0、引  言
    神華煤是一種高揮發分、高熱量、低硫、低灰分燃料、易著火且燃燒穩定、但又具有嚴重的結渣和粘污現象的煤種，如果在爐內不能有效地調整好空氣動力場、容積熱負荷和截面熱負荷的相互關系，將對鍋爐的安全和經濟運行產生嚴重的威脅。因此，在燃燒其他煤種的鍋爐上改燃神華煤，必須對其結渣和粘污現象加以探討和研究，找出空氣動力場、容積熱負荷和截面熱負荷之間的最佳配比值，并以此來指導對原鍋爐的改造和燃燒器的研制。
1、煤粉爐結渣機理分析
    鍋爐結渣是個很復雜的物理化學過程，下面對鍋爐結渣的一些最新研究結果作一評述。
1.1燃燒過程中灰分的形態變化
    通常，煤中的無機物可分為三類，即原生礦物質、次生礦物質和外來礦物質。原生礦物質主要來源于形成煤的植物生長過程，基本上以分子狀態均勻分布于煤中，其在煤中的含量很小，一般不超過2%～3%。次生礦物質是指在成煤過程中，因地殼變動使外界泥沙混入煤層中的礦物質，離散地、較均勻地分布于煤粒中。而外來的礦物質則是指采煤時混入到煤層中大塊或層狀的巖石，它具有原礦物質的一般特性。在煤破碎時有些外來礦物質可能從煤中分離出來。有些研究者也將原生礦物質和次生礦物質總稱為內在灰分，而外來礦物質則稱為外在礦物灰分。
    三種灰分在煤中的存在形態不同，在燃燒過程中其形態變化也不同。對原生灰分，與煤中有機物聯系的Na離子、K離子及其氧化物在高溫下揮發成氣態。對于與煤有機體相連的Ca和Mg離子，當煤燃燒，煤顆粒表面邊界層中的含氧量足夠低時，也會導致鈣和鎂的揮發，但是揮發性的鈣和鎂一旦到氧化性氣氛中便會迅速的氧化生成lum的小顆粒。揮發性的鈉、鉀、鈣一方面在殘留灰粒表面發生非均相的冷凝，生成低熔點的灰粒相；另一方面，也發生均相成核凝結，生成0.02~0.5um灰塵微粒。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
    對于離散分布在煤中的次生煤灰，在煤粒燃燒過程中，隨著碳的消耗，離散的灰粒發生積聚；或者，碳燃燒時發生破裂，灰粒也跟著破裂，形成不同尺寸的灰粒。
    對于外在灰分，有些灰粒在燃燒過程中熔化，粘接在一起形成較大的灰粒；而有些灰粒隨著碳粒在熔化過程中爆破，形成較小的殘留飛灰。
    由于飛灰在爐內的生成機理不同，使得飛灰顆粒尺寸呈雙峰形分布，如圖1所示，第一個峰在lum左右，第二個峰在10 N12um。第～個峰值是灰分積聚和破裂后的殘留飛灰。在極大多數情況下，殘留飛灰的尺寸上限為單個煤顆粒的尺寸，尺寸下限為煤顆粒中單個灰粒的尺寸。
1.2灰粒向水冷壁的運輸過程
    灰粒向水冷壁運輸是結渣的重要環節。灰顆粒的運輸機理主要有三類：第一類為揮發性灰粒的氣相擴散，第二類為熱遷移，第三類為慣性遷移。對于尺寸小于lum的灰粒和氣相灰粒的運輸，擴散運輸是最重要的。主要有三種擴散機理：費克擴散、小粒子的布朗擴散、湍流漩渦擴散。
    對于小于10um的顆粒，熱遷移是一種重要的輸送機理。熱遷移是由于爐內溫度梯度的存在而使小粒子從高溫區向低溫區運動。研究表明，熱遷移是造成灰分積沉的重要因素之一。
    對于大于10um的顆粒，慣性力是造成灰粒向水冷壁運輸的重要因素。當含灰氣流轉向時，具有較大慣性動量的灰粒離開氣流而撞擊到水冷壁面。灰粒撞擊到水冷壁面上的幾率取決于灰粒的慣性動量、灰粒所受阻力、灰粒在氣流中的位置以及氣流速度。在典型的煤粉爐中，氣流的速度為10—25 m/s，直徑為5一10um的灰粒就有脫離氣流沖擊水冷壁的可能性。
1.3灰渣在水冷壁上的粘結和結聚長大
