ボイラーのスラグおよびファウリング問題の一般的な原因

ボイラーのスラグや汚れ、そしてそれに伴うスートブロワーの頻繁な稼働は、発電所の信頼性と効率に悪影響を与える可能性のある主要な運転および保守要因の一部です。

ボイラーのスラグと汚れは、石炭火力発電所のメンテナンスにおける頭痛の最も一般的な原因の 1 つです。問題を完全になくすことはできませんが、適切な運用とメンテナンスの実践に従うことで、問題に対処する時間と手間を大幅に削減できます。

スラグや汚れの原因と修正に入る前に、スラグとは何かを確認しましょう。

スラグは、石炭の燃焼後に残る溶融灰および不燃性の副産物です。材料が特定の温度まで冷えると、水壁などの炉の構成要素に付着することがあります。これをスラグと呼びます。

微粉炭を燃料とするボイラーは、水壁上の液相スラグを許容できる大きな炉キャビティを備えて設計されています。ただし、炉の出口は、スラグが軟化温度以下に冷却される程度に十分に低い温度にする必要があります。

一般的な瀝青燃料灰の溶融温度は、米国材料試験協会 (ASTM) 規格 D1857 を使用して決定されます。テストを実施するには、円錐形の灰を実験室炉に入れ、炉をゆっくりと加熱します。灰円錐が変形するときの炉の温度が 4 点で記録されます。

最初の点、つまり灰円錐の点が鈍くなるときの温度は、「初期変形温度」と呼ばれます。炉をさらに加熱すると、灰が柔らかくなり、円錐の高さ (H) が幅 (W) と等しくなる温度が記録されます。この値は「軟化温度」と呼ばれます。加熱が続くと、灰円錐は H = 1/2 W までさらにたわみます。この温度は「半球温度」と呼ばれます。最後に、灰の円錐が液体になるときの温度が記録され、灰の「流体温度」と呼ばれます。

現代の研究室では、この方法が最初に開発された当時よりもさらに高度な炉が使用されていますが、灰溶融温度の報告は、依然として同じ 4 つの灰溶融レベル (初期変形、軟化、半球、流体) を使用して完了されます。

実験室試験の目的は、灰がボイラー炉のさまざまな部分にあるときのおおよその状態を判断することです。スラグやファウリングの場合、最も重要な問題は、炉のガスまたは「燃焼生成物」を、灰がベタベタしすぎない温度で炉から排出することです。適切な近似値は、炉の出口ガスが灰の軟化温度よりも約 100°F ～ 150°F 低いことです。

炉出口ガスが流体温度を超えている炉を見たことがありますが、液相灰が過熱器と再熱器を通って流れるボイラーを運転することは可能ですが、石炭灰の腐食と再加熱器の必要性の理由からお勧めできません。灰の堆積を軽減するための、ほぼ連続的な長い格納式スートブロー。

「ファウリング」とは通常、ガスが炉から出た後の対流経路で発生する堆積物を指します。汚れは一般に、過熱器と再熱器の管の前縁 (図 1)、特に金属表面温度が 1,000°F を超える出口脚に形成される灰の燃え殻や堆積物が原因であると考えられています。堆積物はスートブローによって除去されます。

長い格納式のスートブロワーを使用して灰の堆積物を吹き飛ばす場合、灰の粒子が排ガス流に混入して燃え殻が生成され、選択接触還元 (SCR) 触媒の流路が詰まり、エアヒーターバスケットが詰まり、ボイラーチューブに橋がかかる可能性があります。対流パス中。通常、スラグが発生しやすいボイラーの領域は、バーナーベルトから炉出口までです。

熱は最も熱いものから最も冷たいものへと流れるため、1,000F ～ 1,100F の過熱蒸気と再熱蒸気出口を生成するには、炉出口ガス温度 (FEGT) が再熱器ガス入口で約 1,500F 以上である必要があります。再加熱器と過熱器を使用して、必要な蒸気温度を生成します。したがって、スラグを発生させずに望ましい蒸気温度を達成するには、微粉炭燃料ボイラーの FEGT のスイートスポットは約 2,150°F ～ 2,250°F でなければなりません。 2,150F 未満では、設計上の蒸気温度を達成することが困難になります。バルクガスベースで 2,250F を超えると、一部の燃料の灰の融解温度に近くなります。

