煤粉锅炉防止结焦的控制措施及相关技术应用

煤粉锅炉防止结焦的运行调整、控制措施及相关技术的应用一、前言各位朋友：今天我们共同来探讨一下，煤粉锅炉防止结焦的运行调整、控制措施及相关技术应用的问题。锅炉结渣即锅炉结焦。是指灰渣在高温下熔化后粘结在炉墙、受热面、炉排上的现象。由于硬件(设备、系统、煤质等)缺陷和人为（运行调整）我们这里也可把它称为软件因素,煤粉锅炉在运行过程中的结焦是客观存在、不可避免的！从现有煤粉锅炉生产运行情况看,有相当数量的锅炉为不同程度的结焦问题所困扰。这一方面是由于锅炉结焦的客观规律性所决定的，在另一方面还受我国在现阶段燃煤情况影响。现阶段，由于电力煤炭供应市场的变化，煤电供需矛盾的存在，电站锅炉燃煤不能保持稳定，煤质多变；（焦作电厂举例，前一段时间，有时的燃煤供应只仅仅够烧一天的了，说句不好听的，粗粮能够吃上就已经不错了。长时间的进煤，有火车进煤也有汽车进煤，煤种煤质变化很大，有时燃煤灰分高达50％还要多。其他电厂的进煤更是有锅炉灭火后投了全部油枪都点不着的情况。关于电厂进煤的问题还有很多话题讲，国家治理超载，煤价由原来的200多到了500多元一吨。地头蛇黑社会垄断，在半路往好煤里掺土、石块等，贿赂威胁燃煤化验人员等等）另外，我国电站锅炉燃用煤质较差,约有半数的锅炉燃用煤种在不同程度上属于易结焦类型。这两个客观存在的情况就加剧了电站锅炉的结焦现状。对于采用常规煤粉燃烧方式的锅炉来说,炉膛结焦将一直是设计和运行中需要认真对待的问题。从理论上对锅炉结焦、积灰的原理进行分析、探讨，掌握锅炉结焦的规律，从生产实践上采取合理的措施防止锅炉结焦、积灰，防止锅炉掉大焦就具有长期的、现实的意义。为什么呢？因为煤粉锅炉的结焦对锅炉来讲是有百害而无一利的！下面我们首先来看看结焦对锅炉都有什么样的危害。二、锅炉结焦的危害锅炉结焦不但增加了锅炉受热面的传热阻力，使受热面传热恶化、煤耗增加、降低锅炉的热经济性，还可能造成烟气通道的堵塞，影响了锅炉的安全运行，严重时会发生设备损坏、人身伤害事故。所以说锅炉结焦对锅炉的安全、经济运行及可靠性有很大的影响：1、降低锅炉出力，甚至被迫停炉。（1）炉膛内水冷壁上结焦会增加受热面的传热阻力,降低辐射吸热量,使炉膛出口烟温升高。一方面会使蒸发量减少，要维持蒸发量，就要增风加煤，但是通风设备容量是有限的，再加之结焦使得烟气的流动阻力增加，也要引起风量的不足；另一方面会使对流受热面热负荷升高、对流传热量增加而导致蒸汽温度、金属壁温超温，为了维持额定的参数，往往必须降低锅炉出力，还可能被迫停炉。（2）炉膛出口受热面结焦,则会影响受热面传热,甚至影响蒸汽温度,并增大通风阻力,严重时甚至造成烟气通道的堵塞而使燃烧恶化。焦作电厂#4炉就碰到过炉膛烟道结焦堵塞，造成了炉膛火焰四处喷出，三台引风机都加满了出力也不行，结果是降出力最后只能被迫停炉清焦。（3）锅炉燃烧调整不好，掉焦严重时会造成锅炉出渣困难，被迫降低锅炉出力运行，甚至会把整个渣井封死，不能维持锅炉正常运行，只有停炉出渣、打焦。这种情况我们很多电厂都遇到过。2、降低锅炉效率（1）锅炉受热面结焦时，减少了工质的吸热量，使排烟温度升高，造成排烟热损失增大。（2）炉膛内结焦会造成炉内空气动力场不均；燃烧器喷口及其附近结焦,会影响到煤粉射流及改变炉内燃烧空气动力工况,直接影响风粉的混合和燃烧；这些会造成化学和机械不完全燃烧损失的增加。3、造成事故，影响安全运行（1）炉内结焦时，结焦部分和不结焦部分受热不均，产生热偏差，会影响到锅炉正常的水循环，容易损坏管子，也会使过热器管产生热应力，疲劳损坏。（2）锅炉结焦，为了维持运行，使得蒸汽温度和受热面金属温度超温，造成管子过热损坏。（3）结焦造成的炉内空气动力场不均，燃烧偏斜发生，还会造成因炉膛受热不均而导致的炉墙撕裂；还会烧坏喷燃器。（4）炉内焦块掉落时,会划伤甚至砸坏水冷壁或冷灰斗，严重时发生锅炉水冷壁泄漏、高温汽水伤人等事故。（5）炉内结焦，打焦不慎也会打坏管子；譬如，我厂锅炉在下部看火孔和人孔门处结焦时，就有人为了清焦，把冲地面的冲洗水用管子接过来，往炉内水冷壁上的大焦上冲。