徐鵬志，劉鵬遠，高佳佳，黃建平，吳桂福，唐文

（1．華電電力科學研究院有限公司，浙江市 杭州市 310001；2．熱科學與動力工程教育部重點實驗室(清華大學熱能工程系)，北京市 海淀區(qū) 100084）

0 引言

W 火焰鍋爐是燃用低揮發(fā)分無煙煤的主力爐型[1-3]，適應我國難燃煤種占動力煤比例較大的特點，在國內(nèi)被廣泛應用[4-7]。因其特殊的燃燒組織方式和燃料特點，W火焰鍋爐下爐膛結渣問題普遍存在，并且是影響機組效率和安全運行的主要因素之一[8-10]。結渣會使受熱面熱阻變大，影響鍋爐經(jīng)濟性；另外爐膛內(nèi)大焦塊垮落時會引起爐內(nèi)負壓波動，甚至造成鍋爐滅火、設備損壞等嚴重影響機組安全運行的事件。因此分析爐內(nèi)結渣原因，采取對應的防治措施是十分必要的。

本文研究的600 MW超臨界W火焰鍋爐，長期存在下爐膛結渣的問題，出現(xiàn)過垮焦造成鍋爐熄火、撈渣機卡死、砸壞水冷壁管等運行事故。本文結合鍋爐實際情況，通過試驗研究的方式分析鍋爐下爐膛結渣的原因，并提出相應的解決辦法。

1 研究對象概況

1.1 鍋爐及燃燒器

本文研究對象為某600 MW超臨界W火焰鍋爐，采用一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼構架、露天布置，爐膛采用帶有內(nèi)螺紋的低質(zhì)量流速垂直水冷壁。爐膛的高、深、寬分別為55.80、23.67、26.68 m，上爐膛深12.51 m，爐膛容積7 568 m3，在25.57 m爐拱處分為上、下2個部分。鍋爐具體結構及尺寸如圖1所示。

鍋爐配備6臺雙進雙出磨煤機，燃燒器布置在拱部，前后墻各12只。采用旋風筒濃淡分離器進行煤粉濃縮，燃燒器為狹縫式直流燃燒器，拱上噴口布置為濃相噴口最靠爐膛中心，向外依次是內(nèi)二次風噴口、淡相噴口、最外面是外二次風噴口[11]。圖2給出了燃燒器結構和燃燒器的噴口布置。

鍋爐運行期間始終受結渣問題的困擾，頻繁出現(xiàn)焦塊垮落的情況，引起鍋爐負壓波動，對燃燒產(chǎn)生嚴重影響，甚至造成鍋爐降負荷、熄火等。另外垮落的大焦塊還造成了砸壞撈渣機、在冷灰斗“搭橋”引起堵渣、甚至砸漏水冷壁等嚴重事故。為深入研究結渣原因，進行了現(xiàn)場試驗研究。

圖1 鍋爐結構及尺寸示意圖Fig. 1 Schematic diagram of boiler structure and dimension

圖2 燃燒系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of combustion system

1.2 結渣位置分布

圖3 和圖4給出了爐內(nèi)檢查時發(fā)現(xiàn)的結渣位置的照片。

圖3 爐膛結渣位置檢查1Fig. 3 Result 1 of furnace slagging position detection

圖4 爐膛結渣位置檢查2Fig. 4 Result 2 of furnace slagging position detection

可以看出，結渣主要集中在下爐膛，衛(wèi)燃帶和燃燒器噴口上方均存在掛焦、結渣的情況，但結渣問題最嚴重的位置在翼墻部位，尤其是翼墻上部靠近爐拱的位置，包括翼墻與爐拱的連接處都有掛焦的情況。

一般認為，W火焰鍋爐翼墻、側(cè)墻部位結渣是由于由拱上燃燒器噴入的風粉混合氣流在向下俯沖的過程中，中間氣流會向兩邊擠壓，造成煤粉氣流向側(cè)邊偏斜，沖刷側(cè)墻、翼墻過程中熔融煤灰顆粒會直接撞擊墻面，造成結渣。但這無法解釋翼墻靠近爐拱部分尤其是與爐拱的連接處的掛焦情況，氣流的偏斜不可能影響噴口同一高度的翼墻位置。

2 試驗內(nèi)容和方法

2.1 下爐膛煙氣成分分析

使用水冷抽氣裝置從看火孔將爐膛內(nèi)煙氣抽出進行化驗，使用的看火孔如圖2所示，分別為標高 31.6、29.6、25.6 m燃燒器下方的看火孔。圖5給出了水冷抽氣槍結構示意圖，全長6 m，可深入爐膛2.8 m進行測量，看火孔至邊緣燃燒器內(nèi)側(cè)邊緣正下方距離為約2.6 m。因此本次測試從2.6 m深度開始，平行于前后墻深入爐膛進行測量，深入距離分別為2.6、2、1.5、1 m。

