燃煤锅炉风粉调平和还原性气氛对结焦影响的探讨

关键词：风粉调平；还原性气氛；氧量；结焦 
一台交付使用的锅炉，其几何尺寸形状、燃烧器的结构、各级受热面的布置、甚至炉膛热负荷等都已定型。尽管设计参数选用恰到好处，结构与布置也理想，但在运行中存在各种各样的因素影响，如气流的波动、一次风中煤粉浓度的差异、煤质的变化等，均对锅炉的结焦有着很大的影响。因此锅炉定型后，运行过程中的调整也就成为减轻和防止结焦的重要手段。
减轻和防止结焦一般采用的方法有：加强一次风刚性、防止气粉混合物直接冲刷炉墙、调整各层风出口风速均匀防止燃烧中心偏移、注意供给燃烧所需要的足够空气量等。本文主要探讨的是一次风的风粉调平和还原性气氛对结焦的影响。
1.风粉调平对结焦的影响
在煤粉炉中，燃烧中心温度高达1400～1600℃，甚至更高，灰份在这个温度下，大多处于熔化或软化状态，烟气和它所携带的灰渣温度因水冷壁吸热面降低，当灰渣撞击炉壁时，若仍保持熔化或软化状态，则将粘附在炉壁上，造成结焦。尤其是在有卫燃带的炉膛内壁，表面温度很高，又很粗糙，更容易引起结焦，更容易成为大片焦渣的策源地。
锅炉的燃烧中心适中，火焰不贴墙（高温气流不冲刷炉墙），减少水冷壁结焦情况是锅炉组织燃烧的首要目的。由于锅炉制粉系统中各输粉管道的阻力特性不同，一次风的空气分配均匀性有差异，其对称燃烧器的风速不均衡，其相应的煤粉携带能力有差异，造成煤粉浓度差异。对四角切圆燃烧器的锅炉就容易导致锅炉同层四角的风粉均匀性差，造成炉膛内切圆偏斜，产生热负荷偏斜、结渣、炉内燃烧工况恶化、飞灰含碳量高等问题。同样地，对前后墙对冲燃烧器的锅炉也容易造成炉膛热负荷偏斜，也容易导致结渣。
风粉调平的仪器是采用煤粉自动等速取样AKOMA系统，如图1所示。弯头式煤粉取样枪通过摆锤在挂盘上逐点移动，实现取样头在煤粉管道内的逐点均匀取样，取样枪用电加热管与带有加热功能的煤粉收集器连接，并用胶管与自动采集装置AKOMA相连。AKOMA通过实时调整煤粉取样流量和测量取样枪内外静压实现自动等速取样，并间隔吹扫静压取样管以防止堵塞。

图1  AKOMA系统示意图
在某电厂660MW机组的锅炉上，采用AKOMA装置进行风量测试和粉量测试。该电厂2号锅炉共有六台中速直吹式磨煤机，每一台磨煤机有4根出口管。对磨煤机的4根出口管进行逐一测试且进行均匀度的比较，作出风量与粉量总结关系如下表1。一般来讲，风速高或低，其携带煤粉的能力也相应的强或弱。在风量均匀和风速相近的条件下，其携带煤粉的能力较相近，粉量也容易相近，但同时也由其它不稳定因素，即使在风速相近风量相近的情况下，也有可能导致粉量不均匀，相应的煤粉浓度也不均匀，例如D磨煤机。
表1    风量及粉量总结关系表

2.还原性气氛对结焦的影响
炉膛贴壁还原性气氛测量，对炉膛结渣的影响判断至关重要。煤灰在还原性气氛中的熔点比大氧化性气氛来得低，这主要是由于煤灰中含有铁的缘故。当Fe2O3被还原为FeO时，灰熔点下降，润湿性增加，粘附力加大，对炉膛受热面来讲，就容易结渣。
在锅炉炉膛这样一个大的范围内，炉膛过量空气系数的分布是不均匀的，总体上燃烧的过量空气系数足够不排除局部的缺氧环境的存在，尤其是炉膛燃烧区域贴壁的过量空气系数水平和CO等还原性气体浓度对锅炉水冷壁的结焦和高温腐蚀具有重要的意义。
产生高温腐蚀的原因是：某些部位的空气不足和煤粉燃烧的过程延长，未燃烬的煤粉在炉管附近分离，使碳和硫聚集在边界层中，未燃烬碳进一步燃烧时又形成缺氧区。由于缺氧，硫的完全燃烧和SO2的形成便发生困难，因而游离的硫和硫化物（硫化氢）便开始与铁发生急剧的反应，从而引起管子的腐蚀。
在燃烧器、高温燃烧区域的空隙处应用水冷抽气热电偶进行还原性气氛测量。测试一个完整的还原性气氛场对炉膛结渣的影响判断有着指导性的意义。
在某电厂660MW机组的锅炉上（满负荷运行，运行的氧量3.29%），采用水冷抽气热电偶对该电厂1号锅炉炉膛四周贴壁的CO浓度进行了测量，测量位置在标高36.73m, 燃烬风上约3m处。水冷枪从看火孔伸入炉膛测量，下图2给出了测量的CO浓度分布结果。

图2  贴壁O2和CO分布（满负荷运行，运行的氧量3.29%）
    从图2可以看出，炉膛贴壁多处区域CO浓度接近或超过1.0%。虽然这些高浓度的CO随燃烧过程的继续而继续氧化燃烧，使CO的真正排放浓度很低，几乎完全燃烧，但这些高浓度CO区域的存在表明燃烧区域的局部缺氧状态，这些区域具有强烈的还原性，在一定的煤质条件下（如含硫量高或含Cl化合物高），将会引起炉膛水冷壁的结焦和高温腐蚀。
为了分析高CO浓度区域产生的原因，在相同负荷下，, 将锅炉运行实测氧量从3.29%增加至3.78%，再次测试炉膛贴壁区域CO浓度。炉膛贴壁的CO浓度分布如下图3所示。

图3  贴壁O2和CO分布（满负荷运行，运行的氧量3.78%）
比较图2和图3发现，当锅炉运行氧量从3.29%增加至3.78%时, 炉膛贴壁多处区域的CO 浓度均低于1.0%，贴壁还原性气氛有所改善；有的区域还原性气氛改善较多，有的区域还原性气氛改善较小。因此在满负荷下，提高锅炉运行氧量，虽然可以降低炉膛贴壁部分区域的CO浓度，改善炉膛贴壁的还原性气氛，但不能完全变成氧化性气氛。
从上述炉膛贴壁CO浓度分布试验结果看，锅炉在额定负荷下运行氧量不宜太低；但运行氧量过高也是不合适的，且局部区域的过量空气系数过高同样会引起强烈的腐蚀，因为这样SO3形成的概率大大增加。
3.结论
a.一般来讲，风速高或低，其携带煤粉的能力也相应的强或弱。在风量和风速相近且均匀的条件下，其携带煤粉的能力较相近，粉量也容易相近。
b.但由于其它不稳定因素影响，即使在风速较相近且均匀的情况下，有可能导致磨煤机出口管的粉量不均匀，相应的煤粉浓度也不均匀。
c.提高氧量可以改善炉膛贴壁的还原性气氛，但不能完全变成氧化性气氛。
d.锅炉在额定负荷下运行氧量不宜太低，氧量过高也是不合适的，氧量过高会使SO3形成的概率大大增加。