李建偉，王 林，王紅雨

某超臨界鍋爐結(jié)渣原因分析與對策

李建偉1，王 林2，王紅雨2

（1.國家能源集團(tuán)甘肅電力有限公司，甘肅 蘭州 730010；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

針對某電廠超臨界350 MW機(jī)組鍋爐受熱面嚴(yán)重結(jié)渣問題，從設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行及燃料等方面進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，在初步分析的基礎(chǔ)上，搭建積灰試驗(yàn)臺開展模擬積灰試驗(yàn)，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）等對積灰樣品進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：某新疆煤具有較高的積灰沾污傾向，長時(shí)間摻燒易結(jié)渣煤種是此次鍋爐嚴(yán)重結(jié)渣的主要原因；鍋爐配風(fēng)方式不合理、高氧量運(yùn)行、一二次風(fēng)比率失調(diào)等是造成鍋爐結(jié)渣的次要原因。通過優(yōu)化配風(fēng)、降低氧量、加強(qiáng)吹灰及調(diào)整一二次風(fēng)配比，削弱了爐內(nèi)燃燒強(qiáng)度，降低了爐膛出口煙溫，結(jié)渣情況得到較大程度改善。

超臨界；鍋爐；高堿煤；摻燒；積灰；結(jié)渣；運(yùn)行調(diào)整

某電廠2臺超臨界350 MW機(jī)組鍋爐在熱網(wǎng)聯(lián)調(diào)期間均出現(xiàn)了嚴(yán)重的爐內(nèi)結(jié)渣，導(dǎo)致1號鍋爐被迫停運(yùn)，2號鍋爐降低出力運(yùn)行，正常生產(chǎn)受到嚴(yán)重影響。相關(guān)研究表明，煤中含有的礦物質(zhì)成分會導(dǎo)致受熱面的積灰結(jié)渣問題，這會對鍋爐的安全有效運(yùn)行造成嚴(yán)重的危害。另外，電廠基于成本考慮，長時(shí)間摻燒有嚴(yán)重沾污和結(jié)渣傾向的高鈉、鉀煤種也是造成鍋爐嚴(yán)重結(jié)渣的主要原因。

1 存在問題

某電廠2×350 MW機(jī)組鍋爐為HG-1100/25.4-YM2、一次中間再熱、單爐膛Π型超臨界直流鍋爐。爐膛斷面14.627 3 m×14.627 3 m。設(shè)計(jì)煤種為寧夏煤，校核煤種為寧夏煤與當(dāng)?shù)鼐傅V煤（1:1）混煤。鍋爐采用四角切圓燃燒，配置5臺MPS180-HP-Ⅱ型中速磨煤機(jī)，對應(yīng)5層煤粉燃燒器，BMCR工況4臺運(yùn)行，1臺備用，下2層為等離子點(diǎn)火燃燒器。燃燒器采用低氮燃燒技術(shù)，噴口加裝十字花形擴(kuò)散器，能夠促進(jìn)煤粉穩(wěn)燃和提前著火。鍋爐整體布置如圖1所示。

1—冷灰斗；2—煤粉燃燒器；3—SOFA燃燒器；4—中間集箱；5—屏式過熱器；6—高溫過熱器；7—汽水分離器；8—高溫再熱器；9—低溫再熱器；10—低溫過熱器；11—省煤器；12—SCR脫硝裝置；13—空氣預(yù)熱器。

2臺鍋爐試運(yùn)行期間，高負(fù)荷時(shí)主蒸汽、再熱汽溫均偏低（約520 ℃，設(shè)計(jì)值約570 ℃）。為提高汽溫，采取了增大煤粉細(xì)度、提高一二次風(fēng)量、實(shí)施寶塔型配風(fēng)等措施，蒸汽溫度升高至540 ℃左右。二次風(fēng)擋板開度見表1。

表1 二次風(fēng)擋板開度

Tab.1 The opening degrees of the secondary air doors %

按上述方式運(yùn)行1個(gè)月后，1號鍋爐的爐膛出口煙溫顯著升高（超出1 000 ℃），同時(shí)伴隨減溫水量大幅增加、爐膛吹灰程控時(shí)常中斷等情況。就地檢查發(fā)現(xiàn)，主燃燒器上部至燃盡風(fēng)區(qū)域結(jié)渣嚴(yán)重。繼續(xù)帶負(fù)荷1個(gè)月運(yùn)行，出現(xiàn)省煤器落灰管被渣塊堵塞、引風(fēng)機(jī)出力接近額定以及爐膛負(fù)壓難以維持的問題。為查明原因，安排專人順煙氣走向檢查各觀火孔及人孔，發(fā)現(xiàn)高溫過熱器和高溫再熱器部位結(jié)渣嚴(yán)重，熔融渣塊將管排大部分包裹，煙氣通道幾近堵塞。經(jīng)檢查確認(rèn)，1號鍋爐已無法保證安全運(yùn)行，決定停爐清渣。