    灰粒的粘接與管壁的表面溫度、初始灰渣層與管壁的熱和化學兼容性、熔融顆粒的表面張力有關。
    由于灰粒的形成機理及運輸機理不同，灰渣在管壁上沉積存在二個不同的過程。一個為初始沉積層的形成過程。初始沉積層是厚度為0.2一0.5 mm的化學活性高的薄灰層，是由尺寸小于5um的灰顆粒所組成的。對于具有潛在結渣性的煤，初始沉積層主要是由揮發性的灰分在水冷壁上冷凝而成。對于潛在結渣性較小的煤，初始沉積層由揮發性灰分的冷凝和微小顆粒的熱遷移沉積共同起作用而形成。另一個沉積過程為較大灰粒在慣性力作用下沖擊到管壁的初始沉積層上，當初始沉積層具有粘性時，它捕獲慣性力運輸的灰顆粒，并使渣層迅速地增長。
    由于初始沉積層主要是由揮發性灰分的冷凝和微小顆粒的熱遷移引起的，因而從工程角度考慮，很難防止初始沉積層的形成，不過好在初始沉積層并不對鍋爐的安全運行構成威脅。造成鍋爐安全運行構成威脅的主要岡素是慣性沉積。
2、控制爐內結渣的主要因素
2.1煤質潛在結渣性評估
    煤質潛在的結渣性與煤灰的組成成分、存在形態、熔化特性溫度和粘溫特性等因素有關。
2.2灰粒的運輸過程（爐內空氣動力場）
    由于擴散和熱遷移是很難控制的，并且由于初始沉積層并不會影響鍋爐的安全運行，因此在考慮采取防結渣技術時，應將重點放在如何控制灰粒慣性撞擊上。
    減小爐內氣流切圓直徑，降低煤粉細度均可減小煤灰顆粒向水冷壁的慣性遷移，有利于減輕結渣。
    在現代的大型四角燃燒鍋爐中，經常采用貼壁風、同心反切、左右濃淡分離、淡側位于背火側等技術來達到防止結渣的目的。
    (1)爐內溫度的控制
    對于由慣性力作用而撞擊到水冷壁上的煤灰粒子，并不一定就會產生粘接。
    初始沉積層本身特性對捕獲慣性撞擊煤灰粒子具有重要的作用，對具有潛在結渣傾向的煤，初始沉積層主要是由揮發性的灰冷凝而形成。而對于潛在結渣傾向小的煤，初始沉積層有一部分是由小顆粒的熱遷移產生的，對慣性撞擊灰的捕獲能力較小。
    灰粒撞擊水冷壁是否會發生粘附將取決于下列因素：灰本身的熔化溫度；爐內的溫度水平；灰粒向壁面運動時受冷卻的程度。
    基于以上的分析，可概括出影響爐內結渣的三個要素：煤的潛在結渣傾向；灰渣顆粒的慣性撞擊；爐內溫度及其分布。
    結渣過程各個要素的方框圖見圖2。
3、強結渣性鍋爐的設計探討
    影響爐內結渣的三個要素之中，煤的潛在結渣傾向無可改變。為此，要使具有強結渣特性的神華煤能夠安全經濟地燃燒，只能從防止煤灰顆粒的慣性撞擊和控制爐內溫度及其分布這兩個方面對燃燒系統進行優化。一般改燃神華煤的電廠都希望在不改變鍋爐本體結構的前提下，而只對燃燒器結構進行改造，以期達到鍋爐的最佳運行工況、穩定燃燒、解決爐內結焦，提高機組性能。
    對于燃用強結渣性煤質的鍋爐，如果按常規設計運行勢必存在著安全隱患，有可能會出現受熱面結渣、過熱器超溫、鍋爐出力受限制等一系列問題。為此對于燃用這種強結渣性煤的鍋爐應有相應的設計方法，在這方面根據設計和工程經驗，簡單介紹一下筆者參與調研的幾臺燃用強結渣性煤質鍋爐的改造方案。
3.1  甘肅某電廠130t/h燃燒系統改造
    該鍋爐系四川鍋爐廠生產的中壓、自然循環汽包爐、固態排渣，制粉系統為鋼球磨中儲式乏氣送粉系統。主要設計參數：額定蒸發量130 t/h；汽包壓力4.2—4.3 MPa；過熱蒸汽壓力3.82MPa；過熱蒸汽溫度450℃；給水溫度188℃；預熱器入口溫度30℃；預熱器出口溫度34℃：排煙溫度150℃；鍋爐效率90. 79%。
