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0、引  言
    神華煤是一種高揮發(fā)分、高熱量、低硫、低灰分燃料、易著火且燃燒穩(wěn)定、但又具有嚴(yán)重的結(jié)渣和粘污現(xiàn)象的煤種，如果在爐內(nèi)不能有效地調(diào)整好空氣動力場、容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷的相互關(guān)系，將對鍋爐的安全和經(jīng)濟(jì)運行產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。因此，在燃燒其他煤種的鍋爐上改燃神華煤，必須對其結(jié)渣和粘污現(xiàn)象加以探討和研究，找出空氣動力場、容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷之間的最佳配比值，并以此來指導(dǎo)對原鍋爐的改造和燃燒器的研制。
1、煤粉爐結(jié)渣機理分析
    鍋爐結(jié)渣是個很復(fù)雜的物理化學(xué)過程，下面對鍋爐結(jié)渣的一些最新研究結(jié)果作一評述。
1.1燃燒過程中灰分的形態(tài)變化
    通常，煤中的無機物可分為三類，即原生礦物質(zhì)、次生礦物質(zhì)和外來礦物質(zhì)。原生礦物質(zhì)主要來源于形成煤的植物生長過程，基本上以分子狀態(tài)均勻分布于煤中，其在煤中的含量很小，一般不超過2%～3%。次生礦物質(zhì)是指在成煤過程中，因地殼變動使外界泥沙混入煤層中的礦物質(zhì)，離散地、較均勻地分布于煤粒中。而外來的礦物質(zhì)則是指采煤時混入到煤層中大塊或?qū)訝畹膸r石，它具有原礦物質(zhì)的一般特性。在煤破碎時有些外來礦物質(zhì)可能從煤中分離出來。有些研究者也將原生礦物質(zhì)和次生礦物質(zhì)總稱為內(nèi)在灰分，而外來礦物質(zhì)則稱為外在礦物灰分。
    三種灰分在煤中的存在形態(tài)不同，在燃燒過程中其形態(tài)變化也不同。對原生灰分，與煤中有機物聯(lián)系的Na離子、K離子及其氧化物在高溫下?lián)]發(fā)成氣態(tài)。對于與煤有機體相連的Ca和Mg離子，當(dāng)煤燃燒，煤顆粒表面邊界層中的含氧量足夠低時，也會導(dǎo)致鈣和鎂的揮發(fā)，但是揮發(fā)性的鈣和鎂一旦到氧化性氣氛中便會迅速的氧化生成lum的小顆粒。揮發(fā)性的鈉、鉀、鈣一方面在殘留灰粒表面發(fā)生非均相的冷凝，生成低熔點的灰粒相；另一方面，也發(fā)生均相成核凝結(jié)，生成0.02~0.5um灰塵微粒。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    對于離散分布在煤中的次生煤灰，在煤粒燃燒過程中，隨著碳的消耗，離散的灰粒發(fā)生積聚；或者，碳燃燒時發(fā)生破裂，灰粒也跟著破裂，形成不同尺寸的灰粒。
    對于外在灰分，有些灰粒在燃燒過程中熔化，粘接在一起形成較大的灰粒；而有些灰粒隨著碳粒在熔化過程中爆破，形成較小的殘留飛灰。
    由于飛灰在爐內(nèi)的生成機理不同，使得飛灰顆粒尺寸呈雙峰形分布，如圖1所示，第一個峰在lum左右，第二個峰在10 N12um。第～個峰值是灰分積聚和破裂后的殘留飛灰。在極大多數(shù)情況下，殘留飛灰的尺寸上限為單個煤顆粒的尺寸，尺寸下限為煤顆粒中單個灰粒的尺寸。
1.2灰粒向水冷壁的運輸過程
    灰粒向水冷壁運輸是結(jié)渣的重要環(huán)節(jié)。灰顆粒的運輸機理主要有三類：第一類為揮發(fā)性灰粒的氣相擴散，第二類為熱遷移，第三類為慣性遷移。對于尺寸小于lum的灰粒和氣相灰粒的運輸，擴散運輸是最重要的。主要有三種擴散機理：費克擴散、小粒子的布朗擴散、湍流漩渦擴散。
    對于小于10um的顆粒，熱遷移是一種重要的輸送機理。熱遷移是由于爐內(nèi)溫度梯度的存在而使小粒子從高溫區(qū)向低溫區(qū)運動。研究表明，熱遷移是造成灰分積沉的重要因素之一。
