对冲式燃烧锅炉的结焦综合讲解.doc

对冲式燃烧锅炉的结焦综合讲解产生结渣的先决条件是呈熔融状态颗粒与壁面的碰撞。煤粉炉内的颗粒随气流运动，气流场决定气流向壁面的冲刷程度，决定灰粒与壁面碰撞的机率。此外较大尺寸的颗粒容易从转向气流中分离出来，与壁面碰撞，因此急剧的气流转向与粗的煤粉细度是容易导致结渣 的。低的灰粒熔融温度和高的壁面漏度使灰粒与壁面碰撞之际易呈熔融状态；粗的灰粒也因分离速度大碰撞壁面前经历的分离时间短，冷却不易而呈熔融状态；不清洁的水冷壁，吸热能力弱，区域温度高，对灰粒的冷却能力弱，使灰粒在碰撞之际易呈熔融状态。灰的熔融特性温度是与所处环境气氛相关的，若氧化性气氛则熔融温度高，还原性气氛则低，因此炉内的过量空气系数也影响到炉内的结渣。所以结渣并不只单纯决定于煤灰特性的，而与许多因素密切相关，并通过灰粒的熔融特性温度与结焦倾向相连系。 4 l( % a4 f3 k- e2 n# p一、煤粉的结焦倾向特性 煤灰并不是一个单一的物质，其熔融特性是随着它的组分而异的。煤灰从固态转变为液态是一个连续的过程，熔融温度不是一个单值，只能以它处于什么熔融状态下的几个温度值来表明。一种被广泛接受的方法是以煤灰试样在受热升温过程中，变形到几个特定形态时的相应温度来表达，如变形温度、软化温度和熔化温度(流动温度)。煤灰的试样是由用煤灰工业分析方法得到的灰，按规定的制备方法制作成的灰锥。因此，由此得出的结果是集无数灰粒于一体的煤灰熔融愤向的总体特性。这种试验和表达方法是在早期为研究层燃炉的结焦 问题而建立的，实践也证明对于燃烧过程处于煤灰集中状态的层燃过程中的结渣是较充分有效的，但对于燃烧过程是处于各个煤粉或灰粒分离状态的煤粉炉则并不充分。在层燃炉中，煤灰分之间相互接触、相互反应的结渣行为决定于(至少在相当程度上)灰分的总体；在煤粉炉中，颗粒间的相互分寓使煤灰的熔融特性或结渣倾向只决定于各单个煤粉颗粒的行为。煤粉在燃烧过程中会产生一定的离析，各个煤粉颗粒的含灰量及其组分并不相同，使各颗粒灰分间的反应只限于颗粒之内，其熔融特性也随颗粒而异，难以只用一个总体特性来表达，必 须辅之以一些其它的补充指标。又鉴于煤及其灰分的复杂性、以及与燃烧间的复杂关系，迄今人们对于结渣行为与煤灰特性之间的关系还所知甚少，因此这些补充指标还带有一定的探索性，不同指标标被不同的人们所采用，迄今尚未统一。选择其使用较广的介绍如后。 (一)煤灰的熔融特性温度 煤灰的熔融特性温度也与煤的其他指标情况类同，即在相当的程度上是人为的。虽然目前在各个不同的国家和地区都是通过实验，灰锥样在升温过程中的形态改变到一定程度时的温度来表征的，但在测量方法和特征的具体规定中又各有不同。从而说明这些方法都是经验性的和煤灰熔融特性本身是复杂的。我国的煤灰的熔点温度标准所规定的测定方法要点是：将煤灰样制成一定尺寸的正三角锥，在一定的气体介质中以一定升温速度加热，观察灰锥在受热过程中的形态变化；测定它的三个熔融特性温度变形温度(dt)、软化温度(st)和流动温度(ft)。并定义变形温度为灰锥顶部开始变化或弯曲时的温度，软化温度是锥体弯曲到端部接触底板、灰锥变形到呈球形，或高度等于底长的半球形时的温度。流动温度是指灰锥熔化呈液体状，或展开成厚度在15mm以下的薄层或锥体逐渐缩小，然后接近消失时的温度。