德陽(yáng)和新環(huán)保發(fā)電有限責(zé)任公司 雪 偉 中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司 許天瑤 顏 喜 劉忠軒

我國(guó)傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)是“富煤、缺油、少氣”，煤炭長(zhǎng)期占據(jù)能源消費(fèi)主體地位[1]。近年來(lái)，“雙碳”目標(biāo)的提出推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，但風(fēng)電、光伏等新能源存在波動(dòng)性大、易脫網(wǎng)和難消納等問(wèn)題[2]。因此，火力發(fā)電仍將作為重要電源，兜底保供、調(diào)峰調(diào)頻，起到“壓艙石”作用，保障轉(zhuǎn)型期電力供應(yīng)[3-5]。電站鍋爐運(yùn)行中常出現(xiàn)受熱面結(jié)渣，導(dǎo)致增大傳熱熱阻、降低鍋爐熱效率、影響鍋爐出力、大渣掉落破壞冷灰斗等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致機(jī)組停機(jī)和事故。因此，鍋爐的結(jié)渣及其應(yīng)對(duì)措施一直是電廠工作人員和科研人員致力于研究和解決的問(wèn)題。

鍋爐結(jié)渣是較復(fù)雜的流體力學(xué)和物理化學(xué)過(guò)程，主要是由于煙氣中熔融或半熔融的灰、煤顆粒碰撞到較低溫度的受熱面凝固長(zhǎng)期發(fā)展而形成的。影響鍋爐結(jié)渣的因素較多，主要有以下幾個(gè)方面。

一是顆粒運(yùn)輸機(jī)理。煤灰顆粒運(yùn)輸機(jī)理包括揮發(fā)性灰的氣相擴(kuò)散、熱遷移和慣性遷移，顆粒的運(yùn)輸促進(jìn)鍋爐受熱面初始沉積層的形成。由于爐膛中心溫度極高，其中的灰顆粒多為熔融/半熔融狀態(tài)，在慣性作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度快，冷卻慢，灰顆粒容易粘附在初始沉積層上，逐步形成難以清除的熔渣，影響鍋爐正常運(yùn)行。

二是煤灰成分。研究煤的結(jié)渣機(jī)理離不開(kāi)對(duì)煤的灰成分組成分析，煤的灰成分是指煤燃燒后生成的無(wú)機(jī)金屬氧化物，可分為堿性組分（Na2O、K2O、Fe2O3、CaO、MgO）和酸性組分（SiO2、Al2O3、TiO2）。一般認(rèn)為，酸性組分含量越高，灰的熔融溫度就越高；堿性組分含量越高，灰的熔融溫度越低，結(jié)渣傾向也越強(qiáng)。

三是爐內(nèi)溫度場(chǎng)電站鍋爐的結(jié)渣主要是由于熔融/半熔融的灰顆粒黏附于水冷壁等受熱面，因此當(dāng)入爐煤一定時(shí)，爐內(nèi)的溫度場(chǎng)就成為是否發(fā)生結(jié)渣的重要影響因素。研究表明，隨著爐膛內(nèi)溫度升高，結(jié)渣程度也隨之增長(zhǎng)?；翌w粒黏附后，初始沉積層的黏性逐漸增加，進(jìn)一步捕捉灰顆粒。沉積層的加厚也惡化了受熱面的傳熱，導(dǎo)致受熱面表面溫度升高，加速結(jié)渣的過(guò)程，常伴有燒結(jié)、熔融和結(jié)塊，甚至結(jié)晶過(guò)程，有時(shí)會(huì)吸收氣相組分參與反應(yīng)。因此，結(jié)渣一旦發(fā)生，不經(jīng)人為干預(yù)，其程度會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

本文通過(guò)對(duì)某全國(guó)性發(fā)電集團(tuán)裝機(jī)容量300MW 以上機(jī)組的結(jié)渣情況統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了結(jié)渣、掉渣的原因及技術(shù)改造經(jīng)驗(yàn)，為減緩電站鍋爐結(jié)渣問(wèn)題提供參考。

