锅炉 | 煤粉炉结渣原因与对策的详细解读（干货珍藏版）

煤粉锅炉炉内结渣原因与对策的分析研究

许传凯

（西安热工研究院 西安 710032）

1 结渣机理

当灰渣颗粒接近温度相对低得多的受热面表面附近区域时，受到急剧的冷却而被完全固化，粘附性大大降低，因此，干净的水冷壁或过热器受热面一般不易产生结渣。

结渣的形成过程是，在煤粉燃烧过程中，总会有细小（<30μm）的灰粒在受热面表面不断的沉积，其初期结构松散，厚度在锅炉运行后不久会趋于相对稳定，只影响烟气与工质的传热，不会破坏锅炉的正常运行。但若这初始积灰层含有铁、碱金属的氧化物或硫化物时，会形成低熔点的共熔混合物，这种沉积层的结构致密，粘附强度大，会使沉积灰层厚度逐渐的增加，导致受热面结渣。此外，当较大的熔融或半熔融状颗粒，特别是边燃烧边打到壁面时，由于熔渣对金属和耐火材料，以灰渣之间的相互湿润性，粘附强度大，会使沉积层厚度增加，由于热阻加大而灰层表面温度升高，同时因吸热减少而烟气温度升高，结积速度加快，如此恶性循环，直到沉积层表面呈熔融状。随着灰融熔温度特性及炉内温度高低的不同，这些渣可具不同的形态，或较疏松、或紧密、或呈融熔状。

在墙式燃烧锅炉的旋流燃烧器出口处或切圆燃烧煤粉锅炉的角偶处，有时会出现结焦，这是聚积的煤粉在高温和缺氧的条件下析出挥发分后形成的焦块。

这里也可见结焦（clinkering,coking）与结渣（slagging）是完全不同机理的两种不同的现象，在煤粉燃烧锅炉中最常见的是结渣而不是结焦。

2 结渣原因分析

煤粉锅炉炉膛内受热面的结渣通常发生在三个部位，冷灰斗、燃烧器区域水冷壁和炉膛上部出口区域的屏式过热器等，特别是后两个部位更为多见。它们是在一定的条件下形成的，影响因素很多，主要是煤灰成分、炉膛温度环境、火焰冲刷受热面和烟气还原性气氛。

2.1 煤质特性

不同煤种煤灰的结渣特性相差甚远，主要与灰的化学成分及其矿岩结构特性有关，前人的研究巳总结出了很多的结渣特性判别准则，在不少文献资料中均可查到，主要包括灰的熔融温度、灰渣粘温特性和灰成分。

研究结果表明：既没有任何一项准则可以完全正确地预报结渣倾向，但任何一项准则又都有相当的可靠性（～70%），其中灰软化温度ST、硅/铝比SiO2/Al2O3及碱/酸比较好，比较常用（见表）。

一般说来，灰的熔融温度特性中，变形温度越低，则结渣性越强，软化温度与变形温度越接近，结渣性越强；熔渣粘度低的更易湿润受热面；因此，灰熔融温度低和熔渣粘度低的煤灰易结渣。

灰成分中CaO、 MgO、 Na2O、 K2O与Fe2O3， FeS2的含量高的结渣性强，

其中Na2O、 K2O含量高者灰沾污性强；

Al2O3和SiO2的含量高的结渣性就弱。

锅炉燃烧设备的设计不能适应强结渣性煤种时就会发生炉内严重结渣问题。

例如，我国典型的强结渣性煤种—神华煤：

电厂锅炉实际燃用神华煤的煤质特征如下：

① 水分高，全水分 Mt 一般在 10~16%，空干基水分 Mad 一般为 6~9%；

② 灰分低，绝大部分商品煤干基灰分在 6~10%之间；

③ 干燥无灰基挥发分 Vdaf 为 30~39%；

④ 收到基低位发热量较高，Qnet,ar 为 22.5~24.5%MJ/kg；

⑤ 含硫量低，干基全硫量 St,一般都小于 0.5%，收到基全硫 St,ar 一般为 0.3~0.5%；

⑥ 煤灰熔融性温度低，变形温度 DT 为 1100～1150 软化温度 ST 一般为 1150~1200℃;