2號鍋爐燃用煤種與1號鍋爐相同，啟動(dòng)后帶負(fù)荷至280 MW，爐膛出口煙溫短時(shí)間內(nèi)即超過 1 000 ℃，伴隨出現(xiàn)減溫水量增加，各部煙溫升高，蒸汽參數(shù)惡化，吹灰控制困難等問題。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，主燃燒器上部至燃盡風(fēng)區(qū)域、水平煙道等結(jié)渣較為嚴(yán)重，部分高溫過熱器、高溫再熱器管排結(jié)渣。吹灰時(shí)掉至渣井的渣量大且為熔融狀態(tài)，極易粘連形成大渣塊，冷卻后質(zhì)地十分堅(jiān)硬，多次卡住碎渣機(jī)牙輪。2號鍋爐隨時(shí)面臨超溫、結(jié)渣以致于停爐的危險(xiǎn)。

2 原因分析

2.1 設(shè)計(jì)與安裝

1）爐膛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2臺鍋爐均為哈鍋超臨界煙煤鍋爐。同類機(jī)組有華能大慶熱電有限公司2×350 MW機(jī)組鍋爐，燃用褐煤，未出現(xiàn)過嚴(yán)重結(jié)渣；特變電工新疆硅業(yè)自備熱電廠和新疆天池昌吉熱電廠亦有同類型機(jī)組，摻燒一定比例的準(zhǔn)東煤，結(jié)渣情況處于可控狀態(tài)。相比較而言，這兩臺鍋爐在同類鍋爐中屬于容積偏大，容積熱負(fù)荷與截面熱負(fù)荷取值較小的鍋爐，這種鍋爐的爐膛設(shè)計(jì)具有一定的抗結(jié)渣優(yōu)勢[1]，有利于減輕或避免結(jié)渣，且適于鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)。

2）燃燒器安裝 1號爐燃燒器切圓設(shè)計(jì)直徑754.2 mm/564.8 mm，安裝實(shí)測最大755 mm/530 mm，偏差較小，符合設(shè)計(jì)。逐角逐層測量燃燒器垂直與水平安裝角度，最大誤差角度為-3°，安裝質(zhì)量基本滿足要求。鍋爐采用小切圓設(shè)計(jì)有利于防止煙氣刷墻和爐膛結(jié)渣[2]。

3）爐內(nèi)切圓直徑 鍋爐冷態(tài)空氣動(dòng)力場試驗(yàn)采用飄帶法和爐內(nèi)實(shí)測相結(jié)合進(jìn)行，結(jié)果如圖2所示。?；r下切圓直徑沿爐深方向約7 m，爐寬方向約7.2 m。?；r切圓適中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)燃燒切圓直徑會大于模化測量值[3-4]，可能會對受熱面結(jié)渣有些影響[5]。

2.2 煤質(zhì)與灰成分檢測

電廠所購煤包括蘭州魏家地煤（簡稱“魏家地煤”）、新疆潞安煤（簡稱“潞安煤”）、新疆瓜州廣匯煤（簡稱“廣匯煤”）及某公司新疆煤（簡稱“某新疆煤”）。鍋爐實(shí)際燃用為上述幾種煤的混煤。2臺機(jī)組前期試運(yùn)階段，主要燃用當(dāng)?shù)匚杭业孛?、潞安煤和廣匯煤的摻燒比例較大。熱網(wǎng)聯(lián)調(diào)后，出力增大，燃煤量加大，燃用煤種增加了某新疆煤。2臺鍋爐帶負(fù)荷后均出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)渣問題，故對煤場各煤種進(jìn)行了取樣，并委托相關(guān)單位進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

表2 煤質(zhì)分析結(jié)果

Tab.2 The analysis results of coal quality

試運(yùn)期間，1號鍋爐燃煤中新疆煤占比超過60%，2號爐燃用新疆煤占比超過90%，混煤采用非預(yù)混、分倉上煤方式，底層磨煤機(jī)優(yōu)先燃用揮發(fā)分較高的魏家地煤和某新疆煤，中上層磨煤機(jī)燃用廣匯煤及潞安煤。燃煤量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 燃煤量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Tab.3 The statistical results offuel coal quantity

