1000 MW機組鍋爐內結渣物的理化分析

趙 剛，呂洪坤，張 明，熊建國，應明良，王 磊

（1.中國能源建設集團有限公司，北京 100029；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

發電廠燃煤鍋爐結渣現象在運行中經常出現，是安全生產中必須解決的重大問題之一。爐膛內一旦開始結渣，如不及時采取有效措施，渣塊就會越結越厚、越結越大，對鍋爐的燃燒、換熱均會造成一系列的負面影響，從而影響鍋爐的安全與高效運行[1]。

國內對鍋爐內部結渣的機理、危害以及預測等方面進行了較多的研究[1-6]，為了更好地控制爐膛內部的結渣，采用現代測試技術對分層渣樣或對爐膛不同高度形成的渣樣進行理化分析。此類研究在國內還未見報道，國外近年來已有少量的報道，如澳大利亞的Wee HL等人[7]將取自330 MW機組鍋爐的渣樣切成許多薄片對其結構、化學組成、礦物構成等進行了研究；希臘的Kostakis G[8]對燃褐煤鍋爐進行了渣樣的礦物學研究，發現隨著形成結渣物高度的不同，其結構與內聚力一般均會發生變化。

1 鍋爐結渣狀況

1.1 鍋爐概況

某發電廠1000 MW機組采用超超臨界變壓運行直流鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造、三菱重工業株式會社提供技術支持。鍋爐采用Π型布置、單爐膛、平衡通風、露天布置、固態排渣、全懸吊結構、反向雙切圓燃燒方式。

鍋爐長期燃用印尼、澳洲等年輕煤種，這些煤種灰成分中具有較高的堿金屬含量，致使其灰熔點較低[9]。較高的灰分堿金屬含量亦可能導致煙氣中含Na類等物質在換熱器壁面上沉積，從而提高了換熱器外壁面的溫度及粘附性，使得表面更易捕獲熔融灰粒，加劇結渣過程[10]。

1.2 結渣情況

在鍋爐檢修期間，入爐檢查發現鍋爐第二級過熱器下部結有大渣，燃燒器附近水冷壁面亦存在較大區域掛渣的現象。如圖1（a）所示，第二級過熱器下部有大面積的結渣，底部區域渣層較厚，這主要是因為熔渣在重力作用沿著管屏向下流動，且熔渣存在一定的黏度。當下部渣層的重力超過了中間某一渣層區域的縱向粘性力時，即發生掉渣的現象。如圖1（b）所示，燃燒器噴口右側水冷壁區域有較大面積的結渣，渣層斷裂部分顯示，渣層存在一定的分層結構，內部呈黑色且質地堅硬。

圖1 爐內典型結渣情況

2 渣樣理化研究

為了研究圖1中所示渣樣的成分和形成過程，分別對上述2個典型區域的渣樣取樣分析。為了便于區別，定義從圖1（a）所示渣樣中取下的樣本為S-A，從圖1（b）所示渣樣中取下的樣本為S-B。為了對渣樣進行深入地分層分析，分別對上述2種渣樣進行了典型區域切割碾磨，表1示出了各切割區域標示的具體描述。

2.1 渣樣表觀分析

圖2描述了S-A樣本的外在形態。沿著渣樣的生長方向，存在明顯的分層結構。若以靠近換熱器管子外表面為最里側，則渣樣從里到外依次大致可分為：組織較致密的桔黃色單薄區、顆粒狀疏松區、中部結構致密堅硬的厚實區、外側顆粒狀疏松區。最外側的顆粒狀疏松區則可能為停爐過程中隨著爐膛溫度的冷卻，粒子打在仍具有粘性的渣層上形成，未形成致密堅硬的燒結形態是由于此時的渣溫下降所致。若考慮成渣機理[2，3]，從里到外，主要可分為：初始沉積區、飛灰顆粒粘附區、燒結區。

表1 各切割區域標示說明

圖2 S-A樣本各個視角整體及局部圖樣

圖3描述了S-B樣本的外在形態。渣樣從里側到外側仍存在較明顯的分層結構，其最大的區別在于里側渣樣局部呈現玻璃化流動態，越靠近外側，渣樣中的空隙結構越多。

圖3 S-B樣本各個視角整體及局部圖樣

由此可見，S-B渣樣與S-A渣樣在形態結構上存在較大區別，究其原因，可能跟各自區域的溫度有關。S-B渣樣取自燃燒器噴口附近，該區域靠近火焰，熱負荷較高，且該區域的粒子顆粒可能較大，若有粒子物沾在換熱管上，粒子外側溫度在強烈輻射作用下易升高，當其呈現粘性進一步捕獲粒子時就可能使外側渣樣形成熔融態，而最里側形成的初始沉積區不夠致密致使外側渣樣的粘附力不足，因此外側渣樣易于形成局部柱狀熔融流動態。

從空隙分布角度可以判斷，外側渣層的溫度要更高些，因此其中某些物質氣化形成的空隙結構亦會更多。然而，從外觀上大致判斷，S-B樣本的燒結程度不如S-A樣本，這說明S-B樣本所處的整體最高溫度可能不如S-A樣本。這可能和S-B渣樣靠近燃燒器噴口有關，因為當渣樣長厚到一定程度時，可能受到相對較低溫度的一、二次風的冷卻。