另外，我厂过去经常发生由于吹灰器故障造成把水冷壁管吹破的事故。炉内结大焦，往往需要用炮崩，这也存在了很大的人身安全隐患，还会把锅炉管子崩破。（6）锅炉清渣、打焦时经常会造成人员受伤的事故发生；把手打伤，把下巴打伤，把手烫伤，把腿烫伤等等。原来还有为了打焦，把脑袋打掉一块。甚至有人身伤亡的事故发生。有个电厂，由于锅炉结焦严重造成下部渣井大量堵渣，在停炉清焦时，人员进入炉内一下从上面掉到捞渣机内摔死。还有在司炉清理火焰监视孔的焦和下部大人孔门处的渣焦时，突然燃烧不好，集控监盘人员抢投助燃油枪，炉膛冒正压，把打焦人员严重烧伤。清焦时必须严格按照安规，着装带手套眼镜。（7）锅炉灭火。炉内结焦，除焦时间长，大量冷风漏入，降低炉温，容易引起灭火；当大块焦渣掉落时，也会将火压灭。这些灭火是经常发生的，现在的华润热电厂。当大面积焦块掉落时，一方面形成大量的烟尘，可能使得火焰保护动作；一方面热焦掉入渣池时,会引起渣池中的水急剧汽化,掉入渣池中的热焦量越多,块越大,温度越高,则汽化量越大,腾起的水蒸气越多。水蒸气迅速上升对炉内气流产生强烈冲击扰动,同时由于水蒸气温度低于炉内气流,且在上升过程中还会继续吸热膨胀,流速不断提高,对炉内气流的扰动进一步加强,二者结合起来或者直接吹灭火焰,或者因炉膛压力波动幅度过大造成炉膛负压保护动作,导致锅炉灭火。而且腾起的水蒸气吸收炉内热量,还会降低炉内温度,加速灭火过程。锅炉结焦是一个自动加剧过程,运行中由于某种原因，一旦某个部位开始结焦，其形成大焦块的速度会很快,到一定程度时会因自重、炉内气流扰动、负荷变化等因素而掉落。了解了锅炉结焦的严重危害，要想防治，当然还要知道锅炉结焦的机理及产生危害的因素才行。三、煤粉锅炉结焦机理探讨锅炉结焦是个很复杂的物理化学过程,它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复杂过程,至今还没有能定量描述结渣过程的数学模型。根据研究结果,可以从下面一些过程来探讨结焦机理。1、锅炉结焦的基本形式炉膛结焦可产生于水冷壁，也可产生于炉膛出口处的屏上。运行中的煤粉锅炉，燃烧火焰中心温度在1500~1700℃之间。在这里，煤灰粒子多处于熔化状态。设计合理的炉膛具有必要的冷却能力，使炉烟在接近炉膛出口或水冷壁附近时的温度降到灰熔点以下。这时，燃烧中心的灰粒在接近水冷壁或炉膛出口时已经固化，不会粘附在受热面上形成渣。但是，如果炉膛设计不良，或者运行操作不当，使燃烧中心偏斜，灰粒冲墙，以及超负荷运行等，则会使炉温及水冷壁附近的烟温过高，在此过高的烟温下，熔灰不能凝固，碰到受热面上就会粘结成渣（俗称结焦）。发生结焦后，焦层表面粗糙，粘附力大，加之因传热受阻，而使炉温升高，加速了结焦过程的发展和蔓延。随着机组容量的增大，炉膛燃烧区域的冷却能力相对降低，对于稳定燃烧有利，但却增加了促进结渣的因素。2、煤灰在燃烧过程中形态变化煤中的灰是指存在于煤中的所有的无机物质,同时也包括存在于煤中有机化合物中的无机元素。通常,煤中的无机物可以分为三类,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,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。有些研究者也将原生矿物质和次生矿物质总称之为内在灰分,而外来矿物质则称之为外在灰分。受热面的积灰结渣，主要是燃烧时煤中矿物成份发生作用的结果，三种灰分在煤中的存在形态不同,在燃烧过程中的形态变化也不同：对于原生灰分,与煤中有机物相联系的Na离子、K离子及其氧化物在高温下挥发成气态。而与煤有机体相连的钙和镁离子,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达氧化性气氛中(含氧量约为3%)便会迅速氧化生成小于1μｍ的小颗粒。挥发态的钠、钙、钾一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝,生成低熔点灰粒相；另一方面,也发生均相成核凝结,生成0.02μｍ～0.5μｍ灰尘微粒。