W型火焰锅炉结焦原因及对策

焦传宝

阳城国际发电有限公司  山西阳城　048102

摘要：介绍了山西阳城电厂锅炉的结构特点以及锅炉积灰结焦的因素，并从锅炉炉膛温度、炉内空气动力场、火焰刚性、气氛条件、炉膛结构特性参数、燃烧器布置方式等方面，对该厂多台锅炉结焦的原因进行了详细分析，同时提出了防止结焦的措施。

关键词：W 型火焰锅炉；结焦；燃烧器；温度

１　设备概况

山西阳城电厂一期工程安装六台由美国福斯特－惠勒能源公司生产的无烟煤锅炉，其类型为亚临界、一次中间再热、双拱型单炉膛W火焰、平衡通风、固态排渣、露天布置、自然循环汽包型燃煤锅炉。锅炉整体布置采用双拱型单炉膛п型布置，炉膛采用全焊膜式水冷壁结构。以保证炉膛的严密性 。水冷壁的前后墙、两侧墙及顶棚过热器围成炉膛。前墙和后墙水冷壁在炉底形成渣斗，在炉膛中部区域向内弯曲，形成双拱型。拱上称为上炉膛，拱下称为下炉膛；每个拱上布置一排共12个双旋风煤粉分离式燃烧器。为了利于着火和使燃烧稳定，在拱下方炉膛水冷壁上敷设了适当的卫燃带。

锅炉主要结构尺寸为：上炉膛宽度24765 mm，深度7239 mm，高度为23520mm。上炉膛容积为3571立方米。下炉膛宽度24765 mm，深度13345 mm，高度为15420mm，下炉膛容积为3186立方米。炉膛总容积为6775立方米。炉膛总的高度为380mm。锅炉炉顶采用全封闭结构，并设有大罩壳。炉底冷灰斗角度55°，炉底密封采用水封结构。制粉系统采用双进双出球磨机，冷一次风机正压直吹式制粉系统，设计煤种为晋东南无烟煤。

6台自投产以来，曾发生多台锅炉多次掉焦灭火、非计划停运事故。例如，曾发生过#6因掉焦导致全火焰保护触发主燃料跳闸（MFT），机组解列、#1锅炉掉焦将捞渣机压死，并且不能及时恢复而被迫停机处理的事故。除此之外，结焦、积灰可使排烟损失增加，锅炉热效率降低甚至引起过热器、水冷壁超温爆管。

2　造成结焦的因素

2.1　炉膛内温度

燃烧器区域的温度越高灰就越容易达到软化或熔融状态，产生结焦的可能性就越大。有些灰熔点中等的煤在一般炉膛温度下并不结焦，但在燃烧器区域，壁面热负荷过分集中、火焰温度特别高的情况下也可能结焦。因为炉膛内温度越高，煤中易挥发的物质气化也就越强烈，也就为结焦创造了条件。阳城电厂的锅炉燃烧器全部设计安装在标高相同的炉膛前后墙形成的拱上，虽然相邻燃烧器设计时前后错落布置，燃烧器区域壁面热负荷仍然较高，形成的燃烧器区域温度较高。此外，在下炉膛敷设卫燃带提高燃烧室的温度并产生一个再辐射的高温区，虽然利于煤粉的快速着火和燃烧，但同时也为灰熔点中低等的煤结焦创造了条件。

2003年进行锅炉燃烧调整时对炉膛温度进行了各种负荷下的测量，测量点选在燃烧器标高、炉膛左右侧墙共六个看火孔处。测量值基本代表了炉膛内各处的温度水平。实测表明，各测量点温度在各种负荷下偏差都很大，最大偏差达400℃。因此炉膛内的燃烧极不平衡，在温度较高的地方极易结焦。经过燃烧调整后，情况略有好转，但偏差仍然存在。同时，炉膛出口温度增高容易形成炉膛上部、特别是屏式受热面或高温对流受热面结焦。有时尽管炉膛出口烟气温度低于煤灰的变形温度，但由于飞灰的化学组成是不均匀的，在这样的温度下某些易熔颗粒仍呈熔融或半熔融状态，就有可能直接粘在受热面上结焦。所以，在运行调整中应尽量保持较低的炉膛出口温度，以适应低灰熔点的燃煤特点。

