鍋爐結渣原因分析及處理方法

魯博穎，郭建輝，石 永，惠建龍

(陜西興化集團有限責任公司 陜西興平 713100)

燃煤鍋爐結渣是鍋爐安全、經濟運行的最大障礙。影響鍋爐結渣的因素很多，主要有煤的灰熔點、還原性氣體含量、煤的沾污性能、爐膛溫度、空氣動力場、爐膛出口煙氣溫度、缺氧燃燒、鍋爐吹灰等。本文根據各因素的影響來分析如何預防鍋爐爐膛結渣，并提出相應的處理方法[1]。

1 鍋爐結渣機理

在鍋爐爐膛中心，燃燒火焰中心溫度為1 500～1 700 ℃。在燃燒過程中，煤粉顆粒中所含的易熔或易氣化的物質迅速揮發成氣態進入煙氣中，當溫度降低時發生凝結，或黏附在煙氣沖刷的受熱面、爐墻上，或在飛灰顆粒表面形成熔融的堿化物膜(也稱為堿性膜)，然后黏附在受熱面上形成初始結渣層，成為結渣發展的條件。渣層中發生物理化學變化，渣層的強度不斷增大，隨外表溫度不斷升高，渣層越來越厚，當結渣的溫度達到熔化溫度時，就會流到鄰近的受熱面上，擴大了結渣的范圍。因此，結渣過程是一個自動加劇的過程。

鍋爐中易結渣處一般在噴燃器出口、衛燃帶、水冷壁受熱面，嚴重結渣時還會出現在過熱器位置，導致過熱器換熱效果差(有可能引起爆管)、引風機出力增大、爐膛呈正壓，造成鍋爐停爐。

鍋爐結渣是一個十分復雜的物理、化學、動力學過程，涉及煤的燃燒、爐內傳熱和傳質、煤的潛在結渣傾向、煤灰粒子在爐內運動、煤灰與管壁間的黏附等,至今還沒有能定量描述結渣過程的數學模型。

2 結渣的危害

鍋爐結渣將對機組運行的安全性和經濟性產生不良的影響。水冷壁、過熱器受熱面發生結渣后，爐膛出口煙氣溫度、蒸汽溫度及排煙溫度升高，嚴重時會引起管壁過熱、超溫，危及受熱面的安全性。結渣往往是不均勻的，會使過熱器熱偏差增大。水冷壁處結渣對自然循環鍋爐的水循環安全性造成不利的影響。鍋爐上部結渣后出現渣塊掉落時，可能會砸壞水冷壁，影響穩定燃燒，嚴重時造成鍋爐滅火。若燃燒器噴口結渣，會影響氣流的正常噴射，破壞爐內的空氣動力工況，嚴重時鍋爐會滅火。如果結渣嚴重，將迫使鍋爐停止運行，進行除渣。過熱器處結渣，使鍋爐通風阻力增大，耗電量上升。結渣還會引起受熱面超溫、鍋爐通風量不足、蒸發量不足等問題，可能會限制鍋爐出力，使機組被迫減負荷運行。

3 影響結渣的主要因素及處理方法

3.1 煤種的灰熔點

煤灰組成極其復雜，主要由硅、鋁、鐵、鈦、鎂、鈣、釩、錳、鉀、鈉、硫、磷、氧等元素組成，大多數以氧化態存在，含量由高到低順序大致為SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、SO3、TiO2、K2O、MgO、Na2O、MnO3等。

陜西興化集團有限責任公司(以下簡稱陜西興化公司)4×160 t/h鍋爐燃煤主要來自甘肅和陜北煤礦，其中來自甘肅某煤礦煤種分析數據見表1，物質熔點見表2。除此之外，鍋爐還摻燒了來自煤氣化裝置和甲醇合成裝置的燃料氣，該燃料氣的主要成分為CO、CH4、H2、CH3OH、N2、H2O、CO2、Ar等。

形成結渣的化學反應：

Fe2O3+H2=H2O+2FeO

Fe2O3+CO=CO2+2FeO

FeO-SiO2共熔體中有個一致熔融化合物2FeO·SiO2(正硅酸鐵或鐵橄欖石)，熔點為1 208 ℃。該化合物熔化時不穩定，分解為偏硅酸亞鐵[2FeO·SiO2+SiO2=2(FeO·SiO2)]，ΔHm>0，在溫度低于1 208 ℃時反應向左進行，這極大地加速了結渣的可能性。CaO·FeO·SiO2共熔體熔點為1 100 ℃，遠低于上述煤種的變形溫度(DT)，很大程度上增加了結渣的可能性。

為了盡量減輕結渣帶來的影響，應嚴格控制進爐膛的煤粉質量，摻燒灰熔點高的煤。在煤粉內加入添加劑，可提高灰熔點，并使強黏結性的渣變為疏松的渣，便于清除和脫落，但此法需考慮對水冷壁的腐蝕，應謹慎使用。

