300MW四角切圆燃烧锅炉是我国目前的主力火力发电机组，随着煤质劣化，300MW机组也发生了锅炉炉内结渣的情况。研究锅炉炉内结渣原因，制定相应的措施对保证火力发电机组的安全运行具有重要的意义。
从根本上看，结渣是一个复杂的物理化学过程和流体力学过程，至今还没有能定量描述结渣过程的数学模型。以下针对炉内结渣问题分析了成因及防止措施，综述了国内部分300MW机组防结渣的改造措施。
2、炉膛结渣的原因及危害
2.1炉膛结渣的主要原因
结渣是指炉膛中灼热的灰渣与未燃尽的煤粉冲刷到水冷壁、过热器或卫燃带上呈液态或半液态粘附其上结成紧密的灰渣层。产生结渣的三个要素为：
1)煤的成分及组成（灰熔点、灰成分和灰黏度等）。
2)炉内温度水平（炉膛截面热负荷、炉膛容积热负荷、燃烧器区域热负荷等）。
3)气流带着熔融或半熔融的灰颗粒冲刷到受热面上（这与锅炉炉膛及燃烧器结构、燃烧器布置、炉内空气动力工况和运行调整等都有关系）。对于四角切圆燃烧锅炉而言，造成炉膛壁面结渣的主要原因有：
1)燃烧器结构型式不合理，炉内空气动力场不佳，炉内气流实际切圆直径较大或炉内气流旋转中心偏离炉膛几何中心过大，使得含有未燃尽的、熔融的煤粉颗粒的一次风煤粉气流冲刷炉膛壁面。在矩形炉膛中尤为明显。
2)炉膛结构和设计参数不合理，炉膛截面热负荷、燃烧器区域壁面热负荷过高，使得运行中炉内温度局部过高，灰粒冲刷炉膛壁面时仍呈熔融状态。锅炉容量增加后更明显。30码期期必中生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗粒机、木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
3)分级燃烧过程中，炉内空气动力场组织不合理，导致炉膛壁面附近呈还原性气氛。由于灰熔点在还原性气氛下往往要比氧化性气氛下的低许多，故易造成炉膛壁面结渣。
4)所燃用煤种的煤质特性为易结渣煤质。灰开始软化温度低于1350℃的煤，在煤粉锅炉中几乎都会严重结渣，尤其是大容量锅炉。但是，由于炉膛壁面结渣与炉内空气动力场有着密切关系，改进炉膛、燃烧器设计和组织良好的空气动力场可以有效地减轻炉膛壁面结渣，甚至完全避免结渣。
2.2炉膛结渣的危害
锅炉结渣对锅炉运行的危害相当严重。炉内一旦发生结渣，如不及时采取有效的防治措施，渣快就会越结越厚，越结越大，破坏炉内的空气动力场，使燃烧过程恶化。若在燃烧器喷口附近结渣，则会烧坏燃烧器喷口；若炉膛壁面大面积结渣，则炉膛火焰中心温度和炉膛出口烟温升高，锅炉效率降低，引起蒸汽温度偏高或热偏差增大，并发高温腐蚀，使过热器挂焦，甚至造成过热器超温爆管。有时大渣块从炉膛上部落下来，将冷灰斗冷壁管砸扁、砸断，甚至将炉膛拉断，造成恶性重大事故、大块焦渣卡在出渣口，致使锅炉无法排渣而造成堆渣事故，被迫停炉。若大渣块突然掉进湿式裂化水箱中，冷渣水瞬间大量汽化，使炉膛负压剧烈波动而造成灭火，还可能发生炉膛爆炸和下部排渣装置的严重爆炸事故。另外，炉膛避免结渣造成受热面吸热不均，导致水动力工况恶化，引起水冷壁爆管‘列。
3、防结渣改造实例
3.1DG1025/18.2- 1112锅炉
锅炉情况：四角切圆燃烧，配固定百叶窗式水平浓淡直流式煤粉燃烧，燃料为贫煤；炉膛四角燃烧器自下而上分15层布置喷口。一次风和三次风喷口均布置有周界风。顶二次风和CC二次风反切150，以利于消除烟气残余旋转，减少炉膛出口两侧烟气偏差。锅炉采用钢球磨煤机、中间储仓、热风送粉系统。
存在问题：一直存在着炉渣可燃物含量较高，渣量偏大，炉渣可燃物含量平均在18%以上，并且燃烧器区域存在明显结焦，这严重影响了电厂的经济运行。改造措施如下：
