電廠鍋爐受熱面積灰機理及其預防

王曉路

(山西潞安煤基清潔能源有限責任公司，山西 長治 046200)

引 言

現階段，我國電廠鍋爐多使用燃煤材料。煤炭燃燒時會出現一些灰塵與飛灰，在帶灰煙氣經過受熱面過程中，一些飛灰顆粒會受其他因素影響堆積在受熱面中，生成積灰。積灰對鍋爐熱效率有著直接作用，所以應對積灰機理、生產過程科學分析。

1 積灰機理影響

鍋爐受熱面積灰導致熱參數較低，積灰容易讓受熱面熱阻提升，傳熱加劇使排煙溫度較高，排煙熱損失提升導致鍋爐效率低。針對通道截面小的對流受熱面，積灰使流通截面積縮減，流動阻力提升使得引風機處理較低，鍋爐出力低，甚至堵塞煙氣通道[1]。由于積灰、煙氣溫度較高導致受熱面金屬腐蝕嚴重，制約受熱面穩定運營。

2 飛灰類型與積灰狀態

燃料燃燒后生成灰分，一些灰分在爐膛高溫區域熔化、堆積，生成塊渣落進鍋爐低形成爐渣，剩余細灰將會伴隨著煙氣運行成為飛灰。根據直接劃分可以分為不同程度灰群，即：細徑灰群、中徑灰群、粗徑灰群。參照易熔程度可以劃分成：低熔點在800 ℃～850 ℃，其中分為鈣金屬氯化物、硫化物。中熔點為900 ℃～1 100 ℃，其中分為FeS、Na2CO3、K2SO4等。高熔點為1 500 ℃～2 800 ℃，多為純氧化物構成[2]。

煙氣內飛灰顆粒沉積至受熱面中生成積灰，結合積灰狀態與多發位置分為。第一，熔融性結渣，集中于爐膛受熱面與高溫對流受熱面的前端，與煙氣攜帶的熔化物遷移有著密切聯系。第二，高溫黏結性積灰。該種狀態積灰集中于多升華物質燃料鍋爐的高溫對流受熱面中，或者出現在爐膛受熱面中。灰黏接時出現化學反應，反應物有著一定黏接性，吸附性較強并在受熱面上形成黏結灰。第三，低溫黏結性積灰，在空氣預熱器冷段生成。積灰和冷凝在管壁中的硫酸生成水泥狀硬質灰層，該種積灰與硫酸蒸汽的凝結有著密切聯系。第四，松散性積灰，煙氣內攜帶的回灰粒物理沉積在受熱面上生成，具有松散性特點。煙溫在700 ℃以下的尾端煙道容易使空氣預熱器冷段生成低溫黏結性積灰層，多為松散性積灰。在含塵煙氣通過高溫受熱面后，在高溫黏結灰層的外面沉積，生成松散外灰層。

3 黏結性積灰分析

3.1 高溫過熱器與再熱器積灰

爐膛內高溫煙氣，低熔點飛灰呈揮發狀態，伴隨著煙氣流進煙道，高溫過熱器與再熱器煙道溫度超出800 ℃。所以，煙氣內沒有凝固的低溶灰凝固低溫的高溫過熱器、再熱器外層中生成黏性灰層。此外，部分中熔、高熔灰粒吸附于黏性灰層內切在長時間影響下和煙氣內二氧化硫氣體生成白色硫酸鹽的緊密結實灰層。伴隨著灰層厚度的提升，外層溫度增高，低熔點灰的冷凝影響降低，此時中熔點與高熔點灰在已經凝固的灰層外層展開動態沉積，生成松散孔隙，極易清除外灰層。內灰層堅實程度叫做燒結強度，其強度越大灰層清理越困難。燒結強度控制與溫度、氧化鉀濃度、燒結時間有著密切聯系，鍋爐中過量空氣、燃燒與爐膛結渣影響對流煙道的煙氣溫度，制約燒結強度。燒結強度也會伴隨著時間的延長使得內灰層堅實，所以應做好及時清理工作[3]。