1 各機(jī)組結(jié)渣現(xiàn)狀

本文調(diào)研了某集團(tuán)分布在全國(guó)范圍裝機(jī)容量在300MW 以上的130臺(tái)鍋爐的結(jié)渣情況，燃燒器布置包括：四角切圓、前后墻對(duì)沖、W 火焰、雙切圓和墻式切圓，涵蓋全部爐型。燃燒器布置以W 型火焰、前后墻對(duì)沖與四角切圓三種類型為主，其中W型火焰鍋爐均為300MW 級(jí)與600MW 級(jí)，前后墻對(duì)沖爐多為600MW 級(jí)及以上機(jī)組，四角切圓爐多為300MW 級(jí)與600MW 級(jí)。

其中，95臺(tái)鍋爐存在一定程度的結(jié)渣問(wèn)題，占比為73.07%，在存在結(jié)渣的機(jī)組中，在過(guò)去5年內(nèi)因掉渣發(fā)生非停時(shí)間的機(jī)組15臺(tái)，其中發(fā)生1次9臺(tái)，發(fā)生3次4臺(tái)，發(fā)生4次2臺(tái)；發(fā)生降出力的機(jī)組8臺(tái)，其中發(fā)生1次1臺(tái)，發(fā)生3次4臺(tái)，發(fā)生4次1臺(tái)，數(shù)次發(fā)生2臺(tái)。對(duì)各機(jī)組最近兩年掉渣次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，有掉渣發(fā)生的鍋爐中，未統(tǒng)計(jì)或者未上報(bào)掉渣次數(shù)的鍋爐數(shù)為25個(gè)，剩余為70個(gè)，其中掉渣次數(shù)小于等于20次的有42個(gè)，大于20小于100的有15個(gè)，大于100的有13個(gè)，發(fā)生過(guò)非停的機(jī)組近兩年掉渣統(tǒng)計(jì)次數(shù)基本在50次以上。

有結(jié)渣發(fā)生的95臺(tái)鍋爐中，W 型火焰鍋爐21臺(tái)，前后墻對(duì)沖爐23臺(tái)，四角切圓43臺(tái)，墻式切圓6臺(tái)，雙切圓2臺(tái)。W 型火焰鍋爐、前后墻對(duì)沖爐鍋爐、四角切圓鍋爐、墻式切圓鍋爐、雙切圓鍋爐結(jié)渣機(jī)組占各自燃燒類型總數(shù)百分比分別為100%、60.52%、66.15%、50%、100%，如圖1所示。即反饋的機(jī)組中所有的W 型火焰鍋爐與墻式切圓鍋爐均存在結(jié)渣問(wèn)題，其余燃燒類型鍋爐至少一半存在結(jié)渣問(wèn)題。

圖1 不同燃燒方式機(jī)組對(duì)應(yīng)的結(jié)渣比例

總體看來(lái)，所有燃燒方式均存在比較嚴(yán)重的結(jié)渣問(wèn)題，但W 型火焰鍋爐與墻式切圓鍋爐結(jié)渣問(wèn)題較其他爐型更為突出。綜上所述，可以認(rèn)識(shí)到電站鍋爐中的受熱面結(jié)渣問(wèn)題幾乎是不可避免的，且會(huì)導(dǎo)致鍋爐出力下降和被迫停機(jī)等事故，因此只能通過(guò)控制手段緩解鍋爐結(jié)渣。