方法中所说的灰锥是指用煤灰工业分析方法中烧灼成灰的方法所得到的灰；所说的灰锥是由在上述灰样中捶加10的可溶性淀粉，经在模型中挤压成的高20mm，底边长7mm的正三角锥；一定的气体介质是指弱还原性气氛。 加热炉内的气氛为还原性或氧化性，决定于进行规定的要求。 研结果所达成的共识是，如果煤灰的颗粒很小，且混合是十分均匀的，则：熔融特性温度就只与灰渣的组分有关，与灰渣的来源无关。软化温度与组成灰的各种氧化物的相平衡图密切，或者说可以通过相平衡图得出它的软化温度值。但在建立二者关系的计算式上役有什么进展，于结论是在实验室用化学用品配制成的灰的试验结果得出的，而存在于实际煤灰分中一些微量元素，对于灰的熔融特性温度却具有相当的影响，使用常规灰组分分析方法得出结果来预测这一温度时，所得的结果并不足够确切。再加以灰渣的熔融温度测定，如同前述并不十分复杂，使寻求其间的关系并不十分迫切。其后许多研究工作者了解到煤各组分间在高温条件下会相互反应并生成多种低熔点温度化台物这一现象之后，开始认识到不能单纯通过各单项灰组分相图的方法来预测灰的熔点温度。以转向着手建立多种煤灰组分的单项指标，并使它们与在炉内的结渣横向建立关系。 0 |. x a4 t5 q8 0 h4 j (二)一些与煤灰结渣横向相关的单项指标 煤灰的组分随煤种或产地有相当的差别，尤其是在排除si0与al203对比时，对于极大部分煤种来说，si及a1203是煤灰分的最主要组成，且相对的变化并不大，虽然在煤的成煤过程中，以及其后的采集运输中混入或夹杂进去的砂、石类的外来物料。从处于分离状态的纯so及a1203而言，都具有很高的熔点温度，在炉内的温度下不致呈熔融状。对煤灰熔融特性的影响表现为与其它组成物间的反应。一些单项指标基本上是据此提出的。 1碱酸比(ba) 碱酸比的定义和值可按下式决定，各组分的值来自灰组分分析。ba与结渣倾向间的关系可理解为，如果煤灰组分中，碱酸二类组分中一项含量很高，而另一项很小，亦即ba的值很大，或者很小，那么可生成的低熔点复合盐量就少，这一煤种的灰熔点温度就高，结渣的惯向性也小，反之也大。但是由于钾、钠在较低的温度下会升华或分解，铁的熔点温度也不高，且实际上多以分离状态的黄铁矿形式存在于煤中，因此当这三者在煤灰中有一定含量时，ba值对结渣惯向的预计正确性就受到影响，使ba值成为一种可以预计结渣倾向，而又不是唯此就能作出预计的指标。ba值只决定于煤灰中碱酸二类氧化物的总量比，没有顾及各种碱性组分的“助熔”方面的差别。所谓助熔是指组成物质降低混合物熔点温度的能力，诸如在耐火材料中，微量的铁会使耐火材料的可使用温度有很大的下降。另一可以说明的问题是：如某种煤灰的铝和铁的含量较大，另一种煤灰的硅和钙的含量较大，二种灰可以具有相同的ba值，但实践表明了它们的熔融特性却有很大的差别。但也应该说明，对于大多数的烟煤煤种，钾、钠含量均小，因此ba值仍不失为一个很有用的指标。对于ba处于o4-07的煤种，其灰熔点总是低的，结渣性总是强的；而小于此值的则多是弱的结渣性能。 ( r5 $ 0 n) q% g5 j8 ? k( a 2硅铝比 硅铝比也是表达煤灰熔融特性的指标之一。硅和铝的氧化物都属酸性，也都具有很高的熔点温度，但由于硅比有与碱性组分的反应性能，因此二种碱酸比相同的灰，硅铝比高的那一种总具有较低的熔点温度。