燃煤电厂锅炉结焦问题浅析

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：自2018年8月中旬至9月末，华能营口电厂一期#1、2锅炉连续出现锅炉结焦、炉底冷灰斗蓬焦异常情况，焦块硬度大且熔融聚集呈琉璃状，渣井口堵塞无法正常落渣，经过连续打焦后疏通开;险些造成冷灰斗堵死被迫停炉异常事件。本文通过对锅炉结焦原因进行深入分析，保证锅炉运行安全。
　　关键词：结焦;灰熔点;热负荷
　　Abstract：From mid-August to mid-September 2018，the #1 and 2 boilers of Huaneng Yingkou Power Plant Phase I have continuous boiler coking and abnormal cold ash hoppers at the bottom of the furnace.The hardness of the coke block is large and the condensed aggregates are glazed.The normal slag is dredged after continuous coking;it is almost caused by the cold ash to stop the abnormal event.This paper conducts in-depth analysis of the cause of boiler coking to ensure the safe operation of the boiler.
　　Key words：Coking;ash melting point;heat load
　　受当前严峻的煤炭市场形势影响，特别是高热值煤种价格长期处于高位，已无法作为主力煤种单独入炉燃用，掺烧低价、低热值煤种成为当前形势下火电厂降低燃料成本的必要手段。本文以营口电厂在进行配煤掺烧过程中出现的问题，结合自身锅炉特性进行分析，确保锅炉安全稳定运行。
　　1 现象
　　自2018年8月中旬至9月末，我廠一期#1、2锅炉连续出现锅炉结焦、炉底冷灰斗蓬焦异常情况，其中蓬焦最严重三次分别为8月29日#2炉大量掉焦，#4、6磨煤机火检全部消失10S后恢复正常，险些造成机组跳闸不安全事件;9月25日#1炉#1渣井上部蓬焦，焦块硬度大且熔融聚集呈琉璃状，渣井口堵塞无法正常落渣，经过连续打焦20小时后疏通开;9月27日#2炉#6冷灰斗上部大面积蓬焦，上至水冷壁缩口处，连续打焦处理10小时后疏通开，险些造成冷灰斗堵死被迫停炉异常事件;其余时间均在进行小范围清焦作业，据统计，8、9月份锅炉蓬焦、打焦共计78次，已严重威胁机组安全（详见附表1）。
　　2 原因分析
　　影响燃煤锅炉炉膛内受热面结焦的因素主要包括：锅炉设计结构及燃烧器布置方式、燃煤灰分的熔融特性、炉内烟气性质三个方面。
　　2.1 锅炉设计结构及燃烧器布置方式
　　（1）华能营口电厂一期锅炉设计炉膛截面为矩形状，炉膛宽度19.18m，深度11.462m，高度51.54m，炉膛容积8190m3。上层燃烧器中心线距炉膛出口距离为23m，距屏式过热器底部164m。2013年进行低氮燃烧器改造同步增加两层燃尽风层，上层燃尽风层标高32.9m，距离屏式过热器底部7.9m。同类型南京电厂锅炉上层燃烧器距炉膛出口26m，距屏式过热器底部194m;我厂一期锅炉火焰行程与南京电厂相比其少3m，存在烟气在炉膛内停留时间短问题，且低氮燃烧器改造后，炉膛火焰被拉长，炉膛出口烟温进一步升高（见图1），抗结焦性能减弱。
　　（2）我厂一期原设计炉膛出口烟温1142℃，按照行业标准《电站煤粉锅炉掺烧技术导则》规定，为避免锅炉结焦，我厂入炉煤灰熔点（ST）应大于1292℃。低氮燃烧器改造工程设计煤种灰熔点>1380℃（见下表），根据其煤粉分级燃烧工作原理，即原燃烧区缺氧燃烧，沿程富氧燃尽的方式，使主燃烧区温度降低，从而达到降低NOx生产的目的，但低氮改造使炉膛火焰受到拉伸，火焰中心被迫上移。
