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410t/h锅炉改烧神华煤防焦的对策
发布时间：2013-10-05 08:41 来源：未知
0、引 言
神华煤是一种高挥发分、高热量、低硫、低灰分燃料、易着火且燃烧稳定、但又具有严重的结渣和粘污现象的煤种，如果在炉内不能有效地调整好空气动力场、容积热负荷和截面热负荷的相互关系，将对锅炉的安全和经济运行产生严重的威胁。因此，在燃烧其他煤种的锅炉上改燃神华煤，必须对其结渣和粘污现象加以探讨和研究，找出空气动力场、容积热负荷和截面热负荷之间的最佳配比值，并以此来指导对原锅炉的改造和燃烧器的研制。
1、煤粉炉结渣机理分析
锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程，下面对锅炉结渣的一些最新研究结果作一评述。
1.1燃烧过程中灰分的形态变化
通常，煤中的无机物可分为三类，即原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质。原生矿物质主要来源于形成煤的植物生长过程，基本上以分子状态均匀分布于煤中，其在煤中的含量很小，一般不超过2%～3%。次生矿物质是指在成煤过程中，因地壳变动使外界泥沙混入煤层中的矿物质，离散地、较均匀地分布于煤粒中。而外来的矿物质则是指采煤时混入到煤层中大块或层状的岩石，它具有原矿物质的一般特性。在煤破碎时有些外来矿物质可能从煤中分离出来。有些研究者也将原生矿物质和次生矿物质总称为内在灰分，而外来矿物质则称为外在矿物灰分。
三种灰分在煤中的存在形态不同，在燃烧过程中其形态变化也不同。对原生灰分，与煤中有机物联系的Na离子、K离子及其氧化物在高温下挥发成气态。对于与煤有机体相连的Ca和Mg离子，当煤燃烧，煤颗粒表面边界层中的含氧量足够低时，也会导致钙和镁的挥发，但是挥发性的钙和镁一旦到氧化性气氛中便会迅速的氧化生成lum的小颗粒�；臃⑿缘哪�、钾、钙一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝，生成低熔点的灰粒相；另一方面，也发生均相成核凝结，生成0.02~0.5um灰尘微粒。富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；�、木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂�，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
对于离散分布在煤中的次生煤灰，在煤粒燃烧过程中，随着碳的消耗，离散的灰粒发生积聚；或者，碳燃烧时发生破裂，灰粒也跟着破裂，形成不同尺寸的灰粒。
对于外在灰分，有些灰粒在燃烧过程中熔化，粘接在一起形成较大的灰粒；而有些灰粒随着碳粒在熔化过程中爆破，形成较小的残留飞灰。
由于飞灰在炉内的生成机理不同，使得飞灰颗粒尺寸呈双峰形分布，如图1所示，第一个峰在lum左右，第二个峰在10 N12um。第～个峰值是灰分积聚和破裂后的残留飞灰。在极大多数情况下，残留飞灰的尺寸上限为单个煤颗粒的尺寸，尺寸下限为煤颗粒中单个灰粒的尺寸。
1.2灰粒向水冷壁的运输过程
灰粒向水冷壁运输是结渣的重要环节。灰颗粒的运输机理主要有三类：第一类为挥发性灰粒的气相扩散，第二类为热迁移，第三类为惯性迁移。对于尺寸小于lum的灰粒和气相灰粒的运输，扩散运输是最重要的。主要有三种扩散机理：费克扩散、小粒子的布朗扩散、湍流漩涡扩散。
