煤粉锅炉炉膛出口受热面结焦问题研究

煤粉锅炉炉膛出口受热面结焦问题研究

张旭芳

煤科院节能技术有限公司北京100013

摘要：在燃煤锅炉运行中，经常会发生锅炉结焦现象，影响到机组的安全运行。若结焦严重还可能诱发运行事故，造成设备停机，导致设备损坏，甚至造成人员伤亡。因此，锅炉的结焦和防治问题，一直以来都是锅炉工作人员致力于研究和解决的问题。

关键词：燃煤锅炉；锅炉结焦特性；炉膛出口受热面

引言

燃用神华易结焦煤种的锅炉在持续高负荷运行时，其炉膛出口受热面易发生结焦问题，以往以控制炉膛出口烟温作为防止结焦的措施。根据工程实践情况并从煤灰颗粒与烟气的辐射传热特性不同出发，提出了烟温与煤灰颗粒温度的区别，并指出实际运行中炉膛出口受热面发生结焦问题的主要原因在于煤灰颗粒在到达炉膛出口处时其温度仍高于软化温度（ST）。基于此，以单个煤粉颗粒为研究对象，重点计算分析了燃烧速率对炉膛出口处煤灰颗粒温度的影响。结果表明，提高煤粉燃烧速率可以有效地降低炉膛出口处的煤灰颗粒温度，从而极大地改善结焦问题。

一、燃煤锅炉炉内受热面结焦概述

（一）结焦的形成过程

我国工业锅炉主要是以煤作为燃料，由于燃煤品质、成分的变化比较大，因此其灰分的成分也比较复杂。煤灰的软化温度（ST）作为评价锅炉结焦特性的重要指标，反映了锅炉的结焦特性。当灰粒温度低于ST时，在受热面上只能形成疏松的弱黏聚型灰渣，易脱落；当灰粒或积灰温度高于ST时，固态的灰粒将逐渐趋于熔融状态，当其温度达到或高于FT时会迅速融化，而熔化的灰粒具有较强的粘性，当它未得到及时冷却而与受热面接触时，就会粘附在受热面上形成结焦，导致传热恶化。结焦本身是一种复杂的物理化学过程，有自动加剧的特点。

（二）判别煤结焦性能的方法

大量的研究及运行实践表明，煤的结焦性能主要是决定于煤灰的成分。目前尚无统一的判别煤的结焦性能的方法，通常从灰熔点及煤灰的酸碱性两个方面进行判断。通过实践分析，神华煤具有低灰、低硫、发热量高的特点，是一种优质工业用煤。但由于其灰熔点较低，具有较强的结焦倾向。因此，燃用此类煤种的锅炉在持续高负荷运行时，易发生炉膛出口对流受热面的结焦问题。

二、燃煤锅炉炉膛出口受热面结焦现象及其产生机理分析

因环保原因，大多数地区特别是大城市锅炉的设计煤种较多的选用灰分和硫分较低的神华煤，但该煤种具有较强的结焦倾向，有些批次煤的ST甚至低于1200℃。ALSTOM公司曾委托德国Clausthal工程技术大学对该煤样做了结焦特性试验。结果发现，该煤种的结焦速率较慢，但附着力极强，一旦结焦就很难去除。事实上，从20世纪90年代起一些地区就普遍采用掺烧至少20%左右的山西大同煤以缓解结焦问题。与此相反，从2013年底起，外三全面实施广义回热技术之后，就开始停止掺烧高灰熔点的大同煤，至今从未出现炉膛出口受热面的结焦问题。在此期间，所用神华煤的ST最低达1150℃，FT仅为1170℃，远低于炉膛出口（屏底）烟温1232℃的设计值。与锅炉相关的教科书甚至是锅炉设计规范都明确表示，为了保证炉膛内水冷壁和炉膛出口的受热面不结焦，必须使炉膛出口烟温低于煤灰的软化温度ST。由于锅炉运行中影响炉膛出口烟温的因素很多，为留有一定安全裕度，通常当燃用煤质灰分的软化温度ST与变形温度DT相差小于100℃时，炉膛的出口烟温θ1”≤ST-100℃。按照此理论，基于外三的炉膛出口（屏底）烟温1232℃的设计值和所用神华煤ST最低达1150℃，FT也仅为1170℃，很明显纯烧神华煤是不符合逻辑的，根据教科书和以往经验，这必然会导致炉膛出口受热面严重结焦，引发重大事故。但事实上，从使用至今，外三纯烧神华煤而从未出现锅炉结焦问题。进一步分析可以发现，将炉膛出口烟温与ST对比作为煤粉锅炉结焦的判据并不科学。烟气向上出了燃烧器区域后，温度将逐步下降，而尚在燃烧中的颗粒的温度必然高于烟气温度。而若颗粒已燃尽，其辐射散热强度远高于以两原子气体为主要成分的烟气，因此当颗粒运动至炉膛出口处时，其温度必然低于烟气。即烟温并不简单地等同于煤灰温度，而产生结焦的是煤灰本身而不是烟气，所以锅炉受热面结焦主要原因是煤灰颗粒与锅炉受热面接触时灰粒自身温度高于ST。总而言之，造成锅炉炉膛出口受热面结焦的主要原因是当易结焦类煤灰颗粒被烟气携带到炉膛出口处时，自身温度仍高于其软化温度（ST）而成熔融状态，熔化的灰粒具有较强的粘性，就会粘附在受热面上形成结焦[1]。