⑦ 灰成分中碱性氧化物比例大，碱酸比B/A一般在 0.4 以上，CaO含量高,在 10~30 之间，

Fe O 也高，一般为 8~15%。

西安热工研究院曾进行过几种神华煤的着火、燃尽及结渣性能试验，结论为神华侏罗纪煤极易着火、极易燃尽，但结渣性能趋于严重。

当锅炉燃用非设计的结渣性煤种时将出现炉内严重结渣现象。

例如，盘山电厂 500MW 机组锅炉改烧神华煤时，炉内水冷壁出现大面积的严重结渣。

2.2 炉膛与燃烧器设计

炉膛的设计与燃烧器的设计布置对炉膛内受热面的结渣有十分重要的影响。对同一种结渣特性的煤，在不同设计的炉膛与燃烧器的锅炉运行中，受热面的结渣程度会有很大差别，因此需要认真研究和不断的总结经验。

2.2.1 炉膛

在锅炉炉膛的选型设计中，以下几个热力特征参数和几何尺寸至关重要：

1) 炉膛容积放热强度

它基本上反映了在炉内流动场和温度场条件下燃料及燃烧产物在炉膛内的停留时间，在给定的输入热功率（B Q ）条件下，q 愈小，说明锅炉炉膛愈大，停留时间愈长，对煤粒燃尽愈有利，炉壁结渣的可能性也愈小，特别是炉膛上部及其出口处。例如，绥中 800MW机组谈判中要求制造厂加髙了炉膛 6m，原设计燃烧结渣性较弱的晋中烟煤，现也可燃烧结渣性强的神华煤，在国产的300MW机组锅炉中，类似这种情况也较多，这对减轻炉膛上部水冷壁及髙温受热面的结渣是十分有益的（当然，决不是越髙越好）。

2) 炉膛断面放热强度

它反映了炉膛水平断面上燃烧产物的平均流动速度。q 愈小，断面平均流速愈低;一般认为此时气粉流的湍流脉动和混合条件可能减弱，会使燃烧强度和着火稳定性也有所减弱，但在高温区的停留时间有所增加，也会有利于减轻水冷壁表面的结渣。例如，某台 700MW机组锅炉炉膛断面放热强度为 4.28 MW/m ，大多数 600MW机组锅炉的炉膛断面放热强度为～4.7MW/m ，而在燃烧同样强结渣性煤时，前者要好得多(当然这不是唯一的因素，如该炉燃用煤粉细度也较细)。

3) 燃烧器区域壁面放热强度

它在一定程度上反映炉内燃烧中心区域的火焰温度水平。q 愈小，燃烧中心的温度水平愈低些;相对较大的燃烧器区域空间和较低的温度水平有利于减轻该区域壁面结渣的倾向。例如，上海石洞口二厂 600MW机组锅炉，由于燃烧器分段，避免气流贴壁，同时使q 降低 q =1.316MW/m ，所以结渣现象相对较轻。当采用炉内整体空气分级燃烧技术时，由于燃烧器区域过剩空气系数<1.0，甚至仅为 0.85;燃烧推迟，更应慎重选取上述各热力参数！

总之，选用较低的qF、qB将有利于防止结渣。

4) 炉内水冷壁表面燃烧带的敷设

对挥发分比较低的难燃煤种，炉内水冷壁表面燃烧带的敷设对维持燃烧区域火焰温度，保证煤粉气流的着火与稳定燃烧有十分重要的作用。但耐火涂料表面却是良好的结渣基地，因此其敷设的方式、位置与面积的大小十分讲究，如果敷设不当将导致严重结渣，上安电厂 350MW机组锅炉下炉膛和德州电厂 660MW 机组锅炉都在投运初期因燃烧带敷设过多导致严重结渣，危及安全运行，不得不经过几次改造---打掉部分燃烧带，造成很大损失。类似情况在其它低挥发分煤锅炉中也时有发生。

2.2.2 燃烧器的设计与布置

燃烧器的结构设计与布置对运行性能有直接影响，为防止炉内受热面结渣，应组织良好的炉内空气动力场，不良的空气动力场会出现火焰偏斜，不仅燃烧不完全，而且会出现局部还原性气氛、气流刷墙和局部高温等现象，往往引起结渣。

