燃氣鍋爐積灰原因分析及處理建議

＊周 兵

（廣東省特種設備檢測研究院順德檢測院 廣東 528313）

引言

工業燃氣鍋爐內飄浮的灰塵顆粒在受熱面上冷卻、吸附、粘連、積灰和結焦，增加了受熱面的熱阻；灰垢的導熱系數為金屬材料的1/40，故較厚的灰垢層會降低金屬受熱面的導熱能力，從而降低鍋爐熱效率；同時煙氣中所含的熱功不能在受熱面及時被完全吸收，致使鍋爐出力不足，增加燃料損耗，其運行的經濟性大大降低。當鍋爐尾部煙道截面較小會使對流受熱面上發生積灰時，會使煙道內負壓增加，加大煙道漏風，會增加煙氣流通阻力，使引風出力不足，降低鍋爐運行負荷，嚴重時會堵塞鍋爐尾部煙道，迫使停爐檢修；由于受熱面積灰會使煙氣溫度升高，會影響到后部受熱面的正常運行，嚴重時會損壞設備，致使受熱面大面積破裂，嚴重危害鍋爐安全運行和增大經濟損失。現今大型鍋爐設備均備有蒸汽、壓縮空氣、鋼珠等吹灰器，這些傳統吹灰器在操作和性能上，存在吹灰范圍有限、有死角、能耗高、修補費用大、操作不方便等弊端，且運用率較低，因此鏟除鍋爐受熱面積灰垢，需探尋新技術。如20世紀70年代瑞典發現并應用于鍋爐的低頻聲波清灰技術，為鍋爐清灰提供了新的途徑，得到廣泛的運用，新的清灰技術一直在探索和研究中。

1.檢驗概況

2022年3月受某生物科技公司委托對其1臺2017年4月投用的燃天然氣鍋爐進行內部檢驗。該爐的型號為WNS1-1.0-Y(Q)（如圖1），額定蒸發量1t/h，額定壓力1.0MPa，額定溫度184℃。從現場作業人員處了解到該爐每周運行5d，每天運行9h，工作壓力為0.5～0.7MPa，每班會定期排污。2022年3月在對該爐進行能效測試時，其測試結果為鍋爐出力為650kg/h，排煙溫度117.3℃，鍋爐熱效率為88.96%，排煙處過量空氣系數1.63。

受檢鍋爐在回燃室、前煙室、后煙室、二回程煙管、三回程煙管處積灰較多（如圖2）。積灰灰垢松散，易脫落，顆粒小。

2.積灰產生原因分析

燃氣鍋爐燃燒過程中會產生的微小飛灰顆粒被帶進鍋爐煙路系統中（見圖3），當煙氣沖刷管束時，飛灰顆粒撞在管壁上不僅對受熱面造成磨損，也會因下列各種因素而被黏附在管壁上造成受熱面積灰。

(1)自身重力

尾部煙道煙氣流中飛灰顆粒帶有靜電荷，對于較小的灰粒，靜電引力難以克服灰粒自重，在飛灰自重作用下黏附到管壁上。

(2)分子間引力

細小的飛灰顆粒單位質量具有較大的表面積，它和管壁接觸時與管壁分子間存在分子間引力，當其大于顆粒自重時，飛灰顆粒易黏附到管壁上。

(3)管壁摩擦力

對于部分細小的飛灰顆粒，由于管壁表面凹凸不平，借助于煙氣流動中的與管壁間摩擦力可以讓灰粒掛到管壁上。

由上述分析可見引起積灰的主要原因是自身重力、分子間引力和管壁摩擦力。對于飛灰顆粒的流動慣性力和分子間引力大于其自身重力時，就不易黏附在管壁上。如顆粒大的飛灰顆粒會隨著煙氣流動快速從煙道排出，而細小飛灰顆粒易黏附在回燃室、各回程煙管以及前、后煙室壁上。