硅铝比的定义为si02a120)。一般煤灰的硅铝比常在048范围。硅铝比对煤灰熔融特性的影响颇为复杂，实验室的试验结果表明硅铝比在17-28范围时，对熔融温度的影响不大，但在比值小于17时，煤灰的软化温度和流动温度都迅速增高；比值大于28后，流动温度迅速下降。不论比值如何变化，对始变形温度均基本上没有影响。 4 r# ?% % q 3铁钙比 # c* k, g) v) q# a j铁钙比定义为fe203cao。实践结果表明，发生于煤燃烧过程中的许多麻烦，多由灰分中的铁氧化物所造成。含铁量高的煤种，具有高的结渣倾向，井与铁在煤中的存在形式关系密切。分布均匀的煤种所可能导致的麻烦比分布不均匀的为大。这是由于以分离状态存在于煤灰中的含铁灰分(黄铁矿)，较容易在采用中速磨煤机的石于煤排出系统中得到分离，更因常以单质颗粒的形态存在，少有与其它组分反应的机会。铁钙比是对前述碱酸比没有涉及助熔作用的一个补充指标。 4当量fca03和fe的百分含量(fp) ) n5 r4 n9 ) w ! 6 x3 m 这个指标表明了煤灰中铁的氧化程度。鉴于煤灰分中的铁，在较强的氧化性气氛下，主要生成pq03，而在较强的还原性气氛下，主要以feo或以pe的状态存在。虽然在煤炭工业分析灰分中都属于fqo，但h和feo要比fzos具有更强的助熔作用，从而影响到熔 融特性温度。此它们既是一个与煤灰特性相关，更是一个与炉内燃烧过程相关的指标，显然其值越小结渣倾向也愈大。在炉内气氛属还原性，fq09还原成feo，使fp减小，结渣倾向增大，易产生结渣的原因也与此有关。 7 p c8 i/ c7 a. _* l0 o 5碱金属总量(na2o+k2o) 如同前述钠和钾同属煤灰分中的碱金属。钠和钾在不高的温度下会升华，也会与灰中的其它组分反应生成低熔点温度的化合物。因此，碱金属在煤灰中的含量会影响到煤灰的熔融温度。熔融温度随碱金属总量的增大而降低，结渣倾向增大。因碱金属升华后，凝结下来的细粒黏附性强，积灰倾向也随之剧增。从而这是一个与结渣及积灰倾向都相关的指标值。 7 9 g# e4 p2 4 i n. p 在以下还可以看到一些类似的指标，它们都不是直接与煤灰的组分有关，而是以几个特征温度来建立与炉内结渣程度或横向性的联系。实际的情况表明在不同的场合引用这类单项指标，对结渣进行预测的正确程度并不相同，换言之，没有一个或一组单项指标能对所有场合都作出正确的预测，反之也都有一定的正确机理。可能是迄今人们还对煤灰的特性缺乏认识，对结渣与煤灰特性间的关系还尚欠研究。煤灰分在煤中的存在，在燃烧过程中的变化历程，形成灰的物理特性等迄今的了解还是电略的，不少结论是推理性的。颗粒在炉内的运动还未能作出确切的描述，或者说即有也是由大量简化假定后的结论，温度的情况更是如此。由于炉内的结渣是不均匀的，更缺乏规律性，对于炉内结渣程度只能用低、中、高、严重作抽象描述，更难定量分析。 3 s$ m4 g9 b3 i# f2 j 关于煤灰对结渣倾向性的影响，迄今也存在二种不同的认识，无关的和呈正比的。由于结渣本身是一个十分复杂的过程，煤灰分特性只表明它对结渣的倾向。也如同前述，这些指标值都是基于由煤灰工业分析方法得出的，从而仍然是不同煤种煤灰的总体指标。在煤粉炉中，结渣是以单灰粒的形式参加结渣层中去的，灰粒与灰粒会具有不同的组分和特性。