煤粉锅炉的炉膛结焦与燃烧调整

来源:用户上传      作者: 刘丰元

　　 摘 要： 煤粉锅炉直流燃烧器锅炉的炉膛结焦问题比较普遍，严重的结焦不仅影响经济运行，而且威胁设备安全运行。本文根据作者三十多年锅炉运行、检修、燃烧改造与试验研究的实践和经验，针对锅炉结焦问题，分析了几类常见的炉膛结焦的成因，在此基础上，针对常见类型的炉膛结焦问题，提出了减轻炉膛结焦的针对性的燃烧调整方法和措施。
　　 关键词： 煤粉锅炉； 炉膛结焦； 燃烧调整； 试验研究
　　中图分类号： TK229 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）04-0069-02
　　
　　 一、前言
　　
　　 锅炉炉膛结焦（或结渣)是制约锅炉技术发展的重要问题，也是受到广泛研究的重大问题。目前已有很多关于结焦基本机理的研究[1-3]。结渣基本机理是：煤粉燃烧烟气中夹带的熔化或部分溶化的颗粒碰撞在炉壁上，在水冷壁或管壁上冷却凝固形成结渣，结渣的形态主是粘稠成了熔融的沉淀物，结渣主要出现在辐射受热面上[4]。我国一次能源以煤为主，电力工业中煤电约占总电量的80%左右，由于结渣而降低锅炉出力20%，热效率降低25%[5]，由此引起的锅炉爆破，而造成的停运、维修、改造，经济损失十分惊人。燃用无烟煤、劣质贫煤和劣质烟煤的煤粉锅炉结渣带有一定的共性。燃用劣质煤的锅炉为了保证燃烧稳定，通常在设计上选择较高的热负荷和采用较保守的稳燃措施，这虽可取得较好的稳燃效果，但却易于导致结焦。炉内结焦使辐射吸热量减小，炉膛出口烟温升高，局部结渣还使炉膛四周水冷壁吸热不均，对流烟道左右上下侧烟温差加剧，造成过热器和再热器管壁超温[6]。炉内掉焦会引起冷灰斗、水冷壁管的破坏，渣池堵塞，严重的将导致被迫停炉，降低机组可用率，甚至会引发较严重的事故。本文结合工程实际，对结焦的成因进行剖析，并针对几类常见的结焦情况提出减轻结焦的燃烧调整方法，以此起到抛砖引玉的作用。
　　
　　 二、煤粉锅炉的结焦分析
　　
　　 煤粉锅炉的结焦，按照结焦的部位可以分为局部性结焦和全炉膛均匀性结焦；从燃烧的煤种上可以分为无烟煤结焦、贫煤结焦、烟煤和褐煤的结焦。不管哪种煤质结焦，也不管结焦的部位是局部还是整个炉膛，它们的结焦机理或者直接的动因是比较清楚的，主要取决于两个方面。一方面是煤的灰渣熔融特性，即不同的煤质具有特定的变形温度t1，软化温度t2和融化温度t3。另一方面，煤在炉膛内燃烧过程中，由于燃烧设备的设计与实际燃烧的组织形成煤灰在炉膛不同区域的实际温度水平。当炉膛内或燃烧的煤粉和煤灰温度达到煤灰的特性温度――软化温度t2，或者t3，此时，煤灰达到结焦的温度水平，如果此时大量煤灰又有接触壁面的机会，壁面上就会累积起焦块或焦层。壁面结焦形成后，结焦发展及严重程度与焦渣跟壁面的粘结程度有关。
　　 一般来说，当炉壁表面及附近温度高于或接近所燃煤种的灰熔点温度，使溶融的或者有粘度的灰粒在和水冷壁或耐火层表面接触时粘附于其表面，随之慢慢延展和加厚，无数这样的小焦块和周边相同状态的焦块相互连接，慢慢形成较大面积的结焦，从而减少炉膛有效吸热面积，减小锅炉的蒸发量，使得锅炉操作人员为了达到同样的锅炉负荷，只有增加燃煤量，强化锅炉燃烧，提高炉膛温度，增加辐射传热量，弥补因炉膛有效吸热面积减少而带来的蒸发量不足。而这样的操作出发点，使炉膛温度进一步提高，炉膛结焦进一步加剧，结焦面积也随之增大，造成恶性循环。