锅炉结焦原因分析

1、锅炉结焦原因分析及治理改进 内蒙古电力科学研究院锅炉技术研究所 主主 要要 内内 容容 结焦的危害 结焦过程及判据 原因分析 治理改进措施1 1 概述 随着国家西部开发战略和可持续发展战略的深入实施，国民经济快速、稳定发展，同时国家节能降耗、环保减排的治理力度也在不断加大。电力能源建设迎来了飞速发展的大好时机和重大挑战。近年来，一大批现代国外进口及国产大型锅炉相继投入商业运行。大型锅炉机组燃料利用率高，具有良好的深度调峰能力，环境保护问题得到较好解决，热工自动控制水平显著加强提高。但锅炉运行的安全性、可靠性研究成为日益重要的课题，它直接影响到燃煤发电技术发展和作为成熟商业技术的推广应用。 我国

2、是产煤大国，煤炭资源丰富，煤种品质差异很大，变化范围宽广。因此决定了火力发电厂以燃用煤炭为主，据统计我国7070以上发电装机容量为燃煤发电机组，而区内更高达9090以上。动力用煤普遍使用低品位劣质煤种，加之现有供煤配煤系统有许多不完善之处，新增大容量火电机组较多，幅度较大，电站锅炉燃用煤种品质难以得到保证，锅炉燃煤多变且灰分有不断升高、热值不断下降的趋势，有的煤种AarAar甚至高达4040以上，发热量仅为13800KJ/Kg13800KJ/Kg（3300Kcal/Kg3300Kcal/Kg）接近于煤矸石品质。锅炉受热面产生了许多磨损、积灰、结焦腐蚀、爆管等问题，使机组安全、可靠性得不到根本保

3、证，更谈不上经济性运行。 锅炉结焦是运行中常见问题，且无论锅炉容量大小、形式如何，都难以避免。它对安全、经济运行影响大，所涉及到的设备、系统范围广，原因错综复杂，根本解决问题，难度较大。因此，结合锅炉煤质、运行热力特性，对结焦机理进行研究分析，提出一些使用的防治改进技术，具有重要意义。 2 2 结焦的危害及治理意义2.1 2.1 结焦的危害 结焦使受热面受到粘污，增大了传热热阻，使传热恶化，据计算由于结焦会使受热面传热能力降低30306060。导致火焰中心上移，炉膛出口烟气温度升高，锅排烟温度升高。 各级减温水用量大幅度增加，超过设计用量50506060，甚至引发屏式过热器、高温对流过热器、再

4、热器结焦、管壁超温、爆管。因大型锅炉过热器壁温安全裕度较小，正常运行时，已接近材料允许使用温度，烟气温度升高，减温水量不足，很容易引起超温。 在高温烟气作用下，灰焦往往与管壁发生电化学反应，产生高温腐蚀现象。煤中硫成份较高，会加剧这种腐蚀。 由于传热热阻增大，燃料利用率下降，会使锅炉无法维持在满负荷下运行，只好进一步增加投煤量，提高烟气温度，燃料浓度升高，助燃风浓度相对降低，形成恶性循环。严重时只能维持4040负荷，甚至深度降负荷投油燃烧，借此维持平衡和甩焦。 造成较大的经济损失。主要表现在：炉膛及排烟温度升高致使锅炉效率平均降低1 12 2，煤耗大幅增加；低负荷运行经济性很差，甚至被迫停炉；

5、经常停炉清焦，运行、检修成本增加，少发电量进一步带来损失。 人身、设备安全受到严重威胁。坠落的焦块可能造成锅炉灭火、放炮，经常砸坏炉底冷灰斗水冷壁、炉底除渣设备和液压关断门，甚至造成人员。2.2 2.2 治理意义 显著的经济效益 降低锅炉的启停损失，减少燃油消耗量，燃料利用率提高。统计计算表明，300MW300MW机组，启停一次经济损失为240240260260万元。锅炉效率提高1 12 2，可降低发电煤耗8 810g/KW.h10g/KW.h，排烟温度降低1010，可降低发电煤耗1 12g/KW.h2g/KW.h。提高机组可靠性增加发电量，增加带负荷能力。使检修（抢修、临修）、运行维护成本降