    對于大于10um的顆粒，慣性力是造成灰粒向水冷壁運輸?shù)闹匾�因素。�?dāng)含灰氣流轉(zhuǎn)向時，具有較大慣性動量的灰粒離開氣流而撞擊到水冷壁面。灰粒撞擊到水冷壁面上的幾率取決于灰粒的慣性動量、灰粒所受阻力、灰粒在氣流中的位置以及氣流速度。在典型的煤粉爐中，氣流的速度為10—25 m/s，直徑為5一10um的灰粒就有脫離氣流沖擊水冷壁的可能性。
1.3灰渣在水冷壁上的粘結(jié)和結(jié)聚長大
    灰粒的粘接與管壁的表面溫度、初始灰渣層與管壁的熱和化學(xué)兼容性、熔融顆粒的表面張力有關(guān)。
    由于灰粒的形成機理及運輸機理不同，灰渣在管壁上沉積存在二個不同的過程。一個為初始沉積層的形成過程。初始沉積層是厚度為0.2一0.5 mm的化學(xué)活性高的薄灰層，是由尺寸小于5um的灰顆粒所組成的。對于具有潛在結(jié)渣性的煤，初始沉積層主要是由揮發(fā)性的灰分在水冷壁上冷凝而成。對于潛在結(jié)渣性較小的煤，初始沉積層由揮發(fā)性灰分的冷凝和微小顆粒的熱遷移沉積共同起作用而形成。另一個沉積過程為較大灰粒在慣性力作用下沖擊到管壁的初始沉積層上，當(dāng)初始沉積層具有粘性時，它捕獲慣性力運輸?shù)幕翌w粒，并使渣層迅速地增長。
    由于初始沉積層主要是由揮發(fā)性灰分的冷凝和微小顆粒的熱遷移引起的，因而從工程角度考慮，很難防止初始沉積層的形成，不過好在初始沉積層并不對鍋爐的安全運行構(gòu)成威脅。造成鍋爐安全運行構(gòu)成威脅的主要岡素是慣性沉積。
2、控制爐內(nèi)結(jié)渣的主要因素
2.1煤質(zhì)潛在結(jié)渣性評估
    煤質(zhì)潛在的結(jié)渣性與煤灰的組成成分、存在形態(tài)、熔化特性溫度和粘溫特性等因素有關(guān)。
2.2灰粒的運輸過程（爐內(nèi)空氣動力場）
    由于擴散和熱遷移是很難控制的，并且由于初始沉積層并不會影響鍋爐的安全運行，因此在考慮采取防結(jié)渣技術(shù)時，應(yīng)將重點放在如何控制灰粒慣性撞擊上。
    減小爐內(nèi)氣流切圓直徑，降低煤粉細(xì)度均可減小煤灰顆粒向水冷壁的慣性遷移，有利于減輕結(jié)渣。
    在現(xiàn)代的大型四角燃燒鍋爐中，經(jīng)常采用貼壁風(fēng)、同心反切、左右濃淡分離、淡側(cè)位于背火側(cè)等技術(shù)來達(dá)到防止結(jié)渣的目的。
    (1)爐內(nèi)溫度的控制
    對于由慣性力作用而撞擊到水冷壁上的煤灰粒子，并不一定就會產(chǎn)生粘接。
    初始沉積層本身特性對捕獲慣性撞擊煤灰粒子具有重要的作用，對具有潛在結(jié)渣傾向的煤，初始沉積層主要是由揮發(fā)性的灰冷凝而形成。而對于潛在結(jié)渣傾向小的煤，初始沉積層有一部分是由小顆粒的熱遷移產(chǎn)生的，對慣性撞擊灰的捕獲能力較小。
    灰粒撞擊水冷壁是否會發(fā)生粘附將取決于下列因素：灰本身的熔化溫度；爐內(nèi)的溫度水平；灰粒向壁面運動時受冷卻的程度。
    基于以上的分析，可概括出影響爐內(nèi)結(jié)渣的三個要素：煤的潛在結(jié)渣傾向；灰渣顆粒的慣性撞擊；爐內(nèi)溫度及其分布。
    結(jié)渣過程各個要素的方框圖見圖2。
3、強結(jié)渣性鍋爐的設(shè)計探討
    影響爐內(nèi)結(jié)渣的三個要素之中，煤的潛在結(jié)渣傾向無可改變。為此，要使具有強結(jié)渣特性的神華煤能夠安全經(jīng)濟(jì)地燃燒，只能從防止煤灰顆粒的慣性撞擊和控制爐內(nèi)溫度及其分布這兩個方面對燃燒系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。一般改燃神華煤的電廠都希望在不改變鍋爐本體結(jié)構(gòu)的前提下，而只對燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，以期達(dá)到鍋爐的最佳運行工況、穩(wěn)定燃燒、解決爐內(nèi)結(jié)焦，提高機組性能。
