某电站锅炉结焦机理及防止对策分析

关于某电站锅炉受热面结焦机理分析及防止对策

刘社社　葛升群

陕西省锅炉压力容器检验所

1　引　言

我省某热电厂4号电站锅炉，型号为WGZ220－540/9.8－13，于2003年10月正式投产使用至今，累计运行约36 000h。该锅炉为自然循环、四角对冲切圆燃烧方式的∏型锅炉，最大连续蒸发量为220t/h、汽包额定蒸汽压力10.92MPa、过热器出口额定蒸汽压力9.8MPa、额定蒸汽温度540℃、给水温度215℃、给水压力15MPa。

该锅炉在定期检验宏观检查时发现受热面存在不同程度的结焦，尤其是燃烧器上部水冷壁管、高温过热器及屏式过热器结焦、积灰最为严重。各受热面结焦情况，如图1所示。

（a）燃烧器附近均匀结焦；（b）燃烧器上部约3m的后墙水冷壁局部区域结焦；（c）高温过热器结焦；（d）屏式过热器结焦、积灰

图1　各受热面结焦情况

本文针对该锅炉受热面结焦情况，从结焦产生的机理、运行等多方面分析结焦产生的原因，提出防止受热面结焦的有效措施。

2　结焦机理

2.1　灰渣的组成及性质

在煤形成过程中，带入了大量元素，除碳氢化合物可燃成分外，还含有硅、铝、铁、钙、硫、镁、钠、钾、钛等所组成的各种形式的矿物质和复杂化合物。这些矿物质的主要成分是SiO₂、Al₂O₃、Fe₃O₄、CaO，还含有少量的MgO、K₂O、TiO₂等氧化物。根据煤粉的不同，煤粉燃烧后形成的灰渣中含有不同含量的各种物质。灰渣中各种氧化物按其含量多少，大致次序如下：SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、CaO等。灰渣的主要组成及性质如表1所示。可以看出，灰渣的组成物有很多种，其中Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO等熔点都在1600℃以下，而灰渣的主要组成物SiO₂、Al₂O₃、CaO等氧化物的熔点都在2000℃以上，通常情况下都不会熔融而结焦。因此，结焦是在一定条件下灰渣中的氧化物形成的低熔点渣。

表1　灰渣的组成及性质

2.2　结焦形成过程

煤粉燃烧后形成的灰渣中含有不同熔点的各种物质。熔点低的物质容易发生软化甚至熔融，熔融的微粒在相互接触时会聚集长大以减小表面积，进而降低表面能使得表面能处于最低以保持热力学稳定状态。当这些微粒随烟气流动到受热面附近时，由于此处温度较低便会凝结成固态微粒，大部分微粒会随着烟气排出，少量微粒附着在受热面管长期聚集形成焦渣。结焦发生后，由于结焦面粗糙，灰渣与焦渣黏附力增大，同时结焦阻碍了热量向受热面传递的过程，使得炉膛温度升高，灰渣更容易黏结于受热面，进而加剧了结焦过程的发展。

3　结焦原因分析

3.1　煤质分析

该锅炉设计的煤种为陕西黄陵煤，校核煤种采用陕西彬铜混合煤（1∶1），实际使用陕西铜川混煤，现将设计煤种、校核煤种和实际使用煤种的特性列于表2。可以看出，实际使用的煤种灰分值比设计煤种高出约71％，低位发热值约低30％。由于实际使用的煤种的灰分比设计煤种高，而发热值比设计煤种低，导致锅炉按正常情况运行达不到蒸汽品质的要求，这就意味着必须通过加大煤粉燃料的投入，才能使锅炉的热负荷满足蒸汽参数的要求，这样一方面直接导致锅炉受热面管子的积灰增加，磨损加剧。在相同的热负荷下，投入的高灰分值煤粉量比低灰分值煤粉量大，煤粉燃烧后形成的低熔点灰渣的比例增大，从而加大了低熔点灰渣在受热面结焦的几率。另一方面由于燃料消耗量的加大，有可能使得炉膛温度升高，低熔点熔融的灰渣很容易在受热面处冷凝从而形成结焦。

