王 志 強

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

鍋爐作為煤炭提供動力的設(shè)備，極易發(fā)生結(jié)焦現(xiàn)象，影響燃煤鍋爐的安全性及經(jīng)濟性。由于結(jié)焦造成的鍋爐非正常停機達到10%以上。關(guān)于燃煤鍋爐結(jié)焦問題，國內(nèi)外進行了大量研究，主要集中在煤質(zhì)因素和外部條件方面。煤質(zhì)因素方面，姚星一[1]、王泉清等[2]對煤灰中化學(xué)成分進行分析，發(fā)現(xiàn)煤灰中的酸堿氧化物在高溫下會相互反應(yīng)，生成低熔點的礦物，且一些氧化物自生熔融性溫度較高，含量高低對煤灰熔融性起決定性作用；張德祥等[3]、馬永靜[4]、Unuma等[5]對煤中礦石進行分析，發(fā)現(xiàn)煤的灰熔融性取決于石英、高嶺石和長石的含量，隨著高嶺石含量的增加，灰熔融性升高，高嶺石含量相同時，長石含量高的煤，灰熔融性低；Vassilev等[6]分析了煤化學(xué)組成和礦物組成，認為煤灰中硅酸鹽含量高時，灰熔融性較高；而含有較多氧化物和長石時，灰熔融性較低，進而影響結(jié)焦情況；Nicholas等[7]將英國國內(nèi)煤種分別與美國和南非的煤種混合燃燒，研究混煤成分對結(jié)渣特性變化的影響，發(fā)現(xiàn)含量高的Fe2O3英國國內(nèi)煤種與含量高的CaO煤種混合后結(jié)渣性能顯著提高。外部條件方面，吳英[8]等針對600 MW四墻切圓燃燒超臨界鍋爐燃燒器區(qū)域易結(jié)焦問題進行了研究，發(fā)現(xiàn)燃燒器區(qū)域截面熱負荷設(shè)計較大，造成其內(nèi)火焰燃燒溫度較高，引起結(jié)焦；林樹亮等[9]分析350 MW超臨界直流鍋爐結(jié)焦原因，發(fā)現(xiàn)煤粉偏細，導(dǎo)致著火提前，燃燒器區(qū)域熱負荷驟增，導(dǎo)致結(jié)焦；韓廷秀[10]針對670 t/h鍋爐燃燒器進行防結(jié)焦改造，通過研究切圓燃燒鍋爐帶側(cè)二次風(fēng)的一次風(fēng)射流剛性，發(fā)現(xiàn)側(cè)二次風(fēng)對一次風(fēng)的剛性能有顯著影響，側(cè)二次風(fēng)與一次風(fēng)的動量比應(yīng)維持在0.73～0.86，此時氣流沿水冷壁的速度有所減少，氣流貼壁減少，氧含量升高，受熱面管壁溫度下降，能有效防止結(jié)焦發(fā)生；賴祿斌[11]針對600 MW鍋爐結(jié)焦原因進行分析，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高鍋爐內(nèi)部過量空氣系數(shù)，可以抑制還原性狀態(tài)的出現(xiàn)，防止結(jié)焦。以上成果為解決燃煤鍋爐結(jié)焦問題提供了參考，但鮮見解決現(xiàn)場鍋爐結(jié)焦問題，特別是煤粉工業(yè)鍋爐結(jié)焦問題的相關(guān)研究。

某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐在冬季供暖期間，出現(xiàn)大規(guī)模結(jié)焦現(xiàn)象，且結(jié)焦頻繁，導(dǎo)致頻繁停爐清焦，增加了運營成本和安全隱患。為了解決燃燒結(jié)焦問題，本文結(jié)合燃煤鍋爐燃燒結(jié)焦的機理，采取不同措施對不同條件下的結(jié)焦現(xiàn)象進行對比分析，并通過SEM-EDS對鍋爐焦塊進行微觀形貌與元素組成分析，以發(fā)現(xiàn)影響某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐結(jié)焦的因素，繼而進行針對性調(diào)整，以期達到抑制鍋爐結(jié)焦的影響。

1 問題分析

1.1 鍋爐概況

某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐選用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院(簡稱煤科院)自主設(shè)計、泰山鍋爐廠加工制造的型號為SZS20-1.6-AIII的煤粉飽和蒸汽鍋爐，爐型整體布局如圖1所示。