三、燃煤锅炉炉膛出口受热面结焦问题的数学建模分析

（一）煤粉颗粒竖直运动分析

在此，主要研究炉膛出口半辐射受热面以及对流受热面的结焦问题。因此，可假设煤粉颗粒在燃烧器区域上方的运动过程中不会碰到四周水冷壁即不发生撞墙现象。即在此只需研究煤粉颗粒的竖直运动，以球形颗粒为典型，首先研究煤粉球形颗粒在静止烟气流中的自由沉降。以煤粉球形颗粒为研究对象，对其在炉膛内的竖直方向上进行受力分析。

（二）煤粉颗粒燃烧分析

燃料在炉膛内的燃烧，其关键环节是着火和燃尽这两步。而对于煤粉锅炉，其燃烧过程大致要经历以下几个阶段：煤粉受热，水分析出；继续受热，绝大部分挥发分析出；挥发分的着火与燃烧；焦炭的形成和着火燃烧；灰渣的形成。大部分挥发分着火及燃尽时间仅占整个燃烧过程的10%，为0．2～0．5s；而焦炭燃尽的过程所占的时间很长，约为90%。而焦炭主要由固定碳和灰分组成，其中灰为氧化燃烧产物的扩散增加了障碍。氧气必须克服这个障碍才能到达焦炭表面，产物也需要克服灰阻力才能到达表面，尤其是在接近燃尽时，灰分将阻碍燃烧。因此，在焦炭的燃烧过程中，可将焦炭的燃烧速率与焦炭含灰量近似处理为反比例关系。

四、燃煤锅炉炉膛出口受热面结焦问题解决方法的探究

（一）常规措施分析

第一，掺烧高灰熔点煤如大同煤等，从而提高煤灰颗粒的ST。第二，加装吹灰器及时吹灰，防治积灰过多而使积灰外表面温度升至ST而结焦。第三，炉膛放大和受热面调整，而使煤灰颗粒有足够的降温时间。通过掺烧高灰熔点大同煤、加装吹灰器、炉膛放大等措施可以极大改善锅炉炉膛出口受热面结焦问题，但同时会导致锅炉造价和运行成本上升。

（二）成效分析

进风回热系列技术及送粉回热技术实施后，煤粉颗粒在进入炉膛前绝大部分都已充分干燥并预热。内水分在析出过程中形成大量微孔，这使得颗粒的孔隙率及与氧气的接触概率大增，在进入炉膛后能迅速着火、升温并燃烧，并且燃烧速率和颗粒质量的下降速率很快，制粉干燥出力的大大改善以及二次风热风温度的进一步提升，使得煤粉的燃烧速率和燃尽率显著上升[2]。基于广义回热的风粉加热技术正是充分保证了着火和燃烧的高效，煤粉颗粒的燃尽时间缩短，从而留有足够的降温时间使其在炉膛出口处的温度低于ST。因此，此技术可以在提高机组效率（包括锅炉效率及循环热效率）的基础上，使锅炉炉膛出口受热面结焦情况得以极大缓解甚至消除。

结论

简而言之，神华煤种具有低灰、低硫、发热量高的特点，是一种优质动力煤，但灰熔点较低，具有较强的结焦倾向。因此，燃用神华煤的电厂在持续高负荷运行时，易发生结焦问题，严重影响电站锅炉的安全稳定运行[3]。

参考文献

[1]车得福，庄正宁，李军，等．锅炉[M]．西安：西安交通大学出版社，2014．

[2]李彦鹏，王金枝，许晋源．切向燃烧锅炉燃烧器区流场及壁面负压的试验与数值研究[J]．中国电机工程学报，2015．