灰溶融温度が非常に高い燃料は、「ボイラーに優しく」、寛容であると考えられています。灰溶融温度が低い燃料では、スラグの堆積を軽減するために、より正確な燃焼調整とスートブローの増加が必要です。

例として、表 1 に示す石炭灰溶融 D1857 分析を見てみましょう。 ASTM D1857 の灰溶融分析温度を考慮すると、温度がわかっていれば、炉内および炉出口での灰の状態を推定できます。

この例では、石炭灰の分析により、「還元雰囲気」での流体温度が 2,410°F であることが示されています。したがって、燃料が豊富でありながら依然として活発に燃焼している燃焼生成物のレーンがある場合、これは実際には、燃料が豊富な燃焼生成物の特定のレーンにとっては「還元性雰囲気」である。実際には、これは、燃料が多く空気が希薄な 1 つのバーナーが原因で発生する可能性があります。実際、その 1 つのバーナーからの燃焼生成物が炉の出口でスラグを引き起こす可能性があります。

一部の燃料は他の燃料よりも過酷です。石炭灰の鉄含有量は大きな要因です。鉄含有量が 15% ～ 20% もある灰は、還元雰囲気での灰の流体温度が、酸化雰囲気での同じ灰よりも 500°F も低くなります。 NOx に対する厳しい規制制限を伴う現在のプラント操業では、オペレーターが低い過剰酸素レベルで操業する傾向があります。この慣行は、燃料と空気の不均衡と組み合わされて、排ガスレーンの遊離酸素がゼロになる可能性があり、したがって技術的には還元性雰囲気で動作している状態になる可能性があります。

では、どのようにして炉出口に還元雰囲気や二次燃焼を作り出すことができるのでしょうか? 私たちの経験から、ボイラーのスラグや汚れの最も一般的な原因を 6 つ紹介します。

■ 炉内過剰酸素が少ない

■ FEGT 排ガスレーンの極端な階層化

■ 高い一次空気流量

■ バーナーの損傷および機械的状態/許容差の不足

■ 石炭粉砕機の性能が悪い

■ 一貫性のない燃料の特性と化学的性質

炉のスラグの最大の原因は、炉内の酸素含有量が低いことです。ほとんどのボイラーは、理論上の燃焼用空気が 115% ～ 120% になるように設計されています。これは一般に 15% ～ 20% の過剰空気として表されます。石炭炉の場合、酸素レベルは 3% ～ 3.8% になります。図 2 のエコノマイザ出口にある酸素分析計の位置に注意してください。この位置は、炉とエアヒーターの排ガス入口の間の空気の流入により、実際の炉の酸素含有量よりも高い酸素レベルが読み取られることがよくあります。

燃焼は炉のキャビティ内で完了する必要があるため、炉のバーナーベルトの「入力」を最適化するために必要な注意を払うことが非常に重要です。絶対に重要なのは、燃焼生成物が炉から出る前に燃料に十分な燃焼空気流を提供することです。スラグや汚れの最も一般的な原因の 1 つは、上部炉での二次燃焼です。二次燃焼の最も一般的な原因は、バーナーベルト内の過剰酸素が不足していることです。

なぜこれがそれほど一般的なのでしょうか? 理由は 2 つあります。まず、米国のほとんどのボイラーにはある程度の経年劣化があり、ボイラーの設定により空気の流入漏れが長年にわたって増加する可能性があります。酸素分析計は通常、エコノマイザー出口に設置されているため、エコノマイザー出口で測定される過剰酸素には、燃焼が完了した後にボイラー設定に漏れた周囲の空気が含まれます。炉内で過剰な遊離酸素が不足すると、活発な燃焼が延長され、過熱器セクションまで活発に継続します。このような二次燃焼により、排ガス温度は最適値をはるかに上回る 1,000F を超えることがあり、実際に測定されています。