試運(yùn)初期燃用魏家地煤和潞安煤的混煤時(shí)，爐膛并未出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣，上述兩種煤摻燒結(jié)渣的可能性較小。10月份以后燃用瓜州廣匯煤和某新疆煤較多，出現(xiàn)了嚴(yán)重結(jié)渣，判斷后兩種煤引發(fā)結(jié)渣的可能性較大。

煤灰軟化溫度（ST）可作為判斷煤種結(jié)渣性的初步指標(biāo)，ST＞1 400 ℃為結(jié)渣傾向較弱的煤，ST＜1 250 ℃為有結(jié)渣傾向的煤[5]。對上述4種煤進(jìn)行了煤灰成分及灰熔點(diǎn)分析，結(jié)果見表4。從表4可見：魏家地煤ST大于1 390 ℃，屬于不易結(jié)渣煤種；其他幾種新疆煤ST均小于等于1 220 ℃，具有一定的結(jié)渣傾向。

表4 灰成分及灰熔點(diǎn)測試結(jié)果

Tab.4The test results of ash component and melting point

由表4可知，所燒某新疆煤中的堿金屬氧化物Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常高，達(dá)到18.40%，K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為1.63%，為典型的高鈉、鉀煤。此外，各煤種中S含量較高，對于煤種結(jié)渣有一定的促進(jìn)作用。相關(guān)研究表明，高堿金屬煤種具有很強(qiáng)的沾污及結(jié)渣傾向[6-7]。

根據(jù)煤質(zhì)分析與煤灰特性分析結(jié)果，初步推測摻燒某新疆煤是導(dǎo)致此次鍋爐出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣問題的主要原因。由于電廠實(shí)際燒煤是將各煤種混合摻配后送入爐膛燃燒的，為便于單獨(dú)分析每一種煤的積灰結(jié)渣特性，有必要開展單因子變量的對比試驗(yàn)。

2.3 對比試驗(yàn)

為模擬爐膛受熱面上的煤灰沉積過程，利用高溫石英爐、煙氣配置系統(tǒng)、積灰管（積灰探針）以及錄像裝置，搭建了煤灰沉積試驗(yàn)臺，具體布置如圖3所示。積灰試驗(yàn)臺的核心組件是積灰管，其由一個(gè)圓柱形的套管構(gòu)成，伸入高溫石英爐后，為避免套管被持續(xù)加熱，在其內(nèi)部通入壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)，以維持套管外壁面溫度的基本恒定，從而更好地模擬爐膛的受熱面管子。

圖3 積灰試驗(yàn)臺

積灰試驗(yàn)臺設(shè)定爐溫為950 ℃，積灰探針表面溫度550 ℃，魏家地煤和某新疆煤經(jīng)破碎機(jī)等時(shí)間碾磨后作為試驗(yàn)樣品，由模擬煙氣攜帶，從給料系統(tǒng)添加進(jìn)高溫石英爐。積灰試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為1 h。利用攝像頭拍攝煤粉燃燒后沉積于積灰探針表面的全過程，魏家地煤和某新疆煤的積灰過程分別如圖4、圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，相同時(shí)間內(nèi)，某新疆煤積灰層厚度明顯大于魏家地煤。將上述2種煤積灰層厚度隨時(shí)間的變化做曲線，結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出，某新疆煤的積灰速度遠(yuǎn)高于魏家地煤，這說明某新疆煤的灰沉積傾向更高。

圖6 積灰速率曲線

2.3.1灰粒微觀形貌

利用SEM（掃描電子顯微鏡）對魏家地煤和某新疆煤積灰層取樣觀察，2種煤灰粒的微觀形貌分別如圖7和圖8所示。

圖7 魏家地煤灰電鏡照片

圖8 某新疆煤灰電鏡照片

從圖7和圖8可以看出：魏家地煤的灰顆粒較大，表面粗糙，形狀極不規(guī)則，彼此間粘連較少；而某新疆煤灰粒的粒徑較小，形狀近似扁球形；與魏家地煤相比，某新疆煤不同顆粒間粘結(jié)現(xiàn)象顯著，使得灰塊結(jié)構(gòu)較為致密，這表明該煤的灰粒在沉積過程中發(fā)生了燒結(jié)，若繼續(xù)增加試驗(yàn)時(shí)間，該燒結(jié)灰層很可能發(fā)展成為結(jié)渣。