    對于燃用強結(jié)渣性煤質(zhì)的鍋爐，如果按常規(guī)設(shè)計運行勢必存在著安全隱患，有可能會出現(xiàn)受熱面結(jié)渣、過熱器超溫、鍋爐出力受限制等一系列問題。為此對于燃用這種強結(jié)渣性煤的鍋爐應(yīng)有相應(yīng)的設(shè)計方法，在這方面根據(jù)設(shè)計和工程經(jīng)驗，簡單介紹一下筆者參與調(diào)研的幾臺燃用強結(jié)渣性煤質(zhì)鍋爐的改造方案。
3.1  甘肅某電廠130t/h燃燒系統(tǒng)改造
    該鍋爐系四川鍋爐廠生產(chǎn)的中壓、自然循環(huán)汽包爐、固態(tài)排渣，制粉系統(tǒng)為鋼球磨中儲式乏氣送粉系統(tǒng)。主要設(shè)計參數(shù)：額定蒸發(fā)量130 t/h；汽包壓力4.2—4.3 MPa；過熱蒸汽壓力3.82MPa；過熱蒸汽溫度450℃；給水溫度188℃；預(yù)熱器入口溫度30℃；預(yù)熱器出口溫度34℃：排煙溫度150℃；鍋爐效率90. 79%。
    該鍋爐于1995年投產(chǎn)以來，總體運行良好。但近年來，由于煤種變化等因素，存在著高負(fù)荷時爐內(nèi)水冷壁結(jié)焦嚴(yán)重、不能在額定出力下長期運行的問題，影響了機組的安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運行。
    為了從根本上解決上述有關(guān)問題，電廠決定在不改變鍋爐本體結(jié)構(gòu)的前提下，對燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造．以期達(dá)到鍋爐的最佳運行工況、穩(wěn)定燃燒、解決爐內(nèi)結(jié)焦，提高機組性能。
3.1.1  改造具體方案
    (1)一、二次風(fēng)噴嘴向爐內(nèi)延伸200 mm。
    (2)中二、上二50%的風(fēng)量沿與爐膛20。的夾角從背火側(cè)送入。
    (3)-次風(fēng)噴口放大，形成上下減縮噴口。
    (4)增加性能風(fēng)噴口，緊貼一次風(fēng)噴口背火側(cè)布置。
    (5)增設(shè)撞擊式水平濃淡燃燒器。
    (6)采用同心反切技術(shù)，一次風(fēng)反切。
    (7)—次風(fēng)和性能風(fēng)噴口裝設(shè)壁溫測點。
3.1.2  改造后鍋爐性能
    通過運行調(diào)節(jié)表明，改造后鍋爐帶高負(fù)荷的能力增強了，可以超負(fù)荷運行（135~140t/h），大負(fù)荷下結(jié)焦現(xiàn)象得以抑制，主汽不超溫，鍋爐運行參數(shù)正常，可燃物含碳量與改造前持平，在燃用運行煤種的條件下，鍋爐可在40% ECR負(fù)荷下實現(xiàn)斷油穩(wěn)定燃燒，長期能夠滿足50% ECR的調(diào)峰調(diào)度要求。測試結(jié)果表明，改造后減小了系統(tǒng)阻力，降低了風(fēng)機能耗。
    從改造后近幾年的運行狀況看，采用水平濃淡型防結(jié)渣技術(shù)，從根本上解決了由于水冷壁的結(jié)焦問題影響鍋爐的滿負(fù)荷出力運行，改造后鍋爐能在設(shè)計的氣溫、氣壓等參數(shù)下超出力運行。鍋爐經(jīng)受了高負(fù)荷下防止結(jié)渣、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力的長期考驗。
3.2  410 t/h鍋爐改燒神華煤防焦對策