2.2　炉内空气动力场

空气动力场是指空气和燃料产物在炉内的运动情况。良好的空气动力场主要表现在三个方面：

（1）燃烧中心区有足够的热烟气回流到一次风粉混和物射流根部，使燃料喷入炉膛后能迅速受热着火，保持燃烧稳定。

（2）燃料和空气的分布适宜，燃料着火后能得到充分的空气供应，并达到均匀的扩散混合，以利于迅速燃烬。

（3）炉内应有良好的火焰充满度，并有合适的火焰中心。这就要求炉膛内气流无偏斜，不冲刷水冷壁，避免停滞区和无益的病流区。各燃烧器射流也不应发生剧烈的干扰和冲撞。

“W”火焰锅炉的燃烧方式为下冲式，前后拱上的双旋风燃烧器向下喷射，在下炉膛形成W形火焰。由于这种锅炉的调整机构相对较多，对于炉内气流的分布、扩散、扰动、混和等较难掌握。实际运行中，特别是在负荷、煤质变化时，炉内空气动力场也随之改变，致使发生直接冲刷炉墙的现象，这恰恰是结焦的重要原因。相反，如果没有火焰或烟气直接冲刷，即使大量灰粒已达熔融状态由于不和水冷壁接触，也不会粘结其上而结焦。

2.3　火焰刚性

一次风尽管含粉但与二次风相比速度较低,特别是燃用贫煤、无烟煤的燃烧器,一般不宜选用较高的一次风速.锅炉设计理论认为可设置远侧二次风，布置在火焰射流下游侧的水冷壁上,既不影响着火,又可降低火焰下游的负压,减少火焰射流两侧压差,增强火焰刚性，提高水冷壁附近氧化性气氛。

阳城电厂锅炉燃烧系统设计在煤粉喷嘴处设置周界风以增加火焰刚性，同时设置了可以调节周界风量的“B”挡板、调节风粉混和物浓度的乏气挡板，及调节风粉混和物旋转强度和卷吸能力的削旋叶片。当煤质变化时，理论上可以通过调节这3个挡板的开度来优化每个火嘴的燃烧，从而优化炉内的燃烧工况。但在实际运行中，由于煤质多变，炉内的燃烧工况复杂，要达到任何工况都保持各挡板最优的配合比较困难。

2.4　气氛条件

炉膛内的气氛条件也对结焦产生巨大的影响。如果炉内的氧化性气氛比还原性气氛高，则可提高灰熔点的温度，从而减少结焦。相反，如果炉内氧气不足，生成大量CO等还原性气体，这些还原性气体起着催化作用，致使灰的熔点大大降低，增大了结焦的可能。所以，在煤质发生变化或锅炉负荷变化时，过量空气系数（送风量）如果调整不及时，则造成锅炉缺氧燃烧，使结焦发生。

2.5　炉膛结构特性参数

炉膛容积热负荷、断面热负荷、燃烧器区域壁面热负荷与炉膛几何尺寸有直接关系。炉膛容积热负荷的选取不但与燃料的燃尽有关，更重要的是影响炉膛出口温度和炉膛温度。特别是灰熔点低的燃煤炉膛容积，应比同等出力的其它型号锅炉大，否则炉膛上部及炉膛受热面将结焦。炉膛断面面积与灰熔点决定单只喷嘴热功率，同时也决定了燃烧器布置方式及选几台磨煤机，以及喷嘴间距和风速。燃烧器区域壁面热负荷直接影响燃烧器区域的温度水平。福斯特－惠勒能源公司为阳城电厂设计的锅炉与国内相近类型的锅炉相比，其炉膛容积和炉膛断面面积都不算大，再加上“w”火焰锅炉的燃烧器的布置方式决定了这种锅炉的炉膛容积热负荷、断面热负荷、燃烧器区域壁面热负荷都是比较大的。因此成为锅炉结焦的重要原因。

2.6　燃烧器布置方式

双旋风煤粉浓淡分离式燃烧器是阳城电厂W形火焰锅炉主要特点之一。一次风粉混合物首先进入燃烧器的入口管，然后由入口管进入均分器，风粉混合物从均分器出来分为两股分别进入两个旋风分离器的筒体：一为顺时针旋转，另一为逆时针旋转。风粉混合物以一定的速度进入分离器，煤粉颗粒在离心力作用下被甩到分离器的周边，而在中心部分是煤粉浓度很稀、颗粒更细的混合物，称为乏气，乏气通过乏气管引入到乏气喷口。风粉混合物由于乏气的引出，使煤粉主气流浓度提高，使其更容易着火、稳燃。燃烧器布置在前后墙拱上，倾角为10°。煤粉气流由上往下喷射形成火焰，再从下往上运动呈U字形，而前后墙的两个U形火焰在下炉膛相遇形成一个W形火焰。在煤粉燃烧过程中W火焰具有十分重要的作用，它将一部分高温热烟气再循环至煤粉最初的点燃区，从而进一步支持煤粉的燃烧，使燃烧器周围始终充满着高温火焰，使煤粉气流一直处于高温烟气中；同时它具有长行程的火焰，使煤粉在炉内停留时间延长，可保证难烧无烟煤的完全燃烧。

