1、煤质特性
随着国内煤炭市场供应的日益紧张，越来越多的火电厂难以燃用设计煤种。某电厂在掺烧低热值、高灰分的无烟煤（或者高硫煤）时，出现了严重的燃煤结焦及燃烧不稳等现象。
该电厂2006年投产2台300 MW汽轮发电机组，三大主机均为哈尔滨锅炉厂生产，锅炉为HG -1021/18.2 - PM27型、亚临界参数、单炉膛结构、一次中间再热、自然循环汽包炉，呈n形半露天布置。锅炉采用四角布置双通道+宽调节比(WR)+燃尽风反切( OFA)直流式燃烧器、切向燃烧方式、固态排渣。制粉系统采取中间储仓式热风送粉系统配钢球磨煤机。设计煤质特性见表1。
由于适炉煤源紧张且煤价过高，为降低燃煤成本并确保机组稳定生产，2009年以来，该电厂主要燃用贵州煤和湖南本地煤。贵州煤煤质基本参数为：低位发热量为18 500～20 500 U/kg，干燥无灰基挥发分为9%～13%。全硫分为3%N6%。所配湖南本地煤基本参数为：低位发热量为13 500 ~17 000kj/kg，干燥无灰基挥发分为17%～30%，全硫分为0.8%~2.0%。贵州煤挥发分较低，接近于无烟煤，着火特性和燃尽特性均较差。本地煤挥发分较好，但热值偏低，不利于机组带负荷需要。
为提高燃烧经济性，配煤方式采用“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”，即在4套制粉系统中，A，C磨煤机上贵州煤，B，D磨煤机上高挥发分低热值低硫分混合煤，在实际运行中，确保B，D磨煤机中有1台以上运转。由于电厂B，C磨煤机细粉分离器下有裤衩管，可同时向2个粉仓输粉，当B或C磨煤机运行时，可通过裤衩管确保2个粉仓煤质基本均匀。
采用上述掺配方式后，粉仓内的煤粉煤质基本情况为：热值约18500kj/kg，干燥无灰基挥发分为14%～20%．全硫分为2%～5%。在这种煤质的状况下，机组带负荷能力基本正常，锅炉正常运行中燃烧基本稳定，锅炉效率基本可维持在90～91%，但是炉膛结焦情况却日益突出。锅炉跌大焦块导致燃烧不稳、燃烧器喷口结焦、粉管烧损等现象均有出现。
三门峡富通新能源主要销售生物质锅炉，这种生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料，如下图所示：
2、结焦现状
自2009年年底以来，某电厂大量燃用贵州煤，锅炉经常出现燃煤结焦的状况，5层燃烧器，除A层结焦较轻外，其余4层均有较为明显的焦块或焦渣，尤其是C，D层燃烧器区域。炉内跌落大焦块的情况时有发生，捞渣机经常被焦渣卡死或者直接被大焦块砸偏链条。B，C层双通道燃烧器由于风速较低，燃烧器喷口经常出现焦块堵塞烧结的情况，严重影响炉内燃烧稳定性和粉管运行安全性。炉内跌落大焦块时，炉膛负压剧烈波动，运行人员被迫投油助燃。另外，由于燃煤结焦严重，火检信号也跟着受影响减弱。
为及时发现并处理结焦，该电厂安排有经验的人员专人负责查看，每天巡视炉内结焦情况，根据需要可直接采取人工从看火孔处打掉焦块的措施。另外，每次停炉后，需要安排人工入炉搭架子清理火嘴及水冷壁卫燃带上的焦块。
3、结焦原因分析
锅炉结渣问题在煤粉炉中是比较普遍的，锅炉结渣的原因较多也较为复杂，涉及锅炉设计、燃烧器布置方式、设计煤种以及实际运行煤种的特性及其差异、炉内气流的空气动力场状况、运行氧量等方面。
3.1煤质的影响