Xu等人[8]的研究表明，混合煤樣中，準(zhǔn)東煤比例＞50%時(shí)，形成的煤灰中細(xì)顆粒（＜10 μm）含量更高，且細(xì)顆粒中Ca、Fe和Mg等金屬元素含量也較高。Naruse等人[9]指出，細(xì)顆粒（粒徑＜3 μm）是煤灰初始沉積層的主要成分。Jing等人[10]的研究表明，煤灰的燒結(jié)溫度與其Fe2O3、CaO、Na2O和K2O的含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，對于MgO，其在一定范圍內(nèi)含量增加也會造成煤灰燒結(jié)溫度的降低，進(jìn)而促進(jìn)結(jié)渣形成。某新疆煤灰中小顆粒豐富，試驗(yàn)中積灰速度遠(yuǎn)高于魏家地煤，根據(jù)已有文獻(xiàn)，推斷其具有較高的結(jié)渣性。

2.3.2灰粒X射線衍射分析

為了解灰顆粒中的具體物相，對上述2個(gè)灰層進(jìn)行了X射線衍射測試，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 魏家地煤灰物相檢測

圖10 某新疆煤灰物相檢測

從圖9和圖10可以看出：魏家地煤灰中含量從高到低依次為SiO2、AlPO4、CaO以及Fe2O3；某新疆煤灰中含有較多的CaSO4、CaCO3，另外Fe2O3和NaCl也存在于煤灰中。已有研究表明[10-11]，煤灰中硅鋁氧化物含量高，則煤灰具有較高的灰熔點(diǎn)，不易結(jié)渣，故魏家地煤結(jié)渣性較低。陶玉潔[12]的研究表明，煤灰中的Na在1 000 ℃以下時(shí)，以NaCl形式存在，某新疆煤灰中存留較多的鈉元素，對于結(jié)渣將起到促進(jìn)作用。

2.3.3沾污指數(shù)計(jì)算

在煤灰的沾污特性評價(jià)中，對于煙煤型灰，沾污指數(shù)w評價(jià)體系較為準(zhǔn)確[13]。首先定義酸堿比，即煤灰中堿性氧化物（以表示）含量與酸性氧化物（以表示）含量之比，其計(jì)算公式為

B/A=((Na2O)+(CaO)+(Fe2O3)+(K2O)+

(MgO))/((TiO2)+(SiO2)+(Al2O3))

在酸堿比基礎(chǔ)上，定義灰沾污指數(shù)為

w=/×(Na2O）

沾污性判斷分級界限見表5，各煤種沾污特性值w計(jì)算結(jié)果見表6。由表6可見，某新疆煤煤樣沾污特性值w達(dá)到11以上，遠(yuǎn)大于嚴(yán)重沾污特性的最高值0.50，有極嚴(yán)重沾污傾向。

表5 煙煤型灰沾污指數(shù)界限值

Tab.5 The limit values of ash contamination index of bituminous coal

表6 各煤種沾污指數(shù)結(jié)果

Tab.6 Theash contamination indexes of various coals

1號、2號鍋爐燃用煤中，2種嚴(yán)重結(jié)渣煤占比分別為30.3%和65.7%，較長時(shí)間大量摻燒上述煤種，導(dǎo)致了燃燒器區(qū)域及爐膛出口受熱面發(fā)生嚴(yán)重的沾污及結(jié)渣。

2.3.4積灰結(jié)渣機(jī)理

鍋爐結(jié)渣是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。爐內(nèi)溫度較高時(shí)，一部分灰呈熔融或半熔融狀態(tài)，在到達(dá)受熱面時(shí)若未完全冷卻仍具有較高黏性，會黏附到受熱面上形成初始渣層。渣層熱阻較高，外表溫度升高，使熔化灰更易黏附后續(xù)灰粒[14-15]，結(jié)渣由此不斷發(fā)展。煤中易氣化的堿金屬化合物Na2O、K2O在燃燒時(shí)揮發(fā)為氣態(tài)進(jìn)入煙氣[16-17]，溫度降低時(shí)凝結(jié)黏附在受熱面上（沾污），進(jìn)而黏附其他顆粒形成初始結(jié)渣層，最終發(fā)展為結(jié)渣[18]。

本次結(jié)渣過程中，沾污及結(jié)渣沉積物形態(tài)有單側(cè)楔形積灰、雙側(cè)楔形積灰、單側(cè)熔變積灰和積灰搭橋等，主要?dú)饣镔|(zhì)為堿金屬氧化物Na2O、K2O，底層積灰為明顯的堿金屬化合物型積灰類型。

