SZL链条燃煤锅炉炉膛结焦原因分析
关键词：结焦；煤灰成分；结焦特性；超过日常负荷运行；防范措施
公司锅炉房配置3台SZL型10t链条燃煤饱和蒸汽锅炉，于2007年4月投运，设计燃料为AⅡ类烟煤。锅炉一直使用低位发热量为5000kcal/kg左右的Ⅱ类烟煤，运行状况良好，炉内结焦情况轻微，平均每2个月停炉清焦一次。
1 锅炉结焦及危害
2017年进入冬季，考虑到生产负荷较去年同期增加30%的实际情况，在没有经过充分论证的情况下，自11月底更换了煤种。其燃烧热值有了较大提高，低位发热量达到5800kcal/kg，挥发分＞30%，灰分＜6%，全硫＜0.6%，全水分＜15%，1#锅炉运行7天后，炉膛严重结焦：两侧水冷壁结焦，平均厚度30～50mm；前拱挂焦严重，高度达到300mm；炉膛四周均有30mm以上的结焦和积灰；炉膛内对流换热区、烟道出口等处大量积灰，烟气流道堵塞严重，无法正常运行，被迫停炉。接着2#、3#锅炉出现类似情况，对安全生产造成严重影响。1#锅炉结焦情况如图1、图2。
图1 炉膛结焦图
图2 清除下的结焦块状物炉膛结焦后，结焦部位热阻变大，炉膛水冷壁管吸热量减少，管内水流速下降，而炉膛出口烟气温度增高，排烟损失增大，降低了锅炉效率。经实测，锅炉热效率降低3.8%～4.5%。
炉膛结焦后，烟气通道变窄，阻力增大，引风机出力降低，锅炉蒸发量下降，制约锅炉出力。原锅炉出力8.35t/h，经数据实测锅炉出力只达到8t/h，降低出力率4.19%。
结焦不均匀分布，影响水冷壁管的热循环效果。炉膛上部结焦块数次掉落，发生损坏水冷壁管及除渣设备事故。目前，平均每台锅炉清焦周期由2个月变成7天，3台锅炉频繁倒炉清焦，严重影响生产。
2 炉膛结焦原因分析
炉膛结焦主要与煤灰性质中灰熔融点、氧化物成分、灰粘度等结焦特性相关，还与锅炉超过日常负荷运行、炉内空气工况、炉膛结构特性等密切相关。相对于此次因锅炉负荷增加，盲目更换煤种造成的炉膛结焦，主要原因是煤质特性和锅炉超过日常负荷运行所致，下面进行深入分析。
2.1 煤质特性分析
2.1.1 灰分的化学成分
SZL型燃煤链条锅炉所使用AⅡ类烟煤中碳、氢、硫等可燃性物质燃烧后，剩下灰分等有害物质。灰分中各种氧化物的熔点不同（表1）。燃煤中Fe3O4、Fe2O3和FeO等铁的氧化物熔点低，易被炉火熔化，少量附着在水冷壁等处，长期积聚形成焦渣。结焦造成受热面受阻，温度升高，灰分更容易粘结，使结焦加剧。
表1中灰分中的Fe2O3、Fe3O4、FeO和FeS等氧化物熔点较低，都在1600℃以下，而主要氧化物SiO 2、Al2O3、CaO和MgO等的熔点基本都在2000℃左右，通常不易熔化。现将近一段时间以来使用的锅炉燃煤取样，编号煤种1、2、3，联系专业燃煤化验机构对灰分成分进行化验并记录试样相关参数表2。
表2中列出锅炉燃煤的主要成分，灰分中的氧化物对灰渣熔融性的影响主要表现在Al2O3和TiO2含量增加能提高灰熔点，Fe2O3和Na2O含量增加降低灰熔点，SiO2、CaO对灰熔点有双重作用，MgO含量较小时对灰熔点影响不大。经相关试验研究，有如下结论：
煤灰中的SiO2在高温状态下易和其他金属氧化物形成玻璃状物质。SiO 2含量在45%以上时，软化温度ST随SiO 2含量增加而增大,煤灰熔融性温度增高。
Al2O3熔点为2050℃，Al2O3含量大于30%时，FT＞1350℃，随Al2O3含量增加，煤灰熔融性温度越高。煤灰中CaO含量较低时，能降低煤灰中熔融性温度，但CaO＞30%，则煤灰熔融性温度升高。
MgO本身熔点高达2800℃，MgO＞17%，则随MgO含量增加而煤灰熔融性温度升高，MgO含量较小时，煤灰熔融性温度影响不大。
Fe 2 O 3和Na 2 O只能降低煤灰熔融性温度。
2.1.2 烟煤的结焦特性及评价结果
（1）硅比（G）确定煤灰中的SiO 2比是一种能反映结焦趋势和进行煤种相互比较的简单方法。这个比值就是：
较大的硅比意味着较高的灰粘度，因为分母中有溶剂。常以黄铁矿形式出现的含铁量越高，粘度越低。在一定范围内，含钙量高，会导致早期成焦。
虽然当量Gmol较硅比G计算结果更为准确，为简化计算和方便检测燃煤成分含量，特以煤灰特性综合指数R来表达结焦特性，其准确率达到了90%左右。除了以上煤灰结焦特性评判方法之外，煤灰的软化温度ST评价相符率为100%，还有硅铝比SiO 2 /Al2O3也可判断煤灰结焦特性，下表列出各指标与结焦的关系。
结合以上各种评价方式，将表2中的三种煤质分别进行计算，得出表4。