附着在壁面的焦块，主要受两个力的作用，一个是壁面对其的附着力，另一个是本身重量引起的重力，再一个就是炉膛气流对焦块或焦壁产生的冲击力（摩擦力）。当附着力大于重力与冲击力时，焦块可以继续增大，当重力与冲击力大于附着力时，焦块就会自然坠落。附着力与壁面的粗糙度、煤的灰渣特性、炉膛温度等有关，下坠力主要为焦块的重力。所以，锅炉在运行时只有在一定的煤种和负荷下结焦和掉焦达到平衡，该锅炉就能在这一负荷下长期运行，但是当这一平衡打破，如煤的灰熔点降低或锅炉负荷升高，都将使结焦加剧，如果在新的平衡下，锅炉汽温、汽压、减温水量等能够满足要求，该锅炉将在新的平衡下继续运行。如果各参数不能满足要求，只能降低负荷以寻求新的平衡。
　　 锅炉结焦的机理是比较确切的，所以锅炉厂在设计制造时，基本上也考虑了这些问题，为什么目前还有这么多因结焦而影响带负荷的锅炉呢？这是由于：
　　 （1）目前电煤紧张和煤价太高，发电厂家有些买不到锅炉所需的设计煤种，有些考虑发电成本不愿买价格过高的设计煤种，所以造成燃用的实际煤种和设计煤种不符，当燃用实际煤种的炉膛热负荷整体或者局部热负荷高于设计煤种时，实际煤种的灰熔点又比较低时，有可能造成锅炉结焦。
　　 （2）有些锅炉本身由于设计容积热负荷和断面热负荷太大，带到额定负荷时炉膛水冷壁及附近的温度已高于或接近设计煤种灰熔点。
　　 （3）还有一些锅炉在安装和检修时没有重视燃烧器安装质量，造成切圆变化或气流偏斜而造成结焦。总的目前由于锅炉结焦给生产厂家的安全生产和经济效益带来了很大的影响，必须引起各方重视。
　　
　　 三、煤粉直流燃烧器锅炉减轻炉膛结焦的燃烧调整
　　
　　 前面已介绍过煤粉锅炉直流燃烧器切圆燃烧锅炉结焦从结焦部位上分为气流偏斜造成的局部性结焦和炉膛四周均匀性结焦两种情况，所以我们就分这两种情况进行分析和调整。
　　 （一）由于气流偏斜而造成的结焦
　　 由于气流偏斜而造成的结焦，也分成几种情况：
　　 1.由于调整造成的气流偏斜；直流燃烧器四角切圆燃烧的最主要的也是最关键的调整就是四角气流调平。对一般锅炉而言，一次风大部分都采用可调缩孔，在冷态时通过可调缩孔按层调平同层一次风速，这样在热态带粉情况下，一般同层一次风速就不会有大的速度差别，基本保证同层一次风切圆居中。二次风在调整上往往就比较复杂，由于不同的锅炉四角二次风箱设计的进风口位置以及风箱形式不同，可能四角的进风阻力有差别，对四角二次风调整就带来了一定的困难。所以分几种情况来调整；（1）热风进入四角风箱在流量相同时阻力一致，这时只要在维持四角风室压力相等的情况下，分别做出四角所有二次风小风门不同的开度和喷口所对应的速度曲线即二次小风门等压特性曲线。开度取点不宜太少，否则曲线误差较大。运行时可根据这个曲线将所有参与投风的同层二次风喷口风速调整一致（当然还可以根据燃烧将二次风配成燃烧需要的均等型或倒三角型等等配风形式）。使同层二次风切圆基本居中，这样就是整个炉膛火焰居中，避免了由于调整而造成的气流偏斜。（2）二次风箱由于设计位置或热风进口的位置影响，四角风室在同一流量下阻力不同，但四角风箱各设计有一个总风门；可用总风门先行调平四角风室阻力（为了接近运行情况，最好将调整时风量选在实际运行风量附近），然后作出四角各二次风小风门等压特性曲线。（3） 对于四角风室在同一流量下阻力不同，但设计上又无四角总二次风门的情况；也只能在正常运行的风量附近做出四角各二次风小二次风门等压特性曲线。尽管这个曲线误差较大但可作为运行调整是的参考。就是有了这个曲线，在运行时还要勤看火、勤观察，及时发现问题及时调整，弥补冷态调整不足。目前大锅炉对二次风大部分都采用风速在线监测，但是由于二次风道距离短、拐弯多等等问题，所以造成二次风在线误差较大，运行时还应及时观察。