煤质对炉膛结焦的影响主要体现在煤灰特性上：一是煤灰的熔融特性，主要是指变形温度；二是灰渣的黏性。一般灰熔点低的煤容易结渣，与此同时，低灰熔点的灰分通常黏附性也强，因而增加_『结渣的可能性。
在运行条件变化时，煤灰的结渣特性也可能会变化。如炉膛温度升高、受热表面积灰导致壁面温度升高、炉内局部产生还原性气氛，都会使煤灰的结渣倾向增加。实际煤质与设计煤质偏差很大是造成炉膛结渣的主要原因之一，灰的熔融特性是判断燃烧过程中是否发生结渣的一个重要依据。
电厂的设计煤种全硫分为0. 42%，其灰熔特性的变形温度、软化温度和流动温度均大于l 500℃；校核煤种全硫分为0. 40%，其灰熔变形温度为1485℃，软化和流动温度大于1 500℃。从理论上讲，灰熔点变化范围与煤灰中氧化铝和氧化硅的成分比例有关，与硫分没有直接关系，但是与燃烧的环境中硫分产生的影响有关系，随着燃煤中硫分的增加，会导致煤灰的灰熔点温度下降。贵州煤的全硫分为2%～7%，煤炭供应商提供的数据显示，其灰熔点为1 280℃。湖南省电力科学试验研究院实测金竹山电厂燃用的云南、贵州煤（全硫分为3.08%）的灰熔点为1250℃。一般把灰熔点1350℃作为锅炉是否易于结渣的分界线，煤灰软化温度越高，锅炉越不易结渣；反之，结渣严重。
当然，贵州煤燃烧后结焦情况与其所配烧的煤种有直接关系。从电厂实际燃烧情况来看，如果全燃烧贵州高硫煤，有时候炉内结焦反倒不很严重，只是掉小焦块较多，这说明焦在炉内产生了但是并没有能结成大块。后来贵州煤掺烧湖南地方煤后，结焦情况反而趋于严重且焦块较大。
3.2炉膛温度水平
炉内燃烧器区域的温度越高，煤灰越容易达到软化或熔融状态，结渣的可能性就越大。影响燃烧器区域温度水平的因素很多，主要有锅炉断面热负荷、燃烧器区域的壁面热强度、燃料的发热量、水分含量、卫燃带布置以及锅炉负荷的变化等。炉膛燃烧器区域热负荷或容积热负荷偏高．在燃烧器区域燃料燃烧释放出的大量热量没有足够的水冷壁受热面来吸收，导致燃烧器区域的局部温度过高，造成燃烧器区域的结渣。另外，水冷壁积灰，会使水冷壁吸热量减少，炉膛温度升高，导致结焦。当灰渣撞击炉壁时，若仍保持软化或熔化状态，易黏结附于炉壁上形成结渣，尤其是在有卫燃带的炉膛内壁，表面温度很高又很粗糙，更易结渣，而且易成为大片焦渣形成的源头。表2为电厂4#锅炉在220 MW负荷下的温度测量结果。
从炉膛温度看，整体上炉膛温度基本正常，但炉膛温度分布较为不均匀。C，E层间，炉膛局部温度明显偏高。在220 MW负荷下，最高温度已经达到1418℃，远远超过高硫煤的软化温度。
从几次停炉后进入炉内打焦的情况来看，电厂炉内卫燃带挂焦严重，部分燃烧器附近也有挂焦的现象。虽然电厂采取了减少卫燃带、调整配风等手段，但由于煤质发生根本性变化，结焦现象并未缓解。
3.3火焰贴墙
对于采用四角切圆燃烧方式的锅炉，当煤粉气流受到气流刚度较差、邻角气流的撞击等影响而引起火焰贴墙时，极易引起结渣。锅炉在实际运行中，由于炉内气流组织不佳，易造成火焰中心偏移。譬如，四角上的燃烧器风粉动量分配不均匀，致使实际切圆变形，高温火焰偏离炉膛中心等。当然，喷燃器的安装或检修不良对结焦也有很大影响，如切圆直径过大、中心偏斜等，都可能使火焰贴墙造成局部温度过高而引起结焦。因此，必须保持燃烧中心适中，防止火焰中心偏斜和贴边，这些问题在空气动力场试验及其后的运行调整中要特别注意。
