李其華，馮偉忠

(1.上海電力學院能源與機械工程學院，上海 200090；2．上海申能電力科技有限公司，上海 200137)

大型燃煤發(fā)電廠以煤為主要燃料。在燃煤電廠的鍋爐運行中，經(jīng)常會發(fā)生鍋爐結(jié)焦現(xiàn)象，影響到機組的安全運行。若結(jié)焦嚴重還可能誘發(fā)運行事故，導致設備損壞，甚至造成人員傷亡。例如，1993年3月10日，我國浙江某電廠600 MW鍋爐，因為大量結(jié)焦引發(fā)惡性爆炸事故，造成設備的嚴重破壞和重大的人員傷亡。該機組停運132天，少發(fā)電近14億kWh[1]。至此以后，人們往往談焦色變。因此，鍋爐的結(jié)焦和防治問題，一直以來都是電廠鍋爐工作人員致力于研究和解決的問題。

1 燃煤鍋爐爐內(nèi)受熱面結(jié)焦概述

1.1 結(jié)焦的形成過程

我國電廠鍋爐主要是以煤作為燃料，由于燃煤品質(zhì)、成分的變化比較大，因此其灰分的成分也比較復雜。煤灰的軟化溫度(ST)作為評價鍋爐結(jié)焦特性的重要指標，反映了鍋爐的結(jié)焦特性。當灰粒溫度低于ST時，在受熱面上只能形成疏松的弱黏聚型灰渣，易脫落；當灰?；蚍e灰溫度高于ST時，固態(tài)的灰粒將逐漸趨于熔融狀態(tài)，當其溫度達到或高于FT時會迅速融化，而熔化的灰粒具有較強的粘性，當它未得到及時冷卻而與受熱面接觸時，就會粘附在受熱面上形成結(jié)焦，導致傳熱惡化。

結(jié)焦本身是一種復雜的物理化學過程，有自動加劇的特點。

1.2 判別煤結(jié)焦性能的方法

大量的研究及運行實踐表明，煤的結(jié)焦性能主要是決定于煤灰的成分。目前尚無統(tǒng)一的判別煤的結(jié)焦性能的方法，通常從灰熔點及煤灰的酸堿性兩個方面進行判斷[2]。上海外高橋第三發(fā)電廠(以下簡稱外三)鍋爐燃用設計煤種為神華東勝煤，設計煤種主要特性見表1，煤灰主要成分分析見表2。

表1 設計煤種主要特性

表2 設計煤種煤灰特性

根據(jù)表1、表2可知，外三使用的設計煤種神華煤具有低灰、低硫、發(fā)熱量高的特點，是一種優(yōu)質(zhì)動力煤。但由于其灰熔點較低，具有較強的結(jié)焦傾向。因此，燃用此類煤種的電廠在持續(xù)高負荷運行時，易發(fā)生爐膛出口對流受熱面的結(jié)焦問題。900 MW鍋爐過熱器結(jié)焦情況見圖1。

2 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦現(xiàn)象及其產(chǎn)生機理分析

因環(huán)保原因，我國沿海地區(qū)特別是沿海大城市煤電的設計煤種較多的選用灰分和硫分較低的神華煤，但該煤種具有較強的結(jié)焦傾向，有些批次煤的ST甚至低于1 200℃。ALSTOM公司曾委托德國Clausthal工程技術大學對該煤樣做了結(jié)焦特性試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該煤種的結(jié)焦速率較慢，但附著力極強，一旦結(jié)焦就很難去除。2004年9月，上海外高橋第二發(fā)電廠(以下簡稱外二)6號爐168 h試運行期間，進行了純燒設計煤種神華煤的持續(xù)高負荷運行。在過后的停爐檢查中，發(fā)現(xiàn)其爐膛出口的一級過熱器出現(xiàn)了結(jié)焦，其厚度不大且相當均勻，但難以去除，結(jié)焦情況見圖1[3]。事實上，沿海地區(qū)從20世紀90年代起就普遍采用摻燒至少20%左右的山西大同煤以緩解結(jié)焦問題。

