電廠鍋爐受熱面積灰機理及其預防措施研究

李文成

（寧夏大唐國際大壩發電有限責任公司，寧夏 青銅峽 751607）

0 引言

目前，我國的一次能源結構以燃煤為主，這種狀況在今后相當長一段時間會一直存在。燃煤在鍋爐內燃燒時，鍋爐受熱面對熱量的吸收程度直接決定著能源利用率的高低。由于燃煤在燃燒過程中會有不同程度的飛灰和煙塵，當帶灰煙氣流經各受熱面時，部分飛灰顆粒就會因為各種原因沉積在受熱面上，形成積灰。積灰對鍋爐的熱效率影響很大，因此有必要對積灰的產生機理、產生過程以及防止措施進行深入研究。

1 積灰的危害

鍋爐受熱面上的積灰導熱系數小，一旦積灰，將會使受熱面熱阻增加，傳熱惡化，以至排煙溫度升高，排煙熱損失增加，鍋爐效率降低。對于通道截面較小的對流受熱面，積灰會使流通截面積縮小，流動阻力增加，導致引風機出力不足，鍋爐出力降低。嚴重時還會堵塞煙氣通道，甚至被迫停爐檢修。由于積灰，煙氣溫度升高，會引起受熱面金屬的腐蝕加劇，還可能影響后面受熱面的運行安全。

2 飛灰的分類及積灰的形態

燃料燃燒后產生的灰分，其中一部分在爐膛高溫區熔化、聚集，結成大塊渣落入爐底成為爐渣，其它細灰則跟隨煙氣運動成為飛灰。按照直徑，可將飛灰分為細徑灰群、中徑灰群和粗徑灰群。根據易熔程度，可將其分為:低熔灰，熔點在700～850℃，主要成分是鈣金屬氯化物和硫化物；中熔灰，熔點在 900～1100℃，主要成分是 FeS、Na2CO3、K2SO4等；高熔灰，熔點在1600～2800℃，主要由純氧化物組成。

煙氣中的飛灰顆粒沉積到受熱面上，就形成了積灰。根據積灰的主要形態及多發部位的不同，可將其分為∶

（l）熔融性結渣，主要發生在爐膛受熱面及高溫對流受熱面的前部等，通常與煙氣所攜帶的熔化或粘性灰粒的物理遷移有關。

（2）高溫粘結性積灰，這種形態的積灰主要發生在燃用多升華物質燃料（包括重油）鍋爐的高溫對流受熱面上，也可能發生在爐膛等受熱面上。灰粘結過程中發生化學反應，反應物具有粘性，能大量捕捉飛灰，往往在受熱面上產生堅硬的粘結灰。

（3）低溫粘結性積灰，這種積灰在空氣預熱器的冷段形成。積灰與冷凝在管壁上的硫酸形成以硫酸鈣為基質的水泥狀硬質灰層，這種積灰是與硫酸蒸汽的凝結聯系在一起的。

（4）松散性積灰，煙氣中攜帶的灰粒物理沉積在受熱面上所形成，質地松散.在煙溫低于600～700℃的尾部煙道，除空氣預熱器冷段可能形成低溫粘結性積灰外，大多數屬于松散性積灰。當含塵煙氣流過高溫受熱面時，也會在高溫粘結灰層的外面沉積下來，形成松散的外灰層。

3 對粘結性積灰的研究

3.1 高溫過熱器和高溫再熱器的積灰

低熔點的飛灰在爐膛內的高溫煙氣區為揮發態，隨煙氣流向煙道，而高溫過熱器和高溫再熱器所在煙道的煙溫高于700～800℃，因此煙氣中還未凝固的低熔灰就會凝固到相對溫度較低的高溫過熱器、再熱器的表面上，形成粘性灰層。同時，一些中熔、高熔灰粒被薪附在粘性灰層中，并在煙氣長期的作用下，與煙氣中的SO3氣體形成白色硫酸鹽的緊密結實灰層。隨著灰層厚度逐漸增加，其外表面溫度升高，低熔點灰的冷凝作用逐漸減弱，而中熔點和高熔點灰在已凝固的灰層表面還進行著動態沉積，形成松散多孔、容易清除的外灰層。

這里，內灰層的堅實程度稱為燒結強度。燒結強度越大的灰層越難以清除。燒結強度和溫度、灰中氧化鈉、氧化鉀的含量及燒結時間等因素有關.爐內過量空氣系數、燃燒方式和爐膛結渣等都會影響對流煙道的煙氣溫度，從而影響燒結強度。燒結強度還會隨著時間的推移而增大，內灰層變得更為堅實，因此必須及時清除。

3.2 堿金屬引起的結灰

由于堿金屬升華引起的粘結灰，其形成過程和機理為:燃料灰中堿金屬的氧化物(氧化鈉、氧化鉀)在燃燒時升華成為氣態，隨煙氣到達高溫對流受熱面，由于受熱面相對溫度較低，就冷凝在表面上.冷凝的金屬氧化物與煙氣中的三氧化硫反應生成硫酸鹽，由于鋼管壁面的催化作用較強，也可使煙氣中的二氧化硫在氧化成三氧化硫的同時與堿金屬氧化物形成硫酸鹽。這些硫酸鹽與飛灰中的氧化鐵及煙氣中的三氧化硫反應生成白色的復合硫酸鹽。產物在500～800℃呈熔化狀態，有粘性，一方面捕捉飛灰，一方面還可繼續形成粘結物并迅速增厚，當灰層變厚時，內層即硬結起來。