1)通过对不同配风方式（二次风缩腰配风、倒宝塔配风、均等配风和正宝塔配风）进行对比试验发现：运行中二次风的配风方式最好采用缩腰配风，该方式渣量小且炉内可燃物含量较低，锅炉效率最高。
2)对二次风不同的缩腰程度进行试验发现，投用周界风后，炉内切圆直径有所减小；近壁面风速明显变小；水冷壁表面出现较高的氧化氛围。周界风的投用不仅起到保护燃烧器喷嘴的作用，还对增强一次风刚性，减小一次风切圆直径，使煤粉集中在炉膛中心燃烧，在水冷壁四周形成较强的氧化氛围，防止水冷壁结渣等有重要影响。
3)合适的二次风CC开度为30%-40%之间。当炉内风粉气流受到反切的二次风CC作用后，气流中煤粉颗粒的旋转运动速度变慢，容易下沉；减小CC风量，过落渣量明显减少。但CC开度也不宜太小，太小使该区域缺风，燃烧温度下降，并影响炉渣及飞灰可燃物含量。
4)减小下层给粉机转速，在锅炉负荷不变的条件下，可以抬高火焰中心高度，同时减少炉渣可燃物含量，提高锅炉效率。
改造结果表明，周界风的投用有利于防止水冷壁的结渣和高温腐蚀，且锅炉效率有所提高。
3.2亚临界自然循环汽包锅炉
锅炉情况：设计燃用铁法烟煤（铁法煤都有一定的结焦性），采用中速磨直吹系统，切向布置直流式摆动燃烧器。
存在问题：多年运行中，炉内始终存在着一定的结焦问题。
主要改造措施：
1)燃烧器的改造：采用水平浓淡燃烧器及一次风喷口的周界风不等宽布置，较多的风布置在背火侧，可以确保燃烧器附近水冷壁处于氧化性气氛中，同时采用一、二次风不等切圆的布置方式能有效地解决结焦问题。一、二次风不等切圆的布置方式就是将一次风喷口射流向二次风喷口射流相反方向偏转一定角度，将煤粉气流向炉膛中部转移。这样不仅可以降低水冷壁墙面煤粉浓度和氧量消耗，形成水冷壁附近的氧化性气氛，还可以适当降低近墙面的热负荷，这都有利于防止局部结焦，其作用是在炉内形成“风包粉”的总体流动工况，从而减轻燃烧器区域水冷壁结焦。
2)适当增大送风量。在允许条件下增加送风量，一般取过量空气系数为1.2，但如燃煤灰分因含铁量高而结焦严重时，则过剩空气系数可取1. 22—1. 25。
3)适当增加一次风刚性。对于燃用高挥发分的烟煤，可选取较高的一次风速，以增加火焰刚性，减小气流偏斜倾向，避免结焦。可对比其他电厂一次风速情况适当调整。
改造后，燃烧器区水冷壁基本清洁，大块结焦情况完全消除；改造后在满负荷运行工况下，NOx排放量最低可达424.1mg／Nm3(折算到a=1.4)，远低于现行国家环保标准650 IIg／Nm3，取得了明显的经济效益和社会效益。
3.3亚临界压力控制循环锅炉
锅炉情况：设计煤种为神木煤。
存在问题：由于神木煤的灰熔点很低，虽然在设计中已采用了二次风反切圆燃烧等先进技术，但在BMCR负荷下连续运行时，仍出现了炉内严重结渣的问题。
主要改造措施：
1)对烟道内原安装的4个氧量表的CRT值的误差标定，发现原左右侧4个氧量表的CRT值均有严重偏差，误差最大的达104%，导致对燃烧风量的判断不准确，应及时更换。
2)空预器漏风致使炉内局部区域呈还原性
气氛燃烧，加剧了炉内结渣强度和范围。应修改
CRT的总风量显示模式，充分考虑空预器漏风对风煤比的影响，使CRT显示风量与实际人炉风量一致，即应同时显示入炉风量和总风量，并以入炉风量和炉内氧量作为调节燃烧的参数，以总风量作为监测空预器漏风率和风机运行耗能的参数。
3)由于大部分喷口内一次风速偏高，特别是最上排E磨所对应的4个喷口，其一次风速均高于设计值20%，导致最上排喷口喷出的煤粉偏粗，部分未燃尽的粗粉颗粒有可能粘结于炉膛出口的屏及对流管束上。因此一次风速过高，特别是E磨的风速太高，也是300MW机组锅炉在高负荷时炉内严重结渣的重要原因之一。应更换E磨的一次风量测量装置，并确保将E磨得风量调整到合理值。