因此近期有关结渣、积灰与煤灰特性间关系的讨论，已经涉及到灰分在煤粉颗粒间的偏析和灰的选择性沉积进一步与锅炉的设计和运行参数相联系。 二、受热面的结渣 受热面的结渣可以产生于水冷壁上，也可以产生于靠近炉膛出口区域的屏式过热器。水冷壁受热面的结渣使水冷壁的吸热能力降低，蒸发量减小，炉膛出口烟温增大，并导致过热汽温、再热汽温超过额定值。炉膛出口受热面的结渣也在降低这些受热面吸热量的同时，阻 8 x3 v a+ d- , c r7 o碍烟气的流动，导致烟通道阻力与各并列管屏间的偏差程度增大和受热面热偏值增大。 1基本成因 前面已经提出，受热面的结渣发生于呈熔融状态的灰粒与壁面的碰撞，从而被黏附在受热面上。因此产生结渣的条件首先是二者间的碰撞，其后灰粒呈熔融状态具有黏附在壁面上的能力。前面也已经提出，构成煤粉或飞灰的各颗粒会具有不同的灰的组分和熔融温度。炉内具有一定的温度分布，一般在煤粉炉火焰中心区域的烟温很高，有相当一部分灰粒呈熔融或半熔融状态；在靠近炉壁区域则烟温较低。炉内的煤粉或灰颗粒会随气流而运动，或从气流中分离出来，在这分离的过程中，颗粒的温度会随它从高温区域到达壁面的运动速度、环境温度条件而改变。如果存在足够的冷却条件，那些原属熔融状态的颗粒将重新固化，失去黏附能力，失去产生结渣的条件；反之产生结渣的程度即大，这就是受热面产生结渣的基本成因。它是与煤灰特性、炉内的速度值、温度值、煤粉或者说灰粒的粒度等密切相关的，以及前面提到煤粉炉内的结渣总不可避免，问题只是程度或是否迅速剧增。 l, b. d& v5 m 9 n 2影响受热面结渣的基本因素 从上述的结渣基本成固可以看出，影响结渣的基本因素有三个：炉内的空气动力场，煤粉或灰的粒度和重度，这影响到烟气和灰粒在炉内的流动。灰粒从烟气中分离出来与壁面的碰撞，既与煤粉细度，也与煤灰的选择性沉积相关的。由煤的燃烧特性、锅炉负荷及 炉内空气动力场所构成的炉内温度场以及煤灰的熔融特性，这影响到与壁面撞磋的灰粒是否呈熔融状态具有黏结的能力，这也与受热面的热负荷，受热面的清洁程度相联系的。炉内气流的贴壁冲墙影响到燃烧过程，也促进颗粒与壁面间的碰撞；气流速度与流向的突变，促进颗粒从气流中分离出去，增加与壁面的碰撞机会。在相同的流动状态下，气流中愈粗、愈重的颗粒，愈容易分离出去，碰撞壁面的机率也多。因此在煤粉炉中都需进行空气动力场试验，通过调节各喷嘴出口的风速、风量来保证气流不致贴壁冲墙；在近壁面区域的速度梯度是小的，也限制煤粉中的粗粒(如ce所推荐的大于297m的颗粒不大于2)。由炉内空气动力场和煤粉的燃烧特性，决定了煤粉在炉内的释放热量分布；由空气动力场和受热面的吸热能力，决定了受热面的吸热分布，从而决定了炉内的温度场。如果由此而造成的温度场使火焰中心与炉壁之间有一定的距离，近炉壁处是一个温度较低的区域，那么从高温区域分离出来的灰粒就具有被冷却成固体的较大机会，产生结渣的可能性就小。当然这还与分离颗粒能在这一区域经历的时间，也就是运动速度相关，与煤灰的熔融特性相关，与灰的粒度相关。较大的颗粒其热容量大，换热系数也小，不易冷却固化。锅炉热负荷增大，炉内释放热量增大，在相同的炉内受热面条件下炉内总体的温度水平提高，与此同时，受热面的净热流密度(单位受热面热负荷)增大，壁面温度随之增加，近壁面区域的温度，既随炉内整体的温度水平也因壁面温度而增加，对接近灰粒的冷却能力随之减弱，容易导致受热面的结渣。