    北京某熱電分公司410t/h鍋爐是哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HC - 410/9.8 - YM15型的高壓煤粉爐，配中間儲藏式制粉系統(tǒng)，熱風(fēng)送粉的燃燒方式。該鍋爐自改燒神華煤以來，鍋爐結(jié)焦問題一直成為安全穩(wěn)定運行的突出問題。其主要參數(shù)：額定蒸發(fā)量410 t/h；過熱蒸汽壓力9,8 MPa；過熱蒸汽溫度540℃；給水溫度220C；預(yù)熱器入口溫度30℃；預(yù)熱器出口溫度330C；排煙溫度135℃；鍋爐效率92.07%。
    由于鍋爐原設(shè)計煤種為晉北煙煤，主要設(shè)計思想是提高鍋爐的著火和穩(wěn)燃能力，為了改燒神華煤，該熱電公司重新對燃燒器進(jìn)行了改造，但設(shè)備運行的性能未能完全達(dá)到適應(yīng)神華煤的特性水平，仍然出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象。
    鍋爐燃燒器改造后仍出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，經(jīng)過分析認(rèn)為由于鍋爐原設(shè)計燃用晉北煙煤，燃燒系統(tǒng)的設(shè)計思想圍繞提高著火和低負(fù)荷穩(wěn)燃能力來進(jìn)行，這樣原有的燃燒系統(tǒng)就成為鍋爐的安全運行阻礙。其主要原因有：
    (1)采用熱風(fēng)送粉，一次風(fēng)風(fēng)粉混合物溫度太高，使著火過分提前。
    (2)燃燒器設(shè)計不合理，對于神華煤這種易燃煤種，燃燒器無需預(yù)燃室。
    (3)改造后燃燒器性能欠佳，部分二次風(fēng)噴口截面尺寸偏小，導(dǎo)致二次風(fēng)速偏高，使高溫回流加強，造成噴口附近超溫結(jié)焦。
    (4)水冷壁掛焦，排渣不順，造成爐膛結(jié)焦的惡性循環(huán)。
    (5)給粉量波動破壞爐內(nèi)空氣動力場。
4、爐內(nèi)流場計算和分析
    根據(jù)中石化天津分公司410 t/h鍋爐改燒神華煤課題（杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司制造的NC - 410/9. 81 - M6型煤粉鍋爐）要求，按照理論計算的燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸、各個噴口的風(fēng)速和燃燒器的布置圖，利用Fluent大型流體計算軟件，分為三種工況對爐內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算。
    工況一
    采用一次風(fēng)反切技術(shù)，并采用大風(fēng)率的側(cè)邊風(fēng)（占二次風(fēng)量的40%），側(cè)邊風(fēng)的方向與水冷壁成150角噴入。通過模擬計算得出，采用這種方案燃燒器下幾層可取得效果較好的空氣動力場，上幾層氣流實際切圓明顯偏大，氣流有貼邊傾向。
    工況二
    采用一次風(fēng)反切，側(cè)邊風(fēng)的方向與二次風(fēng)的方向一致，其他條件與工況一相同。
    結(jié)果采用這種方案，爐內(nèi)空氣動力場比較理想，實際切圓變化不大，在燃燒器區(qū)域內(nèi)實際切圓直徑一般不大于4.5 m，爐內(nèi)氣流貼邊不嚴(yán)重。
    工況三
    采用一次風(fēng)反切技術(shù)，燃燒器的排列采用分組形式，并且側(cè)邊風(fēng)的風(fēng)向與水冷壁成15 0噴入。
    采用這種方案后，切圓明顯偏大，有貼邊現(xiàn)象，但比第一個工況要好的多。
5、結(jié)論
    通過三個工況的數(shù)值模擬計算，認(rèn)為采用工況二實際切圓較小，爐內(nèi)速度場對稱不貼邊，具有最好的空氣動力場。
