淺談鍋爐積灰結焦的危害和預防

劉夢然

摘要：燃煤鍋爐目前仍是我國廣泛使用的供熱裝置，鍋爐通過煤、生物質、天然氣等燃料的燃燒來完成熱能的輸送，但因為各種各樣的原因，許多燃煤、燃生物質鍋爐產生了積灰結焦的現象。通過研究鍋爐積灰結焦的機理，提高對積灰結焦危害的認知，總結出防止鍋爐積灰結焦的技術及安全措施，保證鍋爐的供熱正常和連續運轉。

關鍵詞：鍋爐;積灰結焦;預防

引言：積灰結焦結焦是鍋爐運行中比較普遍的問題，一般情況下，隨著煙氣一起運動的灰渣顆粒，由于爐膛水冷壁受熱面的吸熱而同煙氣一起被冷卻，如果液態的渣粒在接近水冷壁或爐墻前，已經因為溫度降低而凝固，當附著在受熱面管壁上時，將形成一層疏松的灰層，運行中通過吹灰可以除掉。當爐膛內溫度較高時，一部分灰顆粒已經達到熔融或半熔融狀態，若這部分灰顆粒在達到受熱面前未得到足夠冷卻達到凝固狀態，具有較高的粘結能力，就容易粘附在受煙氣沖刷受熱面或爐墻上，甚至達到熔化狀態，粘附熔融或半熔融狀態的灰顆粒和未燃盡的焦炭使結焦不斷發展。

一、鍋爐積灰結焦的形成及形態

1.熔渣。水冷壁及其它輻射受熱面上的積灰主要是熔渣。燃料灰中含有易熔的堿性金屬氧化物和硫酸鹽，在高溫下發生升華或形成易熔的共晶體，遇到較冷的受熱面管壁即冷凝下來形成內灰層。其外表溫度隨灰厚度的增加而不斷增加，使灰層達到熔化狀態，覆蓋在管壁且具有粘性，進一步捕捉飛灰而不斷加厚，這種熔渣的一個重要特點是它能夠隨時間無限增長。

2.高溫積灰。在高溫煙氣環境中飛灰沉積在管束外表面的現象叫高溫積灰。

3.松散灰。松散灰是物理沉積，灰粒之間呈松散狀態。在煙氣溫度低于600-700℃的煙道內，低溫受熱面管子表面形成的積灰為松散灰。

4.粘結灰。由于燃料中含有燃料硫，燃料燃燒后總有一部分會形成SO3，并和煙氣中的水蒸氣形成硫酸蒸氣。硫酸蒸氣能在較高溫度下冷凝，使煙氣露點溫度升高。當硫酸蒸氣流經受熱面時，如果金屬壁溫低于煙氣露點，則硫酸蒸氣就在管壁冷凝下來，當煙氣流過時，硫酸溶液就吸附灰粒子與灰中鈣的氧化物進行化學反應生成CaSO4粘在管壁上，形成了一硫酸鈣為基質的低溫粘結灰。低溫粘結灰呈硬結狀，不易清除，也會無限增長，甚至會產生堵灰，電站鍋爐中常在空氣預熱器中發生，而工業鍋爐中常發生在省煤器中，尤其是鑄鐵式省煤器中。（注：煙氣露點溫度指硫酸蒸氣冷凝時的溫度。）尾部受熱面的積灰包括松散灰和低溫粘結灰兩種。