6、低30304040。良好的社会效益 增加机组可利用小时数，锅炉安全、稳定、经济、可靠性得到根本保证，确保东送潮流稳定。启停次数减少，燃油量减少，水、汽排放量降低，环境污染程度减轻，有利于资源有效合理利用。 提高劳动生产率，降低检修劳动强度。提高企业竞争力，为机组节能降耗工作开展，创造了有利条件。3 3 结焦过程及判据 3.1 3.1 结焦过程 结焦：烟气中携带的熔化或部分熔化的灰颗粒，碰撞到受热面管子被冷却凝固而形成。形态主要以粘稠或熔融的沉淀物形式出现，主要出现在辐射、半辐射和高温对流等受热面。 结焦过程：结焦是一个物理、化学综合过程，基本上分两个阶段。首先是煤中的碱金属化合物、黄铁矿分解产

7、物、钙和磷的化合物，由煤颗粒中挥发出来，变成以氧化物、氯化物、氢氧化物的蒸汽或气体，随烟气冲刷高过管子，换热冷却后在管子外表面凝结，形成粘结性沉淀层。同时，在高温烟气中硫氧化物气体长期作用（烧结）下，形成薄而密实的硫酸盐沉积层（第一层灰）。该沉积灰层极难清除。然后随着灰层厚度不断增加，其灰污表面温度不断升高，逐渐接近于当地烟气温度，若此烟气温度使灰处于熔化状态，则在第一层粗糙的灰层表面及易 粘附一些烟气中尚未得到冷却成为凝固状态的液态灰颗粒，形成增长速度很快的梳状、松散多孔的外灰层沉积物（第二层灰），也就开始了结焦过程。形成第二层灰渣后，渣层中发生物理化学变化，使灰层强度增加。继续粘附灰粒，厚

8、度逐渐增大。 其次，由于燃烧器最上层一次风喷口到屏过底部距离，不能满足煤粉在炉膛内充分燃烧要求，停留时间短，或炉膛内水冷壁结焦，致使炉膛出口烟气温度，高于灰的熔化温度，灰粒处于熔融或半熔融状态，直接粘附在高过管子外表面。不断发展、恶化，使烟气通道堵塞。3.2 3.2 结焦判据 工程中常用的预测炉内结焦倾向方法有以下几种：3.2.13.2.1根据煤灰熔点温度进行预测 还原性气氛中煤灰初始变形温度t t1 1。t t1 112891289，不结焦；t t1 11108110812881288，中等结焦；t t1 111071107，严重结焦。美国CECE公司DTDT（相当t t1 1）温度判据为：

9、DTDT13711371，不结焦；DTDT1093109312041204，易结焦。 弱还原性气氛中煤灰软化温度t t2 2。t t2 213901390，轻微结焦；t t2 21260126013901390，中等结焦；t t2 212601260，严重结焦。该判据具有6565的分辨率。日本用t t2 2温度判据为：t t2 212301230，结焦性低；t t2 212301230，结焦性高。3.2.2 3.2.2 根据煤灰成份综合比值进行预测 硅比系数G G。定义式如下： 式3.21 式中当量FeFe2 2O O3 3FeFe2 2O O3 31.11FeO1.11FeO1.43Fe1.

10、43Fe。硅比中分母大多为助熔剂，SiOSiO2 2大则灰渣粘度和灰熔点较高，因此，G G越大，结焦倾向越小。判据如下： 3222OFe100当量MgOCaOSiOSiOG 硅/ /铝比。判据为：SiOSiO2 2/Al/Al2 2O O3 31.871.87，轻微结焦；SiOSiO2 2/Al/Al2 2O O3 31.871.872.652.65，中等结焦；SiOSiO2 2/Al/Al2 2O O3 32.652.65，严重结焦。 铁/ /钙比（美国判据）。推荐值为：FeFe2 2O O3 3/CaO/CaO0.30.3，不结焦；FeFe2 2O O3 3/CaO/CaO0.30.33.