对于离散分布在煤中的次生灰分,在煤粒燃烧过程中,随着碳的消耗,离散的灰粒发生积聚(核缩过程)。或者,碳燃烧时发生破裂,灰粒也跟着破碎,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的爆破,形成尺寸较小的残留飞灰。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,第一个峰值在1μｍ左右,第二个峰值位于10μｍ～12μｍ。第一个峰值是由于挥发性灰的冷凝。第二个峰值是灰分积聚和碎裂后的残留飞灰。在绝大多数情况下,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。煤粉燃烧时，在高温受热面上形成污染和结渣的基本过程可分为两个阶段。开始在管子上形成第一层灰（原生层），[但是随着其厚度的增加，其外表面温度不断升高，逐渐接近于当地的烟气温度，若此烟气温度高到使灰处于熔化状态，则在第一层灰上面形成增长速度很快的梳状沉积物（第二层灰），也就开始了结渣]。形成第二层灰渣后，因渣层中发生物理化学变化致使灰层的强度不断增加。其中，第一层灰的形成与灰的组成有关，也就是和黄铁矿分解的产物、碱性化合物、钙的化合物、磷的化合物等有关，第一层灰中也有SiO2，它在炉膛高温条件下也能升华。此外，所有能促进形成疏松灰的因素也能影响第一层灰的形成。高度弥散粒子的表面活性也能使非常细的灰粒沉积在管子表面而形成第一层灰层。3、灰粒向水冷壁的输运过程灰颗粒向水冷壁面输运是结渣的重要环节。灰颗粒的输运机理主要有三类：第一类为挥发性灰的气相扩散；第二类为热迁移；第三类为惯性迁移。对于尺寸小于1μｍ颗粒和气相灰分,费克扩散、小粒子的布朗扩散和湍流旋涡扩散是重要的输运机理。对于小于10μｍ的颗粒,热迁移是一种重要的输运机理。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沉积的重要因素之一。对于大于10μｍ的灰粒,惯性力是造成灰粒向水冷壁面输运的重要因素。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。灰粒撞击水冷壁面的概率取决于灰粒的惯性动量、灰粒所受阻力、灰粒在气流中的位置以及气流速度。在典型的煤粉锅炉中,气流速为10m/s～25m/s时,直径为5μｍ～10μｍ灰粒就有脱离气流冲击水冷壁面的可能性。4、灰渣在管壁上的粘接和结聚长大由于灰粒的形成机理及输运机理不同,灰渣在管壁上沉积存在两个不同的过程：一个为初始沉积层的形成过程,初始沉积层为厚度0.2mm～0.5mm的化学活性高的薄灰层,它是由尺寸小于5μm的灰颗粒所组成。对于具有潜在结渣倾向的煤,初始沉积层主要是由挥发性灰组分在水冷壁上冷凝而形成。对于潜在结渣倾向小的煤,初始沉积层由挥发性灰组分的冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同作用而形成。初始沉积层中碱金属类和碱土金属类硫酸盐含量较高,这些微小的颗粒由范德瓦尔力和静电力保持在管壁上,并与管壁金属反应生成低熔点化合物,强化了微小颗粒与壁面的连接。初始沉积层具有良好的绝热性能,它的形成使管壁外表面温度升高。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,它捕获惯性力输运的的灰颗粒,并使渣层厚度迅速增加。由于初始沉积层主要是由挥发分灰组分的冷凝及微小颗粒的热迁移而引起,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的厚度较薄。它并不会对锅炉的安全运行构成威胁。造成炉内结渣迅速增加,并对锅炉安全运行构成威胁的主要因素是惯性沉积。由惯性输送的灰粒在初始沉积层上的粘接除与初始层的性质有关外,还与撞击灰粒的温度水平有关,当撞击灰粒的温度很高,呈溶融状液态时,很容易发生粘接,使结渣过程加剧。认为在