受熱面上的積灰有松散的，也有結實的，取決于飛灰顆粒大小。煙氣中飛灰是由各種大小顆粒組成的，一般小于200μm，大部分是介于10～30μm細小顆粒。在燃氣鍋爐中煙氣沖刷受熱面管束時經常發生受熱面積灰主要是在較高溫度下的松散積灰和在低溫下的結實積灰。飛灰顆粒在受熱面上的沉積過程，最初沉積的非常迅速，一方面繼續發生著飛灰顆粒的粘附，另一方面在煙氣射流與較大顆粒的沖擊下，又發生飛灰顆粒的剝落，很快達到動平衡狀態。燃氣鍋爐受熱面的布置與結構形式對于受熱面的積灰也有一定的影響，錯列布置的管束由于背風面有氣流的擾動、灰粒的沖刷，積灰程度較輕；而在順列布置管束中，背風面幾乎沒有氣流的擾動只存在渦流區，故積灰嚴重。

3.鍋爐積灰后果分析

當截面積較小的煙道對流受熱面上發生積灰時，會使煙道有效截面積進一步減小，增加煙氣流通阻力，使引風機出力不足，降低運行負荷，嚴重時會堵塞尾部煙道，甚至被迫停爐檢修。隨著飛灰顆粒越積越多，灰垢表面溫度升高，后積上去的飛灰顆粒可能促使煙氣中的未完全燃燒物發生二次燃燒，釋放出大量熱會造成鍋爐排煙溫度過高，可能影響到后部受熱面的安全運行。

燃氣鍋爐運行過程中煙氣產生的飛灰顆粒不僅會對受熱面磨損，而且其中微小的粉塵顆粒常常粘附在受熱面上造成受熱面的積灰，由公式（1）：

式中，Q為單位爐壁面積的輻射熱量；σ0是斯蒂芬-波爾茲曼常數，其值為4.88×10-8kcal/mhk4；ak為爐內系統黑度；Thy、Tb和Tgb分別是火焰的平均溫度、爐管灰壁表面溫度和爐管金屬外壁溫度；λ、δ分別是灰垢層導熱系數和厚度。

從式（1）中可看出，由于灰垢的導熱系數小，熱阻是鋼材的40倍，灰垢層厚度越厚則單位爐壁面積的輻射熱量Q越小，這不僅增加了熱阻，使傳熱過程惡化，浪費燃料，將會影響受熱面的傳熱，使得鍋爐熱效率大幅降低，導致鍋爐出力不足，達不到額定蒸發量。同時煙氣得不到充分冷卻，排煙溫度過高，最終導致鍋爐熱效率下降。積灰嚴重時煙氣流通截面減小，煙氣流動阻力增大；同時由于受熱面不能把熱量有效傳遞給爐內介質，爐膛溫度還會升高，爐膛溫度升高會加劇爐內結焦。

排煙熱損失q2計算公式（2）為：

式中，apy為排煙過量空氣系數，1.63；tpy為排煙溫度，117.3℃；t0為冷風溫度，取20℃；

計算所檢鍋爐得出，該爐排煙熱損失達6.06%。

鍋爐積灰運行所帶來的常見危害后果如下幾種：

(1)降低鍋爐出力

因為灰垢的導熱性很差，較輕的積灰也可以形成較大的熱阻，能顯著降低鍋爐的出力。

(2)降低鍋爐熱功率

積灰導致熱功率降低直接表現在鍋爐排煙溫度升高，理論計算和運行經驗表明，鍋爐排煙溫度若升高20℃，則鍋爐熱效率就會下降1%；如電站鍋爐因積灰形成的排煙溫度增加通常在15～30℃，致使其熱功率降低約1%～2%，而工業鍋爐通常不配備吹灰設備，致使其熱功率降低超過5%以上，嚴重的甚至高達10%以上。

(3)誘發安全事故發生

鍋爐高溫結垢所形成的高溫腐蝕和低溫積灰所導致酸腐蝕到達特定程度后，會使鍋爐發作“爆管”；因為結垢的熱阻很大，高溫結垢會使鍋爐的高溫區后移，會促使帶過熱器鍋爐超溫運轉，也易誘發“爆管”事故頻發。