圖1 900 MW鍋爐過熱器結(jié)焦情況

與此相反，從2013年底起，外三全面實施廣義回熱技術之后，就開始停止摻燒高灰熔點的大同煤，至今從未出現(xiàn)爐膛出口受熱面的結(jié)焦問題。在此期間，所用神華煤的ST最低達1 150℃，F(xiàn)T僅為1 170℃，遠低于爐膛出口(屏底)煙溫1 232℃的設計值[3]。

與鍋爐相關的教科書甚至是鍋爐設計規(guī)范都明確表示，為了保證爐膛內(nèi)水冷壁和爐膛出口的受熱面不結(jié)焦，必須使爐膛出口煙溫低于煤灰的軟化溫度ST。由于鍋爐運行中影響爐膛出口煙溫的因素很多，為留有一定安全裕度，通常當燃用煤質(zhì)灰分的軟化溫度ST與變形溫度DT相差小于100℃時，爐膛的出口煙溫θ1”≤ST-100℃[4]。按照此理論，基于外三的爐膛出口(屏底)煙溫1 232℃的設計值和所用神華煤ST最低達1 150℃，F(xiàn)T也僅為1 170℃，很明顯純燒神華煤是不符合邏輯的，根據(jù)教科書和以往經(jīng)驗，這必然會導致爐膛出口受熱面嚴重結(jié)焦，甚至引發(fā)重大事故。但事實上，從使用至今，外三純燒神華煤而從未出現(xiàn)鍋爐結(jié)焦問題。

進一步分析可以發(fā)現(xiàn)，將爐膛出口煙溫與ST對比作為煤粉鍋爐結(jié)焦的判據(jù)并不科學。煙氣向上出了燃燒器區(qū)域后，溫度將逐步下降，而尚在燃燒中的顆粒的溫度必然高于煙氣溫度。而若顆粒已燃盡，其輻射散熱強度遠高于以兩原子氣體為主要成分的煙氣，因此當顆粒運動至爐膛出口處時，其溫度必然低于煙氣。即煙溫并不簡單地等同于煤灰溫度，而產(chǎn)生結(jié)焦的是煤灰本身而不是煙氣，所以鍋爐受熱面結(jié)焦主要原因是煤灰顆粒與鍋爐受熱面接觸時灰粒自身溫度高于ST。

根據(jù)傳熱學，煤灰顆粒和煙氣的輻射特性相差很大，煙氣中N2、O2等二原子氣體無輻射特性，并且煙氣中二原子氣體占絕大部分，雖然煙氣中CO2、H2O 等三原子氣體具備輻射特性，但其輻射頻譜呈間斷性，如圖2所示[5]，其等效黑度遠低于全頻譜輻射的煤灰顆粒。

總而言之，造成鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦的主要原因是當易結(jié)焦類煤灰顆粒被煙氣攜帶到爐膛出口處時，自身溫度仍高于其軟化溫度(ST)而成熔融狀態(tài)，熔化的灰粒具有較強的粘性，就會粘附在受熱面上形成結(jié)焦。

圖2 CO2和H2O主要光帶示意圖

3 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題的數(shù)學建模分析

通過分析，要解決煤粉鍋爐爐膛出口受熱面的結(jié)焦問題，關鍵在于煤灰顆粒被煙氣攜帶到爐膛出口處受熱面時，自身溫度應低于其ST，即無論采取何種措施，只要保證煤灰顆粒在爐膛出口處溫度低于ST，就能從根本上防止鍋爐爐膛出口受熱面的結(jié)焦問題。因此，基于外三電廠鍋爐總體結(jié)構，以單個煤粉顆粒為研究對象，對其在爐內(nèi)燃燒器區(qū)域上方的豎直運動、燃燒和傳熱進行建模分析，并推導出煤粉(煤灰)顆粒溫度隨爐膛豎直高度的變化關系，從而找到影響爐膛出口處煤灰顆粒溫度的關鍵因素。

