， ， ，， ，，高景，紅雨

(1.西安熱工研究院有限公司 電站調(diào)試技術(shù)部，陜西 西安 710054;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 燃燒工程研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

新疆準(zhǔn)噶爾盆地東部分布著我國目前規(guī)模最大的整裝煤田——準(zhǔn)東煤田[1]，該煤田預(yù)測(cè)資源儲(chǔ)量高達(dá)3 900億t[2]，按我國當(dāng)前年采煤量估算，準(zhǔn)東煤田可滿足我國未來100年的煤炭需求[3]。準(zhǔn)東煤燃燒性能優(yōu)良，極易著火和燃盡[4]，因此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)東煤的大規(guī)模開發(fā)利用，對(duì)于保障我國能源安全意義重大[5]。

對(duì)于高鈉煤的積灰結(jié)渣機(jī)理，Li[6]等指出，600～800 ℃時(shí)，煤中揮發(fā)的Na主要以氣態(tài)NaCl形式存在；楊少波等[7]指出，高鈉煤燃燒時(shí)釋放的氣態(tài)NaCl冷凝于壁面，促進(jìn)了飛灰的沉積；Li[8]等發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)東煤初始積灰層是由富含AAEM元素的物質(zhì)組成的；陶玉潔等[9]認(rèn)為，天池準(zhǔn)東煤的強(qiáng)結(jié)渣性是由于燃燒過程中形成了多種低溫熔融體；Zhou等[10]研究表明，不同爐內(nèi)溫度下，積灰層的晶相成分和生長狀況不同；Wang[11]等研究表明，煙氣成分對(duì)積灰傾向和飛灰粒徑具有重要影響；Li[12]等的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，高鈉煤在富氧燃燒氣氛下將形成更多量的細(xì)灰粒；齊曉賓等[13]認(rèn)為，堿金屬跟煤灰中的成分反應(yīng)生成高黏性的低溫共熔物，是流化床鍋爐床料顆粒聚團(tuán)的原因。上述研究多采用燃燒試驗(yàn)臺(tái)模擬煤灰沉積，所得樣本跟電廠鍋爐真實(shí)灰渣具有一定差異，因此有必要開展實(shí)際取樣，更準(zhǔn)確的分析準(zhǔn)東煤強(qiáng)結(jié)焦性的原因，并針對(duì)性的給出解決措施。

某電廠燃用準(zhǔn)東煤后，受熱面出現(xiàn)了嚴(yán)重的灰污結(jié)渣問題，導(dǎo)致鍋爐停爐，給當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大負(fù)面影響。鍋爐受熱面沾污結(jié)渣不僅會(huì)引起管束換熱條件惡化[14]，還會(huì)帶來管壁腐蝕、超溫，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致爆管事故，威脅發(fā)電設(shè)備的安全運(yùn)行[15]。分析準(zhǔn)東煤沾污原因，探索防止鍋爐受熱面結(jié)渣措施，對(duì)于指導(dǎo)準(zhǔn)東地區(qū)電廠的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 問題描述

1.1 鍋爐概況

新疆五彩灣地區(qū)某電廠鍋爐采用超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，為一次再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣，全懸吊結(jié)構(gòu)的П式爐，鍋爐型號(hào)為DG1147/25.4-II2。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要參數(shù)

該爐爐膛四周為全焊式膜式水冷壁，爐膛由下部螺旋盤繞上升水冷壁和上部垂直上升水冷壁兩個(gè)不同的結(jié)構(gòu)組成，兩者間由過渡水冷壁和混合集箱轉(zhuǎn)換連接。過熱器受熱面由四部分組成：第一部分是頂棚及后豎井煙道四壁及后豎井分隔墻；第二部分是布置在尾部豎井后煙道內(nèi)的低溫過熱器；第三部分是位于爐膛上部的屏式過熱器；第四部分是位于折焰角上方的高溫過熱器。再熱器系統(tǒng)按照蒸汽流程依次分為低溫過熱器和高溫過熱器，低溫過熱器布置在后豎井前煙道內(nèi)，高溫再熱器布置在水平煙道內(nèi)。鍋爐整體布置如圖1所示。