二、鍋爐積灰結焦形成的原因及影響因素

1.結焦與熔點有關。結焦的根本原因是熔化狀態下的灰沉積在受熱面上。可見，灰的熔點是結焦的關鍵。可用灰熔點溫度及灰的主要成分來判斷煤灰的結渣指標。通常可用灰成分中的鈣酸比、硅鋁比、鐵鈣比及硅值來判斷其結焦傾向，灰的熔點與灰的化學成分、灰周圍的介質性質及灰分濃度有關。灰的化學成分以及各成分含量比例決定灰熔點的高低。灰熔點比其混合物中最低熔點還要低。灰熔點越低，鍋爐受熱面越容易結焦。灰熔點與灰周圍的介質性質有關。當煙氣中有CO、H2等還原性氣體存在時，灰熔點降低大約200℃。這是因為還原性氣體能使灰分中高熔點的Fe2O3還原成低熔點的FeO的緣故，二者熔化溫度相差200～300℃。灰熔點還與煙氣中灰的濃度有關。在其他條件相同的情況下，煤中含灰量不同，灰熔點也會發生變化。這是因為灰分中各成分在加熱過程中，相互接觸越頻繁，則產生化合、分解、助熔的機會也越多，則熔點降低的可能性也越大。

2.結焦與燃燒調整有關。如果送引風量太大，進行強化燃燒，爐溫超過煤灰粘結溫度時，會形成高溫結焦。若鍋爐運行中配風不合理或風量不足，氧量低，煤不完全燃燒，會產生大量一氧化碳及氫等氣體，會使爐內產生還原性氣氛，例如，用Fe2O3較高的煤時，在沒有充分氧氣的情況下，C不完全燃燒生成CO，而CO有還原性，則高熔點的Fe2O3被CO還原成FeO，而FeO與SiO2等進一步形成熔點更低的共晶體，有時候會使灰的熔點下降150-300℃。雖然爐膛出口煙溫低于煤灰的軟化溫度，但仍會形成劇烈的結焦。沸騰燃燒鍋爐比較容易出現“低溫結焦”就是這個緣故。鍋爐負荷升高或燃燒不合理造成局部爐溫高，達到灰熔點，導致鍋爐結焦。

3.結焦與鍋爐設備漏風有關。爐膛漏風增大進入爐內的風量，降低燃燒室的溫度水平，推遲燃燒進程。冷灰斗處漏風會抬高火焰中心，火焰拉長，導致爐膛出口煙溫升高，容易引起屏過結焦。

三、積灰結焦的危害

受熱面結渣以后，會使傳熱熱阻增加，傳熱減弱，工質吸收熱量減少，鍋爐排煙溫度升高，排煙熱損失增加，鍋爐效率下降。為保持鍋爐的正常運行，在增加燃料量的同時必須相應的加大風量，這就使送、引風機負荷增加，用電增加，因此，結渣使鍋爐運行的經濟性明顯降低。受熱面結渣時，要保持鍋爐的正常運行，必須增大風量。若通風設備容量有限，加上結渣容易使煙氣通道局部堵塞，煙氣阻力增加，風機風量難于加大，鍋爐只好被迫降負荷運行。

水冷壁結渣，會使其個部分受熱不均，對自然循環鍋爐的水循環安全性和控制流動帶來不利影響，可能導致水冷壁管破壞。 若造成水冷壁全部結焦時，只有停爐進行人工清焦。焦若熔合成大塊時，因重力從上部落下，導致砸壞冷灰斗水冷壁。低負荷會因掉大塊焦而引起燃燒不穩甚至熄火。

總之，結渣不但增加了鍋爐運行維護和檢修的工作量，嚴重危及鍋爐安全經濟運行，還可能迫使鍋爐降低負荷運行甚至被迫停爐，結渣本身是一個復雜的物理化學過程同時還有自動加劇的特點，一旦發生，由于渣層的熱阻使傳熱惡化，爐內咽氣溫度和渣層表面溫度都將升高，加之渣層表面粗糙，渣粒更容易黏附上去，結果結渣過程會愈演愈烈，所以應盡最大努力來減輕或防止鍋爐結渣。