　　 2.由于安装误差造成的气流偏斜；这样的气流偏斜一般通过调整就比较困难，误差小可通过调整解决，误差大最好的办法就是重新安装调整燃烧器。当然在燃烧器没有重新安装调整前，也可通过调整的办法加以缓解。下面就这类问题调整进行详述：

　　 对于安装造成的气流偏斜，调平四角气流达不到切圆居中的目的，这样就容易造成局部结焦，为了缓解这个问题，只有采取四角气流不平衡法进行调节。
　　 以上三图中图1切圆偏小，有利于防止局部壁面结焦，但对难燃煤种着火不利，图2切圆偏大，容易造成局部结焦，图3就是气流偏斜，左上角燃烧器安装角度偏大，气流偏左侧墙时，为了使切圆向右墙移动，调整时（1）适当增加左上角气流速度；（2）适当降低右下角气流速度；这样将使左上角气流向中回转，减轻左墙结焦。切圆燃烧，四角气流是通过相互撞击，形成切圆，也就是说，上游气流冲击下游气流，使下游气流偏斜，下游气流靠自身刚性和背墙侧的压力抵抗上游冲击，在这两种力量的合力作用下，气流发生偏转，所以改变其中任何一种力，都将改变气流的偏转程度。所以直流燃烧器切圆燃烧调节燃烧中心就是依据这个原理进行调节。
　　 （二）由于锅炉壁面及附近温度高于或接近所燃煤种的灰熔点引起的结焦
　　 锅炉在运行过程中，即便四角气流没有偏斜或刷墙，且炉内火焰居中，但炉膛四周依然结焦，只是结的部位不同而已。有些在燃烧区；有些在燃烧区靠上部一点；也有些在上部及大屏部位。其原因都是因结焦部位壁面及附近温度高于或接近燃烧煤种的灰熔点，也就是说，只要壁面及附近温度高于或接近燃烧煤种的灰熔点，该部位就会结焦，并当其温度接近所燃煤种灰的软化温度t2时，结焦粘结于炉壁表面并不断增高；当温度高于所燃煤种灰的溶溶温度t3时，焦面开始融化下流。所以燃烧调节的目的就是要使该部位的壁面及附近的温度降下来，并且降低到灰熔点t2以下，否则燃烧调节是无效的。如果壁面及附近温度在t2附近，通过调节使温度低于t2，结焦会缓解；如果壁面及附近温度在t3附近，通过调节温度也必须降到低于t2，否则当温度在t2和低于t3之间，结焦反而会加重。所以说有些锅炉是可以通过调整解决和缓解结焦的，有些锅炉就不行，必须通过别的途径如换煤种、配煤、改造等手段进行解决。
　　 现在我们只限于从调整的角度谈怎样解决和缓解由于锅炉壁面及附近温度高于或接近所燃煤种的灰熔点引起的结焦问题。这个问题分三种情况：
　　 1.结焦部位在燃烧器区域。有些锅炉结焦主要部位在燃烧器区域，也就是说主要在燃烧器喷口附近。造成这种结焦有三种情况：（1）从设计上看可能是燃烧区断面热负荷偏高，使燃烧区壁面及附近温度高于灰熔点。（2）从燃煤上看可能是燃煤偏离设计煤种，其灰熔点低于设计煤种。（3）调整上可能是由于一次风着火太近，使燃烧器局部温度太高。不管是哪种原因，从调整上一般只要采取措施，使一次风着火推后，降低燃烧区热负荷就可缓解。比如提高一次风速，降低一次风温，开大周界风或侧边风等都有作用。
　　 2.结焦部位在燃烧区紧上部；这种结焦往往是由于下层一次风着火不好，使火焰中心上移，使上层一次风和下层一次风集中燃烧，造成局部温度过高，超过或接近灰熔点。调节的方法就是使下一次风着火提前，使燃烧区热负荷尽量均匀，比如降低下层一次风速，关掉下层一次风周界风、侧边风、中心风，关小下层一次风紧下边二次风等。