对于小于10um的颗粒，热迁移是一种重要的输送机理。热迁移是由于炉内温度梯度的存在而使小粒子从高温区向低温区运动。研究表明，热迁移是造成灰分积沉的重要因素之一。
对于大于10um的颗粒，惯性力是造成灰粒向水冷壁运输的重要因素。当含灰气流转向时，具有较大惯性动量的灰粒离开气流而撞击到水冷壁面�；伊Ｗ不鞯剿浔诿嫔系募嘎嗜【鲇诨伊５墓咝远�、灰粒所受阻力、灰粒在气流中的位置以及气流速度。在典型的煤粉炉中，气流的速度为10—25 m/s，直径为5一10um的灰粒就有脱离气流冲击水冷壁的可能性。
1.3灰渣在水冷壁上的粘结和结聚长大
灰粒的粘接与管壁的表面温度、初始灰渣层与管壁的热和化学兼容性、熔融颗粒的表面张力有关。
由于灰粒的形成机理及运输机理不同，灰渣在管壁上沉积存在二个不同的过程。一个为初始沉积层的形成过程。初始沉积层是厚度为0.2一0.5 mm的化学活性高的薄灰层，是由尺寸小于5um的灰颗粒所组成的。对于具有潜在结渣性的煤，初始沉积层主要是由挥发性的灰分在水冷壁上冷凝而成。对于潜在结渣性较小的煤，初始沉积层由挥发性灰分的冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同起作用而形成。另一个沉积过程为较大灰粒在惯性力作用下冲击到管壁的初始沉积层上，当初始沉积层具有粘性时，它捕获惯性力运输的灰颗粒，并使渣层迅速地增长。
由于初始沉积层主要是由挥发性灰分的冷凝和微小颗粒的热迁移引起的，因而从工程角度考虑，很难防止初始沉积层的形成，不过好在初始沉积层并不对锅炉的安全运行构成威胁。造成锅炉安全运行构成威胁的主要冈素是惯性沉积。
2、控制炉内结渣的主要因素
2.1煤质潜在结渣性评估
煤质潜在的结渣性与煤灰的组成成分、存在形态、熔化特性温度和粘温特性等因素有关。
2.2灰粒的运输过程（炉内空气动力场）
由于扩散和热迁移是很难控制的，并且由于初始沉积层并不会影响锅炉的安全运行，因此在考虑采取防结渣技术时，应将重点放在如何控制灰粒惯性撞击上。
减小炉内气流切圆直径，降低煤粉细度均可减小煤灰颗粒向水冷壁的惯性迁移，有利于减轻结渣。
在现代的大型四角燃烧锅炉中，经常采用贴壁风、同心反切、左右浓淡分离、淡侧位于背火侧等技术来达到防止结渣的目的。
(1)炉内温度的控制
对于由惯性力作用而撞击到水冷壁上的煤灰粒子，并不一定就会产生粘接。
初始沉积层本身特性对捕获惯性撞击煤灰粒子具有重要的作用，对具有潜在结渣倾向的煤，初始沉积层主要是由挥发性的灰冷凝而形成。而对于潜在结渣倾向小的煤，初始沉积层有一部分是由小颗粒的热迁移产生的，对惯性撞击灰的捕获能力较小。
灰粒撞击水冷壁是否会发生粘附将取决于下列因素：灰本身的熔化温度；炉内的温度水平；灰粒向壁面运动时受冷却的程度。
基于以上的分析，可概括出影响炉内结渣的三个要素：煤的潜在结渣倾向；灰渣颗粒的惯性撞击；炉内温度及其分布。
结渣过程各个要素的方框图见图2。
3、强结渣性锅炉的设计探讨
影响炉内结渣的三个要素之中，煤的潜在结渣倾向无可改变。为此，要使具有强结渣特性的神华煤能够安全经济地燃烧，只能从防止煤灰颗粒的惯性撞击和控制炉内温度及其分布这两个方面对燃烧系统进行优化。一般改燃神华煤的电厂都希望在不改变锅炉本体结构的前提下，而只对燃烧器结构进行改造，以期达到锅炉的最佳运行工况、稳定燃烧、解决炉内结焦，提高机组性能。
对于燃用强结渣性煤质的锅炉，如果按常规设计运行势必存在着安全隐患，有可能会出现受热面结渣、过热器超温、锅炉出力受限制等一系列问题。为此对于燃用这种强结渣性煤的锅炉应有相应的设计方法，在这方面根据设计和工程经验，简单介绍一下笔者参与调研的几台燃用强结渣性煤质锅炉的改造方案。
