1、煤質(zhì)特性
隨著國內(nèi)煤炭市場供應(yīng)的日益緊張，越來越多的火電廠難以燃用設(shè)計煤種。某電廠在摻燒低熱值、高灰分的無煙煤（或者高硫煤）時，出現(xiàn)了嚴(yán)重的燃煤結(jié)焦及燃燒不穩(wěn)等現(xiàn)象。
該電廠2006年投產(chǎn)2臺300 MW汽輪發(fā)電機組，三大主機均為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)，鍋爐為HG -1021/18.2 - PM27型、亞臨界參數(shù)、單爐膛結(jié)構(gòu)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，呈n形半露天布置。鍋爐采用四角布置雙通道+寬調(diào)節(jié)比(WR)+燃盡風(fēng)反切( OFA)直流式燃燒器、切向燃燒方式、固態(tài)排渣。制粉系統(tǒng)采取中間儲倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)配鋼球磨煤機。設(shè)計煤質(zhì)特性見表1。
由于適爐煤源緊張且煤價過高，為降低燃煤成本并確保機組穩(wěn)定生產(chǎn)，2009年以來，該電廠主要燃用貴州煤和湖南本地煤。貴州煤煤質(zhì)基本參數(shù)為：低位發(fā)熱量為18 500～20 500 U/kg，干燥無灰基揮發(fā)分為9%～13%。全硫分為3%N6%。所配湖南本地煤基本參數(shù)為：低位發(fā)熱量為13 500 ~17 000kj/kg，干燥無灰基揮發(fā)分為17%～30%，全硫分為0.8%~2.0%。貴州煤揮發(fā)分較低，接近于無煙煤，著火特性和燃盡特性均較差。本地煤揮發(fā)分較好，但熱值偏低，不利于機組帶負荷需要。
為提高燃燒經(jīng)濟性，配煤方式采用“分磨制粉、倉內(nèi)摻混、爐內(nèi)混燒”，即在4套制粉系統(tǒng)中，A，C磨煤機上貴州煤，B，D磨煤機上高揮發(fā)分低熱值低硫分混合煤，在實際運行中，確保B，D磨煤機中有1臺以上運轉(zhuǎn)。由于電廠B，C磨煤機細粉分離器下有褲衩管，可同時向2個粉倉輸粉，當(dāng)B或C磨煤機運行時，可通過褲衩管確保2個粉倉煤質(zhì)基本均勻。
采用上述摻配方式后，粉倉內(nèi)的煤粉煤質(zhì)基本情況為：熱值約18500kj/kg，干燥無灰基揮發(fā)分為14%～20%．全硫分為2%～5%。在這種煤質(zhì)的狀況下，機組帶負荷能力基本正常，鍋爐正常運行中燃燒基本穩(wěn)定，鍋爐效率基本可維持在90～91%，但是爐膛結(jié)焦情況卻日益突出。鍋爐跌大焦塊導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)、燃燒器噴口結(jié)焦、粉管燒損等現(xiàn)象均有出現(xiàn)。
三門峽富通新能源主要銷售生物質(zhì)鍋爐，這種生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，如下圖所示：
2、結(jié)焦現(xiàn)狀
自2009年年底以來，某電廠大量燃用貴州煤，鍋爐經(jīng)常出現(xiàn)燃煤結(jié)焦的狀況，5層燃燒器，除A層結(jié)焦較輕外，其余4層均有較為明顯的焦塊或焦渣，尤其是C，D層燃燒器區(qū)域。爐內(nèi)跌落大焦塊的情況時有發(fā)生，撈渣機經(jīng)常被焦渣卡死或者直接被大焦塊砸偏鏈條。B，C層雙通道燃燒器由于風(fēng)速較低，燃燒器噴口經(jīng)常出現(xiàn)焦塊堵塞燒結(jié)的情況，嚴(yán)重影響爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性和粉管運行安全性。爐內(nèi)跌落大焦塊時，爐膛負壓劇烈波動，運行人員被迫投油助燃。另外，由于燃煤結(jié)焦嚴(yán)重，火檢信號也跟著受影響減弱。