圖5 水冷抽氣槍結構示意圖Fig. 5 Schematic diagram of water cooled tube

2.2 下爐膛溫度分布

爐膛溫度測量使用由美國 Raytek公司生產(chǎn)紅外測溫儀，測溫范圍500～2000℃，精度為1℃，其測溫原理是根據(jù)被測對象紅外光強判斷溫度高低，測得溫度是沿鏡頭一條直線上溫度的峰值[12-13]。溫度測量與氣氛分布同時進行。

3 試驗結果分析

3.1 煤質(zhì)分析

鍋爐燃燒煤設計為西南地區(qū)無煙煤，煤質(zhì)特性如表1所示。

可以看出，設計及校核煤種基本屬于中等熔融特性的煤[14]，在現(xiàn)場采集實際燃用的煤種進行了化驗，結果如表2所示。

可以看出，實際燃用煤質(zhì)同樣屬于中等熔融特性煤種，灰熔點最低的煤種 1，其軟化溫度比設計煤低近50℃，這是造成鍋爐結渣嚴重的原因之一。

3.2 下爐膛煙氣成分分布

圖6給出了燃燒器不同位置距測試看火孔的距離，可以看出4個測量點分別位于燃燒器內(nèi)邊緣下方、燃燒器中間下方、燃燒器外邊緣下方和燃燒器外下方。

圖7給出了煙氣分布測量結果，由于所用煙氣分析儀CO含量的最大量程為10 000 μL/L，超出量程的位置標注為10 000+ μL/L。

表1 研究對象設計煤質(zhì)特性Tab. 1 Design characteristics of coal

表2 實際燃用煤質(zhì)灰熔點Tab. 2 Ash melting point of actual burning coal

圖6 邊緣燃燒器不同位置距測試看火孔的距離Fig. 6 The distance between the fire hole and different positions of edge burner

圖7 下爐膛煙氣成分測試結果Fig. 7 Measurements of flue gas composition in the down furnace

由圖7(a)和(b)可以看出，在翼墻靠上部距翼墻看火孔1.5 m以內(nèi)氧氣濃度非常低，CO濃度很高，呈現(xiàn)還原性氣氛，存在明顯的結渣傾向。

由圖 7(c)可以看出，燃燒器下方區(qū)域存在圖中曲線范圍內(nèi)的還原區(qū)，拱上射流經(jīng)過還原區(qū)NOx濃度有減小的趨勢，但翼墻角部區(qū)域(31.6 m標高，1 m深度)NO濃度較高。

3.3 溫度分布

圖8給出了溫度分布測量結果?？梢钥闯?，在燃燒器下方靠上兩層看火孔溫度測量結果均高于1300℃，高于入爐煤軟化溫度，為結渣提供了溫度環(huán)境。

3.4 下爐膛流場分析

由上述分析可知，下爐膛上部翼墻區(qū)域溫度高達1 300 ℃以上，氧氣濃度低，CO濃度在10 000 μL/L以上，呈強還原性氣氛，存在明顯的結渣傾向。除氣氛和溫度條件外，另外一項造成爐內(nèi)結渣的關鍵因素在于爐內(nèi)流場。從爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)的結渣位置和試驗結果分析，燃燒器下方與翼墻之間的位置存在側(cè)面向上的渦流，將熔融狀態(tài)的煤灰顆粒帶至翼墻上部墻面，這種特殊的流場是造成翼墻上部結渣的主要原因。

從圖 7(a)的氧氣含量測量結果可以看出：在標高31.6 m和29.6 m測點位置，氧氣含量從內(nèi)之外呈現(xiàn)降低再升高的趨勢；在2.6 m和2.0 m深度，氧氣含量隨燃燒過程由上到下逐漸降低；而在1 m深度，31.6 m標高，氧氣含量低于29.6 m位置，這是存在側(cè)面向上渦流的一個證明。因為它卷吸3次風補充的氧氣，造成了翼墻壁面附近氧氣含量上低下高的現(xiàn)象，同時將未燃盡的煤粉帶至翼墻上部區(qū)域繼續(xù)燃燒。這也說明圖7(c)中31.6 m標高、1 m深度處的NO濃度較高以及上部翼墻壁面附近存在高溫區(qū)的原因，是由未燃盡煤粉在翼墻與爐拱相接角部區(qū)域燃燒造成的。