3.1 甘肃某电厂130t/h燃烧系统改造
该锅炉系四川锅炉厂生产的中压、自然循环汽包炉、固态排渣，制粉系统为钢球磨中储式乏气送粉系统。主要设计参数：额定蒸发量130 t/h；汽包压力4.2—4.3 MPa；过热蒸汽压力3.82MPa；过热蒸汽温度450℃；给水温度188℃；预热器入口温度30℃；预热器出口温度34℃：排烟温度150℃；锅炉效率90. 79%。
该锅炉于1995年投产以来，总体运行良好。但近年来，由于煤种变化等因素，存在着高负荷时炉内水冷壁结焦严重、不能在额定出力下长期运行的问题，影响了机组的安全、经济、稳定运行。
为了从根本上解决上述有关问题，电厂决定在不改变锅炉本体结构的前提下，对燃烧器结构进行改造．以期达到锅炉的最佳运行工况、稳定燃烧、解决炉内结焦，提高机组性能。
3.1.1 改造具体方案
(1)一、二次风喷嘴向炉内延伸200 mm。
(2)中二、上二50%的风量沿与炉膛20。的夹角从背火侧送入。
(3)-次风喷口放大，形成上下减缩喷口。
(4)增加性能风喷口，紧贴一次风喷口背火侧布置。
(5)增设撞击式水平浓淡燃烧器。
(6)采用同心反切技术，一次风反切。
(7)—次风和性能风喷口装设壁温测点。
3.1.2 改造后锅炉性能
通过运行调节表明，改造后锅炉带高负荷的能力增强了，可以超负荷运行（135~140t/h），大负荷下结焦现象得以抑制，主汽不超温，锅炉运行参数正常，可燃物含碳量与改造前持平，在燃用运行煤种的条件下，锅炉可在40% ECR负荷下实现断油稳定燃烧，长期能够满足50% ECR的调峰调度要求。测试结果表明，改造后减小了系统阻力，降低了风机能耗。
从改造后近几年的运行状况看，采用水平浓淡型防结渣技术，从根本上解决了由于水冷壁的结焦问题影响锅炉的满负荷出力运行，改造后锅炉能在设计的气温、气压等参数下超出力运行。锅炉经受了高负荷下防止结渣、低负荷稳燃能力的长期考验。
3.2 410 t/h锅炉改烧神华煤防焦对策
北京某热电分公司410t/h锅炉是哈尔滨锅炉厂生产的HC - 410/9.8 - YM15型的高压煤粉炉，配中间储藏式制粉系统，热风送粉的燃烧方式。该锅炉自改烧神华煤以来，锅炉结焦问题一直成为安全稳定运行的突出问题。其主要参数：额定蒸发量410 t/h；过热蒸汽压力9,8 MPa；过热蒸汽温度540℃；给水温度220C；预热器入口温度30℃；预热器出口温度330C；排烟温度135℃；锅炉效率92.07%。
由于锅炉原设计煤种为晋北烟煤，主要设计思想是提高锅炉的着火和稳燃能力，为了改烧神华煤，该热电公司重新对燃烧器进行了改造，但设备运行的性能未能完全达到适应神华煤的特性水平，仍然出现结焦现象。
锅炉燃烧器改造后仍出现结焦现象，经过分析认为由于锅炉原设计燃用晋北烟煤，燃烧系统的设计思想围绕提高着火和低负荷稳燃能力来进行，这样原有的燃烧系统就成为锅炉的安全运行阻碍。其主要原因有：
(1)采用热风送粉，一次风风粉混合物温度太高，使着火过分提前。
(2)燃烧器设计不合理，对于神华煤这种易燃煤种，燃烧器无需预燃室。
(3)改造后燃烧器性能欠佳，部分二次风喷口截面尺寸偏小，导致二次风速偏高，使高温回流加强，造成喷口附近超温结焦。
(4)水冷壁挂焦，排渣不顺，造成炉膛结焦的恶性循环。
(5)给粉量波动破坏炉内空气动力场。
4、炉内流场计算和分析
根据中石化天津分公司410 t/h锅炉改烧神华煤课题（杭州锅炉集团股份有限公司制造的NC - 410/9. 81 - M6型煤粉锅炉）要求，按照理论计算的燃烧器结构尺寸、各个喷口的风速和燃烧器的布置图，利用Fluent大型流体计算软件，分为三种工况对炉内流场进行数值模拟计算。
工况一
