超超临界锅炉燃烧器内积粉烧结原因探讨
李京修 尹民权
（山东邹县发电厂，山东邹城，273522）

摘要:针对100OMW超超临界燃煤锅炉的现状，投产以来燃烧系统存在燃烧不完全状况、掉焦增大，以及炉渣中存在一些炭状黑色焦块及油燃烧器故障频繁等问题。结合锅炉大修中发现燃烧器内部积粉、结焦堵塞一次风通道等情况，通过跟踪观察2008年5月份#7炉大修后锅炉的排渣量增多，炉渣中飞灰可燃物不正常升高，本文从锅炉的设计、安装、检修以及运行维护角度，进行初步的分析探讨。
关键词: 煤粉锅炉 燃烧器积粉结焦堵塞 分析探讨
1.概述
华电国际山东邹县发电厂Ⅳ期工程2×100OMW超超临界燃煤凝汽式汽轮发电机组，是国家2005年度国家重点建设项目。工程总投资79.2亿元，＃7机组于2006年12月4日投产。＃8机组于2007年7月5日投产。至此，邹县发电厂全厂现总装机容量已经达到4540MW。Ⅳ期工程3030t/h锅炉是东方锅炉（集团）股份有限公司与日本巴布科克-日立公司及东方-日立锅炉有限公司合作设计、联合制造。锅炉为高效超超临界压力变压运行直流炉，采用一次再热、平衡通风、运转层以上露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型锅炉。48只燃烧器组成前后墙对冲燃烧方式。燃烧器按3层8列布置，前墙自上而下为E、C、D三层，后墙自上而下为F、A、B三层。燃烧器配风分为一次风、内二次风和外二次风，分别通过燃烧器内同心的内二次风、外二次风环形通道在燃烧的不同阶段分别送入炉膛，该燃烧器的一次风采用直流式布置方式。燃烧系统还布置有20只燃尽风喷口（也称调风器），布置在前、后墙顶层燃烧器上方标高38588.4mm和35124.2mm，燃尽风喷口距最上层燃烧器中心线距离为7150.1 mm。二次风采用大板风箱配风，大板风箱被分隔成多层风室，每层燃烧器一个风室。大板风箱对称布置于前后墙，设计入口风速较低，风箱内风量的分配取决于燃烧器自身结构特点及其风门开度，保证燃烧器在相同状态下自然得到相同风量，利于燃烧器的配风均匀。设计空预器出口二次风温度344℃。
配套安装6台BBD4360型双进双出钢球式磨煤机，采用正压直吹式制粉系统，磨制后的煤粉从磨煤机的两端空心轴出来经过分离器分离后，合格的煤粉又通过8条一次风管道进入燃烧器形成独立的火焰。考虑到单端磨煤机运行与半磨单端运行方式对燃烧工况的影响，从各磨煤机驱动动端引出的4条一次风管道均为#1、#2、#7、#8，从非驱动动端引出的4条一次风管道均为#3、#4、#5、#6，与相对应的8只燃烧器连接，燃烧器自东（甲）侧向西（乙）侧排列顺序为#1～#8。每只煤燃烧器的中心管内布置一只点火油枪，油枪雾化型式采用机械雾化，单只点火油枪出力为1350kg/h。
2. 存在问题
2.1炉膛内部结焦
该锅炉布置48只BHK技术设计的新型HT－NR3低NOx旋流式煤粉燃烧器（见图1）。按照正常运行状况，锅炉不应该结大焦，但是从投产以来一直存在结焦的问题，在捞渣机附近时常听到大焦掉落的声音，2007年3月22日就地检查发现#7炉落大焦，炉膛负压虽无明显变化，但炉底水封槽上部有少量溢水。进入2007年7月份后加上煤质变化，#7炉炉膛内结焦加剧， 7月18日起时常听到炉膛内掉大焦的声音，7月21日#7机组负荷530MW，#7炉落大焦，吸风机电流由182A自动增大至285A，发现炉底渣斗北侧第三个事故放渣门鼓开，事故放渣门横担压条断裂，水大量外流，炉底水封失去。导致锅炉排烟温度由125℃逐渐上升至175℃，炉膛燃烧不稳，立即投入C、A层油枪稳燃。7月底又连续出现几次落大焦。2007年下半年尤其明显，从结焦状况来看主要是集中在燃烧器的旋口附近，因燃烧不良造成旋口的结焦越结越大，最后超重掉下。 

