0 前言
目前，我國電力工業已步入「大電網、大機組、高電壓、高自動化」的發展新階段，至1997年底，全國運行及其在建的300 MW及以上火電機組已有200多台。然而在國內300 MW及以上機組的運行中，許多鍋爐不同程度地存在爐膛結渣問題，有些甚至引發重大事故。為此，電力生產部門提出許多解決爐膛結渣問題的方法和建議，各運行電廠在實踐中也總結出不少防止爐內結渣的寶貴經驗；作者收集了大量國內外300 MW及以上大型電站鍋爐的有關資料，分析研究了現代大型燃煤電站鍋爐的設計特點。本文僅就防止爐膛結渣問題，總結現代電站鍋爐在設計與運行中應採取的措施，以期與同行共同探討。
1 爐內結渣機理及防止結渣的原則
爐膛受熱面結渣的機理眾所周知，其本質可以概括地表述為：當溫度高於灰熔點的煙氣沖刷受熱面時，煙氣中熔融的灰渣粘附到受熱面上，造成結渣。這裡，關鍵的因素有3點：一是燃料的灰熔點；二是氣流的溫度高於灰熔點時，氣流中的灰渣才呈熔融狀態；三是這樣的氣流只有沖刷受熱面時，才會造成結渣。因此，防止爐膛結渣的措施原則上可從以下幾方面著手：
a. 燃料的灰熔點主要取決於燃料中灰分的成份組成。灰熔點低、灰分高或發熱量高的煤容易發生爐內結渣，設計和運行時必須充分注意。
b. 燃料的灰熔點還會由於爐內的還原性氣氛而下降，而爐內還原性氣氛是不可避免的，這可以通過設法在受熱面附近人為製造氧化氣氛以減輕灰熔點降低傾向。
c. 當爐膛中氣流的溫度很高時，例如燃燒器區域，一定要避免火焰直接沖刷受熱面。這首先應在結構設計上予以保證，在運行操作上更應予以重視。
d. 對易受到煙氣沖刷的受熱面部位，例如爐膛上部分隔屏式過熱器區域，要適當控制該處的煙氣溫度，並加大管屏間距；當煙氣沖刷受熱面不可避免，例如煙氣離開爐膛進入對流煙道時，應保證設計爐膛出口煙溫低於燃料的灰熔點。
e. 爐內結渣還是一個自動加劇的過程，因此運行中要重視經常、及時地吹灰打渣，清潔水冷壁受熱面，防止結渣現象積累加重。
2 爐膛設計中防止結渣的措施
2.1 鍋爐設計的前提
2.1.1 根據實際用煤情況提供設計煤種資料
眾所周知，鍋爐必須按一定的煤質特性來設計製造。因此，正確地選定設計煤種，以期在電站建成后，從煤的產、供、銷、運等方面都得到保證，是使機組能在設計條件下正常運行，充分發揮其應有效益的基本前提，必須充分重視。
2.1.2 根據燃料性質選擇燃燒方式
根據對我國煤質性質及燃燒效果的分析，有些鍋爐結渣並非都是運行不當或設計不正確的結果，而是煤根本不適於所用的燃燒方式。例如固態排渣煤粉爐燃用灰分高、灰熔點過低的煤，就不可避免地會嚴重結渣，而液態排渣煤粉爐或流化床燃燒鍋爐，則恰恰適用於這種煤種。可見根據煤種性質選擇正確的燃燒方式，是避免燃燒某些煤種造成鍋爐結渣的根本性措施。
2.2 正確設計爐膛結構，合理布置輻射受熱面
過去爐膛設計最重要的結構設計指標是爐膛容積熱強度和爐膛斷面熱強度，整個爐膛設計合理的判斷指標是爐膛出口煙溫應低於燃料的灰熔點。然而對300MW及以上鍋爐爐膛設計的研究表明，大型鍋爐爐膛結構設計的指標遠不止這幾項。除爐膛容積熱強度、爐膛斷面熱強度外，還有燃燒器區域的熱強度、爐膛輻射受熱面熱強度、最上層燃燒器中心距分隔屏式過熱器底部的高度、以及最下層燃燒器中心距冷灰鬥上沿的高度等一系列指標。加設這些指標的目的是不僅要滿足爐膛燃燒和傳熱的要求，還要保證爐膛運行安全可靠。
2.2.1 爐膛容積熱強度的選取