圖1 鍋爐整體布置圖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-高溫再熱器；7-高溫過熱器；8-汽水分離器；9-低溫再熱器；10-低溫過熱器；11-省煤器；12-脫硝SCR裝置；13-空氣預(yù)熱器

1.2 沾污結(jié)渣情況

某電廠連續(xù)3個(gè)月大量燃用準(zhǔn)東五彩灣煤后，鍋爐尾部受熱面陸續(xù)出現(xiàn)結(jié)焦情況，過熱器、再熱器出口蒸汽溫度不斷下降，最終因再熱汽溫嚴(yán)重偏低，鍋爐被迫停機(jī)，進(jìn)行清焦工作。停爐后檢修人員進(jìn)入爐膛內(nèi)部，查看了各受熱面結(jié)焦情況。

從圖2(a)中可以看出，再熱器管束上覆蓋了3～5 cm厚的焦層，這無疑將顯著降低煙氣向金屬管壁的傳熱效率，導(dǎo)致再熱蒸汽溫度嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)值，實(shí)地用小錘敲擊焦層，發(fā)現(xiàn)結(jié)焦硬度較高，很難清理。從圖2(b)中可知，管屏上的焦塊發(fā)生了“搭橋”現(xiàn)象，屏間通流縫隙被厚實(shí)的焦層完全糊住。現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)個(gè)別區(qū)域形成了“煙氣走廊”，相應(yīng)位置處的再熱器管束磨損明顯，這大大增加了爆管事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

從圖3中可知，過熱器上也發(fā)生了大面積的結(jié)焦，但程度相比再熱器稍小，管屏間的縫隙未被完全堵塞，焦層厚度約為2～4 cm。過熱器結(jié)焦程度低于再熱器，推測(cè)是因?yàn)檫^熱器處的煙氣流速較高，攜灰氣流的沖刷作用比再熱器處更加強(qiáng)烈[16]，削弱了過熱器上的結(jié)焦傾向。由圖4可以看出，尾部煙道包墻上的焦塊質(zhì)地堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)致密，清理難度較大。

圖3 過熱器管排結(jié)焦情況

圖4 尾部煙道包墻清焦情況

圖5 空預(yù)器積灰情況

從圖5可以看出，空預(yù)器熱端煙氣倉換熱元件表面，積存了大量的飛灰，與尾部受熱面嚴(yán)重結(jié)焦不同，此處灰粒間結(jié)合性不強(qiáng)，未出現(xiàn)質(zhì)地堅(jiān)硬，連成一片的焦塊。空預(yù)器處入口煙氣溫度約350 ℃，在此溫度下，灰粒間的燒結(jié)傾向較弱[17]，結(jié)合不緊密，因而出現(xiàn)了具有一定松散度的干飛灰。

根據(jù)停爐清焦的實(shí)際結(jié)果，低溫再熱器、低溫過熱器及高溫過熱器上的焦塊灰渣總量超過100 t，這些渣塊不僅嚴(yán)重影響鍋爐的運(yùn)行性能，更大大增加了尾部煙道鋼構(gòu)架的承重負(fù)荷，給整個(gè)爐本體的結(jié)構(gòu)安全帶來隱患。

2 原因分析

2.1 煤質(zhì)分析

對(duì)電廠入爐煤樣進(jìn)行了煤質(zhì)分析，為從成分上尋找原因，選取了多個(gè)代表性煤種作為比較對(duì)象：強(qiáng)結(jié)渣性的神府煤，燃燒性優(yōu)良的大同煙煤，各煤樣分析結(jié)果如表2所示。

