新疆高堿煤沾污特性的分析

馬達夫，何翔，周文臺，魏增濤，曹建文

(上海發電設備成套設計研究院，上海　200240)

新疆高堿煤沾污特性的分析

馬達夫，何翔，周文臺，魏增濤，曹建文

(上海發電設備成套設計研究院，上海200240)

分析了燃用高堿煤時機械力與粘性力在沾污、結渣及腐蝕形成過程中的作用機理。結果表明:氧化性氣氛下的灰熔融溫度較高，不容易產生沾污的特性;當尾部煙道溫度較低，煙氣流速較大時，沾污程度較低。

高堿煤;沾污

新疆準東煤田于2005年被勘探認定為蘊藏著3.9×1011t煤炭資源［1］，以目前我國煤炭年產量計算，一個準東煤田足夠全國使用100年。準東煤易著火、易燃盡，灰分含量低，燃燒穩定性強［2］;但其含水量高，且熱值僅19 MJ/kg左右［3］，屬于低熱值煤種。準東煤的另一大特點是堿金屬含量非常高，尤其是灰分中的Na2O通常占到2%以上，部分礦區甚至高達10%，屬于嚴重沾污煤種［4］。故電廠在燃用高堿煤過程中會在爐膛受熱面及尾部受熱面產生大片沾污面，不僅降低鍋爐換熱效率，嚴重時甚至導致管壁腐蝕、高溫爆管，影響電廠安全運行。為此筆者分析了燃用高堿煤產生沾污的主要作用力與沾污形成過程;燃燒區域氧化性氣氛與還原性氣氛對沾污程度及成灰熔融溫度的影響;在鍋爐水冷壁及尾部受熱面沾污的情況下，沾污系數與積灰時間或煙氣流速的關系。改善爐內沾污情況對準東煤大規模乃至純燒利用具有很重要的意義。

1　沾污、結渣及腐蝕形成原因

1.1形成機理

爐內受熱面的沾污及積灰可以看作是結渣和高溫腐蝕的前奏，它們是相互有機聯系的［5］。通常有下列幾個作用力使灰顆粒沉積在爐內受熱面:

(1)范德瓦爾斯力。當灰粒較細時，例如小于3 μm時，分子間的吸引力就比灰粒本身重力大，使微小的灰粒在受熱面附近飛過時受到吸引。

(2)重力。當灰粒較大時，如大于1～3 μm時，就可能會由于重力的作用而沉降于受熱面上。

(3)熱泳力。細灰粒接近水冷壁時，由于水冷壁壁面溫度比火焰溫度低，使灰粒正反面受到不同熱泳力的作用，接著灰粒向水冷壁運動。其作用力的大小可由式(1)計算。式中:r、rp分別為顆粒半徑和分子自由行程;λ、λp分別為氣體和顆粒的導熱系數;μ為氣體動力黏度。

對于粒徑越小的顆粒，其熱泳力與重力的比重越大。

(4)機械捕捉。當部分受熱面被氧化生成凹凸不平的鐵銹，能輕易地網羅一些過往的小灰粒。

(5)凝結作用。燃料中的堿土金屬氧化物在爐內高溫下會升華成蒸汽，接著凝結在溫度較低的受熱面上，一般以極細的晶粒形式出現(粒徑為0.1～0.2 μm)。

(6)氣流脈動對灰粒的摩擦力。爐內氣流的橫向脈動可使較大的灰粒沉積在受熱面上。

以上的作用因素往往是相互同時作用的。當受熱面上積累了一些粒徑為0.2～10 μm的灰顆粒時，通常就是爐內水冷壁沾污的開始。溫度的壓差使得灰粒漸漸黏附在受熱面上，而后堿土金屬與SiO2等氧化物蒸汽凝結在其之上，形成了沾污灰層的第一層，也就是內白層。當顆粒沉積在受熱面之后，具有黏性的硫酸鹽或復合硫酸鹽將這些顆粒黏住，與以上提到的各種機械力共同作用形成沾污面。

1.2形成過程

鍋爐受熱面的沾污主要由于燃燒灰中的堿金屬及(或)堿土金屬升華粘附在水冷壁上，與煙氣中的硫氧化物發生反應產生了較穩定且黏性強的復合硫酸鹽及(或)硫酸鹽，形成了熔融或半熔融基體，以此捕捉飛灰。