※ 燃烧器的设计

对旋流燃烧器应注意出口扩展角不应太大，旋流强度不宜过大，防止因出现“飞边”或直接冲墙现象而造成结渣;

对四角布置直流燃烧器应注意如下几点：

1) 直流燃烧器一、二次风的切圆不宜过大;

2) 选取的风速合理，一次风速不宜过低，否则煤粉气流出口着火距离过近,喷嘴易烧损，易结渣;

3) 必要时宜将燃烧器分成二或三段，其间拉开一定距离，改善两侧补气条件，燃烧器射流两侧压差减小，以避免气流严重偏转或贴壁;此外，采用墙式切圆燃烧方式也有利于避免气流偏转或贴壁，防止火焰直接冲墙。

※ 燃烧器的布置

1)上排一次风中心到屏下缘的距离h1

该距离也称火焰高度，它在一定程度上反映了最上层一次风喷口喷出的煤粉在炉内的最短可能停留时间。h 愈高，停留时间愈长，煤粉燃尽愈有保证，也有利于降低屏区进口烟气温度，减小高温受热面沾污结渣的倾向。当采用OFA或S-OFA低NO 燃烧技术时，该距离应适当加髙。

2)下排一次风中心到冷灰斗上折点的距离h3

这一距离既影响到炉底大渣可燃物含量的大小，也会影响冷灰斗区域壁面的结渣，当四角切圆燃烧炉膛采用摆动燃烧器，特别是燃用严重结渣煤时，务必保证足够大，以免下摆时造成冷灰斗结渣。某台 660MW 机组锅炉曾因下一次风喷口销子断裂而下垂，至使冷灰斗严重结渣，影响安全运行。采用旋流燃烧器墙式对冲燃烧时，该距离可以比较小。

3)侧边燃烧器中心到侧墙的距离

采用旋流燃烧器墙式对冲燃烧时，由于燃烧器出口旋转气流的扩展，燃尽或未燃尽的煤粉颗粒可能被甩到侧墙壁面上，引起结渣（或水冷壁的高温腐蚀），这除了与燃烧器性能有关外，两侧靠边的燃烧器中心到侧墙的距离必须足够大，对燃用严重结渣煤或含硫量较髙煤种时，更应放大。例如，对于 300MW 机组锅炉，一般该距离为～3.3m，燃用严重结渣或高硫煤种时，该距离宜加大到 3.5～3.8m。

2.3 辅机的匹配

在实践中常遇到因磨煤机制粉出力的限制，为保证负荷而不得不使煤粉细度很粗，造成燃烧推迟，火焰中心上移，引起受热面结渣;也曾遇到个别电厂因某种原因，非要燃用煤质相差很大的非设计煤种，使制粉系统不能适应，如在燃用低挥发分煤的锅炉中燃用结渣性烟煤等；同样，在实践中也常遇到因风机选型设计中风机选小了，送风机与一次风机都有类似情况，陕北有台锅炉烧神华煤出现的结渣现象最为典型。

2.4 运行工况的影响

锅炉运行工况的变化和调整对炉内受热面的结渣状况有相当大的影响。

2.4.1 锅炉负荷变化

由于炉内火焰温度随着负荷的升高而升高，炉内受热面的结渣倾向也逐渐增加，所以，有些锅炉不得不因此而降负荷运行。

2.4.2 O2 ----运行中风量的大小

O2不仅对煤粉的燃尽有影响，而且对炉膛火焰温度及烟气气氛有影响，通常情况下，O2 小，即过剩空气量少，则火焰温度相对较髙，易出现局部还原性气氛，致使炉内受热面结渣倾向增加。

2.4.3 一、二次风量与风速的大小

对于旋流燃烧器，两者的适当配合，可以获得较为理想的火焰形状，不至于出现 “飞边”、强旋转气流冲刷侧墙等恶劣现象;对于直流燃烧器，两者的适当配合，可以获得良好的炉内空气动力场，不至于出现一次风粉气流严重偏转或贴壁，不会因火焰冲刷壁面而产生严重结渣。