當燃料灰分中堿金屬化合物含Ca（如氯化鈣或碳酸鈣）較多時，往往發生以硫酸鈣為粘結劑的粘結灰。這種粘結灰的形成機理為:碳酸鈣在約為850℃時燃燒分解成氧化鈣，并與煙氣中氯化氫化合成氯化鈣，氯化鈣在燃燒時升華，后凝結在受熱面管壁上，并可繼續氧化，形成氧化鈣，氧化鈣再與煙氣中三氧化硫反應生成硫酸鈣。由于硫酸鈣在1200℃以下一直是較穩定的化合物并具有粘性，因此可繼續捕捉飛灰。當積灰層變厚時，內層也會硬結起來。

3.3 防止措施

（1）布置足夠數量的吹灰裝置，并合理配合使用不同的吹掃方式，以獲得最佳的綜合吹掃效果，這是有效防止粘結性積灰的主要手段。而且，在鍋爐運行時，一開始即應正常投入吹灰裝置。否則，如果受熱面已粘結了灰分，就不易清除。運行中，要按一定的程序、周期性地進行吹灰。

（2）設計鍋爐爐膛時，應嚴格按規定選擇Qa及Qv，不要過高，尤其在設計大容量鍋爐時更要注意，這對減輕結渣很有好處。

（3）正確設計和布置對流受熱面。根據研究，錯列布置比順列布置積灰較輕。橫向節距大一些，可使管列間不易搭橋堵塞。在燃用具有嚴重粘結傾向的燃料時，水平煙道的對流過熱器常用大節距順列布置，甚至全部采用屏式受熱面。

4 對松散性積灰的研究

4.1 低溫過熱器和低溫再熱器的積灰

低溫過熱器和低溫再熱器在其管背的表面上易形成松散的積灰層。它們所處的煙道溫度低于600～700℃，低熔灰已凝固成固體顆粒，堿金屬氧化物蒸汽的凝結也已結束。此時，煙氣流中含有各種組分的顆粒，其粒度都在200微米以下，以10～20微米的居多。當含灰氣流橫向沖刷管束時，管子背面產生渦流區，小于30微米的細小灰粒就被卷入并薪附在管子的背風面上。由于煙氣流對管正面的積灰直接沖刷，破壞了積灰層的形成，因此，管背面積灰比正面嚴重，只有煙氣流速小于5m/s時才有正面明顯積灰。

4.2 松散性積灰的產生與動態平衡

煙氣中的飛灰直徑是不同的，其中細徑灰群是隨著煙氣作流線運動的，在管表面極少積灰;而粗徑灰具有較大的動能，在撞擊管子表面的灰層時起著破壞灰層和沖磨管壁的作用;只有中徑灰群，在煙氣繞管子流動時，由于灰粒運動的慣性，直接接觸管子，沉積在管子的外表面，是形成松散性積灰層的主要灰群.因此，中徑灰和粗徑灰對積灰層的作用是相反的，灰層的最終厚度決定于中徑灰在管子表面的連續沉積和粗徑灰對灰層的連續破壞的動態平衡。因此，開始飛灰積聚很快，達到一定厚度時，被氣流中的粗徑灰所沖刷，直至積聚的灰與被粗徑灰沖掉的灰相等時，積灰就不再增加。

4.3 影響松散性積灰程度的因素

積灰層的厚度與煙氣流速有關，因為中徑灰的作用與煙氣流速成正比，粗徑灰的作用與煙氣流速的三次方成正比，故煙氣流速增大灰層厚度減薄。當煙氣流速小于(3～4)m/s時，灰層明顯增厚，故一般不允許在這種流速下運行。另外，積灰的程度與灰粒細度關系密切，但與飛灰濃度關系不大。灰粒愈細，對積灰層的沖刷作用愈弱，且容易被卷入旋渦區，因此積灰愈嚴重;而飛灰濃度愈高，并不能使灰層加厚，只起到加速達到平衡的作用。實踐證明，液態排渣爐雖然飛灰濃度不大，但由于灰粒較細，受熱面積灰程度比固體排渣爐還嚴重。

4.4 減輕和防止松散性積灰的措施

（1）正確設計和布置吹灰裝置，運行時應制定合理的吹灰間隔時間和連續吹灰時間。

（2）設計時采用足夠的煙氣流速。對于額定負荷，煙速應不低于(5～6)m/s，對于升華物質含量高的物質，煙速更應高一些。

（3）采用小管徑、錯列布置、緊湊布置的管束，如管徑等于（20～32）nun，S1/d=2～2.5，S2/d=l～1.5。但要注意，對易結渣或易結粘性灰的受熱面，這是不合適的。

（4）對于燃燒高硫油的鍋爐，低溫過熱器和低溫再熱器的管表面會產生粘性玻璃狀沉積層，其主要成分是氧化釩、硫酸鹽、硫化鐵以及鈣、鈉的氧化物等。

5 結束語

粘結灰比松散灰的危害更大。由于受熱面的積灰將嚴重影響鍋爐運行的可靠性和經濟性。因此，將管束的積灰降到最低量，經常保持受熱面清潔，是鍋爐設計、運行的重要任務，也是鍋爐設計和運行中必須認真解決的一個重要問題。

［1］張勇，張延廣，曹祖慶.凝汽器管束布置的傳熱效果評價方法[J].汽輪機技術，1994，36（6）:34-36.

［2］金國華.凝汽器清潔特性診斷[J].汽輪機技術，1987（2）:64-66.