第２の要因は、石炭灰中の鉄含有量が約１０％を超えると、還元性雰囲気中での灰の溶融温度が低下することである。言い換えれば、二次燃焼により FEGT が上昇するだけでなく、石炭灰に多量の鉄が含まれている場合、灰の化学反応により溶融温度が大幅に低下する可能性があります。つまり、還元雰囲気では、酸化雰囲気での溶融温度よりもはるかに低い温度で灰が溶けます。前述したように、灰の融解温度は 500°F も下げることができます。

これら 2 つの要因が組み合わされると、瀝青燃料を燃焼する米国東部のプラントでは特に深刻になります。灰中の鉄分はパウダーリバー流域燃料では大きな要因ではありませんが、二次燃焼はすべてのボイラーとすべての燃料に影響を与えます。

大型実用ボイラーの滞留時間は限られているため、炉への燃料と空気の投入量を最適化する必要があります (図 3)。適切に制御されていない場合、燃料と空気の不一致は、二次燃焼や FEGT の上昇によるスラグや汚れの問題を引き起こす可能性があります。炉への燃料と空気の投入量を最適化し、炉の出口を確実に酸化性雰囲気にすることが、炉のスラグを削減するための第一歩です。

燃料投入の最適化には、次のことを保証することが含まれます。

■ 石炭粉度は次のガイドラインを満たしています。代表的な等速的に除去された石炭粉度サンプルでは、少なくとも 75% が 200 メッシュの篩を通過し、50 メッシュの篩に残るのは 0.2% 未満です。

■ 各バーナーへの石炭の配分は、プラスまたはマイナス 10% のバランスをとる必要があります。

燃焼空気の最適化には、次のことを保証することが含まれます。

■ 一次空気流量が最適化され、空燃比が再現可能です。

■ 測定および制御された二次空気流は、個々のバーナーに均一に分配されます。

■ 測定および制御されたオーバーファイアエアフローが最適化されます。

FEGT と過剰酸素は、水冷高速熱電対 (HVT) プローブで測定できます。 HVT プローブによる測定は、灰溶融温度より約 100°F ～ 150°F 低い最高温度で、最低 3% の過剰酸素でなければなりません。スラグが発生するのは、FEGT が灰の溶融温度に近づくときです。

多くの場合、水冷 HVT プローブを使用して取得される最も有用なデータは、炉の出口、過剰酸素レベル、およびプロファイルです。上部炉のすべてのポイントは酸化性である必要があり、できれば 3% 以上の過剰酸素が必要です。

「スラグ」という言葉は通常、炉内のスラグを表すのに使用されますが、ファウリングは一般に、対流パスに持ち込まれ、堆積により流れの障害物を作成した燃え殻や灰を表すのに使用されます。前に説明したように、対流パス、SCR、およびエアヒーターの汚れは、過熱器および再熱器チューブの前縁に蓄積した灰の結果であり、この灰は格納式スートブロワーの長時間の動作によって除去されます。

スラグや汚れを最小限に抑えるには、バーナーベルトの燃焼性能を最適化することから始まります。これが必要なのは、バーナーベルトの上部と過熱器の排ガス入口の間に滞留時間が約 1 ～ 2 秒しかないためです。炉の出口では、過熱器と再熱器の管の間隔がますます近くなり、ガス流路が狭くなります。

最適なバーナーベルト燃焼の前提条件が入力に存在すると仮定すると、典型的な FEGT は約 2,150°F ～ 2,250°F です。図 4 に示す過熱器では、炉煙道ガスのピーク温度は合金 310 ステンレス鋼の溶融温度 (約 2,780°F) をはるかに上回っていました。バーナーベルト入力が最適化された場合、アクティブな二次燃焼のピーク温度は実際に FEGT よりも約 1,000F 高くなりました。最適化すると、FEGT はボイラー幅全体で均一に 1,950°F ～ 2,100°F になりました。最適化前は、温度は 2,850°F ～ 3,100°F でした。これらの極端な状況は多くのケースで文書化されています。