四、在運行方面防止鍋爐積灰結焦的辦法

1.選擇合理的運行氧量。鍋爐運行氧量即爐內的氧化或還原性氣氛，它對鍋爐的結焦有非常大的影響，如果鍋爐運行氧量偏低，爐內還原性氣氛較強，煤的灰熔點就會下降，鍋爐就容易結焦。提高鍋爐運行氧量，避免爐內出現還原性氣氛。加強爐內吹灰工作，特別是重點區域要增加吹灰次數，如果運行氧量還偏低，必要時適當降低負荷。由于結焦的主要區域在爐膛出口處，此處容易堵塞煙道，增加煙氣阻力，引風機出力更顯不足，所以要防止結焦與還原性氣氛惡性循環的趨勢。機組檢修時，對空氣預熱器進行重點清洗，降低風煙道的阻力， 提高風機的出力。

2. 選擇合理的爐膛出口溫度。監視爐膛出口煙溫（或高溫受熱面管壁溫度），保證主參數合格和爐膛出口煙溫低于燃煤灰熔點的同時來保證蒸汽質量，從而防止爐膛出口結焦，并能獲得最大的鍋爐效率。 當煤質有波動時，運行人員要根據實際情況進行調整，防止在燃用不同煤種時鍋爐爐膛結焦，如有一部分大顆粒煤粉在爐膛出口處尚未燃盡，會導致鍋爐爐膛出口煙溫偏高，結焦嚴重。

3. 保證空氣和燃料的良好混合，避免在水冷壁附近形成還原性氣氛，防止局部嚴重積灰、結焦。當風速、風量不合理時，盡管爐內總空氣量大，但仍會出現局部區域的熾熱焦碳和揮發分得不到氧量而出現局部還原性氣氛。當煤粉爐煙氣含氧量低于3%時，由于局部缺氧，將會使CO含量急劇增加。 保持適當的過剩空氣系數，合理使用一、二次風。若一次風太大，火焰上升得很高，甚至直射后墻，會促使高溫結焦。若二次風使用得當，火焰中心下移，延長了煙氣路線，可使爐膛出口溫度降低。

4. 要有合適的煤粉細度和厚度。粉粗，火炬拖長，粗粉因慣性作用會直接沖刷受熱面。再則，粗煤粉燃燒溫度比煙溫高許多，熔化比例高，沖墻后容易引起結焦。但是，煤粉太細也會帶來問題，一是電耗高，制粉出力受到影響，二是爐膛出口煙溫升高，易引起結焦。

5.防止鍋爐超負荷運行。超負荷運行會引起結焦。超負荷時就要較大幅度調大風量，提高送引風和二次風風速及煙速，增加過剩空氣量。這種強化燃燒的結果使火焰偏高，煙氣里攜帶大量熔融狀態的煤粒煤灰粘結在爐膛出口捕渣管上，此處平均溫度很快高于灰熔點，形成結焦。

6. 適當提高一次風速可以減輕燃燒器附近的結焦。提高一次風速可推遲煤粉的著火，可使著火點離燃燒器更遠，火焰高溫區也相應推移到爐膛中心，可以避免噴口附近結焦。 提高一次風速還可以增加一次風射流的剛性，減少由于射流兩側靜壓作用而產生的偏轉，避免一次風直接沖刷壁面而產生結焦。

7. 摻燒不同煤種。煤種摻燒能在一定程度上綜合所摻煤種的灰焦特性。低灰熔點煤灰分仍在受熱面上沉積，但高熔點固態灰對受熱面有一定的沖刷作用，使沉積量降低。 混合摻燒不同煤種，合理掌握煤塊粒度及煤粉細度，特別是混燒結焦性強和結焦性差的煙煤，是預防結焦、提高鍋爐熱效率的好辦法。 對于干煤應適當摻水，對于含硫化鐵粘結性強的煤應及時打焦清渣，對于灰分大的煤應適當增加清爐次數，對于管群、煙管或煙室的堵灰應及時清理。

參考文獻：

[1] 鄭翔陽 鍋爐結焦的危害及防治措施探討 科技創新與應用2016 第18期

[2]張亞生 鍋爐結焦原因分析及解決對策 ?科學論壇 （2014）07-0331-01