圖1 鍋爐整體布局Fig.1 Overall layout of boiler

鍋爐采用煤科院自主設(shè)計的濃相中心逆噴燃燒技術(shù)與雙錐煤粉燃燒器和強旋流、濃相煤粉中心逆噴及雙錐強制回流技術(shù)，具有著火容易、燃燒穩(wěn)定，可實現(xiàn)煤粉在線氣化等特點，與分級配風(fēng)爐膛相結(jié)合，形成獨特的低NOx煤粉燃燒體系[12-13]。

雙錐燃燒器由二次風(fēng)倉、導(dǎo)流葉片、雙錐燃燒室、風(fēng)粉噴管及回流帽等部件構(gòu)成。雙錐燃燒器在工業(yè)應(yīng)用時，可完成60%以上的煤粉燃燒進程，導(dǎo)致溫度高、易結(jié)焦。

1.2 結(jié)焦情況

某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐采用現(xiàn)有煤種運行期間，經(jīng)點火運行平穩(wěn)后，隨著運行時間的增加，爐膛膜式壁、二回程對流管入口、預(yù)燃室出口結(jié)焦、掛壁現(xiàn)象嚴重。受熱面逐漸減小，導(dǎo)致爐膛溫度從700 ℃逐漸增加到950 ℃左右(位于爐膛尾部測點溫度)；二回程對流管入口結(jié)焦、積灰越來越多，導(dǎo)致爐膛負壓降低，逐漸出現(xiàn)正值；預(yù)燃室出口封堵，破壞燃燒流場。某地區(qū)煤粉工業(yè)爐結(jié)焦情況如圖2所示。

圖2 某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐結(jié)焦情況Fig.2 Coking situation of pulverized coal industrialboiler in a certain area

2 原因分析

2.1 結(jié)焦機理及影響因素

鍋爐運行時，煤粉在爐內(nèi)燃燒，熔化或部分熔化的顆粒被夾帶在煙氣中，與爐內(nèi)水冷壁、對流管和燃燒器進行熱量交換，隨同煙氣共同放熱降溫。在靠近水冷壁、燃燒器和爐膛內(nèi)壁前，如果軟化的灰渣顆粒溫度降低凝結(jié)固態(tài)，會在受熱面上形成一層疏松的灰層，吹灰操作即可清除。當(dāng)燃燒區(qū)域高溫過熱時，一部分灰渣在接觸水冷壁前，未經(jīng)過足夠的降溫放熱處于熔融和半熔融狀態(tài)，此時的灰渣有相對高的黏性，易吸附在水冷壁、燃燒器和水冷壁上，已黏附的顆粒物極易黏附其他灰渣顆粒物，使結(jié)渣面繼續(xù)擴大，形成結(jié)焦[14-18]。

通常煤的灰熔融溫度為1 000～1 600 ℃，軟化溫度>1 350 ℃稱為難熔煤，軟化溫度在1 200～1 350 ℃為中熔煤，軟化溫度<1 200 ℃為易熔煤，灰熔融溫度越低越容易結(jié)渣，灰中化學(xué)成分和礦物質(zhì)對熔融性有較大影響，化學(xué)成分主要是無機氧化物[19-23]，氧化物含量決定了灰熔融性的高低，一般來說，酸性氧化物(SiO2、Al2O3、TiO2)含量較多，灰熔融性較高；堿性氧化物(Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O)含量較多，灰熔融性較低；礦物分為助熔礦物(長石、硅酸鈣、赤鐵礦、硬石膏、重晶石)和耐熔礦物(石英、高嶺石、莫來石、鈦氧化物)，助熔礦物的總量占礦物總量的比例，決定了煤灰熔融溫度的高低[3-5,24]。

鍋爐燃燒結(jié)焦與煤的灰熔融性、爐膛溫度、反應(yīng)時間等因素相關(guān)[25]。通常情況下，灰熔融溫度越低，爐膛溫度越高，還原性氣氛越強，反應(yīng)時間越長，鍋爐結(jié)焦越嚴重。