為及時發(fā)現(xiàn)并處理結(jié)焦，該電廠安排有經(jīng)驗的人員專人負責(zé)查看，每天巡視爐內(nèi)結(jié)焦情況，根據(jù)需要可直接采取人工從看火孔處打掉焦塊的措施。另外，每次停爐后，需要安排人工入爐搭架子清理火嘴及水冷壁衛(wèi)燃帶上的焦塊。
3、結(jié)焦原因分析
鍋爐結(jié)渣問題在煤粉爐中是比較普遍的，鍋爐結(jié)渣的原因較多也較為復(fù)雜，涉及鍋爐設(shè)計、燃燒器布置方式、設(shè)計煤種以及實際運行煤種的特性及其差異、爐內(nèi)氣流的空氣動力場狀況、運行氧量等方面。
3.1煤質(zhì)的影響
煤質(zhì)對爐膛結(jié)焦的影響主要體現(xiàn)在煤灰特性上：一是煤灰的熔融特性，主要是指變形溫度；二是灰渣的黏性。一般灰熔點低的煤容易結(jié)渣，與此同時，低灰熔點的灰分通常黏附性也強，因而增加_『結(jié)渣的可能性。
在運行條件變化時，煤灰的結(jié)渣特性也可能會變化。如爐膛溫度升高、受熱表面積灰導(dǎo)致壁面溫度升高、爐內(nèi)局部產(chǎn)生還原性氣氛，都會使煤灰的結(jié)渣傾向增加。實際煤質(zhì)與設(shè)計煤質(zhì)偏差很大是造成爐膛結(jié)渣的主要原因之一，灰的熔融特性是判斷燃燒過程中是否發(fā)生結(jié)渣的一個重要依據(jù)。
電廠的設(shè)計煤種全硫分為0. 42%，其灰熔特性的變形溫度、軟化溫度和流動溫度均大于l 500℃；校核煤種全硫分為0. 40%，其灰熔變形溫度為1485℃，軟化和流動溫度大于1 500℃。從理論上講，灰熔點變化范圍與煤灰中氧化鋁和氧化硅的成分比例有關(guān)，與硫分沒有直接關(guān)系，但是與燃燒的環(huán)境中硫分產(chǎn)生的影響有關(guān)系，隨著燃煤中硫分的增加，會導(dǎo)致煤灰的灰熔點溫度下降。貴州煤的全硫分為2%～7%，煤炭供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)顯示，其灰熔點為1 280℃。湖南省電力科學(xué)試驗研究院實測金竹山電廠燃用的云南、貴州煤（全硫分為3.08%）的灰熔點為1250℃。一般把灰熔點1350℃作為鍋爐是否易于結(jié)渣的分界線，煤灰軟化溫度越高，鍋爐越不易結(jié)渣；反之，結(jié)渣嚴(yán)重。
當(dāng)然，貴州煤燃燒后結(jié)焦情況與其所配燒的煤種有直接關(guān)系。從電廠實際燃燒情況來看，如果全燃燒貴州高硫煤，有時候爐內(nèi)結(jié)焦反倒不很嚴(yán)重，只是掉小焦塊較多，這說明焦在爐內(nèi)產(chǎn)生了但是并沒有能結(jié)成大塊。后來貴州煤摻燒湖南地方煤后，結(jié)焦情況反而趨于嚴(yán)重且焦塊較大。
3.2爐膛溫度水平