表2　设计煤种、校核煤种和实际使用煤种的特性

3.2　运行分析

查阅锅炉的设计资料得知：锅炉100％负荷运行时，排烟温度为141.8℃、一二级减温水用量为6.29t/h。经查阅锅炉的实际运行情况发现排烟温度一般均在180℃左右，最高可达到近200℃；一二级减温水用量多数情况下大于20t/h，最多可达到29t/h。在该锅炉定期检验时对高温过热器管（材料为12Cr1MoV）迎火面进行金相分析发现组织为铁素体和碳化物，根据DL/T 773－2001《火电厂用12Cr1MoV钢球化评级标准》对该组织进行球化评级，球化级别达到4级（如图2所示）。同时对该管进行机械性能测试，抗拉强度σ_b＝475 MPa，其抗拉强度正好处于GB5310－1995《高压锅炉用无缝钢管》所要求的该材料抗拉强度的下限（GB5310－1995规定12Cr1MoV钢管纵向抗拉强度为470MPa～640MPa）。由以上设计、运行和检验情况可以说明，该锅炉长期处于高温运行状态，尤其是燃烧器上部、屏式过热器以及高温过热器区域的温度更高，这有可能是燃烧器角度调节不妥，炉膛火焰中心抬高造成的，最终导致了这些区域的灰粒软化以至熔融，因这些受热面相对于炉膛温度较低，故熔融的灰渣在受热面处冷凝而结焦。另外，该锅炉在冬季既要供热，又要发电，而且供热压力大，故锅炉常常处于超负荷运行状态，此时炉温升高，烟气流速加快，灰粒冷却不够，因而更容易结焦。另一方面，燃烧器配风不均匀，没有及时得到调节，使得切圆长期出现偏斜，这样就会加剧受热面的局部结焦。另外燃烧器调节不当，燃烧切圆直径过大，出现火焰贴墙燃烧，此时贴墙温度高，受热面上的积灰就会熔融而结焦。

图2　高温过热器金相组织（400×）(www.xing528.com)

燃烧时投入的煤粉和空气的比例没有调整好，过剩空气系数比较小，空气供给不足，或者煤粉与空气混合不充分时，即使供给足够的空气量，也会造成有些局部地区空气多些，另一些局部地区空气少些，此时由于空气供给不足使得煤粉没有充分燃烧，造成能源的浪费，但更重要的是煤粉中的H₂S、H₂没有被氧化，同时煤粉不完全燃烧产生CO气体，此时炉膛处于还原性气氛中，灰渣中的Fe₃O₄便会发生如下还原反应：

FeS₂会发生如下还原反应：

可以看出，Fe₃O₄还原产生FeO，在一定温度范围内，FeO与SiO₂形成FeSiO₃，其熔点较低（1 146℃），FeS₂还原产生的FeS熔点低（1 195℃），且易与FeO（熔点1 030℃）形成熔点更低的共熔体，因而在常见的烟气温度下它们会熔融，加上它们的密度较大，所形成的熔融小球阻力小、惯性大，很容易穿过气流而到达温度较低的水冷壁、屏式过热器及高温过热器管壁上凝结而结焦。

根据该锅炉运行规程的要求，煤粉细度R90应为16％±2％，查阅该锅炉的运行记录发现煤粉细度基本上都大于18％，最高时达到22％。由此可知该锅炉燃烧的煤粉颗粒比运行规程要求的粗，此时煤粉燃尽需要相当长的时间，因此常常贴壁造成还原性气氛而增加了结焦的几率；另一方面，煤粉颗粒粗，着火推迟，火焰中心上移，炉膛出口温度提高，灰渣容易在炉膛出口处的屏式过热器及高温过热器上结焦。

该锅炉在运行时，由于吹灰器没有正常投入运行，加之燃烧煤种的灰分值高，使得锅炉在运行时炉膛积灰不能及时吹扫掉，受热面管上的积灰量增加，阻碍了热量向受热面的传递，结果造成炉膛温度不断升高，当温度达到灰的软化温度甚至熔化温度时，受热面上的积灰就会熔融结焦。

4　结论

（1）由于锅炉燃烧的煤种灰分高、发热值低，为了保证蒸汽的品质，必须增加煤粉消耗量，致使炉膛温度和热负荷升高，低熔点灰分很容易在受热面上结焦。

（2）燃烧器调节不妥、配风不均匀，出现炉膛火焰中心抬高、四角燃烧切圆直径增大、偏斜燃烧等情况，均会引起低熔点灰分在受热面上的结焦。

（3）煤粉与空气比例调节不当，使得过剩空气系数过小，或者煤粉与空气混合不均匀，引起煤粉不完全燃烧，炉膛或局部地区处于还原性气氛中，降低了灰的熔点，增加了灰分在受热面上结焦的几率。

（4）煤粉颗粒变粗也增加了受热面结焦的可能性。

（5）吹灰器没有正常投入运行，使得受热面积灰量增加，阻碍了热量的传递，炉膛温度升高，积灰熔融结焦。

5　防止结焦对策

（1）改善燃烧煤种，应采用设计煤种，避免使用高灰分、低发热值的煤种。

（2）锅炉运行时调整好燃烧器的角度，避免火焰中心抬高，火焰直接冲刷受热面，组织好炉内空气动力场，要求配风均匀，注意运行调整，防止切圆偏斜、切圆直径过大。

（3）调节好煤粉与空气的比例，保证合适的过剩空气系数，避免炉膛处于还原性气氛。

（4）降低煤粉细度，避免煤粉颗粒过粗。

（5）应避免锅炉经常超负荷运行。

（6）运行时如果发现炉温过高，可适当增大受热面内介质的流速以降低炉温。

（7）保证吹灰器正常投入运行，及时吹掉受热面上的积灰。

（8）加强运行人员的培训和管理工作，提高运行人员的能力和素质，在日常运行中要勤于检查，及时发现，及时除焦，以免结焦加剧。对于锅炉运行过程中出现的各种问题应能够及时调整，保证锅炉正常运行。

参考文献

［1］岑可法.锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算［M］.北京：科学出版社.1994