11、03.0，中等或严重结焦；FeFe2 2O O3 3/CaO/CaO3.03.0，不结焦。 碱/ /酸比（B/AB/A）。定义式如下： 式3.23.22 223222232OFe/TiOOAlSiOOKONaMgOCaOAB判据如下： 上述预测炉内结焦倾向的方法没有绝对性，实际应用，往往几种方法互相结合采用，综合判定。 4 4 原因分析 锅炉结焦，往往是由于众多因素综合作用，而产生的。所涉及到的设备、系统亦较多。本文将从燃料、设备、运行等几方面加以分析。4.1 4.1 燃料入炉煤 1168 1168 煤灰熔点：煤灰熔点是导致锅炉结焦的重要原因之一。根据判据，t t1 111001100、t t

12、2 212001200的煤即属于易结焦煤种。因该温度已非常接近炉内烟气温度，煤灰颗粒处于熔融状态，煤灰粘结到受热面管子上的几率较大。 煤灰成分：煤灰中对结焦有重要影响的成份主要为碱金属化合物（包括氧化物、氯化物、氢氧化物等）、含铁矿物盐、复合硫酸盐、硅铝酸盐，它们往往形成共熔体复合盐，在高温烟气中分解、挥发而成蒸汽、气体，有的发生化学反应。碱金属氧化物、氯化物及其硅酸盐、硫酸盐类易挥发，能促进灰层形成，降低灰熔点；FeSFeS、FeOFeO熔点较低，且使灰熔点降低；SiOSiO2 2熔点和气化温度很 高，但硅酸盐的共熔体熔点有较大降低，AlAl2 2O O3 3使灰熔点升高；CaOCaO则是低

13、熔点共晶体的重要组成部分，在1010以内，可使灰熔点降低, ,当3030后，灰熔点显著升高。 灰量：灰熔点与灰份含量有一定关系，灰份为7 71515，灰熔点迅速降低，在10102525的范围内，灰熔点出现最低值。4.2 4.2 锅炉设备 炉膛几何尺寸：重要几何尺寸包括炉膛长宽及断面尺寸、炉膛有效高度、火焰相对中心等。这些尺寸决定了炉膛热负荷是否与煤种相匹配，并能够满足炉内火焰充满度好，煤粉充分燃烧，组织合理的燃烧空气动力工况。炉膛断面宽深比宜为1.01.01.11.1，不宜超过1.251.25。如几何尺寸设计不当，将使热负荷值较高则必然导致炉内局部区域或整体结焦。我国各容量电站锅炉热负荷推荐值

14、如下： 炉膛容积热负荷推荐值（q qV V） KW/mKW/m3 3 炉膛断面热负荷推荐值（q qA A） MW/mMW/m3 3 锅炉蒸发量（锅炉蒸发量（t/ht/h）2202204104106706701000100020002000切切向向燃燃烧烧褐煤和易结褐煤和易结渣煤渣煤2.102.102.562.562.912.913.373.373.203.203.723.723.203.203.783.783.303.303.833.83烟煤烟煤2.332.332.672.672.792.794.074.073.723.724.654.654.374.375.405.404.804.805.6

15、25.62无烟煤、贫无烟煤、贫煤煤2.202.203.483.482.582.583.503.502.732.734.004.004.984.98 前墙或对冲燃烧前墙或对冲燃烧2.212.212.792.793.023.023.723.723.493.494.074.07 油、气油、气4.074.074.774.774.194.195.295.295.235.236.166.166.126.127.797.797.097.098.148.14 燃烧器区域容积热负荷（q qrvrv）及壁面热负荷（q qrfrf） 燃烧器角度，切圆直径，高宽比等几何尺寸：对于四角切圆燃烧的直流燃烧器组较为重要的几

16、何尺寸为：燃烧器喷口轴线与水冷壁夹角或与炉膛断面对角线间夹角，该尺寸决定了假想切圆直径的大小和喷口两侧压差大小。假想切圆大则实际切圆也较大。切圆过大，则气流偏转明显，易造成气流扫边，如图所示。对固态排渣炉假想切圆直径d d0 0（0.080.080.10.1）A A，液态排渣炉d d0 0（0.10.10.160.16）A A，对燃油锅炉d d0 00.15A0.15A。由于临角气流和上下气流的相互作用，及热烟气膨胀，实际切圆直径是假想切圆直径的7 78 8倍。 高宽比h/bh/b，燃烧器一、二次风喷口间相对间距/b/b。h/bh/b过大意味着气流刚性变差，/b/b过小意味着气流上下部分的补气

17、条件不足，这些都会导致气流出离喷口后，迅速发生大幅度偏转，使切圆直径变大，极易发生气流扫边。h/bh/b推荐值为8 89 9。/b/b对无烟煤和贫煤0.30.30.90.9，对烟煤和褐煤为0 00.30.3。因此，大型锅炉燃烧器一般分为上下两组，之间并保持有较大间距。 对于旋流燃烧器主要几何尺寸为：相邻燃烧器的间距a a，该推荐值为双层错列布置时，为（3.53.54.04.0）D D，双层顺列布置时，为（2.52.53.03.0）D D。边侧燃烧器至临墙距离a ab b该推荐值为（1.41.41.61.6）D D。a a过小则相邻燃烧器火焰气流不能自由扩散，相互产生干扰。a ab b过小则会导