2.2 炉渣中夹杂着大块焦炭
从锅炉的排渣状况看，不但存在结焦和渣量大的问题，2007年上半年发现在#7炉冷灰斗内捞渣机捞出的炉渣中夹杂着许许多多黑色碳状焦炭块，小颗粒焦炭在灰渣中星星点点,大颗粒焦炭直径在40mm（见图2）左右的随时可见。2007年下半年#8炉投产后同样存在以上问题。根据经验从焦炭块的质量和颜色上判断，结焦应该在燃烧器的负氧区域，一般在火咀中心区煤粉受高温加热后粘连而成。特别是该种燃烧器新的结构设计，是造成出现该种焦炭块形成（以及油枪喷嘴堵塞）的主要原因。
 
2.3锅炉油枪故障率高
自从投产以来，一直存在油枪雾化喷嘴堵塞的现象，导致油枪投入后无火检信号，油枪投入失败等信号频发，影响整个程序的进行。由于油枪进油阀泄漏而油枪雾化喷嘴积碳堵塞（见表2），严重时从喷嘴积碳至枪管内200mm，致使进油阀至枪管内一段产生压力，导致油枪进油（吹扫）系统软管终端活结焊缝等处漏油（见图3）。为了消除系统漏油，花费上千元全部更换了因承压导致泄漏的油枪金属软管。为了保证油枪的正常投入，正常运行中视堵塞情况随时拆下油枪对油枪雾化喷嘴进行清理。现在基本上每天要清理一层燃烧器（8只）油枪雾化喷嘴，按照状态检修的要求，六层燃烧器油枪每周必须清理一遍，只要停炉必须清理全部油枪雾化喷嘴。否则当锅炉燃烧不稳定或启停磨煤机需要投入油枪时不能点燃，不但危机锅炉的安全生产而且还增加了劳动强度与人身危险性。随时间的推移，油枪进退困难的问题开始日渐突显的暴露出来。自2008年6月26日至7月底，仅＃7、＃8炉油枪、打火杆电磁阀等卡涩、内漏等故障达39多次，每次多达3只油枪同时故障，导致油枪不能正常处在备用状态（见表3）。通过表3看出，其中油枪卡涩不能进退占19次，电磁阀卡涩占10次，打火杆卡涩占5次，而这其中＃7炉油枪故障占了31次。 
 
附表2 油枪雾化喷嘴堵塞及其它存在问题统计表

附表3 2008年6月26日～8月1日＃7、＃8炉油枪卡涩、故障统计表

2.4炉渣排量超过设计值
锅炉设计采用湿式除渣系统，每台锅炉为一个单元设一套除渣系统，每套除渣系统设一台出力为20～80t/h的水浸式刮板捞渣机。每台炉设2座锥底渣仓，全钢结构，直径8m，总有效容积480m3,能储存1台炉BMCR工况下设计煤种约47小时的排渣量，校核煤种约为39小时的排渣量。锅炉排出的渣落入冷灰斗后经冷却水冷却、粒化后，由刮板式捞渣机连续捞出，经捞渣机斜升段脱水后，直接排至位于捞渣机头部的渣仓内暂存。渣仓内的渣由运渣自卸汽车定期运至综合用户或中转渣场。结果在＃7炉投产半年来的生产过程中，发现锅炉不但存在结焦现象而且排渣量也偏大，本应47个小时排满的两座锥底渣仓，结果24小时就排满渣，严重时不到24小时就排满渣仓，只得改变运渣自卸汽车定期运渣的时间。2007年5月份，通过配合科研部门对#7炉磨煤机做出力性能试验，磨煤机的煤粉细度、均匀度以及燃烧工况都得到了明显改善。治理前炉渣含碳量5～6％，治理后炉渣含碳量降至2％，治理前飞灰可燃物含量2.2％，治理后飞灰可燃物含量降至1.2％。在2008年5月份大修后这一现象又有所抬头，由于排渣量增多，落焦体积变大，几次拉断捞渣机链条等导致设备损坏现象，从锅炉的排渣状况看颜色呈黑灰色（正常呈灰白色），炉渣含碳量高达6％以上，飞灰可燃物含量3.3％，经过进一步治理明显好转。据笔者了解山东济宁某电厂的锅炉炉渣含碳量高达40％。
2.5燃烧器内部存在积粉烧结现象
煤粉燃烧器内部设置一煤粉浓淡分离装置，2008年5月份#7炉大修，停炉后检查发现四只燃烧器一次风通道内均存在煤粉烧结堵塞现象，后墙燃烧器比前墙燃烧器堵塞严重，结焦位置主要在该煤粉浓淡分离装置至燃烧器旋口一段距离内积粉、结焦（见图4），由于燃烧器一次风通道内积粉烧结占旋口通道的一半，不但影响了出粉，而且已经导致旋口处导流筒等诸多部件烧损变形。这是导致炉渣内出现炭状焦块及结焦的主要原因之一。