遵照中石化天津分公司410 Uh鍋爐燃燒系統(tǒng)的改造原則，對鍋爐本體及受熱面不做大的改動，因此鍋爐的容積熱負(fù)荷和截面熱負(fù)荷均已確定。但是對燃用具有強結(jié)渣性煤質(zhì)的鍋爐設(shè)計來講，特別象神華煤這種極易著火、易燃盡、熱值高且具有嚴(yán)重結(jié)渣傾向的煤種，該鍋爐爐膛原設(shè)計容積和斷面尺寸明顯偏小，為此必須采取其他有效的措施來防止鍋爐的結(jié)渣。
    為了該鍋爐能適應(yīng)神華煤，初步確定從以下幾個方面對鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行改造。
    (1)調(diào)整一次風(fēng)風(fēng)溫
    神華煤的煤質(zhì)特性決定了必須降低一次風(fēng)風(fēng)粉混合物溫度，這樣可以防止煤粉著火的過分提前，以防止在噴口附近形成局部高溫區(qū)從而產(chǎn)生結(jié)焦和燒壞噴口現(xiàn)象。降低一次風(fēng)風(fēng)粉混合物溫度的具體措施有兩個：
    1)將原熱風(fēng)送粉改成乏氣送粉，這樣既可以達(dá)到降低一次風(fēng)風(fēng)粉混合物溫度的目的，又符合電力規(guī)程。
    2)采用溫風(fēng)送粉，一次風(fēng)風(fēng)粉混合物溫度控制在160℃以內(nèi)，必要時可摻入適量的冷風(fēng)。
    (2)提高一次風(fēng)風(fēng)速
    對于神華煤這種高揮發(fā)分、高熱值的煙煤，過小的一次風(fēng)風(fēng)速除了易發(fā)生偏轉(zhuǎn)和刷墻外，還由于著火燃燒離噴口過近，容易使噴口燒壞，并使噴口附近受熱面結(jié)渣。因此，有必要減小噴口面積，將原設(shè)計一次風(fēng)速由26 m/s提高到30m/s。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
    (3)使用復(fù)合新型多功能水平濃淡燃燒器
    復(fù)合新型多功能水平濃淡燃燒器是采用高度分級燃燒、低氧燃燒、水平濃淡等綜合燃燒技術(shù)的新型燃燒器。其中一次風(fēng)噴口采用上下減縮型噴口，增強氣流的剛性，防止氣流偏移沖刷水冷壁。并且實現(xiàn)分級送風(fēng)、低氧燃燒。不僅可以降低NO，和爐內(nèi)溫度水平，還可以使焦渣的成分發(fā)生根本變化，變得疏松而不易粘接，從而達(dá)到防止結(jié)焦的目的。
    (4)使用一次風(fēng)反切防結(jié)渣技術(shù)
    采用一次風(fēng)反切，側(cè)邊風(fēng)的方向與二次風(fēng)的方向一致，將一次風(fēng)噴口相對于二次風(fēng)逆向偏轉(zhuǎn)一個角度，使一次風(fēng)中的煤粉逆向進(jìn)入上游橫向沖刷的高溫?zé)煔庵校�煤粉顆粒被減速，達(dá)到使煤粉顆粒停留時間增長、升溫速度加快，穩(wěn)定、強化爐內(nèi)著火，降低爐膛出口煙溫偏差，同時可達(dá)到減小切圓防止?fàn)t內(nèi)結(jié)渣的目的。
    (5)在一次風(fēng)噴口的背火側(cè)增設(shè)貼邊風(fēng)
    所增設(shè)的貼邊風(fēng)與水冷壁形成一定的角度噴入，由此在爐內(nèi)形成“風(fēng)包粉”的燃燒方式，并在水冷壁附近形成氧化性氣氛，防止結(jié)渣。
    (6)定期為受熱面吹灰
    由神華煤的煤質(zhì)特性決定，在鍋爐受熱面上不可避免的會有一定的結(jié)焦和積灰出現(xiàn)，因此鍋爐爐膛從中排燃燒器到爐膛出口以及在對流受熱面區(qū)均布置吹灰器，定期為受熱面吹灰。
    針對原設(shè)計中鍋爐摻燒占總?cè)剂系?0%一15%的瓦斯，且已出現(xiàn)爐膛燃燒器附近結(jié)焦的現(xiàn)象。認(rèn)為改造后在上二次風(fēng)噴口位置裝設(shè)瓦斯噴口，仍然可以摻燒占總?cè)剂系?0%~15%的瓦斯，鍋爐保證能夠安全經(jīng)濟(jì)地運行。它的防結(jié)焦措施與神華煤的防結(jié)渣措施一致。