表4中煤种3灰分软化温度最高，结焦综合指数最低，7项指数中有5项属于轻微结焦趋势，煤种3是结焦特性最好煤种；煤种1和煤种2指数分别有4项和5项属于中等结焦趋势，相对比较来说，煤种1较煤种2有更高的结焦系数Rs，在同等的锅炉燃烧工矿下，煤种1更具结焦趋势。以上分析结果对照当初选择煤种时的编号顺序，发现煤种1和煤种2是更换煤种后所使用的燃煤，与生产应用实践相一致。从以上数据分析可以看出，根据燃煤的灰分特性可以判断煤种的结焦趋势。
煤质发热量也是影响结焦的主要因素，发热量过低或过高都会对结焦才造成影响。发热量过低，煤中灰分含量高，为结焦提供了物质基础；发热量过高，炉中燃烧温度升高，造成灰分软化、熔融、结焦。经与原煤化验结果验证，煤种1和煤种2的发热量分别是5816kcal/kg和5783kcal/kg，锅炉使用超出设计煤种指标的燃煤造成结焦，与实际运行状况相符，更换煤种是此次锅炉结焦事故的直接原因。
2.2锅炉运行现状分析
2013年8月，威海能源检测中心对1#蒸汽锅炉进行热工测试，测得锅炉平均出力8.35t/h，锅炉平均热效率74.46%，炉膛出口过量空气系数2.54。进入2017年冬季，2台10t锅炉平均产汽405t，锅炉出力8.44t/h，出力率达到100%以上，较往年平均产汽320t，锅炉出力6.67t/h，出力率提高26.5%，2台锅炉处于超过日常负荷运行状态。
锅炉的运行状况对锅炉的影响很大。图3中为水冷壁表面温度与锅炉负荷的关系图。从图中可以看出，随着锅炉运行负荷增加，水冷壁表面温度也快速增加，当锅炉接近或处于满负荷运行时，水冷壁表面接近1400℃的高温，表面的沉积物变成粘着状，积聚结焦。可见，在锅炉运行中，负荷的变化是造成锅炉结焦的主要原因。
图3 水冷壁表面温度与负荷的关系图超过日常负荷运行，必然要增大送风、引风量。目前，锅炉引风机达到最大转速，鼓风风门调整到接近最大值进行强化燃烧，锅炉本身鼓风室串风，局部煤层不完全燃烧，产生了大量CO、H 2、H 2 S等还原性气体，使灰中熔点较高的Fe 2 O 3还原成熔点较低的FeO，整体降低煤质灰熔点300～350℃，导致结焦。
锅炉超过日常负荷运行，风量过大，炉膛出口过量空气系数达到2.54，高出正常值（链条炉1.2～1.35）一倍。漏风使燃煤着火推迟，火焰集中程度差，并使火焰中心上移，促使局部受热面结焦。
锅炉给水温度65℃，低于设计值90℃，增加了给水在锅炉的吸热量。为满足生产需求，在锅炉的蒸发量一定的情况下，必须通过增强燃烧来满足外界的需要。这种状态，使得锅炉的燃烧系统处于一种过负荷状态运行，炉膛容积热强度、断面热强度、以及理论燃烧温度等均会超过正常值，引发结焦。
3 炉膛结焦防范措施
炉膛结焦原因找到后，将煤种恢复到结焦以前用煤，燃煤发热值标准、产地不变，并对灰分和熔融特性引进《原煤使用规范》中。同时，将2台锅炉均衡分配运行负荷，增开第3台锅炉，避免锅炉超过日常负荷运行，经4周运行观察，锅炉结焦情况轻微，属正常情况。为防范炉膛结焦再次发生，提出如下监管措施：
3.1 煤质监管
要确保锅炉安全、经济运行，燃煤特性要符合锅炉的设计要求。近年来，煤炭市场燃煤性能参差不齐，化验指标只是针对煤质灰分、挥发分、发热量、含硫、水分等指标进行监控，对于煤种灰分中氧化物成分和灰分熔融特性等关系结焦趋势的关键指标，一般用煤单位无法检测，无法提出具体指标要求，造成煤质来源掺配混乱，锅炉结焦现象严重。对同类型锅炉使用的煤种，应尽可能满足设计要求，不要盲目更换煤种，严格把好进煤检验关，做好煤的灰分分析和熔融点测试，确保煤质的稳定性和符合性。
3.2 燃烧工况监管
超过日常负荷运行是目前锅炉炉膛结焦的重要原因，运行过程中存在氧含量偏低、漏风增大、给水温度低使锅炉运行状况更趋恶化，因此，在实际运行过程中，尽量避免锅炉超过日常负荷运行，选取适当的过量空气系数，能够减轻锅炉的结焦的发生，也是运行调整中最直接的措施。另一方面改善炉内空气动力工况，能够减少还原性气体的产生，降低FeO的生成量，减轻结焦趋势。
4结语
燃煤链条锅炉结焦是普遍存在的问题，本次结焦停炉事故的直接原因是煤种的更换，同时，锅炉本身还存在着诱发结焦的多种因素。对于锅炉结焦的问题要引起足够重视，因为结焦不仅降低锅炉热效率，而且对锅炉本身造成损害，严重影响锅炉安全经济运行。但锅炉结焦过程十分复杂，必须针对性地对具体情况进行具体分析，采取切实可行的措施，才能取得良好防范效果。
参考文献
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[2] 杨宇亮.煤粉锅炉结焦的理论与实践研究[J].科技情报开发与经济,2005,(15):186-87.