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摘要：锅炉的结焦问题是比较普遍存在的，结焦对锅炉运行的经济性与安全性均带来不利影响，严重的结焦会导致锅炉被迫停炉，极大地影响锅炉的安全性和经济性。本人根据燃烧器特点从一次风、煤粉细度、燃烧器内、外二次风等方面分析锅炉结焦原因及调整,采取可靠的调整手段解决锅炉结焦对机组安全运行带来的危害。
关键词：锅炉 结焦 危害 分析 调整
前言
在火电机组运行中，锅炉结焦是影响机组安全稳定经济运行的一个普遍且长期存在的问题。电厂锅炉主要以煤为燃料，其燃烧产物中含有大量的灰粒、硫和氮的氧化物等物质，会以各种形式沉积在受热面的表面，造成受热面的结焦，它的防治问题，一直以来都是电厂需要研究和解决的问题。
该厂锅炉采用东方锅炉厂生产的自然循环汽包炉，型号为DG2070/17.5-Ⅱ5，自投运以来结焦问题比较严重，炉内热偏差较大，过再热汽温偏差大，特别是低负荷时调整困难，而且管壁容易超温，锅炉的安全、可靠、经济运行得不到保障。本文从锅炉结焦原理出发，采用调整手段改善目前锅炉严重结焦现象。
1.结焦的原理及危害
锅炉结焦是指灰渣在高温下熔化后粘结在炉墙、受热面上的现象。炉膛燃烧火焰中心温度在1500~1700℃之间。燃料中的灰分在这样高的温度下大多熔化为液态或呈软化状态。从火焰中心向外，越接近水冷壁温度越低。随着温度的降低，灰分将从液态变为软化状态进一步变成固态。如果灰分碰到受热面时还保持着软化状态，就会由于受到冷却而粘结在受热面上，形成结焦。
炉膛大面积结焦时，会使炉膛换热量大大减少，出口烟温升高，使过热器传热恶化，造成过热蒸汽温度偏高，过热器管壁温度超温。炉膛产生局部结焦后，使结焦部位水冷壁吸热量减少，循环流速下降，严重时会造成循环停滞导致水冷壁爆管。由于出口温度升高，造成排烟温度升高，从而增加了排烟热损失，降低锅炉的热效率。喷燃器出口结焦，会影响煤粉气流的正常喷射或引起气流的偏移，磨损水冷壁管，形成局部高温，加剧水冷壁结焦，甚至烧坏喷燃器或者喷口因结焦而堵死。炉膛大面掉焦时，会扰乱炉膛负压，严重时导致灭火，还可能会砸坏水冷壁以及除渣设备。在高温烟气的作用下，黏结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀。
2.结焦现象
从炉6.9米观火孔查看发现掉落大块焦及出现焦流比较频繁，从前、后墙查看燃烧器四周挂焦严重且喷燃器出口看不到火炬状的火焰，各燃烧器喷口火焰明暗不均，表明一次风粉浓度和煤粉细度严重不均匀，炉内燃烧工况不良。
3.燃烧器简介
图一 燃烧器结构图
锅炉采用30只双通道带有煤粉浓缩装置的轴向旋流燃烧器，呈前后墙布置，前后墙各3排，每只相邻燃烧器的旋流方向相反，与燃烧器支持框架为一体的独立风箱向同排5只燃烧器提供内、外二次风及中心风，一次风管内设中心风及油枪管道；一台磨煤机对应5 只燃烧器，使给入热量沿整个炉膛宽度均匀分布，以保持最小的温度变化。在主燃烧器上方，前后墙对冲布置着10个燃烬风喷嘴，燃烬风是分级燃烧过程中降低NOx和飞灰可燃物的重要调节手段之一。
4．燃烧器特点
采用分级送风技术：中心风母管自大风箱两端引入中心风，通过各支管与燃烧器内的中心风管相连，提供油枪运行时所需要的风量，油枪停运时起到冷却和防止灰渣集聚的作用，并且中心风为煤粉燃烧根部提供氧量，有利于稳定着火（不利于着火）。内二次风量较小，可确保煤粉初期的燃烧反应在偏离化学当量比的状态下进行，削弱火焰温度，使已形成的NOx还原成N2，从而有效地抑制NOx生成水平。外二次风风量大，风速高，与煤粉气流的动压比高，后期湍动混合强烈。另外，燃烬风将部分二次风从顶部推迟送入，以达到分级燃烧降低炉膛出口NOx的目的。