    該鍋爐于1995年投產以來，總體運行良好。但近年來，由于煤種變化等因素，存在著高負荷時爐內水冷壁結焦嚴重、不能在額定出力下長期運行的問題，影響了機組的安全、經濟、穩定運行。
    為了從根本上解決上述有關問題，電廠決定在不改變鍋爐本體結構的前提下，對燃燒器結構進行改造．以期達到鍋爐的最佳運行工況、穩定燃燒、解決爐內結焦，提高機組性能。
3.1.1  改造具體方案
    (1)一、二次風噴嘴向爐內延伸200 mm。
    (2)中二、上二50%的風量沿與爐膛20。的夾角從背火側送入。
    (3)-次風噴口放大，形成上下減縮噴口。
    (4)增加性能風噴口，緊貼一次風噴口背火側布置。
    (5)增設撞擊式水平濃淡燃燒器。
    (6)采用同心反切技術，一次風反切。
    (7)—次風和性能風噴口裝設壁溫測點。
3.1.2  改造后鍋爐性能
    通過運行調節表明，改造后鍋爐帶高負荷的能力增強了，可以超負荷運行（135~140t/h），大負荷下結焦現象得以抑制，主汽不超溫，鍋爐運行參數正常，可燃物含碳量與改造前持平，在燃用運行煤種的條件下，鍋爐可在40% ECR負荷下實現斷油穩定燃燒，長期能夠滿足50% ECR的調峰調度要求。測試結果表明，改造后減小了系統阻力，降低了風機能耗。
    從改造后近幾年的運行狀況看，采用水平濃淡型防結渣技術，從根本上解決了由于水冷壁的結焦問題影響鍋爐的滿負荷出力運行，改造后鍋爐能在設計的氣溫、氣壓等參數下超出力運行。鍋爐經受了高負荷下防止結渣、低負荷穩燃能力的長期考驗。
3.2  410 t/h鍋爐改燒神華煤防焦對策
    北京某熱電分公司410t/h鍋爐是哈爾濱鍋爐廠生產的HC - 410/9.8 - YM15型的高壓煤粉爐，配中間儲藏式制粉系統，熱風送粉的燃燒方式。該鍋爐自改燒神華煤以來，鍋爐結焦問題一直成為安全穩定運行的突出問題。其主要參數：額定蒸發量410 t/h；過熱蒸汽壓力9,8 MPa；過熱蒸汽溫度540℃；給水溫度220C；預熱器入口溫度30℃；預熱器出口溫度330C；排煙溫度135℃；鍋爐效率92.07%。
    由于鍋爐原設計煤種為晉北煙煤，主要設計思想是提高鍋爐的著火和穩燃能力，為了改燒神華煤，該熱電公司重新對燃燒器進行了改造，但設備運行的性能未能完全達到適應神華煤的特性水平，仍然出現結焦現象。
    鍋爐燃燒器改造后仍出現結焦現象，經過分析認為由于鍋爐原設計燃用晉北煙煤，燃燒系統的設計思想圍繞提高著火和低負荷穩燃能力來進行，這樣原有的燃燒系統就成為鍋爐的安全運行阻礙。其主要原因有：
    (1)采用熱風送粉，一次風風粉混合物溫度太高，使著火過分提前。
    (2)燃燒器設計不合理，對于神華煤這種易燃煤種，燃燒器無需預燃室。
    (3)改造后燃燒器性能欠佳，部分二次風噴口截面尺寸偏小，導致二次風速偏高，使高溫回流加強，造成噴口附近超溫結焦。
    (4)水冷壁掛焦，排渣不順，造成爐膛結焦的惡性循環。
    (5)給粉量波動破壞爐內空氣動力場。
4、爐內流場計算和分析
    根據中石化天津分公司410 t/h鍋爐改燒神華煤課題（杭州鍋爐集團股份有限公司制造的NC - 410/9. 81 - M6型煤粉鍋爐）要求，按照理論計算的燃燒器結構尺寸、各個噴口的風速和燃燒器的布置圖，利用Fluent大型流體計算軟件，分為三種工況對爐內流場進行數值模擬計算。
    工況一
    采用一次風反切技術，并采用大風率的側邊風（占二次風量的40%），側邊風的方向與水冷壁成150角噴入。通過模擬計算得出，采用這種方案燃燒器下幾層可取得效果較好的空氣動力場，上幾層氣流實際切圓明顯偏大，氣流有貼邊傾向。