电厂在大、小修后均做了冷态空气动力场试验，其切圆应严格按照锅炉设计说明书进行。但是，随着机组运行，风门挡板调节变化、配风变化、煤粉细度变化以及一次风／二次风的调节变化，必然会影响火焰中心变化。尤其是煤种变化后，煤粉着火的距离等明显改变，也会影响实际的燃烧切圆。当某一个燃烧器烧损或者粉管磨损漏粉退出运行后，对炉内火焰中心的影响更大。
3.4过量空气系数
当炉内局部过量空气过小且煤粉与空气混合不均匀时，可能产生还原性气氛，而煤粉在还原性气氛不能充分氧化，灰分中的Fe203被还原成Fe0，Fe0与Si02等形成共晶体，其熔点温度就会降低，有时会使熔点下降150~ 200℃，因而，结渣倾向随之增加。或者，采用高煤粉浓度燃烧方式时，由于燃烧放热过于集中，使局部区域温度升高且处于还原性气氛，结渣也会倾向严重。
在电厂设计选型的时候，引风机的裕量较小，加上空气预热器积灰较为严重且脱硫系统的烟气换热器GGH( Gas - Gas Heater)有明显的堵塞，在实际燃烧过程中，机组带负荷到290 MW时，炉内燃烧就出现明显的供氧不足，炉内氧量一般在3%以内，甚至出现低于1%的情况。高负荷阶段缺氧燃烧，加剧了炉膛结焦的产生和发展。
3.5煤粉细度的影响
粗煤粉的燃烧时间比较长，当煤粉中粗煤粉的比例增加时，容易引起火焰延长，导致炉膛出口处的受热面结渣。一般煤粉细度变大，煤粉变粗，煤粉中的粗颗粒很容易从煤粉气流中分离出来与水冷壁发生冲撞；此外，粗颗粒燃尽需要相当长的时间，常常贴壁造成还原性气氛而增加结渣的几率。
电厂的配煤方式为“分磨制粉、仓内掺混、炉内混烧”，实际上是通过配混煤粉达到配煤的目的。对贵州低挥发分高硫分高热值煤的煤粉细度一般控制在R90 =10%～13%，对高挥发分低硫分低热值煤的煤粉细度一般控制在R90=20%左右。相对于贵州煤的干燥无灰基挥发分数据，其煤粉细度还是偏高的，但为了保证高负荷情况下制粉出力以及配比要求，贵州煤的煤粉细度难以进一步提高。
3.6吹灰的影响
煤质灰分超过设计值导致受热面积灰增多，为保证锅炉燃烧稳定，低负荷下不进行炉膛吹灰或者当吹灰器出现异常时，会导致炉内水冷壁表面积灰难以及时清除。水冷壁表面的积灰造成炉内温度异常升高、积灰在温度升高下熔融形成结渣。因此．吹灰不正常也是造成结焦加剧的主要原因。
3.7给粉机运行状态
给粉机给粉量不均衡会导致煤粉量变化，特别是给粉量变化大时，在配风保持不变的情况下，不仅容易造成锅炉燃烧扰动熄火，还会造成锅炉结焦。
某电厂的给粉机是老式给粉机，变频器容量偏小且特性较差，给粉机转速指令微小的调整粉管温度就会大幅急剧变化。某电厂试验改进了几个给粉机，变频器换型加大容量后，卡涩情况明显减少，但给粉均匀性仍然不能令人满意。
3.8制粉系统影响
由于某电厂受条件的限制，配煤方式通过B，C2套制粉系统的裤衩管交叉倒粉入2个粉仓，达到均匀配煤的目的，该2套制粉系统必须长周期运行，在设备异常情况下，配粉就无法执行。另外，由于交叉倒粉的落粉管在粉仓的位置所限，不可能均匀地将所磨制的不同煤粉混合，造成粉仓煤粉不均匀，对应的给粉机下粉的煤质也不同，所以，实际效果很不理想。
在进行空气动力场试验时，需要考虑到均匀通风和均匀煤粉，这与实际燃烧有较大偏差，可能会导致炉内燃烧不均匀和局部温度偏高，这些因素都会导致燃煤结焦的发生。
3.9运行人员调整的人为因素