表1 甘肅某煤礦煤種分析數據

表2 物質熔點

陜西興化公司摻燒的燃料氣中含有還原性成分CO、H2，其含量高將降低煤的灰熔點，易發生結渣，因此鍋爐在高負荷運行時應少用或停用燃料氣。

3.2 煤的沾污性能

目前各國對煤的沾污性能的判斷指標不同，以德國EVT公司采用的計算公式來說明煤的沾污性能。由于鍋爐燃煤的硫含量較高，此公式考慮了硫含量對沾污性能的影響。試驗結果表明：煤中硫含量的增加與受熱面沾污加劇成正比關系。沾污指數按式(1)計算：

Kv=(0.5+wNa2O+wK2O)×(0.5+wS)

(1)

式中：Kv——沾污指數；

wNa2O——煤灰中含Na2O質量分數；

wK2O——煤灰中含K2O質量分數；

wS——煤灰中含S質量分數。

當Kv<4時沾污較輕，當Kv>4時沾污較重。鍋爐用煤含硫質量分數為0.18%～0.97%，Kv值一般為2.54～4.77，因此對鍋爐受熱面沾污影響較大，在較短時間內就會在高溫過熱器處形成黏結性積灰。當高溫過熱器管排之間的結渣和積灰封堵了大部分的煙氣流通截面后，會在水平煙道方向形成煙氣走廊，造成煙氣流速大于設計值，飛灰顆粒對管壁的撞擊力、沖刷力加大，磨損加劇[2]。

3.3 空氣動力場

進行鍋爐空氣動力場試驗的目的是為了保證鍋爐四角一、二次風速在規定范圍內，四角來粉均勻，防止因鍋爐切向燃燒偏斜造成受熱面結焦，故燃燒器的燃燒工況與整個爐膛的空氣動力特性密切相關。

爐膛燃燒區域內的結渣常發生在火焰或煙氣直接沖刷處，若無上述情況，即使大量灰粒已呈熔融狀態，由于不與水冷壁接觸，也不會黏結在水冷壁上。若空氣動力場不良，造成切圓過大或火焰中心偏移，將導致高溫煙氣沖刷水冷壁面而結渣。因此，應及時調整各風門開度及風煤配比，盡量均勻提供四角煤粉濃度及各燃燒器配風量，并適當提高一次風速[3]。

3.4 爐膛出口煙氣溫度

爐膛出口煙氣溫度直接反映了火焰是否有偏斜現象。測溫點一般南北兩側各布置1個，二者溫差直接反映了火焰對兩側水冷壁的沖力方向、一二次風的分布是否均勻，間接反映了結渣的可能方向。因此，日常生產中應注意觀察2個測溫點的溫差大小。

當空氣量充足時，控制爐膛出口煙氣溫度是避免爐膛結渣的重要措施之一，一般爐膛出口煙氣溫度控制在低于灰熔點50～100 ℃就可避免爐膛上部結渣。為避免爐膛出口煙氣溫度過高，可采用合理配風、降低火焰中心高度、減小爐膛熱強度等措施。

火焰中心上移將導致出口煙氣溫度上升，排煙溫度升高，引起屏式過熱器、低溫過熱器和高溫過熱器結渣，嚴重時甚至發生爆管。因此，實際生產中必須控制好火焰中心高度，嚴防火焰中心上移。

下部爐膛投用燃料氣時，若熱負荷過高，易發生局部結渣，此時可適當提高送風機風壓，保持爐膛中氧體積分數為4%～5%，控制壓力為-70 Pa，并稍微延長著火點。

3.5 缺氧燃燒

缺氧燃燒會產生還原性氣氛，使煤灰熔點大幅下降，誘發嚴重結渣。所以控制合適的爐膛氧量非常重要。固態排渣煤粉爐過剩空氣系數為1.20～1.25，過剩空氣系數過小將導致缺氧燃燒。鍋爐過剩空氣系數按式(2)計算：

α=0.209/(0.209-φO2)

(2)

式中：α——過剩空氣系數；

φO2——O2體積分數實測值，%。

3.6 蒸汽吹灰

鍋爐用燃料煤含灰量和含硫量高，運行中會引起受熱面沾污積灰、結渣。結渣后，外部輻射熱減少、傳熱速率下降，導致鍋爐效率下降；此外，高負荷連續運行時，爐膛容積熱負荷增大，過熱器溫度嚴重升高，燃料氣的投用極大地增加了爐膛結渣的可能性。因此，應定時采用蒸汽對爐膛受熱面進行吹灰。吹灰一般采用壓力1.0～1.5 MPa、溫度400 ℃的過熱蒸汽，能有效清除水冷壁及屏式過熱器積灰。

4 結語

爐膛結渣是一種危害性較大的鍋爐運行障礙，必須從煤質、運行、檢修及其他方面進行綜合分析，最終將危害程度降至最低。另外，當鍋爐高負荷運行時，爐膛容積熱負荷過大，爐膛出口煙氣溫度高，為防止局部嚴重結渣，甚至發生爆管事故，應強化給水質量，對受熱面及時吹灰，適當加強排污。在例行巡檢過程中，如發現底部有大渣掉落或渣量異常少時，應對爐膛受熱面和噴燃口進行檢查，發現問題及時解決。