某超临界锅炉结渣原因分析与对策

李建伟，王 林，王红雨

某超临界锅炉结渣原因分析与对策

李建伟1，王 林2，王红雨2

（1.国家能源集团甘肃电力有限公司，甘肃 兰州 730010；2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

针对某电厂超临界350 MW机组锅炉受热面严重结渣问题，从设计、安装、运行及燃料等方面进行现场调查，在初步分析的基础上，搭建积灰试验台开展模拟积灰试验，利用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等对积灰样品进行了分析。结果表明：某新疆煤具有较高的积灰沾污倾向，长时间掺烧易结渣煤种是此次锅炉严重结渣的主要原因；锅炉配风方式不合理、高氧量运行、一二次风比率失调等是造成锅炉结渣的次要原因。通过优化配风、降低氧量、加强吹灰及调整一二次风配比，削弱了炉内燃烧强度，降低了炉膛出口烟温，结渣情况得到较大程度改善。

超临界；锅炉；高碱煤；掺烧；积灰；结渣；运行调整

某电厂2台超临界350 MW机组锅炉在热网联调期间均出现了严重的炉内结渣，导致1号锅炉被迫停运，2号锅炉降低出力运行，正常生产受到严重影响。相关研究表明，煤中含有的矿物质成分会导致受热面的积灰结渣问题，这会对锅炉的安全有效运行造成严重的危害。另外，电厂基于成本考虑，长时间掺烧有严重沾污和结渣倾向的高钠、钾煤种也是造成锅炉严重结渣的主要原因。

1 存在问题

某电厂2×350 MW机组锅炉为HG-1100/25.4-YM2、一次中间再热、单炉膛Π型超临界直流锅炉。炉膛断面14.627 3 m×14.627 3 m。设计煤种为宁夏煤，校核煤种为宁夏煤与当地靖矿煤（1:1）混煤。锅炉采用四角切圆燃烧，配置5台MPS180-HP-Ⅱ型中速磨煤机，对应5层煤粉燃烧器，BMCR工况4台运行，1台备用，下2层为等离子点火燃烧器。燃烧器采用低氮燃烧技术，喷口加装十字花形扩散器，能够促进煤粉稳燃和提前着火。锅炉整体布置如图1所示。

1—冷灰斗；2—煤粉燃烧器；3—SOFA燃烧器；4—中间集箱；5—屏式过热器；6—高温过热器；7—汽水分离器；8—高温再热器；9—低温再热器；10—低温过热器；11—省煤器；12—SCR脱硝装置；13—空气预热器。

2台锅炉试运行期间，高负荷时主蒸汽、再热汽温均偏低（约520 ℃，设计值约570 ℃）。为提高汽温，采取了增大煤粉细度、提高一二次风量、实施宝塔型配风等措施，蒸汽温度升高至540 ℃左右。二次风挡板开度见表1。

表1 二次风挡板开度

Tab.1 The opening degrees of the secondary air doors %

按上述方式运行1个月后，1号锅炉的炉膛出口烟温显著升高（超出1 000 ℃），同时伴随减温水量大幅增加、炉膛吹灰程控时常中断等情况。就地检查发现，主燃烧器上部至燃尽风区域结渣严重。继续带负荷1个月运行，出现省煤器落灰管被渣块堵塞、引风机出力接近额定以及炉膛负压难以维持的问题。为查明原因，安排专人顺烟气走向检查各观火孔及人孔，发现高温过热器和高温再热器部位结渣严重，熔融渣块将管排大部分包裹，烟气通道几近堵塞。经检查确认，1号锅炉已无法保证安全运行，决定停炉清渣。

2号锅炉燃用煤种与1号锅炉相同，启动后带负荷至280 MW，炉膛出口烟温短时间内即超过 1 000 ℃，伴随出现减温水量增加，各部烟温升高，蒸汽参数恶化，吹灰控制困难等问题。现场检查发现，主燃烧器上部至燃尽风区域、水平烟道等结渣较为严重，部分高温过热器、高温再热器管排结渣。吹灰时掉至渣井的渣量大且为熔融状态，极易粘连形成大渣块，冷却后质地十分坚硬，多次卡住碎渣机牙轮。2号锅炉随时面临超温、结渣以致于停炉的危险。

