200 MW锅炉结焦性能差异分析

李鹏

(新疆华电红雁池发电厂，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引言

新疆华电红雁池发电厂(以下简称红雁池电厂)#1，#2锅炉为武汉锅炉厂制造的WGZ 670/13.7－10型超高压锅炉，基本形式为:自然循环、一次中间再热、倒U形布置、中速磨煤机正压直吹式制粉系统、直流燃烧器四角切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、全钢构架和紧身封闭。每台锅炉配4台ZGM－95型中速正压直吹式磨煤机，每台磨煤机带6个喷燃器采用一层半布置。

#3，#4锅炉为 DG 670/13.7－10型超高压锅炉，基本形式为:一次中间再热超高压自然循环汽包炉、П形布置、单炉膛、燃烧器四角布置，切圆燃烧、平衡通风、固态排渣、采用管式空气预热器和钢构架(双排柱)。

自运行以来，在相同煤质、相同负荷的情况下，出现了#1，#2锅炉比#3，#4锅炉结焦严重的情况。特别是最近几年，原煤供应紧张，煤质较差，机组负荷较高，#1，#2锅炉结焦严重、渣量大的弊端尤为突出，除渣系统经常超负荷运行，捞渣机、碎渣机和渣沟经常出现故障，不但增加了工作人员的工作强度，还严重影响机组的正常运行。在结焦严重时，需减负荷运行，甚至停炉除焦。因此，笔者从#1，#2锅炉与#3，#4锅炉结构上的差异入手，分析其结焦性能的差异，以此提出技术改造意见，力图减轻#1，#2锅炉的结焦状况。

1 锅炉结焦性能分析

1.1 结焦性能分析

红雁池电厂#1，#2锅炉于2000年建成投产，#3，#4锅炉于2004年投产，因初期原煤煤源充裕，燃煤发热量高，基本上都与设计煤种相符，虽然#1，#2锅炉出渣量相对较大，但对锅炉的除渣系统和安全生产没有造成影响。随着经济发展，原煤供应紧张，煤质每况愈下，锅炉结焦量也日益增大，#1，#2锅炉多次出现捞渣机、碎渣机故障现象，还多次发生结焦严重被迫减负荷的事故。

红雁池电厂除渣系统采用刮板捞渣机、碎渣机和脱水仓的连续出渣汽车拉运的方式，#1～#4锅炉的结焦及其平均出渣量情况见表1。

表1 #1～#4锅炉每天平均出渣量

从表1可以看出，#1，#2锅炉的焦渣量比#3，#4锅炉要多出将近1/3，#1，#2锅炉捞渣机设计出力是5 t/h，在机组负荷高时，所产生的焦渣量已远远高于捞渣机的设计出力，尽管对捞渣机进行了换型改造，但捞渣机还是经常出现故障现象。

1.2 燃料的性质分析

设计燃煤与实际燃煤的差异较大，表2为红雁池电厂锅炉设计燃用煤及2008年4台锅炉送检煤样的分析指标。

(1)灰中Na2O对锅炉积灰结焦的影响。由表2的数据可知，五彩弯矿煤样灰中Na2O实测值为10.65%，而#1，#2锅炉设计值为0.98%，#3，#4锅炉设计值为0.96%。通过查阅有关碱性氧化物资料可知，Na2O对锅炉玷污影响最为显著。依据GB/T 18666—2002《商品煤质量验抽查和验收方法》的规定，可以灰中Na2O的质量分数作为判断煤中积灰结渣的标准，见表3。

表2 设计燃用煤与送检的五彩弯掺烧煤煤样的分析指标

表3 根据灰中Na2O质量分数判断煤中积灰结渣的标准

通过分析表3可知，红雁池电厂燃用的五彩弯矿燃煤，燃煤灰分中Na2O质量分数。指标属于严重积灰和结焦型煤质。

(2)灰中 Fe2O3/CaO对锅炉积灰结焦的影响。依据GB/T 18666—2002《商品煤质量抽查和验收方法》规定，可将灰中 Fe2O3/CaO的质量比作为锅炉积灰结焦判断的标准，见表4。

表4 根据灰中Fe2O3/CaO的质量分别判断锅炉积灰结焦的标准

通过对比分析表4可知，五彩弯矿燃煤的Fe2O3/CaO的质量比为0.24，应该不属于中等或严重结焦煤。但是一旦与其他煤掺配后，Fe2O3/CaO的质量比会升高到某一水平，成为中等或严重结渣的煤种。

