锅炉结焦原因分析

还原性气氛中煤灰初始变形温度t1。t1＞1289℃，不结 焦；t1＝1108～1288℃，中等结焦；t1＜1107，严重结焦。 美国CE公司DT（相当t1）温度判据为：DT＞1371℃，不结 焦；DT＝1093～1204，易结焦。 弱还原性气氛中煤灰软化温度t2。t2＞1390℃，轻微结 焦；t2＝1260～1390℃，中等结焦；t2＜1260，严重结焦。 该判据具有65％的分辨率。日本用t2温度判据为：t2＞ 1230℃，结焦性低；t2＜1230，结焦性高。 3.2.2 根据煤灰成份综合比值进行预测 硅比系数G。定义式如下：
3 结焦过程及判据
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 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
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 燃料－入炉煤 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，t1＜1100℃、t2＜1200℃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；FeS、FeO熔点较 低，且使灰熔点降低；SiO2熔点和气化温度很
3.20～ 3.78
4.37～ 5.40 4.98
3.30～ 3.83
4.80～ 5.62
2.33～ 2.67 2.20～ 3.48
前墙或对冲燃烧
油、气
2.21～ 2.79
4.07～ 4.77
3.02～ 3.72
4.19～ 5.29
3.49～ 4.07
5.23～ 6.16 6.12～ 7.79 7.09～ 8.14
美国
72～80 65～72 50～65
法国
＞72 65～72 ＜65
结焦倾向
轻微 中等 严重
硅 / 铝比。判据为： SiO2/Al2O3 ＜ 1.87 ，轻微结焦； SiO2/Al2O3 ＝ 1.87 ～ 2.65 ， 中 等 结 焦 ； SiO2/Al2O3 ＞ 2.65，严重结焦。 铁/钙比（美国判据）。推荐值为：Fe2O3/CaO＜0.3， 不结焦； Fe2O3/CaO ＝ 0.3 ～ 3.0 ，中等或严重结焦； Fe2O3/CaO＞3.0，不结焦。 碱/酸比（B/A）。定义式如下：
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Aar甚至高 达40 ％以上，发热量仅为13800KJ/Kg （3300Kcal/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。
Fe2O3 CaO MgO Na2O K 2O B/ A 式3.2－2 SiO2 Al2O3 TiO2
判据如下：
碱酸比 B/A 我国 ＞0.4 0.206～0.4 ＜0.206 国外 ＞0.7 0.4～0.7 ＜0.4 结焦倾向 严重 中等 轻微
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。
对于旋流燃烧器主要几何尺寸为：相邻燃烧器的间距 a，该推荐值为双层错列布置时，为（3.5～4.0）D，双 层顺列布置时，为（ 2.5 ～ 3.0 ） D 。边侧燃烧器至临墙 距离ab该推荐值为（1.4～1.6）D。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。ab过小则会导 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）/2，四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）：
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7～8倍。
高宽比h/b，燃烧器一、二次风喷口间相对间距Δ /b。 h/b过大意味着气流刚性变差，Δ /b过小意味着气流上 下部分的补气条件不足，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/b推荐值为8～9。Δ /b对无烟煤和贫煤＝0.3～ 0.9，对烟煤和褐煤为0～0.3。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。
2 结焦的危害及治理意义
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30 ～ 60 ％。 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 50 ～ 60 ％， 甚至引发屏式过热器、高温对流过热器、再热器结焦、 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。
燃烧器区域容积热负荷（qrv）及壁面热负荷（qrf）
燃料 无烟煤、贫煤 烟煤 褐煤 qrv MW/m3 qrf MW/m2 0.35～0.75 0.40～0.78 0.19～0.44 1.0～1.8 1.1～1.2 0.93～1.36
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d0＝（0.08～0.1）A，液态排渣炉d0＝（0.1～ 0.16）A，对燃油锅炉d0≤0.15A。由于临角气流
233～349
气
349
炉膛断面热负荷推荐值（qA） MW/m3
锅炉蒸发量（t/h）
220
2.10～ 2.56
410
670
1000
2000
切 向 燃 烧
褐煤和易结 渣煤
烟煤 无烟煤Fra Baidu bibliotek贫 煤
2.91～ 3.37
2.79～ 4.07 2.58～ 3.50
3.20～ 3.72
3.72～ 4.65 2.73～ 4.00
值如下： 炉膛容积热负荷推荐值（qV） KW/m3
燃料 无烟煤 贫煤 烟煤 固态排渣炉 109～140 116～163 99～198 液态排渣炉
开式炉膛
≤145 151～186 ≤186
半开式炉膛
≤169 163～198 ≤198
熔渣段
538～698 523～698 523～640
褐煤
油
93～151
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 要 内 容
结焦的危害 结焦过程及判据 原因分析 治理改进措施
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70％以上发电装机容量为燃煤发电机 组，而区内更高达90％以上。动力用煤普遍使用低品
高，但硅酸盐的共熔体熔点有较大降低，Al2O3使灰熔点 升高；CaO则是低熔点共晶体的重要组成部分，在10％以 内，可使灰熔点降低,当＞30％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7～15％， 灰熔点迅速降低，在10～25％的范围内，灰熔点出现最 低值。 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1.0～1.1，不宜超过1.25。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
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40％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1～2％，煤耗大幅增加； 低负荷运行经济性很差，甚至被迫停炉；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 治理意义
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 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： 3.2.1根据煤灰熔点温度进行预测
G SiO2 100 SiO2 CaO MgO 当量Fe2O3
式3.2－1 式中当量Fe2O3＝Fe2O3＋1.11FeO＋1.43Fe。硅比中分 母大多为助熔剂，SiO2大则灰渣粘度和灰熔点较高，因此， G越大，结焦倾向越小。判据如下：
硅比％
G
我国
＞78.8 66.1～78.8 ＜66.1
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，300MW机组，启停一次经济损失 为240～260万元。锅炉效率提高1～2％，可降低发电煤 耗8～10g/KW.h，排烟温度降低10℃，可降低发电煤耗 1～2g/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）、运行维护成本降低30～ 40％。 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。