2 燃用準(zhǔn)東煤及低熔點(diǎn)煤情況

準(zhǔn)東煤灰分低、揮發(fā)分高，燃燒特性優(yōu)異，且埋藏淺、煤層厚、含煤層數(shù)多，易于開(kāi)采，是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力用煤。然而，準(zhǔn)東煤中堿性組分，特別是堿金屬Na 含量較高，遠(yuǎn)高于我國(guó)其他產(chǎn)區(qū)的煤，這也導(dǎo)致了其較強(qiáng)的結(jié)渣特性。在電站鍋爐中燃燒準(zhǔn)東煤的過(guò)程中，高含量的堿金屬（新疆準(zhǔn)東煤以Na為主）易釋放到煙氣中，從而與爐膛中熔融/半熔融的微小灰顆粒結(jié)合，沉積在溫度相對(duì)較低的受熱面等位置，導(dǎo)致受熱面出現(xiàn)嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象。輕則會(huì)影響鍋爐的傳熱效率、降低鍋爐效率、造成經(jīng)濟(jì)損失和引起安全問(wèn)題，重則會(huì)引起煙氣側(cè)受熱面管排間灰渣的搭橋和鍋爐堵塞、爆管等嚴(yán)重的事故，造成鍋爐非停等不可控的嚴(yán)重后果。

新疆某電廠在入爐煤中摻燒了25%新疆準(zhǔn)東煤后發(fā)現(xiàn)，在鍋爐運(yùn)行較短時(shí)間后，二次風(fēng)噴口已全部被霜狀物覆蓋，水冷壁幾乎全部被遮住，水冷壁的輪廓無(wú)法識(shí)別；另一電廠摻燒新疆準(zhǔn)東煤15天后，發(fā)現(xiàn)整個(gè)爐膛內(nèi)部全部被渣渣覆蓋，且渣塊堅(jiān)硬，難以清除，嚴(yán)重影響鍋爐的安全運(yùn)行；烏魯木齊某電廠在實(shí)際摻燒40%～70%的高堿煤后，出現(xiàn)水冷壁被渣覆蓋，影響水冷壁吸熱、管壁超溫、爐膛出口煙氣溫度過(guò)高、受熱面沾污結(jié)渣嚴(yán)重、飛灰堵塞煙道等問(wèn)題，影響鍋爐出力和安全穩(wěn)定運(yùn)行。

集團(tuán)內(nèi)95臺(tái)結(jié)渣的鍋爐中，73臺(tái)次反饋機(jī)組發(fā)生過(guò)燃用低熔點(diǎn)煤導(dǎo)致結(jié)渣的事件，占比76.84%。低熔點(diǎn)煤在爐膛內(nèi)燃燒過(guò)程中，爐膛內(nèi)灰顆粒和未燃盡煤顆粒易在高溫下融化，熔融的顆粒在運(yùn)動(dòng)中接觸到溫度相對(duì)較低的水冷壁等受熱面會(huì)黏附在受熱面上，導(dǎo)致結(jié)渣的發(fā)生；30臺(tái)燃用過(guò)準(zhǔn)東煤的鍋爐均發(fā)生過(guò)因燃用準(zhǔn)東煤而導(dǎo)致結(jié)渣事件，準(zhǔn)東煤對(duì)結(jié)渣的影響不僅體現(xiàn)在總體灰熔點(diǎn)偏低，也受其中高含量的堿金屬的影響。

堿金屬易揮發(fā)的特性更易導(dǎo)致壁面內(nèi)白層的形成，大大促進(jìn)的結(jié)渣過(guò)程的進(jìn)行。存在結(jié)渣問(wèn)題的6臺(tái)1000MW 級(jí)機(jī)組均發(fā)生過(guò)燃用低熔點(diǎn)煤導(dǎo)致結(jié)渣的事件，有3臺(tái)機(jī)組燃用過(guò)準(zhǔn)東煤，占比50%；存在結(jié)渣問(wèn)題的37臺(tái)600MW 級(jí)機(jī)組中，有35臺(tái)發(fā)生過(guò)燃用低熔點(diǎn)煤導(dǎo)致結(jié)渣的事件，占比94.59%；存在結(jié)渣的52臺(tái)300MW 級(jí)機(jī)組中，有32臺(tái)發(fā)生過(guò)燃用低熔點(diǎn)煤導(dǎo)致結(jié)渣的事件，占比61.54%。可見(jiàn)，煤質(zhì)對(duì)電站鍋爐的結(jié)渣問(wèn)題影響較大，低熔點(diǎn)煤和強(qiáng)結(jié)渣性的準(zhǔn)東煤更易導(dǎo)致結(jié)渣發(fā)生，對(duì)于必須燃用準(zhǔn)東煤等強(qiáng)結(jié)渣傾向煤種的鍋爐，可以采用摻燒高熔點(diǎn)煤、高嶺土等減緩其結(jié)渣。