在炉内低过剩空气量下运行或火焰偏斜、局部冲刷墙壁时烟气环境会呈现还原性气氛，此时灰渣中铁主要以FeO形态存在，使灰熔融温度大大降低，结渣倾向增大（在氧化性气氛中，铁以FeO 的形态存在，灰熔融温度高）。

2.4.4 煤粉细度

煤粉细度及其均匀性指数对燃烧有重要关系，煤粉越细，越容易燃尽，越粗就越不易燃尽，就有可能产生火焰刷墙，或火焰中心上移，引起结渣;均匀性指数 n 越小，则煤粉中的粗颗粒越多，自然，燃尽就差，同时也易产生火焰冲刷壁面，或因此而使火焰中心上移，引起结渣。

2.4.5 燃烧器之间的风粉分布的均匀性

燃烧要求煤粉及时着火，并与空气及时均匀地混合。若出现某只燃烧器的粉多空气少或粉少空气多的不均匀分配情况，都可能使燃烧不良，使燃烧延迟、火焰冲刷壁面、或局部区域呈还原性气氛等，引起结渣。墙式对冲燃烧时，侧边燃烧器的负荷过重，即粉量过多时易造成侧墙结渣；四角切圆燃烧时，下排燃烧器负荷过重，可能使煤粉离析增多，或冷灰斗上局部温度增高，可能造成冷灰斗上部区域水冷壁结渣。这种燃烧器之间风粉分配不均匀现象对燃尽及控制NO 的排放都十分不利。

2.4.6 吹灰

为了保持受热面的清洁，在锅炉炉膛及对流烟道，合理布置足够数量的吹灰器是必不可少的，而且必须采用实践证明是有效可靠的吹灰器，在锅炉运行期间进行定期或不定期的吹灰。实践中常会遇到因吹灰器布置不足、或不能正常投运、或因吹灰器型式选用不当而造成炉内受热面严重结渣或积灰的现象，影响锅炉安全运行。

3 对策研究

3.1 新建锅炉的设计

为使锅炉燃烧设备能与设计燃用的煤质特性相匹配，应注意如下各条。

1) 在新建或扩建锅炉前必须对煤源进行深入的调查研究；

2) 对主要煤矿按有关标准采取代表性煤样进行煤质特性分析，结合各矿可能的供煤量，确定设计煤种和校核煤种，并进行其着火燃烧、结渣、沾污、磨损等特性研究；

3) 制造厂应根据上述煤质特性数据，根据相关标准，例如，DL/T831-2002《大容量煤粉燃烧锅炉炉膛选型导则》、JB/T10440-2004《大型煤粉锅炉炉膛及燃烧器性能设计规范》等进行精心的炉膛造型设计，对燃用结渣性强的煤种更要细致，必要时宁可增加投资，也要采取多方面的措施保证锅炉可靠安全运行，不出现严重结渣现象。例如，对 600MW锅炉烧强结渣性的神华煤时，目前看来，炉膛热力特性参数取以下值为好：

4) 制造厂还应切实结合已运行锅炉的经验，采用性能优良的燃烧器，加以合理的布置。

5) 近年来，有些制造厂为了防止结渣（或高温腐蚀）在冷灰斗和燃烧区水冷壁设置了贴壁风，都会有一定的效果，但其位置的选择与风量的大小将是关键。

6) 此外，还应选用合适的磨煤机及其制粉系统，磨煤机选型时应有足够的容量裕度，并从发展的眼光看，采用动静式旋转分离器是适宜的，既可使煤粉细度调节十分方便！（R90 =3～25%），会使煤粉均匀性指数有较大改善（n=1.2～1.5），与同型号磨煤机相比，出力可提高 5～10%。

3.2 运行调整对策

锅炉运行工况的变化和调整对炉内受热面的结渣状况有相当大的影响，对非设计的先天性原因发生的结渣，通常可通过燃烧工况的优化调整得到减轻或消除。例如：

1) 适当增加总风量，

2) 调整一、二次风量和风速;

3) 改善燃烧器之间风粉分配的均习性;

4) 减小煤粉细度;