2.2 焦塊形貌與成分分析

停爐后，在結(jié)焦部位取得典型焦塊——預(yù)燃室出口焦塊、爐膛膜式壁與對流換熱面入口焦塊，利用SEM-EDS對樣品斷面進行分析，具體如圖3所示。

圖3 焦塊外觀Fig.3 Appearance of coke

由圖3可知，焦塊1(預(yù)燃室出口焦塊)有鼓泡、顏色黑亮，質(zhì)地堅硬、光滑，呈現(xiàn)出釉質(zhì)光澤，應(yīng)為高溫、還原性氣氛下煤灰中礦物成分形成的非晶相玻璃體；焦塊2(爐膛膜式壁與對流換熱面入口焦塊)顏色灰白、質(zhì)地疏松多孔、表面粗糙，應(yīng)為低溫、氧化氣氛下形成的焦塊。

為探究焦塊1和焦塊2的形貌、組成成分差異，對焦塊1和焦塊2的橫斷面取小顆粒樣品進行SEM-EDS分析，微觀形貌分別如圖4所示。

圖4 焦塊微觀形貌Fig.4 Micromorphology of coke

由圖4(a)可知，焦塊1呈規(guī)則的層狀多邊形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密，推測預(yù)燃室溫度較高，煤灰中的無機物在高溫條件下團聚熔融，煤灰中的礦物質(zhì)本身及相互之間發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)[26]，形成了大量非晶相玻璃體；燃燒器為低氮燃燒設(shè)計，預(yù)燃室處于還原性氣氛，導(dǎo)致煤粉燃燒不充分，顯現(xiàn)黑色。研究表明[27]，煤灰中的晶相物質(zhì)在高溫條件下向非晶相物質(zhì)的轉(zhuǎn)化反應(yīng)劇烈，結(jié)合焦塊1的外觀，說明預(yù)燃室溫度較高，此處煤灰中的石英和黏土礦物等大量轉(zhuǎn)化為非晶相的玻璃體[28]，所以表面光滑，呈現(xiàn)亮黑色，且?guī)в杏再|(zhì)光澤。由圖4(b)可知，焦塊2疏松多孔，呈現(xiàn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，布滿褶皺，結(jié)合焦塊2的外觀，推測煤粉在低溫、氧化氣氛(充分燃燒和控制NOx生成)下，燃燒后的煤灰夾雜在熔融顆粒里面，軟化的灰渣顆粒附著在受熱面上，形成焦?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。

對焦塊1和焦塊2進行EDS分析，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)焦塊中O、Fe、C、Ca、Si、Al元素含量較高，其中焦塊1中的C含量高于焦塊2，與黑色外觀一致；焦塊1中的O含量高于焦塊2，說明預(yù)燃室高溫導(dǎo)致煤粉燃燒的過程中生成了大量氧化物，使得焦塊1中的氧含量較高；焦塊1中的Fe含量較高，推測煤中赤鐵礦在高溫條件下，與SiO2和Al2O3發(fā)生低溫共熔反應(yīng)[29]，生成了大量非晶相玻璃體，使得焦塊1呈現(xiàn)出釉質(zhì)光澤。

2.3 煤質(zhì)對比分析

為改善燃燒結(jié)焦?fàn)顩r，保持煤種不變，減小煤粉粒度，結(jié)焦情況和清焦頻率有輕微改善；調(diào)成弱還原性燃燒氣氛[30]和增大二次風(fēng)壓[10]等工況參數(shù)，結(jié)焦情況及清焦頻率無變化；在其他工況條件不變的情況下，使用孫家岔煤粉，燃燒結(jié)焦?fàn)顩r大為改善，爐內(nèi)結(jié)焦情況如圖6所示。

圖5 焦塊元素含量分析Fig.5 Analysis of element content in coke

圖6 孫家岔煤粉燃燒結(jié)焦情況Fig.6 Coking situation of Sunjiacha pulverized coal combustion

對比圖2和圖6，發(fā)現(xiàn)煤粉是影響燃燒結(jié)焦的主要因素，煤礦近期采煤層已不適用坑口煤粉工業(yè)鍋爐，對比化驗孫家岔和鍋爐現(xiàn)用煤粉(補連塔煤粉)，煤質(zhì)分析見表1和表2。

表1 煤質(zhì)分析對比

表2 灰成分及灰熔融溫度對比

由表1可知，鍋爐現(xiàn)用煤粉水分高，低位發(fā)熱量相當(dāng)，燃燒時具有較低的爐膛溫度，對煤種的結(jié)焦有一定的抑制作用，但鍋爐現(xiàn)用煤粉掛壁嚴重，受熱面減小，爐膛溫度會逐漸升高，增大結(jié)焦可能性。