研究數據表明，隨著鍋爐容量的增大，爐膛容積熱強度值相對減小。此外，近20 a來北美和西歐環境法規的日益嚴格對鍋爐燃燒技術產生極大的影響，低NOX燃燒原理與傳統的燃燒熱力學理論的矛盾，使國內外都有採用保守設計、適當增大爐膛容積的趨勢。在燃燒一般煙煤時，410 t/h鍋爐的爐膛容積熱強度約為110～150kW/m3，1000t/h鍋爐的約為100～140kW/m3，而2000t/h鍋爐則在80～120kW/m3之間。對於灰分水分多、發熱量低及灰熔點低的劣質煤，該值更應選得小些。例如盤山電廠的500MW鍋爐，其校核煤種軟化溫度為1190 ℃，設計爐膛容積熱強度僅為88kW/m3。
2.2.2 爐膛斷面熱強度的選取
大容量鍋爐爐膛設計中，爐膛斷面熱強度數值的選取比爐膛容積熱強度更為重要，因為這一數值決定了爐膛形狀，直接影響爐內的空氣動力工況。與爐膛容積熱強度相反，隨著鍋爐容量的增大，爐膛斷面熱強度值是相應增大的。研究數據表明，燃燒煙煤時，300MW鍋爐的爐膛斷面熱強度約為3.8～5.0MW/m2，600MW鍋爐在4.4～5.4MW/m2。對灰熔點較低的煤種，則應選取較小值，以防止火焰沖牆造成燃燒器區域結渣。
2.2.3 輻射受熱面的布置
隨著鍋爐容量、參數的增大，為了使爐膛出口煙溫不致過高而引起嚴重結渣，大型電站鍋爐爐膛上部都布置有大量的輻射式分隔屏過熱器，而此處的煙氣溫度仍高於燃料灰熔點，這是爐膛內易造成結渣、積灰的部位。通常設計此處煙溫不可過高，且採用較大的屏間橫向距離(約1.5～3.0m)來防止屏區結渣形成搭橋。
2.3 燃燒器的設計
2.3.1 燃燒器功率的選擇和布置
大容量鍋爐的特點是燃燒器數量多，必須多排布置。近年來，特別受到NOX排放量的限制，趨向於採用單支熱功率較小的燃燒器，因此需用燃燒器區域壁面熱強度反映燃燒器區域火焰集中的情況。燃燒器區域壁面熱強度隨鍋爐容量變化不大，數值大約在1.4～2.0MW/m2之間。對燃用灰熔點低的煤，為防止運行結渣可將高度方向的距離拉開，使燃燒器區域的溫度水平降低。例如盤山電廠的500MW鍋爐，設計燃燒器區域壁面熱強度取值只有0.9MW/m2，保證了運行多年而不結渣。
燃燒器高度確定后，還要校核最上排燃燒器至分隔屏過熱器底部的高度，以避免火焰直接沖刷屏底和滿足火焰有效燃燼高度：校核最下排燃燒器至冷灰斗轉角處的距離，避免火焰直接沖刷冷灰斗斜面。
2.3.2 在受熱面附近人為製造氧化氣氛以減輕灰熔點降低傾向
採用直流燃燒器可在其上下端增設防焦風室。直流燃燒器還可採用低NOX同心燃燒系統(LNCFS)，如圖1所示。偏置的二次風角度可推遲風粉混合時間，抑制NOX生成，同時可使煤粉氣流位於爐膛中心，水冷壁附近為氧化性氣氛，其效果可避免火焰沖牆，提高灰熔點。
低NOX同心燃燒系統
採用旋流燃燒器應使每個燃燒器之間盡量不相互影響，尤其是靠近側牆的燃燒器應與側牆有足夠的距離，以免側牆結渣及發生高溫腐蝕。此外還可在爐膛下部設計邊界屏幕風系統(見圖2)，使下爐膛的爐牆表面形成一層氧化性的屏幕風，提高灰熔點防止結渣。
屏幕風系統
2.4 有關爐膛的其它細節設計
a. 吹灰器是防止爐膛嚴重結渣所必須的設備，同時它還可提高鍋爐效率，是節能的重要手段。因此爐膛必須配置吹灰器，並要保證吹灰器的製造和安裝質量。
b. 在爐膛容易結渣的部位，如一次風噴口處，燃燒器區域的左右側牆邊上，折焰角附近，靠近冷灰斗斜坡處等，應布置觀察孔、打渣孔，並便於運行人員接近作檢查維護工作。
c. 爐膛冷灰斗設計角度應不小於50°，冷灰斗處的水冷壁管和支撐結構應能承受大塊焦渣的墜落撞擊和異常運行時焦渣大量堆積的荷重。
d. 鍋爐爐底除渣設備的可靠運行不可忽視，元寶山電廠和石洞口二廠的600MW鍋爐運行初期發生爐底嚴重結渣，均與除渣設備的設計錯誤和運行不良、排渣不暢有關，因此除渣設備的設計、製造、安裝、施工質量等都應引起充分注意。
