 锅炉内部过量空气系数应适当提高，可以抑制还原性状态的出现，对于600 MW燃煤锅炉，运行负荷处于400～600 MW范围时，运行氧量应在4.3%～5.1%；运行负荷处于300～400 MW范围时，运行氧量应在5.4%～6.6%；燃煤锅炉不易出现结焦现象。

刘杨[25]在电厂锅炉结焦的原因及防治措施分析中发现煤粉中S的含量会对锅炉结焦产生影响，因为燃烧中产生的SOx，会与烟气中的水分结合，生成硫酸蒸汽，遇到灰中的钙氧化物就会产生CaSO4附着在设备上，进而形成结焦。刘向军在电厂锅炉燃烧防结焦措施中指出高硫煤会使灰熔融温度降低， 导致锅炉结焦严重； 壁面还原性气氛会使灰熔融温度降低200 ℃，使结焦加剧。

2 实例结焦问题研究

某地区煤粉工业锅炉采用浓相中心逆喷强旋流燃烧技术与双锥煤粉燃烧器结构，在冬季供暖期间，经点火运行平稳后，随着运行时间的增加，短则一到两天，长则三到四天，炉膛膜式壁、二回程对流管入口、预燃室出口结焦、挂壁现象越来越严重，且结焦频繁，导致频繁停炉清焦。理论分析认为存在煤粉粒度变大、煤种改变导致煤灰熔融性温度变低、二次风刚性不足等问题。

在现有煤种和锅炉结构不变的条件下， 二次风压（增大二次风刚性）和弱还原性燃烧气氛调整的范围不大，微调后结焦状况和结焦频率无明显变化；通过煤种掺混3%的石英，煤粉的灰熔融性温度由1 170℃提高到1 320 ℃，温度提高150 ℃，结焦现象得到较大改观；通过将煤粉磨机频率从19 Hz调大到22 Hz，煤粉粒度（200目）过筛率从70%增大到85%，煤粉粒径变小，对流管入口结焦状况改善。 综上可知，煤粉粒度和煤粉的灰熔融性温度确实对锅炉结焦造成较大的影响[26]。

3 结语

综上所述，针对燃煤锅炉结焦的影响因素，提出了相应的预防措施。

（1）根据煤种的特点、可供使用的煤种产量、以及锅炉煤种的适应性， 链条炉投入小、 煤种适应性强、效率低；循环流化床投入大、煤种适应性强、效率一般；煤粉炉投入大、煤种适应性弱、效率高。为避免由于后期煤种的变换对锅炉以及燃烧器提出频繁改进的要求，减少煤种方面对结焦的影响，应该选择合适的锅炉类型。

（2）锅炉设计之初，应根据业主使用热负荷的需要，设计合理的容积和截面热负荷，一般设计为使用热负荷的150%，避免锅炉容积和界面热负荷设计不合理造成的炉膛以及燃烧器结焦现象。

（3）运行之前，运用理论模拟，对一二次风配比数值进行模拟运算，确保一二次风的刚性、燃烧切圆的半径以及还原性燃烧气氛做到最佳的调和状态，指导现场燃烧调试， 减少一二次风配比及运行环境对燃烧结焦的影响。

（4）燃烧过程中，定期调整煤粉磨机的功率和间隙，停炉检查炉内结焦情况，根据结焦情况，选择最佳的煤粉粒度，减少粒度对燃烧结焦的影响。