这种燃烧器在90年代是一种较先进的新型燃烧装置，其设计型式和布置方式有高明和独到之处。但由于部分飞灰一直处于高温烟气中且处于循环状态，增加了其熔化、贴壁、结焦的可能性。

2.7　煤质结焦特性分析

晋东南无烟煤煤质特性及灰质特性见表1、表2。

表1 煤质特性

二氧化硅含量过高会产生较多的无定型玻璃体，使灰提早软化，灰粘度也增高。而且含硅的氧化矿物群和硅酸盐矿物群会与某些碱性氧化物形成低熔点共熔体，这有助于熔解难熔的复合化合物，使灰熔点降低。

三氧化二铝起着阻碍熔体变形的支持性骨架作用。灰的熔融温度随着三氧化二铝含量增加而上升，但灰的熔融温度和软化温度的差值却减小。碱性氧化物如三氧化二铁、氧化镁、氧化钾及氧化钠。它们的含量在某一范围时呈现出较强的结焦性。

三氧化二铁和氧化钙是组成低熔点共熔体的重要成分，且二者的综合作用比单独作用更易形成低灰熔点的共熔体。碱金属氧化物与灰的沾污特性有直接关系。

一般而言，酸性氧化物能够提高灰的熔点和粘度，而碱性氧化物在一定条件下有助于降低灰熔点并使熔体变得稀薄。各组分的多少及相互比例对灰熔点亦有较大影响。

从以上分析结合表2的数据不难看出。晋东南无烟煤的灰渣中二氧化硅和三氧化二铝的含量过高，总数达83.96％。这不仅增加了灰渣的粘度，同时降低了灰的熔融温度和软化温度的差值。从表2中我们还发现，虽然三氧化二铁和氧化钙各自的含量并不太高，但总含量有10.46％，在一定程度上降低了灰的熔点。因此，这种煤属于易结焦的煤。

3　防止锅炉结焦措施

通过以上分析，结合阳城电厂的实际情况，提出了采取以下措施防止锅炉结焦。

1）加强燃煤管理，要求输煤认真把好上煤关，尽量烧优质煤，加强对煤质化验，运行人员对所烧煤种心中有数。

2）加强燃烧调整试验，建立合理的燃烧工况，通过试验得出的结论和工况定值，作为运行人员保持锅炉良好燃烧和防止结焦的操作依据。

3）在不影响燃烧的情况下适当提高一次风速，降低磨煤机出口温度，可减少燃烧器区域的结焦。

4）运行中要保持适宜的过剩空气系数，在不同负荷下使炉膛燃烧工况均处于氧化性气氛中，可人为破坏煤灰组成化合物在燃烧过程熔而降低灰熔点的条件，防止锅炉结焦。

5）根据燃烧方式和规程，在锅炉加减负荷要求时，严格执行先加风后加煤；先减煤后减风的原则。合理调整风煤比，严格控制烟气含氧量在规程规定范围内。

6）运行各班在保证每班吹灰一次的过程中，就地检查吹灰减压站的蒸汽参数是否符合要求。特别是在工况出现异常的情况下可适当对屏过、高再、水平烟道进行选吹，增加重点部位的吹灰次数。若吹灰器出现问题，应及时联系处理。同时由于锅炉所有受热面全部采用蒸汽吹灰，使其尾部受热面积灰板结的几率相对增加，因此必须严格控制吹灰器吹灰频度。

7）为保证火焰中心位置，炉膛人孔等各部漏风处检查，发现漏风应及时联系处理，并保证水封的严密性。

8）重点对以下参数进行监视：氧量表、烟温度、空预器入口烟温、空预器出口烟压、各管壁壁温、减温水量与给水量和主汽流量的分配，发现异常，及时查找原因，并向有关主管汇报。

9）选用合适的锅炉除焦剂，定期进行化学除焦。实践证明，选用适当的除焦剂进行锅炉除焦在一定程度上可以缓解锅炉的结焦。

4　结束语

近年来，根据对锅炉结焦的原因分析，结合阳城电厂的实际情况，采取了以防止结焦的措施，取得较好的效果。因结焦、掉焦造成的损失大大减少。这说明针对阳城电厂锅炉结焦的原因分析是较准确的，采取的措施也是可行的，应该继续坚持。不过，锅炉结焦是一个非常复杂的问题，也是一个世界性的难题。对这个问题的研究分析远没有结束，还需要我们不断得总结经验，积极探索，把锅炉结焦给我们造成的损失降低到最小。

参考文献

[1] 付 华，电站锅炉结焦特性分析及防止结焦的措施，电 站 系 统 工 程，2001年Vol.17 第一期 p33。

 [2] 冯俊凯、沈幼庭主编，锅炉原理及计算，科学出版社，1998。