4)由于部分二次风门存在开度不足的问题，导致二次风量不足。由于总风量不足，一次风速又偏高，使得二次风量严重不足，一二次风配比失当，这是导致BMCR工况下炉内严重结渣的主要原因之一。应及时更换或修复一些与CRT显示有较大偏差的风门。在高负荷时开足二次风门及周界风门，以确保一二次风的合理匹配。
5)各一次风喷口间煤粉细度偏差较大，有些一次风中的煤粉还较粗，这对燃烧效率的提高和防止炉内结渣都是不利的。应进一步调平一次风，并将各磨间煤粉细度及均匀性调节好。
6)通过试验表明，利用锅炉负荷变化时炉温变化可大大减轻和清除炉内结渣，采用高低负荷变化的合理的运行方式是防止炉内严重结渣的有效措施之一。利用昼夜间锅炉负荷的变化，可使炉膛水冷壁及分隔屏上的松渣在低炉温冷缩时清除掉，从而避免出现炉内严重结渣。
7)采用ABDE磨运行方式与采用BCDE磨运行相比，炉膛火焰温度要低些，这对防止炉内严重结渣是有利的。建议在BMCR工况下按ABDE磨方式运行，
8)加强吹灰是防止炉内严重结渣的主要手段之一，特别是在BMCR负荷下，更应加强吹灰。建议在BMCR工况下，吹灰次数应比日常运行时增加l一2倍。
改造结果表明，合理准确地控制人炉风量，采用燃煤掺烧技术以及采用高低负荷变化的运行方式是防止炉内严重结渣的有效措施。
3.4 DG1025/18.2-II型锅炉
锅炉情况：亚临界压力参数、一次中间再热、单汽包、自然循环、单炉膛、平衡通风、尾部双烟道、固态排渣、煤粉汽包炉。锅炉设计煤种为晋东南无烟煤和贫煤各半的混煤（由于燃煤的供应关系，后来改燃用澳洲混煤），采用钢球磨中间储仓式热风送粉系统，四角布置直流式煤粉燃烧器，切圆燃烧。每只燃烧器各有8层二次风喷口，4层具有稳燃作用的多功能船体一次风喷口和2层三次风喷口组成。
存在问题：锅炉运行以来经常结焦，大量掉焦把冷渣斗的排渣孔堵死，炉膛负压过大，导致锅炉灭火。
主要改造措施：
1)根据有关文献及燃烧含硫煤的大量运行经验表明：随着含硫量的增加，锅炉的结渣现象加剧。由于澳洲混煤含硫量大，为0. 61%，灰熔点低，较容易结焦。由于澳洲混煤为严重结焦程度类型，可通过按一定比例掺烧越南无烟煤改善燃烧状况和结焦程度。
2)通过4号炉停炉后实地观察以及对该炉空气动力场试验表明，因上次大修期间未对假想切圆校正而引起假想切圆偏大，进而导致燃烧器周围以及水冷壁严重结渣。应校正切圆的偏离误差，使切圆符合设计值。
3)因吹灰不及时而导致4号炉严重结渣。要求每天对锅炉受热面全面吹灰4次，特别是易结焦的部位。
4)4号炉的直流燃烧器喷口钝体易让煤粉气流在燃烧器周围产生回流，处于熔融或半熔融状态的粉粒和灰粒就很容易粘附在高温的卫燃带上，形成结焦，而且燃烧器周围壁面上一旦形成了焦，就会恶性循环，结焦会愈来愈严重。故应适当增加易结焦部位二次风量，保证燃烧区域受热面附近处于氧化性气氛下。
改造1年多来，锅炉结焦状况较轻微，没有再发生过掉焦灭火事故，渣斗堵渣现象也消除了，锅炉的安全、经济性水平有了很大的提高。
3.5 DG1025/18.2-116型锅炉
锅炉情况：为东方锅炉厂制造的亚临界压力、一次中间再热、自然循环、固态排渣煤粉炉。该炉采用四角布置直流摆动式煤粉燃烧器，四角气流轴线在炉内切于2个假想圆，切圆直径分别为D700mm和D1000mm，按逆时针方向旋转，其中1、3号角气流切小圆，2、4号角气流切大圆。每角燃烧器分为上、下2组，上组与下组之间拉开1. 94m，其目的是改善炉内空气动力场和降低燃烧器区域壁面热负荷，防止该区域水冷壁结渣。上组布置2层一次风喷嘴，内装有船形稳燃器，喷口周围设有周界风。该炉制粉系统采用冷一次风正压直吹式，配有MPS - 200型中速磨煤机和密封风机各5台，锅炉最大负荷时4台运行、l台备用。该炉设计煤种为85%义马混煤+15%新安煤，属易结渣煤种。