2 原因分析

2.1 设计与安装

1）炉膛结构设计 2台锅炉均为哈锅超临界烟煤锅炉。同类机组有华能大庆热电有限公司2×350 MW机组锅炉，燃用褐煤，未出现过严重结渣；特变电工新疆硅业自备热电厂和新疆天池昌吉热电厂亦有同类型机组，掺烧一定比例的准东煤，结渣情况处于可控状态。相比较而言，这两台锅炉在同类锅炉中属于容积偏大，容积热负荷与截面热负荷取值较小的锅炉，这种锅炉的炉膛设计具有一定的抗结渣优势[1]，有利于减轻或避免结渣，且适于锅炉设计煤质。

2）燃烧器安装 1号炉燃烧器切圆设计直径754.2 mm/564.8 mm，安装实测最大755 mm/530 mm，偏差较小，符合设计。逐角逐层测量燃烧器垂直与水平安装角度，最大误差角度为-3°，安装质量基本满足要求。锅炉采用小切圆设计有利于防止烟气刷墙和炉膛结渣[2]。

3）炉内切圆直径 锅炉冷态空气动力场试验采用飘带法和炉内实测相结合进行，结果如图2所示。模化工况下切圆直径沿炉深方向约7 m，炉宽方向约7.2 m。模化工况切圆适中，实际运行时燃烧切圆直径会大于模化测量值[3-4]，可能会对受热面结渣有些影响[5]。

2.2 煤质与灰成分检测

电厂所购煤包括兰州魏家地煤（简称“魏家地煤”）、新疆潞安煤（简称“潞安煤”）、新疆瓜州广汇煤（简称“广汇煤”）及某公司新疆煤（简称“某新疆煤”）。锅炉实际燃用为上述几种煤的混煤。2台机组前期试运阶段，主要燃用当地魏家地煤、潞安煤和广汇煤的掺烧比例较大。热网联调后，出力增大，燃煤量加大，燃用煤种增加了某新疆煤。2台锅炉带负荷后均出现了严重的结渣问题，故对煤场各煤种进行了取样，并委托相关单位进行分析，结果见表2。

表2 煤质分析结果

Tab.2 The analysis results of coal quality

试运期间，1号锅炉燃煤中新疆煤占比超过60%，2号炉燃用新疆煤占比超过90%，混煤采用非预混、分仓上煤方式，底层磨煤机优先燃用挥发分较高的魏家地煤和某新疆煤，中上层磨煤机燃用广汇煤及潞安煤。燃煤量统计结果见表3。

表3 燃煤量统计结果

Tab.3 The statistical results offuel coal quantity

试运初期燃用魏家地煤和潞安煤的混煤时，炉膛并未出现严重结渣，上述两种煤掺烧结渣的可能性较小。10月份以后燃用瓜州广汇煤和某新疆煤较多，出现了严重结渣，判断后两种煤引发结渣的可能性较大。

煤灰软化温度（ST）可作为判断煤种结渣性的初步指标，ST＞1 400 ℃为结渣倾向较弱的煤，ST＜1 250 ℃为有结渣倾向的煤[5]。对上述4种煤进行了煤灰成分及灰熔点分析，结果见表4。从表4可见：魏家地煤ST大于1 390 ℃，属于不易结渣煤种；其他几种新疆煤ST均小于等于1 220 ℃，具有一定的结渣倾向。

表4 灰成分及灰熔点测试结果

Tab.4The test results of ash component and melting point

由表4可知，所烧某新疆煤中的碱金属氧化物Na2O质量分数非常高，达到18.40%，K2O质量分数约为1.63%，为典型的高钠、钾煤。此外，各煤种中S含量较高，对于煤种结渣有一定的促进作用。相关研究表明，高碱金属煤种具有很强的沾污及结渣倾向[6-7]。

根据煤质分析与煤灰特性分析结果，初步推测掺烧某新疆煤是导致此次锅炉出现严重结渣问题的主要原因。由于电厂实际烧煤是将各煤种混合掺配后送入炉膛燃烧的，为便于单独分析每一种煤的积灰结渣特性，有必要开展单因子变量的对比试验。

2.3 对比试验

为模拟炉膛受热面上的煤灰沉积过程，利用高温石英炉、烟气配置系统、积灰管（积灰探针）以及录像装置，搭建了煤灰沉积试验台，具体布置如图3所示。积灰试验台的核心组件是积灰管，其由一个圆柱形的套管构成，伸入高温石英炉后，为避免套管被持续加热，在其内部通入压缩空气作为冷却介质，以维持套管外壁面温度的基本恒定，从而更好地模拟炉膛的受热面管子。