由表2可知，SiO2、Al2O3和CaO是煤灰的主要成分，自身熔點比較高，分別為1 700、2 050、2 580 ℃。高溫下CaO易與灰中Al2O3和SiO2作用，生成低熔點的礦物，降低了煤的灰熔融性。孫家岔煤粉中19.50%的Al2O3和60.25%的SiO2含量遠高于4.83%的CaO含量，酸堿中和后，多余的Al2O3和SiO2能大大提高煤的灰熔融性；補連塔煤粉中10.25%的Al2O3和28.07%的SiO2在高溫下與30.78%的CaO反應(yīng)后，只剩少許的酸性氧化物，煤的灰熔融性較低，增大結(jié)焦的可能性。

Fe2O3、MgO為助溶劑[31-32]，在高溫下與灰中硅鋁酸鹽相互作用，生成低熔點長石，降低灰熔融溫度；TiO2為無機酸性氧化物，會提高灰熔融溫度；SO3在高溫下會生成硫酸蒸汽，遇到灰中的鈣氧化物就會產(chǎn)生硫酸鈣，硫酸鈣會附著在設(shè)備上，形成結(jié)焦[33]。由表2可知，補連塔煤粉Fe2O3、MgO含量較高，TiO2含量較低，SO3含量較高，F(xiàn)e2O3為孫家岔煤粉的5倍左右，MgO為孫家岔煤粉的2倍左右，TiO2僅為孫家岔煤粉的1/6，SO3為孫家岔煤粉的2.5倍，這些含量差異造成補連塔煤粉灰熔融溫度較低，加大結(jié)焦的概率。

煤灰軟化溫度常用來評估煤種結(jié)焦性[26]。通常情況下，ST<1 200 ℃稱為易熔煤，容易結(jié)渣，補連塔煤粉灰熔融溫度為1 170 ℃，屬于典型的易結(jié)焦煤種；孫家岔煤粉灰熔融溫度為1 310 ℃，不易結(jié)焦。綜合分析可知，補連塔煤質(zhì)改變，灰熔融溫度較低是鍋爐結(jié)焦的根本原因。

2.4 結(jié)渣性分析

為定量判別鍋爐現(xiàn)用煤種的結(jié)渣特性，引入經(jīng)驗判別指數(shù)進行對比分析，具體見表3。

表3中，酸堿比即煤灰中堿性氧化物含量與酸性氧化物含量之比，計算式為

表3 結(jié)渣指數(shù)判別標(biāo)準

(1)

硅比為

(2)

硅鋁比為

C=w(SiO2)/w(Al2O3)

(3)

鐵鈣比為

D=w(Fe2O3)/w(CaO)

(4)

綜合結(jié)渣指數(shù)為

(5)

式中，w(i)為各物質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)，%。

補連塔煤粉和孫家岔煤粉各項結(jié)渣指標(biāo)判斷結(jié)果計算見表4。

表4 煤粉結(jié)渣指標(biāo)計算結(jié)果

由表4可知，鍋爐現(xiàn)用補連塔煤粉中，4項評價指標(biāo)為“嚴重”，1項評價指標(biāo)為“中等”，結(jié)渣性強烈；孫家岔煤粉中，1項評價指標(biāo)為“嚴重”，2項評價指標(biāo)為“中等”，2項評價指標(biāo)為“輕微”，結(jié)渣性中等偏下。

綜合分析可知，鍋爐現(xiàn)用煤粉灰熔融溫度較低，結(jié)渣性強烈，是造成鍋爐結(jié)渣的最本質(zhì)因素，在現(xiàn)用煤種無法改變的情況下，通過摻入添加劑，提高現(xiàn)用煤粉的灰熔融溫度，是解決某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐結(jié)焦的主要辦法；同時配合調(diào)節(jié)煤粉粒度。

3 調(diào)整措施

煤種灰熔融溫度較低是鍋爐結(jié)焦的最本質(zhì)原因，結(jié)焦掛壁，受熱面減小，爐溫升高，進一步促進結(jié)焦的發(fā)生。因此如何提高煤的灰熔融溫度，配合調(diào)節(jié)煤粉粒度是解決燃燒結(jié)焦的主要思路。