受热面的清洁程度降低将使壁面温度增高，其情况也相类似。由此可以看出结渣的影响因素是复杂的，煤灰的熔融特性是主要的，但不是唯一的影响因素。 * l: v0 $ i: c& k 3锅炉的设计运行与结渣 在讨论了结渣的基本影响因素之后，现就锅炉设计运行因素进行讨论，通过下列因素来控制炉内结渣程度的，也是与煤灰特性相联系的。 (1)炉膛出口烟温。炉膛出口烟温在相当程度上表征着炉内的温度水平，或灰粒状态的条件，炉膛出口受热面的结渣倾向。因此燃用灰熔点低的煤种的锅炉，其炉膛出口温度总是设计得偏低的。对于用摆动燃烧器角度调节再热汽温的锅炉、向上摆的最大角度受到炉膛出 口受热面结渣的限制(向上摆、炉膛出口烟温增加)。 # t7 r5 x/ q c, s: i4 y, u4 a) r (2)锅炉负荷。锅炉负荷通过增大炉内燃料量和受热面的净热流而得到提高，如同前述，前者燃料量表征炉内的整体温度水平，后者意味着受热面的外壁温度。因此锅炉负荷增加就意味着炉内结渣可能性的增大。如发现锅炉结渣现象增剧时的主要处理措施之一是降低锅炉负荷。 (3)燃烧器上部的炉膛高度。从煤粉的燃烧过程来说，需要有一定的炉膛高度来满足燃烧过程或者说火焰长度的需要。炉内的温度分布是与这一高度密切相关，温度只有在燃烧基本结束后，才会较迅速下降，灰粒才有被冷却固化的可能，如果这一从燃烧器上部(最上排 一次风口)到屏式过热底部的高度较小，那么屏式过热器结渣可能性就大了或会引起较严重的结渣。在锅炉设计中这一高度与燃用煤种的燃烧特性及灰的熔融特性相对应的。 $ e y8 q$ r; b - n (4)炉壁热负荷和燃烧器区域热负荷。炉壁热负荷即投入炉内热量与炉壁投影面积之比，说明水冷壁对投入炉内热量的吸收能力，亦即炉内的温度水平，尤其是近炉壁区域的，或者说对接近壁面灰粒的冷却能力。燃烧器区域热负荷是表征燃烧器布置的相对集中和分散。燃烧器区域是炉内速度和温度变化最激烈、梯度最大的区域、燃烧最强烈，区域温度水平最高，最容易产生结渣的区域。因此燃用结渣惯向性高煤种的锅炉，燃烧器区域热负荷值取低限。 (5)燃烧的空气量及风粉配比。炉内空气量不足，容易产生一氧化碳，因而使灰熔点降低，会引起炉膛内结渣，特别燃用挥发分大的煤时，更容易出现这种现象。 5 h d* * m s: p (6)火焰偏斜，煤粉气流贴壁。燃烧器缺陷或炉内空气动力工况失常都会引起火焰偏斜或煤粉气流贴壁。火焰偏斜，使最高温的火焰层移至炉壁处，使水冷壁产生严重结渣。 + 8 z b; i3 _ (7)煤粉细度。煤粉中的粗颗粒既容易从气流中分离出来与壁面相碰，也需要较长的燃尽时间和火焰长度，更因热容量大，换热系数小而冷却固化不易。因此在燃用熔融温度特性值低的煤种时，更需控制煤粉中的颗粒重量份额(实际控制煤粉均匀度)。 v# 9 v2 r s (8)吹灰操作。煤粉锅炉的结渣是在所难免的，问题是结渣的程度如何。受热面一旦产生结渣，表面温度随之增高，对接近受热面的灰粒的冷却能力减弱，会由此而导致恶性循环(结渣越来越严重)。锅炉是通过吹灰器对受热面吹扫来维持受热面清洁，或不致严重被沾 % / ?- f. 4 c( a9 污。一旦结渣严重，吹灰器的清扫能力就减弱。