爐內(nèi)燃燒器區(qū)域的溫度越高，煤灰越容易達到軟化或熔融狀態(tài)，結(jié)渣的可能性就越大。影響燃燒器區(qū)域溫度水平的因素很多，主要有鍋爐斷面熱負荷、燃燒器區(qū)域的壁面熱強度、燃料的發(fā)熱量、水分含量、衛(wèi)燃帶布置以及鍋爐負荷的變化等。爐膛燃燒器區(qū)域熱負荷或容積熱負荷偏高．在燃燒器區(qū)域燃料燃燒釋放出的大量熱量沒有足夠的水冷壁受熱面來吸收，導(dǎo)致燃燒器區(qū)域的局部溫度過高，造成燃燒器區(qū)域的結(jié)渣。另外，水冷壁積灰，會使水冷壁吸熱量減少，爐膛溫度升高，導(dǎo)致結(jié)焦。當(dāng)灰渣撞擊爐壁時，若仍保持軟化或熔化狀態(tài)，易黏結(jié)附于爐壁上形成結(jié)渣，尤其是在有衛(wèi)燃帶的爐膛內(nèi)壁，表面溫度很高又很粗糙，更易結(jié)渣，而且易成為大片焦渣形成的源頭。表2為電廠4#鍋爐在220 MW負荷下的溫度測量結(jié)果。
從爐膛溫度看，整體上爐膛溫度基本正常，但爐膛溫度分布較為不均勻。C，E層間，爐膛局部溫度明顯偏高。在220 MW負荷下，最高溫度已經(jīng)達到1418℃，遠遠超過高硫煤的軟化溫度。
從幾次停爐后進入爐內(nèi)打焦的情況來看，電廠爐內(nèi)衛(wèi)燃帶掛焦嚴(yán)重，部分燃燒器附近也有掛焦的現(xiàn)象。雖然電廠采取了減少衛(wèi)燃帶、調(diào)整配風(fēng)等手段，但由于煤質(zhì)發(fā)生根本性變化，結(jié)焦現(xiàn)象并未緩解。
3.3火焰貼墻
對于采用四角切圓燃燒方式的鍋爐，當(dāng)煤粉氣流受到氣流剛度較差、鄰角氣流的撞擊等影響而引起火焰貼墻時，極易引起結(jié)渣。鍋爐在實際運行中，由于爐內(nèi)氣流組織不佳，易造成火焰中心偏移。譬如，四角上的燃燒器風(fēng)粉動量分配不均勻，致使實際切圓變形，高溫火焰偏離爐膛中心等。當(dāng)然，噴燃器的安裝或檢修不良對結(jié)焦也有很大影響，如切圓直徑過大、中心偏斜等，都可能使火焰貼墻造成局部溫度過高而引起結(jié)焦。因此，必須保持燃燒中心適中，防止火焰中心偏斜和貼邊，這些問題在空氣動力場試驗及其后的運行調(diào)整中要特別注意。
電廠在大、小修后均做了冷態(tài)空氣動力場試驗，其切圓應(yīng)嚴(yán)格按照鍋爐設(shè)計說明書進行。但是，隨著機組運行，風(fēng)門擋板調(diào)節(jié)變化、配風(fēng)變化、煤粉細度變化以及一次風(fēng)／二次風(fēng)的調(diào)節(jié)變化，必然會影響火焰中心變化。尤其是煤種變化后，煤粉著火的距離等明顯改變，也會影響實際的燃燒切圓。當(dāng)某一個燃燒器燒損或者粉管磨損漏粉退出運行后，對爐內(nèi)火焰中心的影響更大。
3.4過量空氣系數(shù)
當(dāng)爐內(nèi)局部過量空氣過小且煤粉與空氣混合不均勻時，可能產(chǎn)生還原性氣氛，而煤粉在還原性氣氛不能充分氧化，灰分中的Fe203被還原成Fe0，F(xiàn)e0與Si02等形成共晶體，其熔點溫度就會降低，有時會使熔點下降150~ 200℃，因而，結(jié)渣傾向隨之增加�；蛘撸捎酶呙悍蹪舛热紵绞綍r，由于燃燒放熱過于集中，使局部區(qū)域溫度升高且處于還原性氣氛，結(jié)渣也會傾向嚴(yán)重。
在電廠設(shè)計選型的時候，引風(fēng)機的裕量較小，加上空氣預(yù)熱器積灰較為嚴(yán)重且脫硫系統(tǒng)的煙氣換熱器GGH( Gas - Gas Heater)有明顯的堵塞，在實際燃燒過程中，機組帶負荷到290 MW時，爐內(nèi)燃燒就出現(xiàn)明顯的供氧不足，爐內(nèi)氧量一般在3%以內(nèi)，甚至出現(xiàn)低于1%的情況。高負荷階段缺氧燃燒，加劇了爐膛結(jié)焦的產(chǎn)生和發(fā)展。
3.5煤粉細度的影響
粗煤粉的燃燒時間比較長，當(dāng)煤粉中粗煤粉的比例增加時，容易引起火焰延長，導(dǎo)致爐膛出口處的受熱面結(jié)渣。一般煤粉細度變大，煤粉變粗，煤粉中的粗顆粒很容易從煤粉氣流中分離出來與水冷壁發(fā)生沖撞；此外，粗顆粒燃盡需要相當(dāng)長的時間，常常貼壁造成還原性氣氛而增加結(jié)渣的幾率。