存在问题：该炉投运以来结渣问题影响机组带到额定出力；高负荷运行时炉内结大渣，特别是掺烧部分低灰熔点煤种时结渣更甚。由于炉内结渣严重，机组不得不降负荷运行，因此炉膛严重结渣是困扰机组满发和安全生产的主要问题之一。
主要改造措施：
1)燃用煤灰熔点低、结渣性较强，配煤缺乏有效手段，煤质难以稳定，因此，对燃用结渣性较强的多矿煤，为改善结渣状况，研究各矿煤的灰熔特性，确定不同煤种较合理的掺混比至关重要。
2)炉内四壁均结渣且发生在背火侧，说明炉内气流实际切圆较大，易使含粉气流在高温部位贴壁结渣。该炉冷态模化试验表明，随着炉膛高度增加，燃烧器射流形成的切圆增大，自下数第3层一次风开始出现气流触墙现象，越高则越严重；在保持总二次风量不变前提下，减小上、下组中间部位二次风的份额可在一定程度上缓解气流偏转、减轻炉内结渣趋势，但调整配风方式不能解决根本问题，其主要问题是设计切圆直径过大。采取在各一次风喷口背火侧内壁分别加装一块导流板，以调整偏折角来减小实际切圆大小，这不仅可改善喷燃器出口主射流两侧补气条件，而且对易结渣煤种，有助于防止或减轻气流贴壁结渣。
3) -次风喷口内装有船体稳燃器，降低了一次风射流的刚性，加剧了射流偏转，使着火提前，提高了燃烧器区域的温度水平。采取割除一次风喷嘴内船形稳燃器，并缩小喷口截面，以保证一次风出口速度与原设计基本一致。
改造后，在采用与设计煤质相近情况下实现了机组满负荷时炉内不结渣，确保了机组安全经济运行；该炉自改造后运行以来尚未发生过炉内掉大渣造成降负荷和停炉问题，产生了巨大的经济效益和社会效益。
4、炉膛结渣的防止措施
通过对上述机组防结渣的技改措施分析可以总结出，对已投运的锅炉发现结渣严重和改为燃用易结渣燃料时，可从以下措施人手以保证水冷壁附近形成氧化性氛围和炉膛内形成风包粉的结构，同时保证合理的一二次风刚性以防止结渣：
1)首先要建立良好的炉内空气动力场，选择合适的一、二次风速比，合理的切圆直径和合理的正反切动量比。
2)采用合理的燃烧器布置方式，选择合理的高宽比、一二次风射流角度，保证气流刚性；可布置偏置周界风、侧二次风，在水冷壁面附近形成氧化性气氛以防止结渣。一次风燃烧器选用水平浓淡燃烧器，可以提高机组稳燃性能，也可在一定程度上减缓结焦。30码期期必中生产销售的生物质锅炉以及木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料是客户们不错的选择。
3)加强煤质管理，采取有效配煤措施，在低灰熔点，高含硫量的煤中掺加高灰熔点，低含硫量的煤，改变入炉煤的掺烧比。一般掺烧20%一40%低结渣性煤，改变人炉煤的结渣性能，改善锅炉运行性能，使结渣得以减轻。
4)认真进行锅炉燃烧调整及冷态空气动力场试验，保持同一层四个角的一次风煤粉喷口的气流均匀和二次风速相等，保证合理的切圆直径和足够的气流刚性，确保炉内保持良好的空气动力工况。改变配风方式和磨煤机运行方式以保证锅炉在良好工况下运行。
5)在易结渣部位加装吹灰器和打渣孔。
5、结束语
对于煤粉锅炉的结渣问题，要在理论分析的基础上，参照有关机组成功改造的经验，，并结合锅炉具体参数和运行工况，寻找切实可行的防治结渣措施，指导锅炉机组的安全经济运行，减轻锅炉结渣危害，提高锅炉效率。