图3 积灰试验台

积灰试验台设定炉温为950 ℃，积灰探针表面温度550 ℃，魏家地煤和某新疆煤经破碎机等时间碾磨后作为试验样品，由模拟烟气携带，从给料系统添加进高温石英炉。积灰试验时间设置为1 h。利用摄像头拍摄煤粉燃烧后沉积于积灰探针表面的全过程，魏家地煤和某新疆煤的积灰过程分别如图4、图5所示。

从图4和图5可以看出，相同时间内，某新疆煤积灰层厚度明显大于魏家地煤。将上述2种煤积灰层厚度随时间的变化做曲线，结果如图6所示。从图6可看出，某新疆煤的积灰速度远高于魏家地煤，这说明某新疆煤的灰沉积倾向更高。

图6 积灰速率曲线

2.3.1灰粒微观形貌

利用SEM（扫描电子显微镜）对魏家地煤和某新疆煤积灰层取样观察，2种煤灰粒的微观形貌分别如图7和图8所示。

图7 魏家地煤灰电镜照片

图8 某新疆煤灰电镜照片

从图7和图8可以看出：魏家地煤的灰颗粒较大，表面粗糙，形状极不规则，彼此间粘连较少；而某新疆煤灰粒的粒径较小，形状近似扁球形；与魏家地煤相比，某新疆煤不同颗粒间粘结现象显著，使得灰块结构较为致密，这表明该煤的灰粒在沉积过程中发生了烧结，若继续增加试验时间，该烧结灰层很可能发展成为结渣。

Xu等人[8]的研究表明，混合煤样中，准东煤比例＞50%时，形成的煤灰中细颗粒（＜10 μm）含量更高，且细颗粒中Ca、Fe和Mg等金属元素含量也较高。Naruse等人[9]指出，细颗粒（粒径＜3 μm）是煤灰初始沉积层的主要成分。Jing等人[10]的研究表明，煤灰的烧结温度与其Fe2O3、CaO、Na2O和K2O的含量呈负相关关系，对于MgO，其在一定范围内含量增加也会造成煤灰烧结温度的降低，进而促进结渣形成。某新疆煤灰中小颗粒丰富，试验中积灰速度远高于魏家地煤，根据已有文献，推断其具有较高的结渣性。

2.3.2灰粒X射线衍射分析

为了解灰颗粒中的具体物相，对上述2个灰层进行了X射线衍射测试，结果如图9和图10所示。

图9 魏家地煤灰物相检测

图10 某新疆煤灰物相检测

从图9和图10可以看出：魏家地煤灰中含量从高到低依次为SiO2、AlPO4、CaO以及Fe2O3；某新疆煤灰中含有较多的CaSO4、CaCO3，另外Fe2O3和NaCl也存在于煤灰中。已有研究表明[10-11]，煤灰中硅铝氧化物含量高，则煤灰具有较高的灰熔点，不易结渣，故魏家地煤结渣性较低。陶玉洁[12]的研究表明，煤灰中的Na在1 000 ℃以下时，以NaCl形式存在，某新疆煤灰中存留较多的钠元素，对于结渣将起到促进作用。

2.3.3沾污指数计算

在煤灰的沾污特性评价中，对于烟煤型灰，沾污指数w评价体系较为准确[13]。首先定义酸碱比，即煤灰中碱性氧化物（以表示）含量与酸性氧化物（以表示）含量之比，其计算公式为

B/A=((Na2O)+(CaO)+(Fe2O3)+(K2O)+

(MgO))/((TiO2)+(SiO2)+(Al2O3))

在酸碱比基础上，定义灰沾污指数为

w=/×(Na2O）

沾污性判断分级界限见表5，各煤种沾污特性值w计算结果见表6。由表6可见，某新疆煤煤样沾污特性值w达到11以上，远大于严重沾污特性的最高值0.50，有极严重沾污倾向。

表5 烟煤型灰沾污指数界限值

Tab.5 The limit values of ash contamination index of bituminous coal

表6 各煤种沾污指数结果

Tab.6 Theash contamination indexes of various coals

1号、2号锅炉燃用煤中，2种严重结渣煤占比分别为30.3%和65.7%，较长时间大量掺烧上述煤种，导致了燃烧器区域及炉膛出口受热面发生严重的沾污及结渣。

2.3.4积灰结渣机理

锅炉结渣是一个复杂的物理化学过程。炉内温度较高时，一部分灰呈熔融或半熔融状态，在到达受热面时若未完全冷却仍具有较高黏性，会黏附到受热面上形成初始渣层。渣层热阻较高，外表温度升高，使熔化灰更易黏附后续灰粒[14-15]，结渣由此不断发展。煤中易气化的碱金属化合物Na2O、K2O在燃烧时挥发为气态进入烟气[16-17]，温度降低时凝结黏附在受热面上（沾污），进而黏附其他颗粒形成初始结渣层，最终发展为结渣[18]。