　　（3）根据2018年4月《#1机组燃烧调整试验报告》得出，#1机组中上层燃烧器区域炉膛温度可高达1480℃，我厂实际入炉煤质混配后灰熔点（ST）在1300℃左右，能够使灰达到熔融状态，加之相应燃烧火焰应有的行程变短（不足16.4m），无法完成充分冷却，极易在两侧墙（还原区）及屏过底部冷却形成结焦（见图2、3）。而二期锅炉设计炉膛出口温度970℃，按照行业标准二期入炉煤灰熔点应大于1120℃，因此二期锅炉在设计上比一期锅炉抗结焦性更强，但同样受到易结焦煤灰熔点界定限制，二期入炉煤混配后灰熔点应控制不低于1250℃。
　　（4）4锅炉设计容积热负荷决定锅炉本身抗结焦能力。我厂一期锅炉设计容积热负荷为97.58kW/m3，设计燃用煤种为陕西晋北烟煤;目前我厂大比例掺烧褐煤（比例40-70%），根据电站锅炉设计要求：同容量下，燃用褐煤（易结焦煤）的锅炉容积热负荷应低于燃用烟煤的锅炉，即锅炉容积适当增大，否则因烟气量大到达炉膛出口时无法得到充分冷却，出口烟温升高，造成炉膛上部结焦。以某电厂为例：其锅炉设计容积热负荷为86.08kW/m3，设计煤种（30%鸡西烟煤+70%扎煤），我厂一期锅炉比其容积热负荷高出11.5kW/m3，同样燃用褐煤时，我厂一期锅炉抗结焦性差。
　　（5）燃烧器布置方式决定炉膛上部区域结焦特性。我厂一期锅炉为前后墙对冲低氮燃烧器，前后墙各三层、每层4只共16只。使用旋流燃烧器的锅炉，煤粉燃烧卷吸配口附近烟气时，因两侧墙无贴壁风设计，存在缺氧还原性区域，灰分在还原性气氛中灰熔点进一步降低，熔融候经水冷壁冷却粘结，形成两侧墙结焦。另外，靠近两侧墙的燃烧器在工作时，因其自身的旋流及对冲特性，容易造成火焰飞墙造成水冷壁结焦。 　　2.2 燃煤灰分的熔融特性
　　（1）入炉煤常规指标包含：热值、全水分、灰分、挥发分、硫分、可磨系数、灰熔点（ST）。但是燃烧产生的灰中化学成分影响灰熔点的氧化物、碱类等一般不做指标分析。其中煤中微量元素硅、铝、钙、镁等纯氧化物熔点一般大于2000℃，而铁的纯氧化物及碱类物质熔点一般在1500℃以下，在特定气氛环境（多指炉膛内燃烧情况）下会进一步降低入炉煤的灰熔点。
　　（2）低熔点焦产生的原因主要是在不同的烟气温度下，灰中的纯氧化物之间发生反应形成共熔体后，熔点在1000-1200℃，碱土金属熔点在800-1000℃，尤其是FeO（氧化铁）能与高熔点氧化物反应使灰熔点降低至1000-1200℃，依附在炉膛受热面管屏形成大块结焦。因此，根据《电站煤粉锅炉掺烧技术导则》，当采用不同煤种进行混配时，混配后灰熔点将低于任意单一煤种的灰熔点。
　　（3）入炉煤中灰分、灰熔点综合作用将影响锅炉结焦特性。如果煤质灰分较大（我厂一期锅炉低氮燃烧器改造设计规范书明确规定，入炉煤灰分设计值为11%），且灰熔点低于锅炉设计允许值，采取大比例掺烧，锅炉结焦不可避免。
　　2.3 炉内烟气性质对锅炉结焦影响
　　炉内烟气是还原性还是氧化性气体对结焦存在很大影响。例如：铁的氧化物在还原性气氛中与CO、H2产生反应，使灰熔点进一步降低，加剧结焦。因此，必须对锅炉燃烧期间炉膛氧量、CO值进行实时监督控制，尤其当掺烧低易结焦煤种时，禁止出现缺氧燃烧。设有燃尽风层的锅炉，通过关小燃尽风门，增大主燃烧区氧量，使煤粉快速燃尽，降低炉膛火焰中心，理论上可以达到减缓结焦目的，但燃尽风关小后，会导致燃烧器区域NOx生产量大幅增加，液氨耗量增大，氨逃逸率升高，SCR、低低省及空预器存在硫酸氢氨板结风险。
　　2.4 结焦过程分析
　　本次#1、2炉出现频繁结焦情况，原因为受厂存煤结构限制及入炉煤种变化导致。8月份扎煤来煤计划取消（低灰分、中低灰熔点），高灰分、低灰熔点褐煤比例增加，个别煤种制粉系统适应性差、同时燃用两种低灰熔点煤种成为一期锅炉结焦的主要原因。
　　（1）从8月中旬开始，厂存高热值主力煤种为澳煤，哈氏可磨系数35，通过试烧试验发现二期无法掺配，只能在一期进行掺配。因此根据厂存合理配置，澳煤（斯托克）分配二期机组进行掺配。同时根据厂存量及来煤计划，综合考虑机组接待负荷能力，被迫提高褐煤掺烧比例。