当设备及煤质一定的时候，人是决定性因素。由于电厂机组采用委托维护运行模式，运行人员不属于电厂人员的管理机制，在应对高硫煤结焦方面，运行人员不是积极主动地摸索经验并实施，而是被动地处理结焦和火嘴问题。
4、减缓结焦的技术措施
4.1配煤掺烧保证煤质均匀
在煤质不能根本改变的情况下，电厂积极响应华电集团公司号召来加强配煤掺烧，在技术改造的实施过程中，从煤场另外加1条配煤皮带，采取双皮带同时取煤上煤。实现了在煤场完成配煤的目的，从源头上解决了配煤问题。经过采取煤仓落煤混合、磨煤机磨煤混合、交叉混粉等措施后，使得煤粉仓内煤粉均匀，使得四角风粉分配的均匀性变好，减少对燃烧工况的变化。
4.2配风调整控制
一次风速度过低，则一次风射流的刚性下降，煤粉气流易过早发散直接冲刷壁面而产生结渣。冲击对面炉墙从而防止炉膛结渣。一次风速过高，则其动量过大，易冲击下游一次风粉气流造成下游煤粉偏斜刷墙，造成燃煤结焦。因此，为避免结焦，特定煤质在不同工况下应当有适当的风速。
该电厂请湖南省电力科学试验研究院专家摸索试验，使一次风速控制在适当的范围内，具体反映在运行操作上就是将每个一次风门挡板开度固定并做记号，规定60%，80%，100%负荷率下对应的一次风压和二次风压，同时，也对相应情况下的二次风配比方式缩腰程度做出规定。运行人员只需要按规定操作就可以保证实际与试验结果的一致性。对于特殊煤质特别是高挥发分煤的燃烧工况还做出了专门规定，对于周界风、制粉系统出口温度等予以规定，主要是防止烧火嘴。
4.3氧量控制
制订专门措施，增大炉内的过量空气系数。将炉膛出口氧量由原来高负荷下的3.0%尽可能提高到不低于3.5%（这可能与机组带高负荷有一定冲突）。加大运行中过量空气系数，增加配风的均匀性，防止局部热负荷过高和产生局部还原性气氛。
4.4设备改造
(1)通过对给粉机的变频换型改造，调整四角上的燃烧器风粉动量分配达到均匀状态，保持高温火焰中心位于炉膛断面的几何中心处。
(2)改造B，C制粉系统交叉倒粉的裤衩管开度调节装置，由气动可中停式改为带反馈的电动门。
(3)对于运行小时数多的B，C磨煤机来说，要及时更换衬板和检修钢球，以确保其出力和细度。
(4)对现场与分散控制系统(DCS)开度不一致的风门挡板予以校核、重新标定、检修甚至换型，以确保动作灵活。
4.5 严格规范运行操作
(1)严格进行吹灰操作，使水冷壁和过热器、再热器表面保持基本干净。
(2)严格规定配风方式的执行考核力度，保证试验结果得到落实。
(3)每次停炉后，必须检查炉内结焦情况并督促检修处理。每次停炉后风烟系统顶微正压，查找密闭不严的地方并予以消除。
(4)坚持“逢停必检”，消除吹灰器、燃烧器、捞渣机等缺陷，尽可能清理空气预热器等。
4.6加强考核与沟通
由于该电厂2台机组的运行维护是委托方式，运行人员在生产中只接受受托单位的生产指令。为了使电厂的生产意图得到很好的落实，合同规范、考核与沟通协调显得尤为重要。
5、结论
(1)煤质对于炉膛结焦具有决定性影响。在煤质变化多样情况下，保证人炉煤质的稳定均匀是重要措施。从电厂的配煤掺烧实际情况来看，煤质均匀后，锅炉跌落大焦块和捞渣机卡跳的现象有了明显的好转。
(2)运行中配风、氧量等对于锅炉结焦有重要的影响。通过试验确定合适的一次风速，调整二次风配风方式，可有效改善炉膛温度场均匀性，有利于减缓结焦。
(3)给粉机下粉状况对于炉内燃烧负荷分布有重大影响，为提高燃烧稳定性和均匀性，必要的设备改造必须坚决执行。