2.6屏式、末级过热器存在超温现象
过热器受热面由四部分组成，第一部分为顶棚及后竖井烟道四壁及后竖井分隔墙；第二部分是布置在尾部竖井后烟道内的水平对流过热器；第三部分是位于炉膛上部的屏式过热器；第四部分是位于折焰角上方的末级过热器。屏式过热器、末级热器受热面的布置采用了辐射-半辐射的传热方式，这种布置方式可确保锅炉在负荷变化范围内达到额定的蒸汽参数，并获得良好的汽温特性。2008年6月份发现＃8炉屏式过热器、末级过热器个别壁温存在超温现象。是否该锅炉也存在燃烧器内部积粉堵塞导致超温有待于进一步研究探讨。
3.原因分析
由于以上问题的存在，说明锅炉的燃烧状况不好，必然导致煤耗增加，将直接影响锅炉的效率。通过长时间的跟踪，发现导致以上问题出现的原因主要在燃烧系统，又经过仔细研究观察分析，排除了运行调整方面的因素，发现设备方面的因素是主要的，而设备方面又主要集中在燃烧器部位。
3.1结构与设计
3.1.1 早期锅炉的漩流式燃烧器中心管两端为全敞开式，中心管的前端是一扩散锥，入口的中心风（也称三次风）是利用炉膛的负压吸入。除了人们比较熟悉的中心风作用以外，还起到辅助燃烧的作用。由于认识到中心风的重要性，在后来的漩流式燃烧器中心风采用三次风机供风。燃烧器内设有中心风管，中心管是油枪和中心风的通道，可提供油枪燃烧所需风量。中心风为直流风，风量虽然不大(约占总风量1%)的中心风通过中心风管送入炉膛，以调整燃烧器中心回流区的轴向位置，不但可供点火时所需要的根部风并起到正常运行中辅助燃烧的作用。但对回流区影响很大，因为回流区是由旋流二次风带动一次风旋转，造成流场中心区负压而形成的，中心风正好投入在这个负压区中，大大影响了中心区负压值，导致回流量大为下降。因此中心风量越大，其风量的改变对回流区的影响就越大。中心风通过手柄调节风门开度位置来进行风量的调节。但是该工程没有采用三次风机，加之该燃烧器中心风布局的改变，更容易导致燃烧器内部结焦以及油枪卡涩、喷嘴堵塞。因此笔者在锅炉安装是就发现此问题，早在2006年在邹电科技杂志上《#7锅炉旋流式燃烧器应用》一文中就提到， 2007年笔者在灵武电厂1000MW机组锅炉招标技术协议签订会上就向锅炉厂家人员提出该燃烧器设计应注意的问题。
3.1.2由于该燃烧器不同于其它旋流式燃烧器的结构，不但燃烧器内部特殊的煤粉浓淡分离装置所处文丘里管附近的缩放部位容易积粉（见图1），而且正常运行中当燃烧器退出运行以后，由于燃烧器入口端部没有设计检查孔，不能观察到积粉和结焦情况，更无法及时进行清除或吹扫。
3.2安装施工
3.2.1设计该燃烧器入口温度70℃，由于磨煤机出口至燃烧器100多米长的一次风管道表面没有加装保温层，当受到环境温度的影响，就会导致一次风风粉混合物温降明显，实际上燃烧器入口温度也只维持在45～55℃左右（见附表4）。由于一次风温度降低，煤粉中的水分析出，不但容易导致积粉，更严重的影响了锅炉燃烧工况与效率。
附表4 2007年1月19日测量#7锅炉运行中制粉系统各部位一次风温度