本次结渣过程中，沾污及结渣沉积物形态有单侧楔形积灰、双侧楔形积灰、单侧熔变积灰和积灰搭桥等，主要气化物质为碱金属氧化物Na2O、K2O，底层积灰为明显的碱金属化合物型积灰类型。

综合分析1号、2号炉沾污及结渣的过程与上述机理一致，先是燃烧器上部高温区的沾污、结渣，之后炉膛出口温度因炉内结渣炉膛吸热减少而升高，沾污及结渣向出口高温段受热面发展，导致水平烟道高温段结渣严重。

3 解决方案

经过分析，2台锅炉结渣的主要原因为较长时间大量掺烧了有严重沾污和严重结渣倾向的高钠、钾煤种，不当的配风方式也是加重结渣的因素。对此，可采取以下解决方案。

1）在采购和燃用环节，明确煤质特性。对列入采购清单的煤种，做到煤质资料全面详实。定期对煤质进行元素分析和灰成分分析，把好煤质入口关。

2）混合煤种的特性不是参与掺烧的各煤种各自特性的简单相加，沾污及结渣性能更多取决于所掺烧的有严重沾污及严重结渣倾向煤种的比例，具体掺烧比例需要通过专项掺烧试验确定。另外，电厂还需要储备一定量的沾污倾向小的煤种，以确保锅炉稳定燃烧和安全掺烧。

3）通过运行调整减弱炉膛燃烧强度，降低 炉膛温度。因不能停炉，先适当降低负荷（最低至180 MW），让渣块掉落。后续采取以下措施：①采用均等型配风及分级配风，分级供风，控制燃烧速率，降低炉内温度水平；②合理调整一、二次风率；③控制总氧量在3.0%~3.5%；④加强吹灰等。采取以上措施后，结渣逐步减轻，炉膛出口烟温降至900 ℃以下，锅炉运行基本正常。

4）由于严重结渣导致受热面出现一定程度的扭曲变形、管排出列、管外表沾污、管壁磨损以及燃烧器喷口烧损等现象，故建议择机消缺，保证设备完好。

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Cause analysis and countermeasures of slagging in a supercritical boiler

LI Jianwei1, WANG Lin2, WANG Hongyu2

(1. CHN Energy Group Gansu Electric Power Co., Ltd., Lanzhou 730010, China;2. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In order to solve the problem of serious slagging on heating surface of a supercritical 350 MW unit boiler in a power plant, field investigation was carried out from aspects of design, installation, operation and fuel. On the basis of preliminary conclusions, a test bench for simulating ash accumulation was built up and the experiments were carried out. The samples of ash accumulation were analyzed by SEM and XRD. The results show that, a coal in Xinjiang has a high tendency of ash accumulation, long-term co-firing the coal which easily slags is the main reason for the serious slagging of the boiler, and other items such as unreasonable air distribution mode, high oxygen operation and imbalance of primary to secondary air ratio during the boiler operation are the secondary cause. By optimizing the air distribution, reducing the oxygen content, strengthening the soot blowing and adjusting the ratio of primary to secondary air volume, the combustion intensity in the furnace was weakened, the flue gas temperature at the outlet of the furnace was lowered, and the slagging situation was greatly improved.

supercritical, boiler, high alkali coal, mixed burning, ash deposition, slagging, operation regulation

National Science and Technology Infrastructure Program (2015BAA03B01)

TK16

A

10.19666/j.rlfd.201904106

李建伟, 王林, 王红雨. 某超临界锅炉结渣原因分析与对策[J]. 热力发电, 2019, 48(12): 122-128. LI Jianwei, WANG Lin, WANG Hongyu. Cause analysis and countermeasures of slagging in a supercritical boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 122-128.

2019-05-20

国家科技支撑计划资助项目(2015BAA03B01)

李建伟(1963)，男，高级工程师，主要研究方向为大型火电机组运行优化，Jianwei. li. y@chnenergy.com.cn。

（责任编辑 马昕红）