　　（2）褐煤：从褐煤工业分析指标及历年实际掺烧情况来看，褐煤存在热值低、灰熔点低、硫分高、灰分高等特点，一期两台机组入炉褐煤掺烧比例大于25%时，会出现不同程度结焦情况。而进入8月份，我厂扎煤计划被取消，为控制入炉煤热值及节约厂存高热值煤，提高褐煤比例至30%以上（历史最高），加重锅炉结焦情况。入厂阜新褐煤（汽运煤）受到客观因素限制，批次变化频繁，厂内化验灰熔点为氧化法，不具备还原法检测条件，不能对灰熔点进行有效监测，经送第三方检测阜新褐煤灰熔点（ST）仅为1160℃，根据电力行业标准可确定该煤种为强结焦特性煤种。
　　（3）从8月中旬至9月末，在风电较小情况下，一期锅炉负荷率偏高，锅炉耗煤量大，入炉煤灰分大，加之褐煤比例高，锅炉结焦、蓬焦情况明显。
　　3 针对结焦运行采取的措施
　　（1）根据#1炉渣井蓬焦严重情况，参考西安热工院#1炉燃烧调整试验报告于8月16日、8月20日、9月18日三次对#1炉燃烧器内、外二次风配风进行调整，同时对燃尽风解手动调整，尽量降低结焦程度。
　　（2）严格要求运行各值加强炉膛氧量控制、参考净烟气CO值，避免加负荷锅炉缺氧情况发生。
　　（3）优化#1炉干渣系统挤渣门行程逻辑时间，由原30S修改为10S降低挤渣门操作时间，做到及时挤、排渣。
　　（4）加强#2炉底捞渣机巡检工作，通过观察打清水情况及灰斗开孔处火光情况，做到蓬焦及时发现、及时处理。
　　（5）会同检修部锅炉专业，完成锅炉打焦安全技术措施讨论完善工作，保证作业期间人身安全。
　　（6）优化锅炉水平烟道吹灰方式，根据锅炉蓬焦情况将白班吹灰改为白班、中班分批进行，降低大量掉焦几率。
　　（7）根据厂存煤结构，进行配煤掺烧调整，控制入炉煤灰熔点及灰分。
　　（8）针对锅炉结焦、打焦频繁，做好锅炉炉渣、飞灰监视工作，跟踪飞灰含碳量变化及电除尘灰样、脱硫石膏情况，做好评估工作。
　　（9）2018年10月，在策划部组织下，邀请西安院锅炉燃烧调整专家来厂技术指导（通过两天现场诊断，指出我厂设备结构通过燃烧调整无法解决结焦问题，建议适当调整入炉煤种）。
　　4 预防锅炉结焦建议
　　（1）根据西安热工院#1炉燃烧调整试验报告所述，炉膛上层燃烧器附近温度在1350-1480℃，屏过区域温度在1020-1130℃之间，过高的炉膛温度使得炉内火焰中的灰颗粒处于熔融状态，屏过中间区域温度较正常值偏高，炉膛出口灰颗粒温度高，黏性大，容易沾在过热器管屏上，这应该与屏过区域结焦有关。为缓解一期锅炉结焦现象，建议一期入炉煤混配后灰熔点不低于1350℃，高灰分、低灰熔点褐煤比例不大于25%。
　　（2）根据性能试验报告数据所示：机组负荷230MW-300MW变化时，炉膛内相关区域温度变化较小，因此锅炉低负荷运行时结焦情况有所减轻是因入炉煤量减少，灰量减少所致，并非炉膛温度变化导致，当水冷壁、屏过挂焦积累到一定程度仍会大量脱落，这对锅炉运行更加危险。9月份#2炉停炉期间发现屏过近60%存在严重挂焦情况，因此建议当掺烧低灰熔点褐煤时，应降低混配煤灰分比例不超15%，通过降低灰分来降低、避免结焦风险。
　　（3）当锅炉结焦严重时，应控制入炉煤硫分，虽然硫份对锅炉结焦无直接影响，但因煤质化验报告不对铁、铝、硅等微量元素进行检测，硫分过大时，燃烧生成的硫化物导致烟气还原气氛增加，间接降低灰熔点加重结焦情况发生，因此建议掺烧高灰份、低灰熔点褐煤时，应控制混配后硫分不超0.8%。
　　（4）建议优化厂存煤结构、根据锅炉设计结构特性，把控然单一采购煤种各项指标，满足混配后各项指标要求，避免发生两种及以上易结焦煤种同时混烧，加重结焦程度。当机组出现异常情况时，可以灵活进行配煤方式调整，避免遇到问题时捉襟见肘。
　　（5）目前一期#1、2炉均存在炉膛热负荷存在偏差，建议通过燃烧调整试验，消除偏差，解决局部烟温高、还原气氛突增情况。
　　（6）综合一、二期制粉系统干燥出力情况，建议混配后入炉煤水分（空干基）应不大于25%。
　　参考文献：
　　[1]朱晓昕.华能营口电厂#1锅炉燃烧器调整试验报告[R].西安西热锅炉环保有限公司，2018.04.
　　[2]пп-1000-25-545кт蒸汽锅炉技术说明书和运行规程[K].俄供资料，1995.02.
　　[3]DL/T1445-2015电站煤粉锅炉掺烧技术导则[S].国家能源局.中國电力出版社.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15146880.htm