高溫黏結性積灰的形成通常劃分為三個區域:內白層、過渡層和外部燒結層［6］。內白層主要由含堿金屬硫酸鹽較多的汽相組分受熱遷移及電泳擴散和小于5 μm的微粒受靜電力與范德瓦爾斯力牽引共同作用而形成的。受慣性作用力的影響將煙氣中灰粒攜帶到NaOH與Na2SO4的熔融灰中，形成了過渡層。外燒結層中捕捉飛灰的黏性物質與內白層中的物質通常是一樣的，由Na、Ca、K和Si的化合物組成。在外燒結層上，熔融或半熔融基體與飛灰顆粒不斷地增厚，導致水冷壁與外燒結層之間的熱阻增加，進而外燒結層外層溫度升高，更易將低熔點的礦物質熔融，循環作用使積灰有無限增長的趨勢，且越往外液成分越多。粘結灰最后呈硬結狀，像磚瓦一樣包在管周上，非常堅實，不易去除，嚴重時結積速度很高。內白層與過渡層都比較薄，外燒結層較厚。

蘇聯化工研究所對煤灰中含Ca較多的褐煤進行了燃燒積灰試驗，結果認為灰中的CaO與煙氣中的SO2結合形成CaSO3，而它在700～1 000℃內可轉化為CaSO4與CaS的高溫共熔體，且此類共熔體具有低熔點的特征，易粘結在水冷壁上，此外也會捕捉過往的飛灰。

研究還指出，如果煤粉在溫度高于灰分半球熔點th以上的高溫區燃盡，由于CaO會立刻與SiO2、Al2O3、Fe2O3等結合，飛灰中會存在較少的CaO;又如果煤粉在爐膛出口處仍尚未燃盡，則會存在較多的自由CaO，并且此時SO2可以輕易地擴散到帶有孔隙的固體顆粒上與CaO結合，進而發生上述粘結積灰現象。因此在煤粉燃燒時應盡可能在爐膛高溫區使煤粉燃盡，從而減少CaO與SO2化合的機會。所以改善爐內空氣動力場、減少入爐煤全水含量、提高磨煤機一次風溫等都有助于減少積灰的可能。一些觀點認為褐煤易燃燒，故使用較大平均粒徑，這樣反而會延遲煤粉燃盡，導致粘結積灰的產生。

2　不同氣氛對沾污、灰熔點的影響

2.1不同氣氛對沾污、腐蝕的影響

反應氣氛會造成Na釋放形態的不同，氧化性氣氛下煤中的Na多以NaO形態釋放，還原性氣氛下則多以Na原子的形態釋放［7］。對于高鈉煤而言，原子形態釋放的Na更易與煙氣中的SO2、SO3反應，造成換熱面沾污。

煤在爐膛中燃燒時Cl元素與Na元素相結合，以NaCl的形式釋放出來，一部分以氣態形式與水冷壁氧化膜發生反應［8］，另一部分與H2O、SO2、SO3發生反應，生成Na2SO4和HCl氣體，見式(2);剩余部分Cl凝結在管壁上，與硫酸鹽發生反應生成HCl。

內白層中的HCl與管壁表面的氧化膜反應，生成易揮發的FeCl2;在還原性氣氛下，生成疏松的FeO氧化膜，產生對受熱面表面的化學侵蝕［9］。

受高溫作用形成的熔融態NaCl也會加速高溫腐蝕［10］。

產物金屬氯化物與SO2和O2進一步反應，形成疏松的Fe2(SO4)3表層，進一步加劇受熱面腐蝕。由沾污機理可知，發生沾污的關鍵是在換熱面管壁上形成一層硫酸鹽。高鈉煤中鈉含量高，在燃燒過程中容易形成硫酸鹽，并沉積在換熱面管壁上，完成高溫黏結性積灰和高溫腐蝕過程，疏松的FeO氧化膜與Fe2(SO4)3表層易捕捉爐膛中來往的飛灰，造成嚴重的沾污及腐蝕問題。

2.2不同氣氛對灰熔融溫度的影響

紫金煤屬于新疆準東煤，具有高鈉、高揮發分的特點，易結渣沾污。將815℃制得的紫金煤灰在不同氣氛下測得的熔融特征溫度見表1，可見其灰熔融溫度從最高到最低分別為:氧化性氣氛、弱還原性氣氛、強還原性氣氛。其原因主要是灰中Fe的存在形式不同:強還原性氣氛下，Fe主要以FeO形式存在;隨著氧化性氣氛的增強，煤灰中的FeO逐漸被氧化成Fe2O3，故氧化性氣氛中Fe的存在形式以Fe2O3為主，而Fe2O3熔點比FeO高得多［11］。