從表2可知，準(zhǔn)東五彩灣煤濕度較神府煤和大同煤明顯偏高，這是因?yàn)闇?zhǔn)東煤中毛細(xì)管更加豐富，保存的水分較多，在制粉干燥時(shí)準(zhǔn)東煤將消耗更多熱量。三種煤低位熱值接近，揮發(fā)分都超過了30%，屬于易燃煤。比較哈氏可磨指數(shù)可知，五彩灣煤屬于極易磨的煤，神府煤與大同煤可磨性接近，都為難磨煤。觀察與積灰特性聯(lián)系較大的“收到基灰分”一項(xiàng)，三種煤中大同煤灰分含量最高，五彩灣煤灰分含量最低，神府煤介于二者之間。從鍋爐實(shí)際燃燒表現(xiàn)來看，灰分含量最少的五彩灣煤在受熱面上出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)焦，在空預(yù)器處積存大量飛灰，灰分含量次之的神府煤僅出現(xiàn)部分結(jié)渣情況，而灰分含量最高的大同煤卻不易發(fā)生嚴(yán)重沾污。由此可見，收到基灰分含量與燃煤的積灰傾向并無強(qiáng)烈相關(guān)性。

表2 煤質(zhì)分析

準(zhǔn)東五彩灣煤具有的強(qiáng)結(jié)渣特點(diǎn)需要進(jìn)行更深層的分析。

2.2 焦塊宏觀形貌分析

將清理出的焦塊進(jìn)行切割，斷面形貌如圖6所示。從圖中可以看出，焦塊具有明顯的分層特征，層與層間顏色存在差異，這表明各層物質(zhì)的組成成分不同；從下往上，可以看出焦塊最底層的灰顆粒十分細(xì)膩，隨焦層生長，顆粒逐漸變粗，中部之后，焦層松散程度增大，灰粒直徑也變得更大。

圖6 焦塊斷面形貌

燃料的結(jié)渣特性與其元素組成密切相關(guān)[18]。為分析樣品成分，分別從焦塊底層和上層(取樣位置如白色線框)取樣，進(jìn)行SEM-EDS分析。結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 焦塊底部灰粒元素組成

圖8 焦塊外層灰粒元素組成

對(duì)比圖7和圖8元素分析結(jié)果可知，焦塊底層灰粒Na元素含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外層灰粒，這表明初始積灰層主要由富含Na元素的細(xì)灰粒組成。堿金屬形成的復(fù)雜化合物通常具有較低的熔點(diǎn)[19-21]，因而初始積灰層可能以液態(tài)形式附著于受熱面管壁上，進(jìn)而不斷粘附煙氣中的飛灰粒子，使得結(jié)焦逐層發(fā)展。

IchiroNaruse[22]發(fā)現(xiàn)，煤灰沉積是逐層進(jìn)行的，初始積灰主要由尺寸小于3 μm的細(xì)顆粒組成，這與本文的觀察結(jié)果相一致。此外，焦層生長具有一定的方向性，且在后續(xù)生長過程中方向會(huì)發(fā)生變化，這可能與管束周圍的復(fù)雜流場有關(guān)。

2.3 煤灰性質(zhì)分析

為進(jìn)一步探索準(zhǔn)東五彩灣煤強(qiáng)沾污性的原因，對(duì)煤灰進(jìn)行了灰熔融性及成分分析，結(jié)果如表3所示。

表3 煤灰分析

觀察表3中的數(shù)據(jù)，有如下特點(diǎn)：

(1)三種煤中，神府煤與大同煤灰熔點(diǎn)相近，五彩灣煤灰熔點(diǎn)(ST)比二者高約200 ℃。鍋爐行業(yè)中常用煤灰變形溫度(ST)作為判斷煤種結(jié)焦性的一個(gè)指標(biāo)，ST>1 400 ℃為結(jié)焦傾向較弱的煤，ST<1 200 ℃為結(jié)焦傾向較大的煤。顯然，這一經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)對(duì)準(zhǔn)東煤不適用。

(2)大同煤中的CaO含量遠(yuǎn)小于其他兩種強(qiáng)結(jié)渣性煤。具體來看，大同煤CaO含量約為五彩灣煤的12.2%，為神府煤的17.1%。氧化鈣熔點(diǎn)為2 572 ℃，五彩灣煤具有較高的灰熔點(diǎn)(ST=1370 ℃)卻表現(xiàn)出極強(qiáng)的結(jié)渣性，可能與其含有的大量高熔點(diǎn)CaO有關(guān)。