3 運行中防止結渣的措施
3.1 加強燃料管理
保證按設計煤種運行是電廠保持良好運行性能的關鍵因素。電廠燃料供應應符合鍋爐設計煤質或接近設計煤質的主要特性(灰分、灰熔點、水分、揮發分)。嚴重不符合本廠鍋爐燃燒要求的燃煤，電廠有權拒絕接收。
煤場存煤要按不同煤質進行分堆，根據實際煤質情況配製入爐煤。有條件時，可摻燒其它不易結渣的煤種(但也要符合設計煤質要求)。每天及時準確地提供入爐煤的工業分析和灰熔點，供運行人員參考，以利鍋爐燃燒調整。
3.2 通過燃燒調整試驗建立合理的燃燒工況，並制定成相應的運行規程
燃燒調整試驗的目的是使鍋爐在最佳工況下運行，其內容應包括：
a. 制定鍋爐在不同負荷下最佳工況運行的操作卡。確定不同負荷下燃燒器及磨煤機的投運方式，防止燃燒器區域熱負荷過於集中；確定鍋爐不投油穩燃的最低負荷，盡量避免在高負荷時油煤混燒，造成燃燒器區域局部缺氧和熱負荷過高。
b. 確定煤粉經濟細度；保證各支燃燒器熱功率盡量相等，且煤粉濃度盡量均勻。
c. 確定擺動式燃燒器允許擺動的範圍，避免火焰中心過分上移造成屏區結渣，或火焰中心下移導致爐膛底部熱負荷升高和火焰直接沖刷冷灰斗。
d. 確定不同負荷下的最佳過剩空氣係數，調整一、二次風率、風速和風煤配比，以及燃料風、輔助風的配比等，使煤粉燃燒良好而不在爐壁附近產生還原性氣氛。避免火焰偏斜直接沖刷爐壁等等。
鍋爐的運行和操作，必須嚴格按運行規程的規定和燃燒調整試驗結果進行。
3.3 加強鍋爐運行工況的檢查與分析，建立正常的運行檢查與分析制度
運行值班人員每班必須對鍋爐結渣情況進行就地檢查一次，發現有嚴重結渣情況，應及時彙報、處理。
專業工程師要定期分析鍋爐運行工況，對易結渣的燃煤要重點分析減溫水量的變化和爐膛出口溫度的變化規律，以及過熱器、再熱器管壁溫度變化的情況。鍋爐在額定工況運行時，若發現減溫水量異常增大和過熱器、再熱器管壁超溫，或噴燃器全部下傾，減溫水已用足，而仍有受熱面管壁超溫時，應適當降低負荷運行和加強吹灰，如已採取降負荷運行等措施仍無效時，應立即停爐處理。
利用夜間低谷運行周期性地改變鍋爐負荷是控制大量結渣、掉渣的一種有效手段。但要防止負荷驟然大幅度變化，以免有可能造成大塊渣從上部掉下打壞承壓部件。
3.4 加強吹灰器和除渣設備的運行和維修管理
鍋爐受熱面吹灰器必須完善投用，運行各值必須嚴格按運行規程對各受熱面進行吹灰。運行人員要加強吹灰器的現場檢查，發現吹灰器因泄漏或卡澀故障或程式控制失靈，應立即手操退出，避免吹壞爐管和燒壞吹灰器。要加強吹灰器的缺陷管理和維修管理，出現問題及時消缺。經常安排少量吹灰器輪流大修，保持吹灰器高的可用率。灰控值班人員應加強對出灰情況的監視和分析，每班要檢查冷灰斗觀察窗，觀察灰坑是否有堵渣現象。若發現渣斗內的堆渣超過斗內的水位，採取措施無效時，應停爐處理。出渣設備發生故障應立即修復，防止水冷壁冷灰斗中產生堆渣現象。
4 結論
4.1 設備選型和設計方案的審定：設備選型與設計是否合理，是機組投產以後能否正常運行和不斷提高可靠性的基礎。因此，電廠應了解合理的設計指標，根據實際用煤情況核實、審定製造廠的設計方案。
4.2 調試和驗收移交工作：調試是由基建進入生產的關鍵工序，驗收是保證設備製造、安裝質量是否合格的重要環節，電廠對這2項工作要加強監督，嚴格要求。
4.3 作好運行前的技術準備工作：通過燃燒調整試驗建立合理的燃燒工況，並制定相應的運行規程。鍋爐的運行和操作必須嚴格按運行規程的規定和燃燒調整試驗結果進行。
4.4 加強運行和維修管理、監督、用制度保證各項技術措施的落實，提高運行人員與管理人員的技術和素質水平。