表1　不同氣氛下815℃紫金煤灰熔融特征溫度℃

在不同的成灰溫度下，新疆五彩灣煤在兩種氣氛下制得的灰熔融特性見表2和表3。由表2、表3可見:不同灰樣的變形溫度td會隨著成灰溫度的增加而增加，但軟化溫度ts、半球溫度th和流動溫度tf變化不明顯。分析認為這是由于變形溫度之后不同溫度制成灰內的高溫共融體已基本相同［12］，即存在相同的“骨架”成分。

表2　氧化性氣氛下不同成灰溫度五彩灣熔融特征溫度℃

表3　弱還原性氣氛下不同成灰溫度五彩灣熔融特征溫度℃

在還原性氣氛中的不同溫度形成的灰樣其td變化的幅度(13 K)較氧化性氣氛的要低(22 K)，這說明在ts之前，高溫共融體還沒有形成之前氧化性氣氛對于煤灰熔點的提升也是較有利的。就整體灰樣灰熔點來看，氧化性氣氛比還原性氣氛下平均高10 K。

3　沾污對傳熱特性的影響

準東煤燃燒產生沾污會導致鍋爐運行時爐內傳熱系數降低，出現積灰和結渣，發生高溫腐蝕等嚴重影響。針對傳熱特性，有學者在某75 t/h循環流化床鍋爐煙道上搭建試驗臺，將兩組試驗管束分別安裝在省煤器和空氣預熱器之間的煙道，對其進行了風速對沾污系數影響因素的實驗［13］。實驗中維持穩定積灰時間5 h，這個時間范圍是勝利發電廠對新安裝采用螺旋翅片管的省煤器進行實爐測量的結果(見圖1)。

實驗進行前將調節擋板關閉，鍋爐點火升至滿負荷后將調節擋板打開進行實驗，利用擋板開度調節煙氣流速。

圖2、圖3為管束沾污系數與煙速的關系。由圖2、圖3可看出:隨著煙氣流速升高，螺旋翅片管的沾污系數降低。這是由于鍋爐運行5 h后，沾污面的三層已發展完全，翅片管上的最外層積灰主要是依靠機械力的網羅作用，易被高速的煙氣帶走，沾污面被逐漸削薄。當外燒結層被削到一定程度時，逐漸接近過渡層，在過渡層中具有黏性的硫酸鹽或復合硫酸鹽對顆粒所施加的力要大于外燒結層上的力，故沾污面不再被削薄，漸漸達到作用力的平衡，此時的沾污系數下降也漸漸平緩。

從圖2和圖3可以看出:當煙速處于3～10 m/s時，兩管束的沾污系數都小于0.01 m2·K/W，這個數值比鍋爐熱力計算標準方法［14］(見圖4)中的數值小一個數量級。這可能是由于此次試驗的受熱面為鍋爐尾部受熱面，而爐膛相對煙氣流速要低，且爐膛中溫度要遠高于尾部煙道，故沾污要更嚴重，沾污系數高。

4　結語

沾污的形成主要是由于兩個方面的因素共同作用:一方面機械力，包括分子間吸引力、重力沉降、熱泳力、機械捕捉和凝結作用;另一方面是低熔點熔融灰的黏性力作用。

高溫黏結性積灰一般分為三層:內白層、過渡層和外部燒結層，其中外部燒結層最厚，多為捕捉的飛灰。

氧化性氣氛下煤灰的熔融溫度較高，不容易產生沾污;超過td后，灰的蠕變溫度與其成灰溫度關系不大。

鍋爐尾部煙道溫度較低，煙氣速度較大，其沾污程度較低。

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Analysis on Fouling Characteristics of Xinjiang High-alkali Coal

Ma Dafu，He Xiang，Zhou Wentai，Wei Zengtao，Cao Jianwen
(Shanghai Power Equipment Research Institute，Shanghai 200240，China)

An analysis was conducted to the action mechanism of mechanical and viscous force during formation process of fouling，slagging and corrosion when burning high-alkali coal.Results show that fouling faults are not easy to occur under oxidization atmosphere due to higher fusion temperature of ash;the fouling degree would be relatively low in the case of lower temperature in the tail flue gas duct of boiler and higher flue gas velocity.

high-alkali coal;fouling

TK227.6

A

1671-086X(2016)01-0007-04

2015-07-24

馬達夫(1989—)，男，助理工程師，主要從事大型煤粉鍋爐燃燒優化及性能評定工作。

E-mail:madafu@speri.com.cn