燃烧器内二次风道内装有轴向可（固定）动旋流叶轮，外二次风道内装有轴（径向）向固（可调节）定旋流叶轮，使内、外二次风均形成旋转气流。通过调节外二次风的旋流强度以及内、外二次风的风量，能更大限度地改变整个燃烧器的旋流强度，有效地改变燃烧器出口处火炬的扩散角和回流区的大小、位置以及各股风之间的混合点，使燃烧器有较强的煤种适应性。
燃烧器一次风管由切向蜗壳引入煤粉分配器，煤粉由叶片旋转导向，使煤粉气流在一次风道内旋转，以改善煤粉气流浓度周向分布不均的现象。在煤粉分配器出口处装有纵向均流槽以改善煤粉在一次风道内沿径向不均的现象。
采用了煤粉浓淡燃烧技术。在一次风喷口，装设4个半圆形的煤粉浓缩器实现浓淡分离。再通过浓缩器导向，将浓煤粉射入燃烧器出口中心的高温烟气回流区，以利煤粉稳燃和抑制NOX的生成。
一次风出口处装有稳燃器，它由稳燃齿和稳燃环两部分组成。稳燃齿可对煤粉的分布进行合理调整，强化煤粉着火，同时起到归拢煤粉气流向中心偏转射向高温烟气回流区，使之形成“三高区（即温度高、氧量高、煤粉浓度高）”以实现煤粉及时着火和稳定燃烧。稳燃环可避免内二次风过早与煤粉混合，有利于煤粉着火稳定。
4．原因分析
国内大容量燃煤机组的锅炉都不同程度地存在结焦问题。通常影响锅炉炉膛结焦的因素有三个：一是锅炉的结构、燃烧器结构特点。二是燃用煤种的灰溶点和化学成分组成。三是锅炉燃煤的管理和运行工况的调整。在现场炉内结焦的主要原因是炉内动力工况不合理所致，其影响因素主要分为：1、燃烧器出口煤粉分布不均匀；2、燃烧器出口布风不均匀；3、旋转射流火炬的扩展角过大；4、一、二次风的混合点不合适；5、火炬在炉内的充满程度太大或飞边；6、旋流燃烧器的旋转方向受上述因素综合作用的影响。
5．防止结焦的调整
综上所述，有针对性地对以下三个方面的调整工作：1、一次风调平；2、煤粉细度的调整；3、燃烧器内、外二次风的调整。
5.1一次风调整
各燃烧器间的风、煤配比要均匀。为此，需要调整各段风管及煤粉管道的阻力，使各燃烧器风、粉分布均匀。配平与否将直接影响锅炉的热经济性。不平还可能引起炉内局部缺氧、煤粉着火困难、燃烧不稳定、炉膛局部结焦、锅炉效率降低等问题的出现。
从理论上讲，一次风速越低，煤粉着火提前，燃烬程度愈好，但过高将使燃烧不稳定。风速过低会使一次风管堵塞，烧坏喷嘴，而一次风速对直吹式系统的旋流燃烧器而言，相邻两个旋转方向相反的旋流燃烧器会在旋转方向的影响下甩粉，严重时造成局部结焦。
以该厂4号机组负荷400MW，中下层磨（A-D）运行，各磨煤量50T/h，一次风压9kpa。调整前后参数对比图如表一
从各磨粉管出口一次风速可以直观看出调整前同层风速不平，各层风速也不平，风速偏差较大（最大30m/s，最小18m/s），而且风速过高。在同层和同侧观火孔观察各燃烧器喷嘴出口火焰亮度差别明显，火焰有长有短，火焰时明时暗，火焰短的燃烧器附近水冷壁附焦较火焰长的燃烧器多，判断为一次风速不均造成煤粉着火提前或延迟，并且相邻燃烧器相互扰动影响煤粉燃烧；炉本体吹灰结束2小时后在捞渣机上部观火孔观察掉焦情况，发现掉焦频繁且不时有大焦块落下。