因此吹灰器的布置和运行必须与燃用煤种的结渣倾向相应，使沉积灰渣能得到及时清扫。 # u: m4 ; c4 v6 o y, j 4结渣层的形态和煤灰特性 , o! s( m! w3 j y0 m 人们对结渣机理的大体认识是：首先在受热面或其它壁面上形成一层开始的沉积层，其结果是壁面温度升高，熔融灰粒在接近壁面过程中的冷却条件变差，当其黏附到壁面上之后，因温度降落成为固体，或相对坚实的呈塑性状态的沉积物。随着这层沉积物的增厚，热阻的增大，结渣层表面温度进一步升高，结渣层的塑性逐渐增大，呈现处于流动状态的渣层。这一处于不同状态的渣层厚度，从理论上说是可以从受热面的热流、灰渣层的导热系数以及灰撞的熔融特性温度作出预计的。 一种可供借鉴或参考用的灰渣特性与结渣层的关系是前苏联的研究结果。他们认为结渣从前述的初始层向塑性第二层的发展和构成是与沉积层的灰渣组分(不是指煤灰的组分)相关的。对将开始形成这第二层的表面温度称之谓“开始结渣温度”。根据有人对前苏联煤种结渣情况的调查研究结果公式表明，可根据灰渣中钾、钠、钙、铁的重量百分数计算得出。 j：1025十357(18k) ( # f5 k/ g: h& j) r k：(na20十k20)1十0048(cao十fe203)9 公式表明。随灰渣中钾、钠、钙、铁含量的增大而下降，亦即结渣的倾向增大。运行资料表明实际结果与这一说法是基本相符。 2 p7 j8 i6 t q0 g8 a三、结渣的防止 ( i: u* i# s+ g: , b5 s% t预防结渣主要从不使炉温过高，火焰不冲墙和防止灰熔点降低着手。 . p+ t! d i7 h 1加强燃煤的管理与控制 电厂燃煤供应应符合锅炉设计煤质或接近设计煤质的主要特性。严重不符合本厂锅炉燃烧要求的燃煤，电厂应拒收。有条件的电厂，可掺烧不易结渣的其他煤种。应及时提供人炉煤煤质分析特别是灰熔点数据，供运行人员参考以利于锅炉燃烧调整。 2加强燃烧调整通过试验建立合理的燃烧工况，并制定相应的运行规程。确定锅炉在不同负荷下燃烧时及磨煤机的投运方式，防止燃烧罪区域热负荷过于集中和单只燃烧器热功率过大；确定锅炉不投油稳燃的最低负荷，尽量避免在高负荷时油煤混烧，造成燃烧器区域局部缺氧和热负荷过高；确定煤粉经济细度；保证各支燃烧器热功率尽量相等，且煤粉浓度尽量均匀；免火焰中心过分上移造成屏区结渣，或火焰中心下移导致炉膛底部热负荷升高和火焰直接冲刷冷灰斗；确定合宜的一、二次风的风率、风速和风煤配比，以及燃料风、辅助风的配比等，使煤粉燃烧良好而不在炉壁附近产生还原性气氛；避免火焰偏斜直接冲刷炉壁等。 3加强锅炉运行工况的检查与分析 $ g2 n% x6 d4 k8 l3 k 运行人虽应经常检查锅炉的结渣情况，发现结渣严重应及时汇报处理；定期分析锅炉运行工况，对易结渣的燃煤要重点分析减温水量的变化和炉膛出口温度的变化规律，以及过热界、再热器管壁温度变化的情况。锅炉在额定工况运行时，若发现减温水量异常增大和过热器、再热器管壁超温，或减温水已开足，而仍有受热面管壁超温时，应适当降低负荷运行并加强吹灰。 4焦渣的清除 % n6 0 c s9 ; y5 c 利用夜间低谷运行，周期性地改变锅炉负荷是控制大量结渣、掉渣的一种有效手段，但要防止负荷骤然大幅度变化，以免造成大块渣从上部掉下打坏承压部件