3 鍋爐結(jié)渣的危害

鍋爐結(jié)渣后，對(duì)運(yùn)行危害較大。一方面導(dǎo)致排煙溫度升高和煙氣阻力增加，影響發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。另一方面，爐膛結(jié)渣嚴(yán)重時(shí)，會(huì)進(jìn)一步引發(fā)掉渣滅火、冷灰斗水冷壁泄漏造成機(jī)組強(qiáng)迫停機(jī)事故，并造成除渣設(shè)備故障率增加，影響鍋爐安全運(yùn)行。主要危害如下。

一是降低鍋爐效率。受熱面結(jié)渣，受熱面內(nèi)工質(zhì)的吸熱降低，煙溫升高，排煙熱損失增加；燃燒室出口結(jié)渣，在高負(fù)荷時(shí)會(huì)使鍋爐通風(fēng)受到限制，以致?tīng)t內(nèi)空氣量不足，固體不完全燃燒熱損失增加；燃燒器結(jié)渣，影響氣流的正常噴射，固體氣體不完全燃燒熱損失均增加。

二是降低鍋爐出力。水冷壁上結(jié)渣，影響蒸發(fā)量。煙溫升高會(huì)使過(guò)熱汽溫升高，為了保持額定汽溫，往往被迫降低鍋爐出力，影響電廠經(jīng)濟(jì)和保供。

三是造成非停。結(jié)渣過(guò)重如爐膛出口大部分封住、冷灰斗封死、破壞水封等會(huì)造成被迫停爐；大塊渣砸壞受熱管、打渣不慎造成水冷壁爆破或損壞、受熱不均出現(xiàn)過(guò)熱器超溫或爆管，掉渣引起鍋爐滅火，使撈渣機(jī)、碎渣機(jī)運(yùn)輸困難，過(guò)載跳閘。

四是給水循環(huán)的安全性和水冷壁的熱偏差帶來(lái)不利影響，導(dǎo)致高溫對(duì)流受熱面吸熱不均；結(jié)渣會(huì)導(dǎo)致受熱面?zhèn)鳠崾茏?，進(jìn)而引起壁面超溫，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致爆管。

4 鍋爐結(jié)渣原因分析與改進(jìn)方向

電站鍋爐結(jié)渣是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，且結(jié)渣一旦發(fā)生，只會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重，實(shí)際運(yùn)行中造成結(jié)渣的原因主要有以下幾點(diǎn)。一是煤質(zhì)原因。煤質(zhì)差是導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣的主要原因，68.46%機(jī)組反饋燃用煤質(zhì)大幅偏離設(shè)計(jì)煤種，63.85%機(jī)組存在跨煤種摻燒的情況，60.77%機(jī)組發(fā)生過(guò)燃用低熔點(diǎn)煤導(dǎo)致結(jié)渣的事件，30臺(tái)燃用過(guò)準(zhǔn)東煤的鍋爐均發(fā)生過(guò)因燃用準(zhǔn)東煤而導(dǎo)致結(jié)渣事件。