電廠的配煤方式為“分磨制粉、倉內(nèi)摻混、爐內(nèi)混燒”，實際上是通過配混煤粉達到配煤的目的。對貴州低揮發(fā)分高硫分高熱值煤的煤粉細度一般控制在R90 =10%～13%，對高揮發(fā)分低硫分低熱值煤的煤粉細度一般控制在R90=20%左右。相對于貴州煤的干燥無灰基揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)，其煤粉細度還是偏高的，但為了保證高負荷情況下制粉出力以及配比要求，貴州煤的煤粉細度難以進一步提高。
3.6吹灰的影響
煤質(zhì)灰分超過設(shè)計值導(dǎo)致受熱面積灰增多，為保證鍋爐燃燒穩(wěn)定，低負荷下不進行爐膛吹灰或者當(dāng)吹灰器出現(xiàn)異常時，會導(dǎo)致爐內(nèi)水冷壁表面積灰難以及時清除。水冷壁表面的積灰造成爐內(nèi)溫度異常升高、積灰在溫度升高下熔融形成結(jié)渣。因此．吹灰不正常也是造成結(jié)焦加劇的主要原因。
3.7給粉機運行狀態(tài)
給粉機給粉量不均衡會導(dǎo)致煤粉量變化，特別是給粉量變化大時，在配風(fēng)保持不變的情況下，不僅容易造成鍋爐燃燒擾動熄火，還會造成鍋爐結(jié)焦。
某電廠的給粉機是老式給粉機，變頻器容量偏小且特性較差，給粉機轉(zhuǎn)速指令微小的調(diào)整粉管溫度就會大幅急劇變化。某電廠試驗改進了幾個給粉機，變頻器換型加大容量后，卡澀情況明顯減少，但給粉均勻性仍然不能令人滿意。
3.8制粉系統(tǒng)影響
由于某電廠受條件的限制，配煤方式通過B，C2套制粉系統(tǒng)的褲衩管交叉倒粉入2個粉倉，達到均勻配煤的目的，該2套制粉系統(tǒng)必須長周期運行，在設(shè)備異常情況下，配粉就無法執(zhí)行。另外，由于交叉倒粉的落粉管在粉倉的位置所限，不可能均勻地將所磨制的不同煤粉混合，造成粉倉煤粉不均勻，對應(yīng)的給粉機下粉的煤質(zhì)也不同，所以，實際效果很不理想。
在進行空氣動力場試驗時，需要考慮到均勻通風(fēng)和均勻煤粉，這與實際燃燒有較大偏差，可能會導(dǎo)致爐內(nèi)燃燒不均勻和局部溫度偏高，這些因素都會導(dǎo)致燃煤結(jié)焦的發(fā)生。
3.9運行人員調(diào)整的人為因素
當(dāng)設(shè)備及煤質(zhì)一定的時候，人是決定性因素。由于電廠機組采用委托維護運行模式，運行人員不屬于電廠人員的管理機制，在應(yīng)對高硫煤結(jié)焦方面，運行人員不是積極主動地摸索經(jīng)驗并實施，而是被動地處理結(jié)焦和火嘴問題。
4、減緩結(jié)焦的技術(shù)措施
4.1配煤摻燒保證煤質(zhì)均勻
在煤質(zhì)不能根本改變的情況下，電廠積極響應(yīng)華電集團公司號召來加強配煤摻燒，在技術(shù)改造的實施過程中，從煤場另外加1條配煤皮帶，采取雙皮帶同時取煤上煤。實現(xiàn)了在煤場完成配煤的目的，從源頭上解決了配煤問題。經(jīng)過采取煤倉落煤混合、磨煤機磨煤混合、交叉混粉等措施后，使得煤粉倉內(nèi)煤粉均勻，使得四角風(fēng)粉分配的均勻性變好，減少對燃燒工況的變化。
4.2配風(fēng)調(diào)整控制
一次風(fēng)速度過低，則一次風(fēng)射流的剛性下降，煤粉氣流易過早發(fā)散直接沖刷壁面而產(chǎn)生結(jié)渣。沖擊對面爐墻從而防止?fàn)t膛結(jié)渣。一次風(fēng)速過高，則其動量過大，易沖擊下游一次風(fēng)粉氣流造成下游煤粉偏斜刷墻，造成燃煤結(jié)焦。因此，為避免結(jié)焦，特定煤質(zhì)在不同工況下應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速。