注：①磨煤机出口温度、排烟温度和电负荷为在线参数，其余为笔者用远红外线测温仪就地测量壁温。
②燃烧器前一次风管道温度为该制粉系统各条一次风管道的平均值（仅供参考）。
3.2.2正常运行中锅炉点火用燃油母管压力3.5 Mpa,油枪在没有投入以前枪管内是没有压力的，只是油枪进油门前存在压力。当油枪投入后，由于燃油经过阀门减压（雾化压力也不高），不至于引起系统漏油。但是由于油枪进油阀门内漏，漏入油枪杆内的柴油受到燃烧器内部的温度和炉膛的高温辐射,便在油枪喷嘴处烧结形成碳化颗粒堆积以致堵塞雾化喷嘴。使油枪内的油压力升高，甚至超过工作（雾化）压力5倍以上。长此以往，不但损坏与之相连系统的接头、焊口、垫子、软管、阀门等，更危险的是产生的高压柴油会从不严密的压缩空气阀门窜到压缩空气系统内，油枪吹扫压缩空气压力为0.35 Mpa，母管压力也只有0.8 Mpa。
投产前燃油系统的附件已经到了工地仓库，为了抢施工工期，安装单位采用了去功能施工法，对部分部件没有安装。针对以上问题，对燃油系统进行了改进，利用＃7炉大修期间，将燃油系统油枪管道库存部件全部按照设计要求加装高压接头。
3.3设备维护
3.3.1通过附图1可以看出，由于该燃烧器一次风通道内设计的浓淡分离装置，使通道内出现变径（不象其它类型的燃烧器那样通畅），不但阻力大还容易积粉，磨煤机分离器效果差也容易造成粗颗粒煤粉在此处沉淀堆积。今年在＃7炉大修中在燃烧器入口的弯头内侧和浓淡分离装置外侧即文丘里管内壁等处粘贴上一层陶瓷片（见图5），因此，也就缩小了燃烧器一次风通道内的流通面积，无形中提高了局部流速。加上所粘贴陶瓷片是一些小片（象马赛克）组成，各片之间的缝隙（包括高低不平），使得壁面粗糙度增加，使通道内出现局部涡流，扰乱了煤粉气流的正常流动。大修后＃7炉渣颜色偏黑是否与此有影响还有待于进一步观察研究。

 3.3.2屏式过热器布置在炉膛上部区域，沿炉深方向布置了2排，两排屏之间紧挨着布置，每一排管屏沿炉宽方向布置19片屏，共38片。燃烧器层之间间距5819.8mm，列之间间距3683mm。上层燃烧器中心线距屏底距离约为23.5m，下层燃烧器中心线距冷灰斗拐点距离约为3.38m，最外侧燃烧器中心线与侧墙距离为4096.2mm。由于燃烧器出口一次风温度低、以及水份高等种种原因使火焰中心拉长并上移，导致屏式过热器管屏挂焦。加上燃烧器内部通道积粉堵塞，使得煤粉气流向斜上方冲击，流速加快，造成煤粉燃尽阶段滞后，导致屏过、末过壁温超温。
4.结束语
4.1锅炉的燃烧调整是一个系统复杂还很抽象的问题，在加强燃烧调整的同时，继续加大对投产后的设备治理，应从三个方面的治理着手：一是强化对制粉系统的重点治理；达到彻底解决煤粉均匀性问题。二是局部完善燃烧器的结构；防止锅炉产生黑色的焦炭和油枪雾化喷嘴堵塞、卡涩的问题。三是优化燃烧调整，强化煤炭质量管理，减少排渣量.
4.2针对我厂燃用煤种，设计锅炉磨煤机出口温度为65℃～70℃。我厂Ⅳ期磨煤机正压制粉，抗爆能力强，鉴于我厂近年来入炉煤质下降，挥发分降低，灰分增高，远远达不到设计煤种的要求。对于直吹式制粉系统，可将磨煤机出口设计温度由70℃改变为75℃～80℃。国内兄弟电厂的运行经验证明，将燃烧器入口一次风粉混合物温度提高10℃，锅炉的排烟温度可以下降5℃，能提高锅炉效率0.275%，则降低煤耗0.99 g /Kw.h。
4.3由此看出，设计制造方面在引进消化吸收新技术时，应慎重全面考虑，多走访用户，尽量选用成熟的技术。从设计、制造、施工安装角度，对于表面温度较低的一次风煤粉管道保温不能忽视，如果增加保温层后锅炉燃烧器入口的温度得以提高，提高了燃烧器入口的一次风温度，不但减轻燃烧器通道的煤粉沉积，而且可使煤粉燃烧更加安全彻底，缓解锅炉结焦，每年还能节约大量的燃煤，达到节能减排的效果。

作者简介：
李京修：山东烟台，男，1968年8月出生，1991年东北电力学院毕业，同年分配到山东邹县发电厂热工分场。高级工程师职称，现担任邹县发电厂副厂长职务。主要从事发电厂生产管理工作。