    工況二
    采用一次風反切，側邊風的方向與二次風的方向一致，其他條件與工況一相同。
    結果采用這種方案，爐內空氣動力場比較理想，實際切圓變化不大，在燃燒器區域內實際切圓直徑一般不大于4.5 m，爐內氣流貼邊不嚴重。
    工況三
    采用一次風反切技術，燃燒器的排列采用分組形式，并且側邊風的風向與水冷壁成15 0噴入。
    采用這種方案后，切圓明顯偏大，有貼邊現象，但比第一個工況要好的多。
5、結論
    通過三個工況的數值模擬計算，認為采用工況二實際切圓較小，爐內速度場對稱不貼邊，具有最好的空氣動力場。
遵照中石化天津分公司410 Uh鍋爐燃燒系統的改造原則，對鍋爐本體及受熱面不做大的改動，因此鍋爐的容積熱負荷和截面熱負荷均已確定。但是對燃用具有強結渣性煤質的鍋爐設計來講，特別象神華煤這種極易著火、易燃盡、熱值高且具有嚴重結渣傾向的煤種，該鍋爐爐膛原設計容積和斷面尺寸明顯偏小，為此必須采取其他有效的措施來防止鍋爐的結渣。
    為了該鍋爐能適應神華煤，初步確定從以下幾個方面對鍋爐燃燒系統進行改造。
    (1)調整一次風風溫
    神華煤的煤質特性決定了必須降低一次風風粉混合物溫度，這樣可以防止煤粉著火的過分提前，以防止在噴口附近形成局部高溫區從而產生結焦和燒壞噴口現象。降低一次風風粉混合物溫度的具體措施有兩個：
    1)將原熱風送粉改成乏氣送粉，這樣既可以達到降低一次風風粉混合物溫度的目的，又符合電力規程。
    2)采用溫風送粉，一次風風粉混合物溫度控制在160℃以內，必要時可摻入適量的冷風。
    (2)提高一次風風速
    對于神華煤這種高揮發分、高熱值的煙煤，過小的一次風風速除了易發生偏轉和刷墻外，還由于著火燃燒離噴口過近，容易使噴口燒壞，并使噴口附近受熱面結渣。因此，有必要減小噴口面積，將原設計一次風速由26 m/s提高到30m/s。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
    (3)使用復合新型多功能水平濃淡燃燒器
    復合新型多功能水平濃淡燃燒器是采用高度分級燃燒、低氧燃燒、水平濃淡等綜合燃燒技術的新型燃燒器。其中一次風噴口采用上下減縮型噴口，增強氣流的剛性，防止氣流偏移沖刷水冷壁。并且實現分級送風、低氧燃燒。不僅可以降低NO，和爐內溫度水平，還可以使焦渣的成分發生根本變化，變得疏松而不易粘接，從而達到防止結焦的目的。
    (4)使用一次風反切防結渣技術
    采用一次風反切，側邊風的方向與二次風的方向一致，將一次風噴口相對于二次風逆向偏轉一個角度，使一次風中的煤粉逆向進入上游橫向沖刷的高溫煙氣中，煤粉顆粒被減速，達到使煤粉顆粒停留時間增長、升溫速度加快，穩定、強化爐內著火，降低爐膛出口煙溫偏差，同時可達到減小切圓防止爐內結渣的目的。
    (5)在一次風噴口的背火側增設貼邊風
    所增設的貼邊風與水冷壁形成一定的角度噴入，由此在爐內形成“風包粉”的燃燒方式，并在水冷壁附近形成氧化性氣氛，防止結渣。
    (6)定期為受熱面吹灰
    由神華煤的煤質特性決定，在鍋爐受熱面上不可避免的會有一定的結焦和積灰出現，因此鍋爐爐膛從中排燃燒器到爐膛出口以及在對流受熱面區均布置吹灰器，定期為受熱面吹灰。
    針對原設計中鍋爐摻燒占總燃料的10%一15%的瓦斯，且已出現爐膛燃燒器附近結焦的現象。認為改造后在上二次風噴口位置裝設瓦斯噴口，仍然可以摻燒占總燃料的10%~15%的瓦斯，鍋爐保證能夠安全經濟地運行。它的防結焦措施與神華煤的防結渣措施一致。