3.1 外三鍋爐簡介

上海外高橋第三發(fā)電廠2X 1 000 MW超超臨界機組鍋爐為2 955 t/h超超臨界參數(shù)變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛塔式布置、一次中間再熱、四角切圓燃燒、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼懸吊構造、露天布置。鍋爐燃用設計煤種為神府東勝煤。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機的正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐額定工況時，5臺磨運行(從下到上依次為B、C、D、E、F磨)，1臺磨(A磨)備用。鍋爐總體布置見圖3。

圖3 外三鍋爐總體布置圖

3.2 煤粉顆粒豎直運動分析

在此，主要研究爐膛出口半輻射受熱面以及對流受熱面的結(jié)焦問題。因此，可假設煤粉顆粒在燃燒器區(qū)域上方的運動過程中不會碰到四周水冷壁即不發(fā)生撞墻現(xiàn)象。即在此只需研究煤粉顆粒的豎直運動，以球形顆粒為典型，首先研究煤粉球形顆粒在靜止煙氣流中的自由沉降。以煤粉球形顆粒為研究對象，對其在爐膛內(nèi)的豎直方向上進行受力分析，如圖4所示。

圖4 球形顆粒自由沉降時受力分析圖

直徑為d的球形顆粒從靜止開始在靜止煙氣流中自由下落，在重力的作用下降落的速度逐漸增大，同時受到的流體阻力也逐漸增大。當作用在球形顆粒的重力W與作用在其上的流體的浮力FB、流體的阻力FD達到平衡，即

W=FB+FD

(1)

則，顆粒在流體中將以等速度uf自由沉降。uf即煤粉顆粒的自由沉降速度[6]。將煤粉顆粒的重力、流體的浮力和流體的阻力帶入式(1)，得

(2)

式中d——顆粒直徑，m；CD——阻力系數(shù)；ρs——顆粒密度，kg/m3；ρg——煙氣密度，kg/m3。

現(xiàn)在考慮煤粉顆粒在煤粉鍋爐爐膛內(nèi)煙氣中豎直向上運動的實際情況，即當煤粉顆粒被以速度ug垂直上升的煙氣流帶走時，煤粉顆粒的絕對速度為

up=ug-uf

(3)

其中，煙氣流速ug的計算可以通過鍋爐實際運行時的煙氣容積流量mg與爐膛橫截面積A的比值計算，即：

ug=mg/A

(4)

因此，隨著煤粒的燃燒，煤粒在爐膛內(nèi)的豎直高度H(m)隨其燃燒時間t(s)變化的表達式如下：

H=H0+upt

(5)

式中H0——煤粒剛開始燃燒時的豎直高度，m。

3.3 煤粉顆粒燃燒分析

燃料在爐膛內(nèi)的燃燒，其關鍵環(huán)節(jié)是著火和燃盡這兩步。而對于煤粉鍋爐，其燃燒過程大致要經(jīng)歷以下幾個階段：煤粉受熱，水分析出；繼續(xù)受熱，絕大部分揮發(fā)分析出；揮發(fā)分的著火與燃燒；焦炭的形成和著火燃燒；灰渣的形成。

大部分揮發(fā)分著火及燃盡時間僅占整個燃燒過程的10%[4]，為0.2～0.5 s；而焦炭燃盡的過程所占的時間很長，約為90%。從燃燒放熱量來看，焦炭占煤粉總放熱量的60%～95%。著火過程主要取決于煤中干燥無灰基揮發(fā)分的大小，而燃盡過程主要取決于焦炭的燃燒速度。而焦炭主要由固定碳和灰分組成，其中灰為氧和燃燒產(chǎn)物的擴散增加了障礙。氧氣必須克服這個障礙才能到達焦炭表面，產(chǎn)物也需要克服灰阻力才能到達表面，尤其是在接近燃盡時，灰分將阻礙燃燒[7]。因此，在焦炭的燃燒過程中，可將焦炭的燃燒速率與焦炭含灰量近似處理為反比例關系。

3.4 煤粉顆粒傳熱分析

假設在爐內(nèi)燃燒工況相同的情況下，煤粉從離爐膛出口最近的一層燃燒器即F層燃燒器噴口噴出時，其燃程最短，相應煤灰降溫的時間最短，最易引起爐膛出口受熱面結(jié)焦。因此，以F層燃燒器出口的煤粉顆粒為研究對象，而通常爐內(nèi)煤粉顆粒的熱平衡可以寫成以下形式：