(4)降低鍋爐壽命

低溫結灰垢含有硫酸，可以對所附著的受熱面形成較嚴重的腐蝕；而高溫結垢中含有堿性金屬鹽，可在高溫作用下與金屬發生化學反應，對受熱面形成更嚴重高溫腐蝕。鍋爐在運轉過程中，換熱面上發生的積灰結焦削弱了工質與煙氣間的熱交換，增加了煙氣阻力，影響受熱面熱傳遞功率，降低鍋爐熱功率，增加燃料耗費，影響鍋爐的正常運轉。在工業鍋爐中，積灰有時還會致使尾部換熱器發生腐蝕，形成鍋爐運行風險，從而降低鍋爐壽命。

4.處理措施

燃氣鍋爐產生積灰可從下列幾方面進行處理：

(1)選擇清潔燃料

①料中雜質越多越易積灰

若燃料中含有較多的雜質，這些雜質混合在燃料中，雜質在燃燒過程中不易被燃燒且易形成細小的顆粒，然后造成爐內積灰。

②燃料中水分越多越易積灰

由于在燃氣中含有較多水分，降低了燃料的熱值，同時燃燒時極易產生水蒸氣，降低了爐內燃燒溫度使燃料燃燒的不充分，降低了鍋爐出力且易產生積灰。

(2)選擇合適的燃燒器

各種鍋爐因其結構、噸位不同所需燃燒器功率大小也就不同，若選擇不當，鍋爐運行時，其爐膛內壓、燃燒含氧量配比、火焰狀況都存在不穩定性，易導致爐膛積灰；燃燒器調節不當，會造成燃料不完全燃燒，出現冒煙、積灰等，對于燃氣鍋爐，選擇型號匹配的燃燒器尤其重要。

(3)確保精確的空氣配比

天然氣在燃燒過程中需要適量的空氣配比，若空氣量不足，難以滿足燃料完全燃燒，使燃料不能充分燃燒而冒黑煙和產生積灰；如果空氣量過多，易造成燃燒溫度降低，使燃料難以充分燃燒而出現積灰、冒黑煙等。排煙處過量空氣系數過大，會使得尾部煙氣中氧含量過高，使得燃燒不充分，導致排煙溫度偏高。

(4)保證合適的煙氣流速

燃氣鍋爐運行過程中需滿負荷運行，保證煙氣的流速高于0.6m/s。在低負荷運行時，煙氣流速降低，將加劇受熱面的積灰程度。

(5)增設清灰門，改造煙氣流道

由于管束密集，易造成煙速低，煙灰易于附著和沉積，腐蝕性強。目前大部分工業鍋爐未設置清灰裝置，本體設計上也僅在第三煙程設前、后兩個清灰門，管理上實行定期停爐清灰。但清灰門內封保溫材料，外上法蘭螺栓，拆裝極為繁瑣，故大部分鍋爐房鍋爐清灰門被煙灰堆積物封死，不僅長期嚴重腐蝕爐管，而且減小了流道面積，減弱了換熱效果，大大降低了鍋爐熱效率。如果增設清灰門改變煙氣流道，需在制造前通過鍋爐設計鑒定評審，且清灰門設計需考慮易操作性。

5.結語

隨著社會對環保越來越高的要求，燃氣鍋爐占有量也在逐漸增大；燃氣鍋爐積灰是由多種因素造成的，積灰對燃氣鍋爐的安全運行影響較大，應依據鍋爐實際運行情況分析，從產生積灰的原因著手，選取合適有效方法進行處理，通過對鍋爐燃燒的調整，提高燃料完全燃燒程度，減少了燃料機械不完全燃燒熱損失，降低了煙氣中有害物的排放，減少了對環境的污染，同時提高了鍋爐安全經濟運行能力。對于已經形成的灰垢，需及時采取有效措施處理，如灰垢比較堅硬，可采用人工清除法；如表面浮灰，可開啟蒸汽吹灰器或聲波除灰器進行定期清除。