采用一次风反切技术，并采用大风率的侧边风（占二次风量的40%），侧边风的方向与水冷壁成150角喷入。通过模拟计算得出，采用这种方案燃烧器下几层可取得效果较好的空气动力场，上几层气流实际切圆明显偏大，气流有贴边倾向。
工况二
采用一次风反切，侧边风的方向与二次风的方向一致，其他条件与工况一相同。
结果采用这种方案，炉内空气动力场比较理想，实际切圆变化不大，在燃烧器区域内实际切圆直径一般不大于4.5 m，炉内气流贴边不严重。
工况三
采用一次风反切技术，燃烧器的排列采用分组形式，并且侧边风的风向与水冷壁成15 0喷入。
采用这种方案后，切圆明显偏大，有贴边现象，但比第一个工况要好的多。
5、结论
通过三个工况的数值模拟计算，认为采用工况二实际切圆较小，炉内速度场对称不贴边，具有最好的空气动力场。
遵照中石化天津分公司410 Uh锅炉燃烧系统的改造原则，对锅炉本体及受热面不做大的改动，因此锅炉的容积热负荷和截面热负荷均已确定。但是对燃用具有强结渣性煤质的锅炉设计来讲，特别象神华煤这种极易着火、易燃尽、热值高且具有严重结渣倾向的煤种，该锅炉炉膛原设计容积和断面尺寸明显偏小，为此必须采取其他有效的措施来防止锅炉的结渣。
为了该锅炉能适应神华煤，初步确定从以下几个方面对锅炉燃烧系统进行改造。
(1)调整一次风风温
神华煤的煤质特性决定了必须降低一次风风粉混合物温度，这样可以防止煤粉着火的过分提前，以防止在喷口附近形成局部高温区从而产生结焦和烧坏喷口现象。降低一次风风粉混合物温度的具体措施有两个：
1)将原热风送粉改成乏气送粉，这样既可以达到降低一次风风粉混合物温度的目的，又符合电力规程。
2)采用温风送粉，一次风风粉混合物温度控制在160℃以内，必要时可掺入适量的冷风。
(2)提高一次风风速
对于神华煤这种高挥发分、高热值的烟煤，过小的一次风风速除了易发生偏转和刷墙外，还由于着火燃烧离喷口过近，容易使喷口烧坏，并使喷口附近受热面结渣。因此，有必要减小喷口面积，将原设计一次风速由26 m/s提高到30m/s。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂鲜强突遣淮淼难≡�。
(3)使用复合新型多功能水平浓淡燃烧器
复合新型多功能水平浓淡燃烧器是采用高度分级燃烧、低氧燃烧、水平浓淡等综合燃烧技术的新型燃烧器。其中一次风喷口采用上下减缩型喷口，增强气流的刚性，防止气流偏移冲刷水冷壁。并且实现分级送风、低氧燃烧。不仅可以降低NO，和炉内温度水平，还可以使焦渣的成分发生根本变化，变得疏松而不易粘接，从而达到防止结焦的目的。
(4)使用一次风反切防结渣技术
采用一次风反切，侧边风的方向与二次风的方向一致，将一次风喷口相对于二次风逆向偏转一个角度，使一次风中的煤粉逆向进入上游横向冲刷的高温烟气中，煤粉颗粒被减速，达到使煤粉颗粒停留时间增长、升温速度加快，稳定、强化炉内着火，降低炉膛出口烟温偏差，同时可达到减小切圆防止炉内结渣的目的。
(5)在一次风喷口的背火侧增设贴边风
所增设的贴边风与水冷壁形成一定的角度喷入，由此在炉内形成“风包粉”的燃烧方式，并在水冷壁附近形成氧化性气氛，防止结渣。
(6)定期为受热面吹灰
由神华煤的煤质特性决定，在锅炉受热面上不可避免的会有一定的结焦和积灰出现，因此锅炉炉膛从中排燃烧器到炉膛出口以及在对流受热面区均布置吹灰器，定期为受热面吹灰。
针对原设计中锅炉掺烧占总燃料的10%一15%的瓦斯，且已出现炉膛燃烧器附近结焦的现象。认为改造后在上二次风喷口位置装设瓦斯喷口，仍然可以掺烧占总燃料的10%~15%的瓦斯，锅炉保证能够安全经济地运行。它的防结焦措施与神华煤的防结渣措施一致。