該電廠請湖南省電力科學(xué)試驗研究院專家摸索試驗，使一次風(fēng)速控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，具體反映在運行操作上就是將每個一次風(fēng)門擋板開度固定并做記號，規(guī)定60%，80%，100%負荷率下對應(yīng)的一次風(fēng)壓和二次風(fēng)壓，同時，也對相應(yīng)情況下的二次風(fēng)配比方式縮腰程度做出規(guī)定。運行人員只需要按規(guī)定操作就可以保證實際與試驗結(jié)果的一致性。對于特殊煤質(zhì)特別是高揮發(fā)分煤的燃燒工況還做出了專門規(guī)定，對于周界風(fēng)、制粉系統(tǒng)出口溫度等予以規(guī)定，主要是防止燒火嘴。
4.3氧量控制
制訂專門措施，增大爐內(nèi)的過量空氣系數(shù)。將爐膛出口氧量由原來高負荷下的3.0%盡可能提高到不低于3.5%（這可能與機組帶高負荷有一定沖突）。加大運行中過量空氣系數(shù)，增加配風(fēng)的均勻性，防止局部熱負荷過高和產(chǎn)生局部還原性氣氛。
4.4設(shè)備改造
(1)通過對給粉機的變頻換型改造，調(diào)整四角上的燃燒器風(fēng)粉動量分配達到均勻狀態(tài)，保持高溫火焰中心位于爐膛斷面的幾何中心處。
(2)改造B，C制粉系統(tǒng)交叉倒粉的褲衩管開度調(diào)節(jié)裝置，由氣動可中停式改為帶反饋的電動門。
(3)對于運行小時數(shù)多的B，C磨煤機來說，要及時更換襯板和檢修鋼球，以確保其出力和細度。
(4)對現(xiàn)場與分散控制系統(tǒng)(DCS)開度不一致的風(fēng)門擋板予以校核、重新標(biāo)定、檢修甚至換型，以確保動作靈活。
4.5 嚴(yán)格規(guī)范運行操作
(1)嚴(yán)格進行吹灰操作，使水冷壁和過熱器、再熱器表面保持基本干凈。
(2)嚴(yán)格規(guī)定配風(fēng)方式的執(zhí)行考核力度，保證試驗結(jié)果得到落實。
(3)每次停爐后，必須檢查爐內(nèi)結(jié)焦情況并督促檢修處理。每次停爐后風(fēng)煙系統(tǒng)頂微正壓，查找密閉不嚴(yán)的地方并予以消除。
(4)堅持“逢停必檢”，消除吹灰器、燃燒器、撈渣機等缺陷，盡可能清理空氣預(yù)熱器等。
4.6加強考核與溝通
由于該電廠2臺機組的運行維護是委托方式，運行人員在生產(chǎn)中只接受受托單位的生產(chǎn)指令。為了使電廠的生產(chǎn)意圖得到很好的落實，合同規(guī)范、考核與溝通協(xié)調(diào)顯得尤為重要。
5、結(jié)論
(1)煤質(zhì)對于爐膛結(jié)焦具有決定性影響。在煤質(zhì)變化多樣情況下，保證人爐煤質(zhì)的穩(wěn)定均勻是重要措施。從電廠的配煤摻燒實際情況來看，煤質(zhì)均勻后，鍋爐跌落大焦塊和撈渣機卡跳的現(xiàn)象有了明顯的好轉(zhuǎn)。
(2)運行中配風(fēng)、氧量等對于鍋爐結(jié)焦有重要的影響。通過試驗確定合適的一次風(fēng)速，調(diào)整二次風(fēng)配風(fēng)方式，可有效改善爐膛溫度場均勻性，有利于減緩結(jié)焦。
(3)給粉機下粉狀況對于爐內(nèi)燃燒負荷分布有重大影響，為提高燃燒穩(wěn)定性和均勻性，必要的設(shè)備改造必須堅決執(zhí)行。