18、致火焰刷墙。 火焰高度：燃烧器最上排一次风（三次风）喷口到屏底距离或出口烟窗中心的距离。通常要求该距离（炉宽炉深）/2/2，四角切圆燃烧的锅炉该值要大于前墙或对冲燃烧的锅炉。该值过小则煤粉得不到充分燃烧，火焰上移，灰粒到达炉膛出口来不及凝固，极易引起结焦。下限推荐值如下： 固态排渣炉火焰高度下限值（m m）： 风机出力：现代大型锅炉风机设计选型时，采用的裕度都较小，一般为5 51010。当燃料发生变化时，或空预器堵灰、漏风严重时，造成风机出力不足。这样会造成煤粉浓度相对变大，二次风相对不足，从而导致炉内产生还原性气氛，灰熔点降低发生结焦。 卫燃带：卫燃带使水冷壁受热面吸热量减少，燃烧器区域烟气

19、温度升高，局部热负荷增加。并人为增加了管子粗糙度，提高了灰粒粘附能力。如果设置不当，极易产生严重结焦问题。 炉膛漏风：锅炉炉墙孔门往往存在很大的漏风，漏入的冷空气使该处烟气中液态灰粒得到急速冷却，使灰粒粘附在孔门处形成积灰和焦层。同时，漏入的冷空气扰乱了局部烟气流，增加了灰粒粘附在管子上的几率，使灰焦层迅速增厚。4.3 4.3 运行工况 热偏差：现代大型锅炉，尤其四角切圆燃烧的锅炉，由于气流旋转动量矩增大，极易在燃烧器区域、炉膛出口区域产生较大的烟气温度、速度偏差，偏差系数可以达到1.251.251.301.30。致使局部热负荷大幅升高，为结焦创造了有利条件。 风速：各层一次风速、二次风速偏差

20、较大，造成火焰、烟气偏斜，气流刚性不足，偏转刷墙，煤粉浓度分布不均，局部热负荷增大且形成还原性气氛，造成结焦。 煤粉细度：不同细度的煤粉燃烧具有不同的温度，煤粉越粗则燃烧温度越高，火焰拖长，熔化比例高。且粗煤粉颗粒转动惯性大，容易贯穿烟气粘附到受热面管子上。煤粉过细，使碱金属化合物极易从煤粉中挥发出来，增快了第一层灰的形成，同时煤粉着火提前，强度提高，局部烟温、热负荷迅速提高，促进了燃烧器喷口和水冷壁结焦。 燃烧动力工况：一、二次风率配比不当，一次风射流刚性差，补气条件不好，燃烧器投停方式不合理，造成炉内风粉不均，燃烧动力工况紊乱，局部形成还原性气氛，局部烟气温度偏高，热负荷大，导致切圆变大，

21、气流偏转，结焦严重发生。 气氛：炉膛过剩空气系数增加，则炉膛壁面温度降低，受热面沉积物减少。供氧不足则产生还原性气氛，熔点较高的FeFe2 2O O3 3还原为较低熔点的FeOFeO，从而使灰熔点 点大大降低，增加结焦可能性。在还原性气氛中，铁与硅、铝的氧化物形成了更低熔点的硅、铝酸盐，进一步使灰熔点降低。 5 5 治理改进措施 在采用排除法，进行试验分析后，确定产生结焦的主要原因，即可有针对性地采取治理措施。 掺烧：在场地允许，有大型参煤设备时，对于易结焦和高灰份煤，采用煤种掺烧是解决结焦的有效方法。掺混入灰熔点较高的煤，可在一定程度改善混煤的灰渣特性，提高灰熔点，对受热面有冲刷作用，使沉积量降低。减轻炉内结焦。掺烧比例需进行试验确定，并尽量做到掺混均匀。 改造燃烧器：减小燃烧器与对角线之间夹角，缩小假想切圆直径，一般要求为d d0 0（0.050.050.060.06）A A，相对切圆直径0.50.50.70.7；二次风与一次风之间产生夹角，使炉内形成风包粉的空气动力工况，受热面壁面形成氧化气氛；拉大燃烧器喷口之间间距，改善补气条