在保持燃烧器二次风风压稳定，内外二次风开度不变的情况下，经调整后观察同层或同侧燃烧器喷嘴出口时发现同层火焰长度及火焰亮度无明显区别，但各煤粉燃烧区域扰动变小；观察掉焦情况较之前略有变化。
5.2外二次调整
经观火孔观察，炉内火焰充满度过大，飞边现象严重，两侧墙温度已超过或接近了燃用煤种的软化温度，各燃烧器周围均结焦严重，对此现象可以在内二次风不动的条件下，逐渐关小外二次风挡板，使炉内两侧墙烟气温度逐渐降低，燃烧器出口气流的扩展角逐渐减小，铺开的火炬会逐渐收敛，使飞边及火焰碰壁现象得以控制，可以缓解炉内结焦倾向（关小外二次风旋流增强火焰着火更近）。
从理论上讲，燃烧器旋流强度的大小取决于内旋流强度和外二次风量的大小。当关小外二次风旋流叶片挡板，风量不变时旋流强度增加，且旋流强度随着外二次风量的减小而减小，而外二次风又是主要二次风。随着外二次风的大幅减小，整体二次风量下降很快（二次风量决定于负荷煤量），旋流强度大幅度减弱（强），燃烧器阻力增加，送风机压头加大，炉内缺氧运行，故外二次风关得太小是不可取的。另外从以前调试阶段调整内二次开度情况观察，内二次风的变化对锅炉排烟温度、氧量以及灰、渣的影响较小；但从对火焰的明暗程度看，对煤粉气流的着火以及一、二次风的混合点位置有较大的影响，而炉内动力场、温度场、烟气成分厂的状况主要取决于外二次风的大小。
在保持各层燃烧器内二次风开度450mm不变后，随着外二次风的增加，氧量增加，排烟温度升高（氧量属于自动调整，排烟温度）。炉内混合强烈（外二次风量增加，旋流减弱混合不会强烈），灰、渣的含碳量降低，燃尽程度好，不足之处是炉内两侧墙区域温度升高。
调整前后参数效果对比如表二。
表二：调整前后各层燃烧器外二次风开度及燃烧工况变化对比
5.3煤粉细度调整
煤粉细度对燃烧的影响是很大的，根据碳球燃烧的直径平方—直线定律：δ2=δ02-kτ(其中δ为经过燃烧时间τ之后的直径，δ0为碳球的初始直径，k为比例系数)，假设碳球最终被燃烬，那么δ=0，即得到碳球燃烬时间τ=δ02/k。由此可知，初始颗粒不一致，燃烬时间就各不相同。随着煤粉细度的不均匀将导致炉内动力场中的温度场和烟气成分场的严重不均，致使q4增加，局部结焦等问题的出现。为了降低q4，同时组织良好的炉内动力场，一方面降低煤粉细度，另一方面提高煤粉的均匀性指数。
对中速磨直吹式制粉系统而言，提高煤粉的均匀性指数是很困难的，但通过调整磨煤机出口分离器挡板门开度来调整煤粉细度是可行的。4号炉调整前各磨运行状况不同，磨分离器出口挡板开度也不同，经调整该分离器出口挡板后统一煤粉细度R90=14%，煤粒度范围≤30mm。调整参数对比如表三
结论
针对该公司煤炭供应源的不稳定性及配煤比例的不持续性，要改善目前炉内结焦严重情况，只能通过燃烧调整实现，而一次风速、煤粉细度、外二次风调整比较容易实现。调整磨粉管一次风速、内外二次风挡板开度可改善同层和同侧燃烧器燃烧工况；调整磨煤粉细度可维持煤粉的均匀性，使煤粉进入炉膛后能充分完全的燃烧；以上三种手段可明显提高煤粉煤粉的燃尽率，从而降低了锅炉结焦现象的发生几率，降低了锅炉的未完全燃烧热损失，增加了锅炉安全运行可靠性，提高锅炉热效率及经济性。
参考文献:
[1]黄新元.电站锅炉运行与燃烧调整.北京：中国电力出版社，2003.
论文作者:马西军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：结焦论文; 煤粉论文; 燃烧器论文; 锅炉论文; 炉膛论文; 风速论文; 火焰论文; 《电力设备》2017年第29期论文;