(3)五彩灣煤中SiO2、Al2O3及Fe2O3三項(xiàng)成分的含量，明顯低于神府煤及大同煤。以結(jié)焦性較弱的大同煤計(jì)算，其SiO2、Al2O3和Fe2O3含量分別是五彩灣煤的3.7倍、3.0倍和2.4倍。

(4)五彩灣煤中氧化鎂、氧化鈉等堿金屬氧化物含量顯著高于其他兩煤種。五彩灣煤MgO含量是神府煤的14.7倍，是大同煤的14.8倍；Na2O含量是神府煤的3.6倍，是大同煤的4.0倍。五彩灣煤中三氧化硫含量較高，是神府煤的1.5倍，大同煤的11.7倍。岑可法[23]指出，煤灰中含有較多堿類物質(zhì)，鍋爐受熱面容易產(chǎn)生積灰，若煤中硫分含量也較高時(shí)，積灰將變得更加嚴(yán)重。

2.4 沾污判別指數(shù)計(jì)算

煤灰中物質(zhì)成分極為復(fù)雜，單獨(dú)討論某一組分的作用無法表征煤灰的整體特性，因此引入污染指數(shù)Hw對(duì)煤灰沾污特性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[24]

Hw=B/A×Na2O

(1)

式中A——煤灰中酸性氧化物的百分含量，包括SiO2、Al2O3、TiO2等;

B——煤灰中堿性物質(zhì)的百分含量，包括CaO、MgO、Fe2O3、K2O和Na2O等;

Na2O項(xiàng)——單指的煤灰中Na2O的百分含量。

結(jié)算結(jié)果如表4所示，從表中可以看出，該判別指標(biāo)得出的結(jié)論與實(shí)際情況符合較好，五彩灣煤嚴(yán)重的結(jié)焦傾向通過極高的Hw值得到了很好體現(xiàn)。

表4 沾污判別指數(shù)計(jì)算

同時(shí)引入結(jié)渣指數(shù)Rz

Rz=1.24(B/A)+0.28(SiO2/Al2O3)-0.0023ST-0.019Sp+5.4

(2)

Sp=SiO2/ (SiO2+Fe2O3+CaO+MgO)

(3)

式中A和B——含義與(1)式相同；

ST——煤灰軟化溫度；

Sp——硅比。

計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表中可以看出，該判別指數(shù)與三種煤實(shí)際結(jié)渣傾向排序相一致。

表5 結(jié)渣指數(shù)計(jì)算

綜上，煤灰沾污指數(shù)和結(jié)渣指數(shù)的計(jì)算結(jié)果跟煤種實(shí)際結(jié)焦傾向符合的較好，這兩個(gè)判別指標(biāo)都是基于煤灰中以Na2O為代表的堿金屬類物質(zhì)含量，因此認(rèn)為五彩灣煤強(qiáng)烈的結(jié)渣傾向與該煤富含Na、K元素具有直接因果關(guān)系。Li等[8]的研究表明，準(zhǔn)東煤積灰層由內(nèi)向外發(fā)展，最內(nèi)層的細(xì)灰粒徑小于10 μm，富含Na、Ca、Cl、S等元素，容易在管壁粘附，是準(zhǔn)東煤強(qiáng)結(jié)焦性的主要原因。由此，推測(cè)準(zhǔn)東煤結(jié)焦過程如下：

煤中堿金屬在高溫燃燒過程中大量揮發(fā)，在爐內(nèi)復(fù)雜物理化學(xué)環(huán)境下與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)熔點(diǎn)較低的化合物，上述化合物在爐膛中以氣態(tài)形式存在，但到了鍋爐尾部，煙溫降低，堿金屬化合物的蒸汽遇冷凝結(jié)，沾附到受熱面管壁，形成液態(tài)的初始積灰層。這層由細(xì)灰粒構(gòu)成的初始積灰層像“膠水”一樣，捕集后續(xù)煙氣中的灰粒，使得積灰層不斷發(fā)展，在燒結(jié)作用下，最終形成密實(shí)的焦塊。