この場合の高温の原因は 3 つあります。まず、一次空気の速度が高く、バーナーに供給される二次空気から燃料を炉の奥深くまで押し込みました。第二に、オーバーファイア空気流量が多すぎて総空気流量の 20% を超え、ボイラーへの理論上の総空気流量の約 115% しかないため、バーナーベルトは燃焼用空気不足に見舞われました。言い換えれば、バーナーベルトは化学量論未満の過剰酸素レベルで深く段階的に設定されました。第三に、燃料の粒度と分布が最適化されていませんでした。過熱器ガス側入口では煙道ガスの温度が 3,000°F を超えていました。この温度では、灰の状態は流動的であり、炉の出口を完全にスラグさせるには数回のシフトしかかかりませんでした。

炉からエアヒーター入口煙道ガスまで 0.5% ～ 1% の酸素が上昇するのが一般的です。なぜ？理由の 1 つは、平均的な 500 MW の微粉炭燃料ボイラーは 30 年以上使用されているということです。したがって、たとえ熱心かつ徹底したメンテナンス修理が行われていたとしても、経年劣化だけによって空気が侵入する可能性が高まります。スラグや汚れの観点から問題となる唯一の過剰酸素は、炉の出口に存在する過剰酸素です。上部からバーナーベルトまでの滞留時間は 1.5 秒未満になる可能性があることに注意してください。

特に壁面燃焼ボイラーでの一次空気流量が高いと、燃料のバランスが悪く、燃料の粒度が低くなり、火炎の長さが長くなります。一次空気は基本的に輸送空気であり、燃焼用に全空気の 15% ～ 25% を提供します。したがって、一次空気流量が非常に多い場合、燃料粒子が二次空気を「追い越し」、最適な炎よりも長い火炎が発生します (図 5)。

ほぼすべての最新の低 NOx バーナーでは、高い一次空気流量が燃料を炉の奥深くまで送り込み、二次空気流量を上回ります。その結果、炉の上部に燃料が豊富なゾーンが形成され、二次燃焼、高温、局所的な還元雰囲気のゾーンが発生し、これらすべてがスラグや汚れの原因となります。

最適な燃焼に必要な 13 の要素の 1 つは、プラスまたはマイナス 1/4 インチでのバーナーの許容誤差です。図 6 に示す写真は、典型的な現状のバーナーの例をいくつか示しています。

バーナーへの損傷のほとんどは、炉の輻射熱によるアイドルバーナーの過熱によって発生します。バーナーの過熱を監視する 1 つの方法は、バーナーノズルに熱電対を取り付け、バーナーノズルから冷却空気を供給して、停止時に 800F 未満に保つことです。 (バーナーの冷却についてはまた別の機会にお話しします。)

炉出口での極端な燃料の不均衡の最も一般的な原因は、石炭粉砕機の性能です。燃料の粉末度が低いと、ほとんどの場合、燃料バランスが悪くなります。微粉燃料のバランスは、せいぜいプラスまたはマイナス 5% ～ 15% の範囲内になります。

分級機が最高の粒度に設定されていない場合（通常、粒度が低下する代わりに石炭粉砕機のスループットを増やすため）、粒度は 200 メッシュを通過する 70% 未満に低下する可能性があります。粉末度の低下に伴い、燃料バランスが不均一になります。燃料の粉末度が低いと、ほとんどの場合、燃料の分配が不十分になります。粉砕機が最適化されていない場合、プラスまたはマイナス 25% の燃料偏差が見つかることは珍しいことではありません。

石炭粉砕機は、微粉炭を燃料とするボイラーの心臓部です。チューニングにおける改善の機会の約 75% は、石炭ミル、一次空気の流れ、燃料ラインのバランスに関するものです。図 7 は、スラグや汚れを最小限に抑えて最適な燃焼を達成するための重要なポイントを示しています。

燃料分析から粉砕機制御まで、関連トピックに関するその他の記事については、powermag.com を検索してください。 ■

—Richard F. (Dick) Storm、PE は、Storm Technologies Inc. のシニアコンサルタントであり、長年の POWER 貢献者です。この記事は Storm Technologies のスタッフが寄稿しました。

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