5) 有意识地减少某些燃烧器的粉量，例如，适当减少上排燃烧器粉量，而增加下排燃烧器粉量，以便降低火焰中心，减轻上部水冷壁结渣，或减少下排燃烧器粉量，以减轻下部水冷壁结渣;又如墙式燃烧锅炉，适当减少侧边燃烧器粉量，降低两侧墙附近的燃烧强度，减轻其结渣倾向;

6) 加强吹灰;

7) 利用较大幅度降负荷使结渣掉落;

8) 必要时降出力运行，乃至不得不改铭牌;

如运行中出现燃烧器区水冷壁严重结渣，会导致炉膛出口烟温升高，过/再热汽温升高，此时若将燃烧器下摆，可能使炉膛下部温度升高，引起燃烧器下部、甚至冷灰斗的结渣，形成“恶性循环”；如因屏过结渣而汽温偏低，运行中将燃烧器上摆，导致屏过结渣更严重时，也将产生“恶性循环”！都应及时采取措施，必要时应及时降负荷运行，甚至立即停炉，以免造成严重事故！

3.3 燃用煤质控制

近年来，煤炭市场的变化使电厂常常不得不燃用非设计煤种，煤种多变，煤质下降，带来不少运行问题，其中结渣也是比较多出现的问题之一，一般情况下，可通过来煤控制及燃烧优化调整获得改善或解决，常用的办法有：

1) 加强进煤的检测和控制;

2) 掺烧结渣性弱的煤种，例如神华煤掺烧石炭纪的保德煤，并加强混煤，既可在煤场上掺混，有条件时也可通过输煤皮带掺混（例如，来宾 B 厂）；

也可上煤时实施不同煤种燃烧器分层燃烧，例如，吴泾、石洞口二厂等，石洞口二厂掺烧方式为：6 层煤粉燃烧器中，两层投大同优混，其余 3 层（1 层备用）投神木煤，大同优混一般投在中间两层（C、D 层），有时投在最下两层。

也可采用结渣性强的煤种与弱的煤种交替轮换燃烧，使巳有结渣在燃烧弱结渣性煤时掉落减轻，例如，珠江电厂曾采用过。

3.4 设备改造

当由于设计制造的先天性原因，而又无法掺烧结渣性弱的煤种时，就不得不进行设备改造了。例如：

1) 某 600MW 机组锅炉，掺烧少量弱结渣性煤的同时，炉膛上部屏区增设吹灰器;

2) 某 500MW 机组锅炉不得不在炉膛内增设水力吹灰器。

3) 某 130t/h 锅炉，因燃用高水分高结渣性煤，不设常规的吹灰器而设置了少量的声波吹灰器，结果因严重结渣而无法运行，只得进行燃烧设备的大改造，其中包括采用常规的蒸汽吹灰器和水力吹灰器。

4) 上例 600MW 机组锅炉还将利用检修期间，对过热器受热面做适当的调整改造，以期克服“恶性循环”问题。

5) 对低挥发分煤锅炉炉膛水冷壁敷设燃烧带而造成严重结渣时，应根燃烧调整实测数据进行科学计算，打掉部分或全部燃烧带;或按煤质燃烧需要，调整燃烧带敷设的位置与面积。

6) 曾有燃用神华煤的 135MW 机组锅炉，投产后一直因炉膛严重结渣而不能正常运行，燃烧调整发现主要是因送风机、一次风机出力严重不足，一方面磨煤机出力受到限制，煤粉变粗，同时造成炉内严重缺风，在还原性气氛中灰渣融熔温度降低，火焰温度升高，造成燃烧器区域壁面结渣，同时，也因燃烧推迟，火焰中心上移，造成炉膛上部或出口区域的高温受热面结渣，通常只能带到 100MW。经风机改造后，一次风机出力增加了～40%，送风机出力增加了～50%，结渣现象也随之大大减轻，现巳可达到 135MW。