(6)

式中mp——煤粒的質(zhì)量，kg；cp——煤粒的比熱容，J/(kg·K)；Tp——煤粒的溫度，K；t——煤粒在爐內(nèi)豎直方向的運動時間，s；Q0——煤粒燃燒的放熱量，W；Q1——爐內(nèi)火焰中心與煤粒間的輻射換熱量，W；Q2——爐膛內(nèi)受熱面與煤粒間的輻射換熱量，W；Q3——煙氣與煤粒間的換熱量，W。

根據(jù)傳熱學基本知識[5]，Q1、Q2的表達式如下：

(7)

(8)

式中ε——煤粒的黑度；σ0——黑體輻射常數(shù)，W/(m2·K4)；r——煤粒半徑，m；X1——爐膛火焰中心相對于煤粒的輻射角系數(shù)；X2——爐膛內(nèi)受熱面相對于煤粒的輻射角系數(shù)；T0——爐膛火焰中心溫度，K；Tw——爐膛內(nèi)受熱面壁面溫度，K。

根據(jù)燃燒學基本理論[8]，Q0、Q3的表達式如下：

(9)

(10)

式中 ——煤粒燃燒速率，kg/s；Δhc——煤粒燃燒反應熱，J/kg；cpg——煙氣比熱容，J/(kg·K)；kg——煙氣導熱系數(shù)，W/(m·K)；Tg——煙氣溫度，K。

4 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題計算結(jié)果分析

通過外三塔式爐的設計參數(shù)，依據(jù)建立的數(shù)學模型，對同一顆粒不同燃燒速率下煤粒溫度沿爐膛豎直高度的變化進行了數(shù)值計算，得到計算結(jié)果如圖5所示。

圖6為ALSTOM公司采用計算機三維數(shù)字仿真計算得到的外二電廠鍋爐爐膛內(nèi)煙氣沿高度方向的平均溫度分布圖[9]。而外三鍋爐設計參數(shù)上除了爐膛豎直高度比外二高了幾米之外，其他設計參數(shù)均與外二一致，因此外三鍋爐爐膛內(nèi)煙氣沿高度方向的平均溫度變化曲線可由圖6滿負荷曲線模擬得出。

圖5中曲線1代表著煤粉顆粒在正常燃燒速率情況下的溫度分布；曲線2代表著煤粉顆粒在較低燃燒速率下的溫度分布。從圖5中可以很明顯的看出，煙氣溫度與煤粉顆粒溫度是有區(qū)別的，且正常燃燒速率情況下爐膛出口處煤灰溫度低于表1中設計煤種的ST(1 170℃)，更低于此處煙氣的設計溫度1 232℃，不會發(fā)生結(jié)焦；但在較低燃燒速率下，爐膛出口處煤灰溫度會高于設計煤種的ST，從而會發(fā)生結(jié)焦問題。此外，由圖5可知，煤粉顆粒從進入爐膛到燃盡變?yōu)槊夯翌w粒的過程中，經(jīng)歷了升溫和降溫兩個階段。而此前提到的外二6號爐168試運行期間發(fā)生了結(jié)焦現(xiàn)象就是因為其爐膛高度比外三低，使煤灰沒有充足的降溫時間而使其在與爐膛出口的一級過熱器接觸時溫度仍高于ST，從而出現(xiàn)了結(jié)焦現(xiàn)象。

圖5 煤粒及煙氣沿爐膛高度方向的溫度分布圖

圖6 900 MW鍋爐爐膛沿高度方向的平均溫度分布圖

通過分析可知，在鍋爐設計上適當提高爐膛高度或在鍋爐運行中適當提高煤粉顆粒燃燒速率，從而給煤灰足夠的降溫時間，最終使其與爐膛出口處受熱面接觸時溫度低于ST，都可以使鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除。當然直接摻燒高灰熔點煤來提高ST同樣可行。