圖9給出了翼墻區(qū)域向上的渦流示意圖。產(chǎn)生這種向上渦流的原因主要有2點：

1）拱上風粉射流向下運動時，由于引射的作用將卷吸周圍的介質(zhì)，將其卷入射流中去，在拱下側(cè)面區(qū)域產(chǎn)生一定范圍的低壓區(qū)，低壓區(qū)的存在為渦流提供了向上的動量。

2）運行中爐內(nèi)流場受熱后向兩側(cè)膨脹，導致外側(cè)燃燒器煤粉射流向兩側(cè)偏斜，為渦流提供了向側(cè)面的動量，同時也是渦流中煤灰的來源。

拱上風引射帶來的低壓區(qū)與爐中心高溫造成的膨脹相互疊加，就出現(xiàn)了圖9所示側(cè)面向上的渦流，導致翼墻上部區(qū)域結渣嚴重。

圖8 下爐膛溫度分布測量結果Fig. 8 Measurements of temperature distribution in the down furnace

圖9 翼墻區(qū)域向上的渦流示意圖Fig. 9 Upward vortex of wing wall area

4 改進措施及效果

4.1 燃燒調(diào)整

燃燒調(diào)整的思路為減弱側(cè)面渦流，改善翼墻近壁面區(qū)域的高還原氣氛，主要方法包括：

1）在保證機組負荷的條件下，適當降低靠近兩側(cè)墻4個燃燒器對應磨煤機的出力，若發(fā)現(xiàn)翼墻結焦，通過輪流停用邊緣燃燒器進行調(diào)整，低負荷情況下優(yōu)先停用邊緣燃燒器[15]。

2）拱上風采用兩側(cè)小中間大的調(diào)整方式，減小邊緣燃燒器拱上風量，使射流的引射作用減弱，減小拱下的低壓區(qū)，以減弱側(cè)面渦流。

3）拱下風采用兩側(cè)大中間小的調(diào)整方式，兩側(cè)的拱下風量增加，有利于側(cè)墻、翼墻區(qū)域的氧氣含量增加，CO減少，爐內(nèi)的還原氣氛減少，使該區(qū)域結焦性降低。

4.2 燃燒器噴口布置優(yōu)化

在燃燒器濃相周圍邊界風兩側(cè)各增加一個邊界風噴口，并增加靠近翼墻的邊緣燃燒器的側(cè)邊風面積。圖10給出了調(diào)整后的邊緣燃燒器噴口布置，點劃線框內(nèi)為邊緣燃燒器增加的燃燒器噴口。

圖10 優(yōu)化后邊緣燃燒器噴口布置Fig. 10 Nozzle arrangement of optimized edge burner

4.3 防結焦風優(yōu)化

原有防結焦風取風自燃盡風道，經(jīng)過防結焦風道引至風箱，通過翼墻水冷壁管件鰭片開縫吹入爐膛。優(yōu)化后，調(diào)整翼墻防焦風風道取風位置，由燃盡風道改至二次風母管，增加入口風壓，提高防焦風動量，并在最上層看火孔上部增加防焦風箱，如圖11所示。這樣，一方面可以改善壁面附近的高還原氣氛，另一方面在結渣區(qū)域通入防焦風，在壁面處形成氣膜可以隔絕熔融灰粒的粘附，從而防止嚴重結渣。

通過上述措施的采用，鍋爐基本未再出現(xiàn)嚴重結渣的現(xiàn)象．大焦塊垮落造成的燃燒不穩(wěn)等問題也得到解決，鍋爐運行可靠性得到了明顯提高。

圖11 優(yōu)化后防結焦風結構示意圖Fig. 11 Schematic diagram of optimized structure of the anti-slagging wind

5 結論

1）在翼墻靠上部近壁面區(qū)域氧氣濃度非常低，CO濃度很高，呈現(xiàn)還原性氣氛，存在明顯的結渣傾向。

2）試驗結果均表明，下爐膛上部翼墻壁面附近存在高溫區(qū)，溫度最高可達 1 400 ℃左右，高于入爐煤軟化溫度，為結渣提供了溫度環(huán)境。

3）從爐內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)的結渣位置和試驗結果分析，燃燒器下方與翼墻之間的位置應存在側(cè)面向上的渦流，將熔融狀態(tài)的煤灰顆粒帶至翼墻上部墻面，這種特殊的流場是造成翼墻上部結渣的主要原因。

4）通過采用燃燒調(diào)整、燃燒器噴口布置優(yōu)化、防結焦風優(yōu)化等措施，可解決W火焰鍋爐的下爐膛嚴重結渣問題，鍋爐運行可靠性得到明顯提高。

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