　　 3.结焦部位在锅炉上部及大屏上。这个部位结焦大多都是由于锅炉下部燃烧不好或吸热不好使锅炉出口温度高过灰熔点造成的。调节的方法就是火焰中心下移，比如降低一次风速，关掉周界风或侧边风、中心风，二次风采用倒三角配风，必要时将煤粉调细等。只要使上部温度降下来，上部结焦就会减缓。
　　 燃烧调整是一个较为复杂的过程，首先要甄别炉内结焦情况，如结焦部位、结焦形式（是粘附焦还是流动焦）等，借以判断炉膛温度。如果为粘附型焦，炉膛壁面附近温度在所燃煤种灰的变形温度t2附近，如果是流动型焦，那么炉膛壁面附近温度就高于所燃煤种熔融温度t3。如果炉壁及附近温度在t2附近，只要通过调整使炉膛温度降低，锅炉结焦就会减轻。如果炉壁及附近温度高于t3，那么通过调整结焦反而会更加严重，因为这时的焦不往下流反而都附着在水冷壁上了，这时锅炉出口烟温会更高，锅炉越发带不上负荷。这是因为原来炉温比较高，灰向下流，水冷壁是干净的，炉膛吸热面积基本没有减少。可灰都堆积在炉膛除渣口并且坚硬难除，运行一段时间后由于除渣口堵塞才将被迫停炉处理，造成更大损失。
　　 煤粉锅炉的燃烧调整，只能在一定的程度上缓解结焦，因为燃烧调整使炉膛温度的降低是有限的，要解决问题主要从燃煤上考虑，尽量组织适应本锅炉燃烧的煤种。如果必须烧这种煤种，还要减轻炉膛结焦，那么就必须进行燃烧器改造。采用正确的方式进行燃烧器改造，在很大程度上可以提高锅炉带负荷能力，使锅炉使用的煤质范围扩大。但改造不是万能的，因为一台锅炉设计完成后，它的炉膛容积，受热面积都一定了，燃烧器改造只能最大限度地利用这个炉膛容积和受热面积，使壁面及壁面附近温度低于所燃煤种灰熔点的情况下提高炉膛受热面平均吸热量，提高锅炉负荷。
　　
　　 四、总结
　　
　　 煤粉锅炉炉膛燃烧温度高，炉膛结焦情况对煤质变化较敏感。煤的灰渣熔融特性作为结渣的内因，炉膛结构、水冷度，炉膛壁面热负荷、炉膛容积热负荷、燃烧器区域热负荷、燃烧器区域容积热负荷与壁面热负荷以及燃烧器切圆大小、射流是否偏斜等作为炉膛结渣的外因，当内外因联合作用，在炉膛壁面附近形成t1到t2之间的温度场时，最易产生炉膛结渣。本文针对几种典型的炉膛结渣情况，结合多年电站锅炉燃烧调整经验，提出了相应的对策。希望这些经验对一线的运行操作人员有所裨益。
　　
　　 参考文献：
　　 [1] 兰泽全，曹欣玉．模糊模式识别在水煤浆锅炉结渣特性判别上的应用[J]．中国电机工程学报，2003（7）：10-13.
　　 [2] 冯新德．解决六角切圆锅炉结渣问题的研究及工程应用[J]．中国电机工程学报，2004（2）：1-5.
　　 [3] 周涌，由长福，祁海鹰，徐旭常．锅炉结渣过程数值模拟研究进展[J]．燃烧科学与技术，2004，26（2）：1-3.
　　 [4] 岑可法，樊建人，池作和，等．锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算[Ｍ]．科学出版社，1994.
　　 [5] 成庆刚.防止褐煤锅炉结渣的WRKT-Ⅲ型双通道煤粉燃烧器研制[J]．锅炉技术，2006：20-51.
　　 [6] 谭厚章，徐通模，余战英，惠世恩．四墙切圆燃烧方式壁面热负荷[D]．2007.
　　

转载注明来源:https://www.xzbu.com/2/view-515321.htm