(3)通过分析上述表格得知:五彩湾矿燃煤的灰变形温度低于1410℃，究其原因是煤中CaO质量分数过高，但是一旦与其他煤掺配后，CaO质量分数降到某一水平，会立即引起灰熔点大幅降低。

2 锅炉设计差异

#1，#2锅炉参数见表5，#3，#4锅炉参数见表6。

表5 #1，#2锅炉参数

表6 #3，#4锅炉参数

从#1，#2锅炉与#3，#4锅炉参数对比中可以发现，二者有如下设计特点:

(1)炉膛尺寸方面。采用准正方形大切角炉膛，这种炉膛为防止燃烧器区域结焦及高温腐蚀创造了良好的环境条件。准正方形炉膛(12.40 m×12.08 m)使燃烧器出口射流上、下游的补气条件接近相等，避免气流偏斜。大切角炉膛为燃烧器出口射流两侧创造良好的补气条件，减少射流两侧的压差，保证燃烧器出口射流沿设计方向流入炉内，可防止气流偏斜，冲刷水冷壁而结焦。

(2)选取合适的炉膛热力参数。炉膛热力参数是表征炉膛内燃料燃烧后放热强烈程度的参数，#3，#4锅炉参照燃用煤种类似于200 MW机组锅炉设计数据，选取合适的炉膛容积热负荷为103 kW/m3，炉膛断面热负荷为3716 MW/m2，#1，#2锅炉容积热负荷为121 kW/m3，炉膛断面热负荷为3903 MW/m2，这是保证炉内不结焦的有效手段。#1，#2锅炉设计炉内断面热负荷偏大，对煤质的适应性较差;燃料燃烧后大部分燃烧物软化甚至熔化，互相粘连在一起，在炉内旋转离心力的作用下被甩至水冷壁冷却后变成焦渣，有的脱落至渣井，有的黏附在水冷壁上形成水冷壁结焦。

(3)合适的燃烧器一次风喷口间距。#1，#2锅炉燃烧器一次风喷口中心线之间的距离为1.180m，#3，#4锅炉燃烧器一次风喷口中心线之间的距离为1.400 m，6层一次风口确定了单个喷口热功率，为防止燃烧器区域结焦，适当拉开燃烧器一次风喷口间距，使燃烧器壁面热负荷数值合理，有效地减轻了燃烧器喷口周围结焦的情况。

(4)最上排燃烧器中心到屏下端的距离。#3，#4锅炉燃烧器上一次风喷口至屏底和下一次风喷口至冷灰斗拐点均有足够的距离，最上排一次风喷口至屏底距离为13.600 m，下一次风喷口至冷灰斗拐点距离为2.800 m，煤粉最短停留时间长于2.0 s，为煤粉在炉膛内着火、燃烧、燃尽提供了充裕的时间。

(5)炉膛出口烟气温度。#1，#2锅炉炉膛出口烟气温度为1103℃，#3，#4锅炉炉膛出口烟气温度为1033℃，控制炉膛出口烟气温度，确保熔化的和黏性的灰不进入节距比较小的对流受热面，否则，即使有较多的吹灰器也不能清除对流受热面迅速结渣和积灰。最可靠的办法是选择适当的炉膛出口烟气温度，使其低于灰的变形温度。

3 燃烧器设计的差异

红雁池电厂#1，#2锅炉为直流燃烧器(如图1所示)四角切圆燃烧，其切圆直径为825 mm，这是普通的四角切圆燃烧方式，其结构简单，通风阻力较小，但气流以直流射流喷入炉膛，扩散角很小，只能从气流外边缘卷吸热烟气，加热面积小，故自身点火条件较差，由于切圆直径较大，大量熔融、半熔融煤粉颗粒将直接撞击水冷壁，形成结渣，同时磨损水冷壁，易发生高温腐蚀。

图1 直流燃烧器结构

#3，#4锅炉煤粉燃烧器采用四角布置、切向燃烧、喷嘴固定式直流燃烧器，所有一次风喷口均采用百叶窗式水平浓淡燃烧技术，在炉膛中心形成2个假想切圆，假想切圆直径分别为ø 529 mm和ø 830 mm(如图2所示)，这种燃烧技术的浓淡分离是依靠安装于一次风管中的百叶窗式煤粉浓缩器来实现的。来自煤粉管道的煤粉气流在经过百叶窗式煤粉浓缩器时，由于煤粉颗粒与浓缩器叶片碰撞后，使大部分煤粉颗粒流向一侧，并由中隔板分隔后，在水平方向一侧形成浓煤粉气流，另一侧形成淡煤粉气流。并使浓淡2股气流分别从燃烧器的左、右侧分开进入炉膛，浓煤粉气流从向火侧切向喷入炉膛，形成内侧假想切圆，淡煤粉气流在背火侧切向喷入炉膛，形成外侧假想切圆，从而形成水平浓淡燃烧，浓煤粉气流由于煤粉浓度高，所需着火热大大降低，因此容易着火。由于大部分煤粉多在浓侧，而这部分煤粉布置在向火侧，减少了煤粉颗粒冲刷水冷壁的机会，因此，对防止水冷壁结渣相当有利。