綜合分析1號、2號爐沾污及結(jié)渣的過程與上述機(jī)理一致，先是燃燒器上部高溫區(qū)的沾污、結(jié)渣，之后爐膛出口溫度因爐內(nèi)結(jié)渣爐膛吸熱減少而升高，沾污及結(jié)渣向出口高溫段受熱面發(fā)展，導(dǎo)致水平煙道高溫段結(jié)渣嚴(yán)重。

3 解決方案

經(jīng)過分析，2臺鍋爐結(jié)渣的主要原因?yàn)檩^長時(shí)間大量摻燒了有嚴(yán)重沾污和嚴(yán)重結(jié)渣傾向的高鈉、鉀煤種，不當(dāng)?shù)呐滹L(fēng)方式也是加重結(jié)渣的因素。對此，可采取以下解決方案。

1）在采購和燃用環(huán)節(jié)，明確煤質(zhì)特性。對列入采購清單的煤種，做到煤質(zhì)資料全面詳實(shí)。定期對煤質(zhì)進(jìn)行元素分析和灰成分分析，把好煤質(zhì)入口關(guān)。

2）混合煤種的特性不是參與摻燒的各煤種各自特性的簡單相加，沾污及結(jié)渣性能更多取決于所摻燒的有嚴(yán)重沾污及嚴(yán)重結(jié)渣傾向煤種的比例，具體摻燒比例需要通過專項(xiàng)摻燒試驗(yàn)確定。另外，電廠還需要儲備一定量的沾污傾向小的煤種，以確保鍋爐穩(wěn)定燃燒和安全摻燒。

3）通過運(yùn)行調(diào)整減弱爐膛燃燒強(qiáng)度，降低 爐膛溫度。因不能停爐，先適當(dāng)降低負(fù)荷（最低至180 MW），讓渣塊掉落。后續(xù)采取以下措施：①采用均等型配風(fēng)及分級配風(fēng)，分級供風(fēng)，控制燃燒速率，降低爐內(nèi)溫度水平；②合理調(diào)整一、二次風(fēng)率；③控制總氧量在3.0%~3.5%；④加強(qiáng)吹灰等。采取以上措施后，結(jié)渣逐步減輕，爐膛出口煙溫降至900 ℃以下，鍋爐運(yùn)行基本正常。

4）由于嚴(yán)重結(jié)渣導(dǎo)致受熱面出現(xiàn)一定程度的扭曲變形、管排出列、管外表沾污、管壁磨損以及燃燒器噴口燒損等現(xiàn)象，故建議擇機(jī)消缺，保證設(shè)備完好。

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Cause analysis and countermeasures of slagging in a supercritical boiler

LI Jianwei1, WANG Lin2, WANG Hongyu2

(1. CHN Energy Group Gansu Electric Power Co., Ltd., Lanzhou 730010, China;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In order to solve the problem of serious slagging on heating surface of a supercritical 350 MW unit boiler in a power plant, field investigation was carried out from aspects of design, installation, operation and fuel. On the basis of preliminary conclusions, a test bench for simulating ash accumulation was built up and the experiments were carried out. The samples of ash accumulation were analyzed by SEM and XRD. The results show that, a coal in Xinjiang has a high tendency of ash accumulation, long-term co-firing the coal which easily slags is the main reason for the serious slagging of the boiler, and other items such as unreasonable air distribution mode, high oxygen operation and imbalance of primary to secondary air ratio during the boiler operation are the secondary cause. By optimizing the air distribution, reducing the oxygen content, strengthening the soot blowing and adjusting the ratio of primary to secondary air volume, the combustion intensity in the furnace was weakened, the flue gas temperature at the outlet of the furnace was lowered, and the slagging situation was greatly improved.

supercritical, boiler, high alkali coal, mixed burning, ash deposition, slagging, operation regulation

National Science and Technology Infrastructure Program (2015BAA03B01)

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201904106

李建偉, 王林, 王紅雨. 某超臨界鍋爐結(jié)渣原因分析與對策[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 122-128. LI Jianwei, WANG Lin, WANG Hongyu. Cause analysis and countermeasures of slagging in a supercritical boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 122-128.

2019-05-20

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAA03B01)

李建偉(1963)，男，高級工程師，主要研究方向?yàn)榇笮突痣姍C(jī)組運(yùn)行優(yōu)化，Jianwei. li. y@chnenergy.com.cn。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）