3.1 5%石英的摻入

由表2可知，SiO2、Al2O3和CaO是煤灰的主要成分，且熔點較高，對煤質(zhì)灰熔融溫度起主要作用，如何擴大灰中酸堿氧化物的差異是提升灰熔融溫度的關(guān)鍵。由表3可知，提升灰中SiO2、Al2O3和CaO含量可以得到較低的結(jié)焦評價指數(shù)。提升灰中SiO2和Al2O3含量或CaO含量，都可以提高灰熔融溫度，降低結(jié)焦評價指數(shù)，但部分電廠要求灰成分中CaO含量低于12%，所以摻入富含SiO2或Al2O3的物質(zhì)，提升灰熔融溫度，改變結(jié)焦的本質(zhì)因素。部分礦物質(zhì)的化學(xué)成分[34]見表5。

表5 礦物質(zhì)化學(xué)成分

綜合考慮成本和運輸問題，選用石英作為添加劑[35]，摻入量占混成煤的5%，摻混后灰中酸性氧化物SiO2含量為56.75%、Al2O3含量為6.02%，堿性氧化物CaO含量為17.22%，灰中主要酸堿氧化物含量相差45.55%，摻混后鍋爐現(xiàn)用煤粉的灰熔融溫度達到1 280 ℃，相比未摻混的煤粉灰熔融溫度提高110 ℃，結(jié)焦傾向得到較大抑制。

3.2 煤粉粒度調(diào)整

粗煤粉顆粒燃燒時間長，導(dǎo)致火焰拉長，對流管入口的灰處于溫度較高的環(huán)境下，易造成對流管入口處結(jié)焦；煤粉過細，著火過早，極易破壞燃燒器，在燃燒器周圍結(jié)焦。某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐對流管入口處結(jié)焦嚴重。調(diào)整煤粉磨機頻率由19 Hz增大到22 Hz，煤粉粒度(200目，0.075 mm)過篩率從70%增大到85%，煤粉粒徑變小，對流管入口結(jié)焦?fàn)顩r改善。改造后某地區(qū)煤粉工業(yè)鍋爐連續(xù)穩(wěn)定運行，供料頻率10 Hz，負荷15.4 t/h下，測得前爐膛溫度、后爐膛溫度、爐膛出口溫度，并與調(diào)整前進行對比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 調(diào)整前后溫度對比Fig.7 Temperature comparison before and after adjustment

由圖7可知，摻混5%石英、減小煤粉粒度后，前后爐膛溫度降低了100 ℃左右，爐膛出口溫度降低了50 ℃左右，且能長時間保持穩(wěn)定運行，這是由于改造后爐膛掛壁結(jié)焦減少，受熱面增加。

連續(xù)運行5 d，停爐后觀察爐膛內(nèi)部情況，如圖8所示。可知，結(jié)焦現(xiàn)象明顯減小，改造效果良好。

圖8 調(diào)整后爐膛內(nèi)部情況Fig.8 Internal condition of furnace after adjustment

4 結(jié) 論

1)預(yù)燃室出口焦塊與爐膛膜式壁、對流換熱面焦塊明顯不同，預(yù)燃室焦塊為顏色黑亮、表面光滑、質(zhì)地堅硬的非晶相玻璃體；爐膛膜式壁和對流換熱面焦塊為顏色灰白、表面粗糙、質(zhì)地疏松的初始結(jié)焦面；這主要是由于預(yù)燃室溫度高，處于還原性氣氛，爐膛膜式壁和對流換熱面溫度低，處于氧化性氣氛。

2)灰中酸性氧化物Al2O3(10.25%)、SiO2(28.07%)含量之和與灰中堿性氧化物CaO(30.78%)含量相差僅為7.54%，相差不大，高溫下會相互反應(yīng)，生成低熔融性溫度的礦物，導(dǎo)致現(xiàn)用煤種的灰熔融性溫度僅為1 170 ℃，容易結(jié)焦；結(jié)渣指數(shù)評價指標(biāo)表明，鍋爐現(xiàn)用煤種結(jié)渣性趨于嚴重，屬于強結(jié)渣性煤種。

3)通過摻混5%的石英，灰中酸性氧化物SiO2(56.75%)、Al2O3(6.02%)含量之和與灰中堿性氧化物CaO(17.22%)含量相差45.55%，相差較大，摻混后現(xiàn)用煤種灰熔融性溫度為1 280 ℃，提高了110 ℃；配合減小煤粉粒度措施，煤粉粒度(200目，0.075 mm)過篩率從70%增大到85%，縮短了燃燒時間，有效抑制了結(jié)焦?fàn)顩r。