图2 假想切圆

4 二次风喷口设计的差异

(1)#1，#2锅炉每角燃烧器共布置15层喷口。其中一次风喷口6层，顶二次风喷口1层，其余8层为二次风喷口，燃烧器喷口从下往上依次为2(油)－1(微油)－2－1－2(油)－1－2－2(油)－1－2－1－2(油)－1－2－2。每台磨煤机的主层下二次风喷口内布置了燃油装置，在最下层一次风喷口内布置了微油点火装置(如图3所示)。#3，#4锅炉每角燃烧器共布置14层喷口，其中一次风喷口6层，顶二次风喷口1层，其余7层为二次风喷口，燃烧器喷口从下往上依次为2－1(微油)－2(油)－1－2－1－2(油)－1－2－1－2(油)－1－2－2。燃烧器的3层二次风喷口内布置了燃油装置，在最下层一次风喷口内布置了微油点火装置。

图3 微油点火装置

就数量而言，#1，#2锅炉在3，4层一次风喷口中间多增加了1个二次风喷口，在煤粉中间多增加了二次风，使得煤粉在中间增加了燃烧氧量，火焰中心温度更高，在低负荷时增加了燃烧的稳定性，但在高负荷时却增加了锅炉的结焦性。

(2)#1，#2锅炉燃烧器一次风喷口布置有可调节的周界风，但是，每角1，2，3 层和4，5，6 层一次风喷口分别用一个手动门来控制周界风的大小，这样，就降低了在机组负荷变化时调节各个一次风喷口周界风大小的灵活性。而#3，#4锅炉一次风喷口四周布置有偏置周界风，左右侧采用偏置周界风，即向火面一侧周界风层较薄，背火侧较厚，形成了风包粉的结构，这样，能延长煤粉气流到达水冷壁的时间，延长煤粉的冷却时间。周界风出口向外翻边，周界风由单独的风门控制，从而可控制喷嘴出口煤粉气流着火点，在高负荷时，可推迟煤粉的着火，提高了喷嘴出口气流的刚性，避免气流的偏转和还原气体生成而引起的炉膛结焦。在低负荷时，使着火点提前，周界风门应关小甚至全关，提高燃烧器在低负荷时的稳燃能力。周界风的设置保证了燃烧器喷口得到冷却。

偏置周界风对防止结焦及高温腐蚀有2个好处:一是提高燃烧器出口射流的“刚性”，减少射流的偏斜倾向;二是偏置周界风具有风屏保护条件，能提高炉膛水冷壁处氧化性气氛，而氧化性气氛使得煤灰粒子的软化温度相对升高，进一步弱化了结焦倾向，有利于防止结焦。同时，氧化性气氛也可防止高温腐蚀。

(3)#1，#2锅炉顶部设置顶二次风(OFA)喷口反切13°，#3，#4锅炉OFA喷口反切15°，由于反切角度较大，顶二次风切圆直径大于一次风切圆直径，一次风煤粉气流集中于炉膛中央，形成炉膛中央富燃料区、炉壁富氧区的“风包粉”燃烧方式，这将减少煤粉气流冲刷水冷壁的机会，有利于防止和减少燃烧器区的炉壁结渣。

5 结束语

从上面的分析比较可以看出，#1，#2锅炉和#3，#4锅炉在结构上有较大的差异，这些差异导致#1，#2锅炉和#3，#4锅炉结焦性能也存在差异。因此，已计划在#1，#2锅炉大修时对锅炉燃烧器进行换型改造，将一次风燃烧器更换成水平浓淡燃烧器并将周界风改为每个周界风门单独控制。经过改造，期待#1，#2锅炉结焦量大的问题能得到根本性的改善。

［1］解居臣.2002年发电用煤质量验收:解析国际 GB/T 18666—2002专题汇编［M］.北京:中国电力出版社，2002.

［2］潘效军，刘铁雷，王树群.水平浓淡燃烧器减轻炉内结焦的机理分析［J］.沈阳电力高等专科学校学报，2000(3):20－22.