3.2 堿金屬升華結灰

因為堿金屬升華形成黏結灰，其機理為：燃料灰內堿金屬氧化物在燃燒過程中升華形成氣態，伴隨著煙氣溫度的提高到達對流受熱面。因為受熱面溫度低，在冷凝外層中，冷凝金屬氧化物和煙氣內SO3形成硫酸鹽。因為鋼管內部發生催化反應，導致煙氣內SO2在氧化成SO3過程中與堿金屬氧化物生成硫酸鹽。硫酸鹽和飛灰內氧化鐵、煙氣的三氧化硫發生反應形成復合硫酸鹽。產物在800 ℃為熔化狀態，具有較強的黏性，不僅能夠吸附飛灰還可以生成黏結物且厚度增加；在灰層厚度增加后，內層硬結。

燃料灰分中堿金屬化合物含量較多時，會生成以硫酸鈣為黏結劑的黏結灰。該種黏結灰生成的機理為：碳酸鈣在850 ℃時燃燒分化為氧化鈣，同時與煙氣內氯氣、氫氣合形成氯化鈣。在氯化鈣燃燒過程中升華，隨后凝固于受熱面管壁中且持續氧化，生成氧化鈣后與SO3形成硫酸鈣。因為硫酸鈣在1 200 ℃下是穩定的化合物且有黏性。所以，能夠持續吸附灰塵；在積灰層增加時內層硬結。

3.3 預防方法

第一，設置一定數量的吹灰設備且科學分配，利用各種吹掃形式，從而達到良好的吹掃效果，這也是避免黏結性積灰有效方法。此外，鍋爐運行條件下正常投入吹灰設備。反之，若受熱面吸附異灰分則不容易清理。運行過程中，應根據標準流程、時間展開吹灰。第二，鍋爐爐膛設計過程中，規范根據Qa與Qv不可過高，特別是較多容量鍋爐設計過程中，有助于減少結渣。第三，科學規劃與設計對流受熱面。結合標準要求，橫向節距較大能夠讓管列時間不容易搭橋堵塞。在燃用有較厚黏接傾向的燃料，水平煙道對流過熱器使用大節距順列設計[4]。

4 松散積灰分析

4.1 低溫過熱器與再熱器積灰

低溫過熱器與再熱器管道背面外層生成松散的積灰層，其煙道溫度在700 ℃以下，低溶灰凝結生成固體顆粒，堿金屬氧化物蒸汽凝固也隨之完成。該過程中，煙氣流內不同組分的顆粒，粒度在200 μm以下，20 μm較多。含灰氣流橫向沖刷管束過程中，管子背面形成渦流去，低于30 μm的細小灰粒卷進且吸附于管子背風面中。因為煙氣流對管道正面的積灰直接沖刷，影響積灰層生成。所以，管道背面積超出正面時只有煙氣流速低于5 m/s時，才會有正面積灰。

4.2 松散性積灰形成與穩定性

煙氣內飛灰直徑有著明顯差異，其細徑灰群能夠伴隨著煙氣呈流線運動，在管外層有少量積灰。粗徑灰有著較強的動能，在撞擊管子外層灰層過程中對灰層與管壁有著直接影響。中徑灰群，在煙氣繞管子流動時因為灰粒運動慣性，直接與管子接觸，其灰塵堆積外層生成松散積灰。所以，中徑灰與粗徑灰對灰層影響相反，灰層厚度影響著中徑灰在管子外層的持續沉積與粗徑灰對灰層的持續影響平衡性。所以，飛灰逐漸增多在超出范圍后，氣流內粗徑灰和被粗徑灰沖掉的灰相同時，積灰不會再增多[5]。

4.3 方法分析

第一，科學規劃吹灰裝置，編制科學的吹灰間隔時間與持續吹灰時間。第二，充足的煙氣流速。針對額定負荷，煙速應保持在6 m/s左右，針對升華物質濃度較多的物質，煙速會更高。

5 結語

因為受熱面積的積灰對鍋爐運行穩定性與經濟有著直接作用，所以，減少管束積灰，維持受熱面干凈成為鍋爐設計、運行的主要條件。同時，也是鍋爐設計與運行急需解決的問題。