4 实例分析

以燃烧神华煤的 600MW 机组切圆燃烧锅炉为例。

4.1 锅炉主要参数如下表

※ 括号中为某 600MW 工程全烧神华煤锅炉的新设计方案数据。

4.2 运行分析

由上表可见，当全烧神华煤时，TD 电厂锅炉运行中出现炉膛上部严重结渣，特别是分隔屏更甚，又因过热汽温度偏低，燃烧器需上摆运行，由此引起两者的恶性循环。

石洞口二电厂锅炉燃烧器为分段布置，燃烧器射流两侧压差减小，使一次风气流不易贴壁，由此也使q 比较小，有利于降低燃烧器区域火焰温度，结渣较轻；珠海电厂的炉膛设计特点是断面比较大，断面放热强度比较低，q = 4.28MW/m ，在现有 600MW级锅炉中是最低的，采用带动态分离器的中速磨煤机，煤粉细而均匀（R =3～10%，且粗颗粒少），使煤粉极易燃尽，此外，煤粉喷嘴外围是向背火侧偏置的（即背火侧出口较向火侧宽）周界风，因此，不仅燃烧效率很高，结渣较轻，而且实测表明，炉膛出口两侧烟温偏差也很小。

上述三厂锅炉运行比较可知，TD 电厂锅炉炉内结渣还可能与燃烧器的设计布置存在缺陷有关。多年实践经验表明，通常一次风对冲气流是不稳定的，当受到扰动时极易改变旋转方向，二次风集中在外围，燃烧器区壁面不易结渣（实际运行中也是如此），但很可能因一次风粉集中在中心而不能及时与二次风充分混，不能很快燃尽（有计算机数值计算表明上排一次风煤粉在炉内停留时间仅 1.0s，同时也表明在燃烧器区域风粉混合很差，到 OFA 以上才逐渐较好地混合），燃烧推迟，火焰中心上移，导致炉膛上部及出口区烟温升高，受热面结渣严重，而其余二厂要轻得多。

因此，可以认为：TD 电厂锅炉上部及出口区受热面严重结渣的根源很可能在于燃烧器的设计与布置，加之炉膛结构及过/再热器受热面设计方面的不足，导致运行困难，不得不采取掺烧弱结渣性煤及增设吹灰器等措施;

4.3 对策研究

4.3.1 权宜措施

加强燃烧优化调整，但对TD电厂无法取得根本性的改善；中午或晚上大幅度降负荷运行，比较有效；适当降低煤粉细度（现为R =15～23%），但受磨煤机出力限制，难以实现；掺烧弱结渣煤，可得到有效的控制。

此外，我们还应从其他大型锅炉的重大事故中，牢牢吸取教训，即在运行中一旦出现严重结渣时，必须及时采取运行措施，必要时应紧急停炉处理！

4.3.2 设备改进

研究燃烧器的设计与布置，如将一次风由对冲改为小切圆，同时适当调整二次风的切圆方向与大小；在炉膛上部屏区及出口水平烟道处增设长吹灰器；适当增加低温过热器受热面；磨煤机增设动静式旋转分离器。

4.3.3 新设计锅炉方案

根实际运行经验，对新设计燃烧神华煤的锅炉炉膛热力参数的选用如表; 也不难看到表中“新设计改进方案”的数据是吸取了正反经验而得出的，比较合理。

燃烧器的设计与布置应吸取巳有的经验，首先保证煤粉及时而完全的燃烧，同时采取措施防止结渣，看来采用燃烧器分段及偏置周界风是可取的，对于一次风对冲，二次风启/消旋的设计还有待进一步研究与完善;

优化过热器、再热器受热面的匹配，克服过热汽温偏低、再热汽温偏高的矛盾;

对于强结渣煤种，必需设置足够多的实践证明是有效的吹灰器，决不能采用声波吹灰器;

磨煤机选型时，应有较大的出力裕度，并宜采用动静式旋转分离器。

5 结论与建议

（1） 新、扩建锅炉工程前期应对未来燃用的主要煤种及其煤质特性进行深入的调查研究，获得设计煤种与校核煤种的结渣特性；

（2）锅炉设计中特别应根据煤的结渣特性采取有效措施，防止炉内结渣，那怕是增加投资；

（3）当运行中发生严重结渣时，应认真进行分析，加强燃烧调整，及时采取运行对策;并吸取以往的事故教训，防止重大事故的发生，必要时应及时降负荷运行，乃至紧急停炉；

（4） 通过试验研究对设备进行适当的技术改造。

～ END～

本期编辑：电小二
来源：许传凯 西安热工研究院

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