2.2 渣樣切割碾磨物可燃物分析

表2及表3分別列出了S-A樣本及S-B樣本中可燃物含量的分析結果。2種樣本中的可燃物含量均非常低，且不同切割位置之間的差別亦不大。這至少說明，在鍋爐內部所形成的塊狀物質確系為渣而非焦。此外，兩表中的結果亦表明，S-A樣本中的整體可燃物含量還要稍低于S-B樣本，這可能是S-A樣本取自大屏區域，可燃粒子已經過較長的燃燒時間，其可燃物含量自然會相對低一些。

表2 S-A樣本各切割位置可燃物含量

表3 S-B樣本各切割位置可燃物含量

2.3 渣樣切割碾磨物XRF分析

表4及表5分別列出了S-A樣本與S-B樣本從各自典型區域切割取下的碾磨樣品進行XRF（X射線熒光光譜）分析，所得的以氧化物形態表示的成分構成。如表4所示，各切割區域樣品的組成與灰的成分結構類似[9]。S-A-3切割碾磨樣品中SiO2與Al2O3此類高熔點物質含量是各層中最高的，而Fe2O3，CaO，MgO，Na2O，K2O等低熔點物質含量則是各層中最低的。這是由于，S-A-3切割位置處于S-A樣本中間區域的高溫燒結層，其所處的溫度是各層中最高的。因此，一些低熔點物質或更易揮發，或更易形成熔融態物質，在重力作用下從渣層中流出，如此剩下的高熔點物質所占比例自然也就高了。

此外，從表4還可以發現，最里側的Na2O與K2O及SO3含量是各層中最高的。該層中的Na2O與K2O含量相對最高主要跟該層的成渣機理有關，因為通常在最初潔凈的換熱管上，Na2O與K2O由于熔點非常低，易在煙氣中形成氣態，當其遇到較冷的潔凈換熱管之后即快速凝固；而SO3含量較高可能和含SO3類物質向里側的某種富集擴散機理有關。事實上，SO3含量較高也提示了其管壁（過熱器）易發生高溫硫酸鹽型腐蝕，這和有關文獻的分析一致。

綜合分析，樣本中間區域的高溫燒結層由于溫度較高，表面熔融之后更易捕獲飛灰顆粒，是導致渣層不斷增長的層區。從防止結渣的角度出發，由于渣樣最里層區域較致密難以有效吹除，而里層附近存在一疏松結構的渣層，應是可以通過吹灰措施最易去除的渣層。

表4 S-A樣品各切割位置氧化物構成（XRF）

表5所列結果與表4中的結果存在較明顯的區別。各層的SiO2與Al2O3類高熔點物質及Fe2O3，CaO，MgO等低熔點物質的含量均相差不多。S-B樣品中最外側渣樣的SiO2含量明顯稍高一些，而中間區域CaO含量要稍低一些。這說明S-B樣本在爐膛中形成時各層之間的溫度差別不大，相對的，可能外側區域要稍高一些。同樣的，S-B樣本最里側的Na2O，K2O及SO3含量與S-A樣本的情況是類似的，究其原因亦應類似。

表5 S-B樣品各切割位置氧化物構成（XRF）

2.4 渣樣切割碾磨物XRD分析

對取自S-A樣本、S-B樣本各自典型區域切割碾磨的樣品進行了XRD（X射線衍射）分析，發現各樣品中的礦物質分布非常復雜。表6與表7分別列出了各測試樣品進行XRD分析所得的礦物質構成，表中所標示出的僅是儀器能明顯辨認存在的礦物質。

表6 S-A樣本各切割位置XRD檢測出主要成分

表7 S-B樣本各切割位置XRD檢測出主要成分

如表6與7所示，樣品不同切割位置的礦物質分布許多是類似的，但也有一些不同之處，有些礦物質從化學組成角度而言是一致的，但事實上確屬不同結構的物質，造成這種差別的原因可能與渣層所在的溫度等因素有關。

如表6所列，S-A樣本各切割碾磨樣本中均明顯分布有鈣長石及赤鐵礦，S-A-2及S-A-4兩個位置樣本均取自疏松狀渣樣，可見其內部的礦物組成基本一致，而溫度相對最低的S-A-1位置所取樣品與溫度相對最高的S-A-3位置所取樣品的礦物質組成則存在明顯不同。

表7中所列結果則顯示各切割位置中礦物質的分布均基本一致，這可能也說明S-B樣本各切割位置在爐膛內部時的溫度分布比較接近。

綜合表6及表7結果可以得出S-A樣本各切割位置的溫度分布存在明顯區別，而S-B樣本各切割位置的溫度分布則相差不多，這與上文XRF分析所得出的結果是一致的。

3 結論

通過對某燃燒年輕煤種鍋爐內部典型渣樣的表觀與分層理化研究，可以得出如下一些結論：

（1）渣樣各切割位置中的可燃物含量極低，預示通常鍋爐內所結的物質主要為渣而非焦；

（2）第二級過熱器區域渣樣主要可以分為4個層區，中部為最厚也最致密的燒結層，其中低熔點物質較少、高熔點物質較多的分析結果反映出該區域是渣層最高溫度所在位置，其亦是導致渣層不斷增長的層區；

（3）為了防止渣層的增長應通過適當的吹灰措施確保渣樣不在里層附近形成疏松層，一旦中間燒結區形成后，熔渣將難以有效吹除。

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