5 燃煤鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題解決方法的探究

雖然受熱面結(jié)焦過程與多種復雜因素有關，但由結(jié)焦機理可知，任何原因的結(jié)焦都由兩個基本條件構成，一是煙氣中的煤灰顆粒與受熱面接觸，二是與受熱面接觸時煤灰顆粒溫度高于其軟化溫度而呈熔融狀態(tài)。也就是說，只要破壞其中任一一個必要條件即可從根本上防止結(jié)焦現(xiàn)象的出現(xiàn)。

5.1 常規(guī)措施分析

(1)摻燒高灰熔點煤如大同煤等，從而提高煤灰顆粒的ST。

(2)加裝屏區(qū)吹灰器，及時吹灰，防治積灰過多而使積灰外表面溫度升至ST而結(jié)焦。

(3)爐膛放大和受熱面調(diào)整，而使煤灰顆粒有足夠的降溫時間。

通過摻燒高灰熔點大同煤、加裝屏區(qū)吹灰器、爐膛放大等措施可以極大改善鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦問題，但同時會導致鍋爐造價和運行成本上升[10]。

5.2 廣義回熱技術及成效分析

5.2.1廣義回熱技術基本原理

現(xiàn)有的熱力循環(huán)理論，完全建立在孤立的汽水系統(tǒng)上。如果將熱力循環(huán)的視角拓展至整個汽輪發(fā)電機組甚至全發(fā)電廠，情況就會發(fā)生很大的變化。事實上，鍋爐輸入的介質(zhì)除了給水，還有空氣(進風)和煤(煤粉)。如果將回熱的介質(zhì)從單純的給水拓展至水、風、煤，汽輪機抽汽熱能的利用空間將被拓寬，排汽損失將減少。

廣義回熱循環(huán)理論[11]，就是從降低汽輪機排汽損失的角度出發(fā)，將回熱循環(huán)從汽水系統(tǒng)拓展至機組、電廠甚至整個社會，如圖7所示。

圖7 廣義回熱系列技術示意圖

5.2.2成效分析

進風回熱系列技術及送粉回熱技術實施后，煤粉顆粒在進入爐膛前絕大部分都已充分干燥并預熱。內(nèi)水分在析出過程中形成大量微孔，這使得顆粒的孔隙率及與氧氣的接觸概率大增，在進入爐膛后能迅速著火、升溫并燃燒，并且燃燒速率和顆粒質(zhì)量的下降速率很快，制粉干燥出力的大大改善以及二次風熱風溫度的進一步提升，使得煤粉的燃燒速率和燃盡率顯著上升[12]。

基于廣義回熱的風粉加熱技術正是充分保證了著火和燃燒的高效，煤粉顆粒的燃盡時間縮短，從而留有足夠的降溫時間使其在爐膛出口處的溫度低于ST。因此，此技術可以在提高機組效率(包括鍋爐效率及循環(huán)熱效率)的基礎上，使鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除。

6 結(jié)語

(1)神華煤種具有低灰、低硫、發(fā)熱量高的特點，是一種優(yōu)質(zhì)動力煤，但灰熔點較低，具有較強的結(jié)焦傾向。因此，燃用神華煤的電廠在持續(xù)高負荷運行時，易發(fā)生結(jié)焦問題，嚴重影響電站鍋爐的安全穩(wěn)定運行。

(2)造成鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦的主要原因是當煤灰顆粒被煙氣攜帶到爐膛出口處受熱面時，自身溫度仍高于軟化溫度ST而成熔融狀態(tài)，熔化的灰粒具有較強的粘性，就會粘附在受熱面上形成結(jié)焦。

(3)研究結(jié)果表明，在鍋爐設計時適當提高爐膛高度或在鍋爐運行中適當提高煤粉顆粒燃燒速率從而給煤灰足夠的降溫時間，最終使煤灰顆粒在爐膛出口處的溫度低于ST，都可以使煤粉鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除。

(4)廣義回熱技術可以在提高機組效率的基礎上使鍋爐爐膛出口受熱面結(jié)焦情況得以極大緩解甚至消除，給其他燃煤機組提供了很高的參考價值和借鑒意義。