二是設(shè)計(jì)及運(yùn)行。爐膛的設(shè)計(jì)特性：爐膛容積和斷面熱負(fù)荷不當(dāng)、燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷高、燃燒器的設(shè)計(jì)布置不合理等；爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)不合理，如中心偏斜、火焰貼墻、切圓直徑過(guò)大等；燃燒調(diào)整不及時(shí)，如配風(fēng)不當(dāng)、還原性氣氛、超負(fù)荷運(yùn)行、吹灰、除渣不及時(shí)以及煤粉細(xì)度過(guò)大等。

根據(jù)集團(tuán)130臺(tái)鍋爐的結(jié)渣情況及分析，提出以下三條改進(jìn)方向：一是技改手段。通過(guò)改變鍋爐的截面熱負(fù)荷、受熱面管材的節(jié)距、拉長(zhǎng)鍋爐高度、改變受熱面的布置方式、增加吹灰器、增加制粉系統(tǒng)等方式來(lái)緩解堿金屬帶來(lái)的影響；通過(guò)改造，重新分配風(fēng)量，降低爐內(nèi)溫度；落實(shí)CFS 風(fēng)偏置角度，防止偏置角過(guò)大引發(fā)氣流刷墻；加裝聲波吹灰器，緩解受熱面結(jié)渣程度；減小切圓直徑，防止高溫氣流刷墻等；對(duì)于長(zhǎng)期燃用準(zhǔn)東煤的機(jī)組，進(jìn)行專項(xiàng)改造；選擇合理的運(yùn)行氧量，鍋爐運(yùn)行氧量即爐內(nèi)的氧化或還原性氣氛，其對(duì)鍋爐的結(jié)渣有非常大的影響，如果鍋爐運(yùn)行氧量偏低，爐內(nèi)還原性氣氛較強(qiáng)，煤的灰熔點(diǎn)就會(huì)下降，鍋爐就容易結(jié)渣。

二是使用除渣劑。除渣劑一般分兩種，一種是在煤中混入一定量的藥劑，抑制結(jié)渣的發(fā)生，另外一種是直接噴入爐膛，讓渣塊變得松散剝落。電廠可以根據(jù)各自結(jié)渣實(shí)際情況進(jìn)行選取除渣劑的種類。

三是運(yùn)行及檢修手段。做好燃料管理，根據(jù)進(jìn)場(chǎng)煤的特性合理配煤，進(jìn)而減緩結(jié)渣；根據(jù)不同工況，合理調(diào)整燃燒（保證經(jīng)濟(jì)煤粉細(xì)度和最佳過(guò)?？諝庀禂?shù)）；加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視，嚴(yán)格按要求進(jìn)行鍋爐吹灰，保證受熱面清潔；提高檢修質(zhì)量，保證燃燒器狀態(tài)良好，安裝角度正確，噴口不堵塞，燃燒器角度調(diào)整過(guò)程中不卡澀，遠(yuǎn)方就地同步；加強(qiáng)爐底、煙道、空預(yù)器等設(shè)備漏風(fēng)治理等；防止鍋爐超負(fù)荷運(yùn)行，超負(fù)荷運(yùn)行會(huì)引起結(jié)渣。超負(fù)荷時(shí)就要較大幅度調(diào)大風(fēng)量，提高送引風(fēng)和二次風(fēng)風(fēng)速及煙速，增加過(guò)?？諝饬?。這種強(qiáng)化燃燒的結(jié)果使火焰偏高，煙氣里攜帶大量熔融狀態(tài)的煤粒煤灰黏結(jié)在爐膛出口捕渣管上，此處平均溫度很快高于灰熔點(diǎn)，形成結(jié)渣。

5 結(jié)論

電站鍋爐結(jié)渣問(wèn)題是鍋爐運(yùn)行中常見(jiàn)的問(wèn)題，給鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)諸多不利的影響。本文調(diào)研了某集團(tuán)內(nèi)130臺(tái)裝機(jī)容量300MW 以上鍋爐的結(jié)渣情況，分析其結(jié)渣原因、結(jié)渣影響，并提出改進(jìn)方向。