3 解決措施

基于上述分析，從運(yùn)行調(diào)整的角度，給出了以下措施：

(1)保持爐內(nèi)溫度處于合理水平。爐膛內(nèi)溫度過高，將會(huì)促進(jìn)燃燒過程中堿金屬的釋放，強(qiáng)化煤灰沾污傾向。通過謹(jǐn)慎選取水煤風(fēng)的配比，合理組織燃燒，減弱堿金屬蒸汽的形成，從而減輕受熱面結(jié)焦。

(2)調(diào)整爐內(nèi)空氣動(dòng)力場布置合理。良好的爐內(nèi)空氣動(dòng)力場是防止結(jié)焦的前提，灰渣撞擊爐壁時(shí)，若保持軟化或熔化狀態(tài)，則極易黏附爐壁形成結(jié)渣，因此必須保持切圓居中，防止火焰中心偏斜和貼邊。

(3)調(diào)整合適的煤粉細(xì)度。煤粉粗，火炬拖長，粗粉因慣性作用會(huì)直接沖刷受熱面。再則，粗煤粉燃燒溫度比煙溫高，發(fā)生熔化的比例也較高，燃燒的粗粉顆粒沖墻后易引起結(jié)焦。通過調(diào)整煤粉分離器轉(zhuǎn)速，配合調(diào)整磨煤機(jī)液壓加載系統(tǒng)，獲得合理的煤粉細(xì)度。

(4)合理配風(fēng)，適當(dāng)提高一次風(fēng)速能夠減輕煤粒結(jié)焦[25]。提高一次風(fēng)速可推遲煤粉的著火，使著火點(diǎn)離燃燒器更遠(yuǎn)，火焰高溫區(qū)也相應(yīng)推移到爐膛中心，從而避免燃燒器噴口附近結(jié)焦。提高一次風(fēng)速還可以增加一次風(fēng)射流的剛性，減少由于射流兩側(cè)靜壓作用而產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)，避免一次風(fēng)直接沖刷壁面而引起結(jié)焦。

(5)加強(qiáng)爐膛吹灰。準(zhǔn)東煤自身的強(qiáng)結(jié)焦性無法去除，因此強(qiáng)化吹灰，定期打開人孔門觀察結(jié)焦情況有助于控制受熱面沾污。

(6)多煤種摻混燃燒可削弱設(shè)計(jì)煤種的結(jié)焦傾向[26]。以配煤的方式，稀釋準(zhǔn)東煤中的過高的堿金屬含量。經(jīng)綜合考慮，該廠選取的混煤滿足以下指標(biāo)：灰分要求10%～20%之間，低位發(fā)熱量要求17～21 MJ/kg，氧化鈉含量≤1.5%，氧化鉀含量≤1%，全硫含量≤1%，灰熔點(diǎn)(ST)≥1 150 ℃，揮發(fā)分≥30%。根據(jù)多次試驗(yàn)，準(zhǔn)東煤的摻混比例為40%～60%。

綜合采取上述措施后，鍋爐沒有出現(xiàn)大面積結(jié)焦沾污問題。據(jù)檢修時(shí)觀察，爐膛、水平煙道受熱面沒有明顯結(jié)渣，只有后豎井對(duì)流受熱面管間存在部分積灰，而第一排管子的迎風(fēng)面保持清潔狀態(tài)。省煤器灰斗也未發(fā)現(xiàn)大的焦塊。鍋爐燃用準(zhǔn)東煤大面積結(jié)渣掛焦問題得到了較好的控制。

4 結(jié)論

本文通過實(shí)際取樣與測(cè)試計(jì)算，分析得到了準(zhǔn)東煤易結(jié)焦的原因?yàn)椋好褐懈吆康膲A金屬在燃燒過程中形成了低熔點(diǎn)化合物，形成了初始積灰層，強(qiáng)化了受熱面管束的結(jié)渣傾向。為此針對(duì)性的提出了控制爐膛溫度、調(diào)整爐內(nèi)流場分布、合理選擇煤粉細(xì)度與一次風(fēng)速、加強(qiáng)爐膛吹灰及摻燒低堿金屬含量煤等措施，鍋爐實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，結(jié)焦問題得到了較好解決，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)對(duì)同類機(jī)組具有實(shí)際借鑒意義。

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