浅谈大型锅炉结渣和飞灰磨损的危害及预防措施

浅谈大型锅炉结渣与飞灰磨损的危害及预防措施南通天生港发电有限公司 王伟内容提要：介绍锅炉受热面的结渣的诸因素与飞灰磨损的机理，分析锅炉受热面结渣对锅炉安全经济运行的危害，提出预防炉膛及其它受热面结渣的措施。探讨受热面磨损的机理，分析影响磨损的因素，提出防磨损的途径或方法。关键词：锅炉 结渣 飞灰磨损 危害 措施目前，火力发电厂锅炉受热面的结渣和飞灰磨损一直是威胁机组安全经济运行的主要因素，受热面爆漏造成的主设备非计划停运次数占火力发电机组非计划停运总次数的 4050%，有些机组这个比例数还要大。直接威胁到电厂的安全运行，同时也给电网安全稳定运行带来了极大的困难。如何解决受热面结渣和磨损已成为锅炉检修人员关注和研究的问题。因此我们必须弄清锅炉结渣与飞灰磨损的形成机理从面有针对性地分析出实用的预防措施和方法。 【锅炉的结渣】一、锅炉受热面结渣对锅炉安全经济运行的危害固态排渣煤粉炉在燃烧过程中形成的熔融灰渣在凝固之前接触到受热面时，会粘结在上面，并积聚和发展成一层硬结的灰渣层，这种现象称为结渣。其基本成因为：受热面的结渣发生于呈熔融状态的灰粒与壁面的碰撞，从而被黏附在壁面上。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。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。锅炉受热面结渣对锅炉安全经济运行的危害是相当严重的，可以归纳为下述几个方面：（1） 、使炉内传热变差，加剧结渣过程。水冷壁结渣后，由于灰渣层导热系数极小，即热阻很大，火焰辐射给受热面的热量不能及时传给管内工质，而聚集在灰渣层，使灰渣层表面温度急剧上升，高温烟气贴近灰渣层表面时，不能充分冷却，这就进一步加剧了结渣过程，产生了恶性循环。同时，水冷壁结渣严重时，还会使蒸发量减少。（2） 、炉膛内结渣时，炉膛出口烟温将升高，引起蒸汽温度偏高或热偏差增大，这时为维持汽温，运行中要限制锅炉负荷。部分水冷壁结渣会对自然循环锅炉和控制循环锅炉水冷壁热偏差带来不利影响。（3） 、水冷壁结渣较多时，多数并发高温腐蚀。发生高温腐蚀的最重要的内在原因是燃料中的含硫量；而外部原因是由于水冷壁处于高温烟气的环境中，壁面温度又很高，当火焰贴近炉墙时，壁面邻近的区域中形成还原性气氛，使灰的熔点温度降低，加剧结渣过程。并使管子表面产生高温腐蚀，腐蚀严重的现象通常出现在燃烧器区域。（4） 、使锅炉效率降低。受热面结渣后，各段受热面出口烟温相应提高，使排烟损失增大。当炉膛出口处的受热面结渣时将致使锅炉不能满负荷运行，甚至被迫停炉。（5） 、结渣可能堵塞部分烟道，增加烟道阻力和风机电耗；结渣严重时，大块渣落下，可能砸坏炉底水冷壁，造成恶性事故。所以锅炉受热面的结渣不仅增加运行和检修的工作量，而且影响锅炉的安全经济运行。严重时将被迫使锅炉减负荷，甚至被迫停炉。二、影响受热面结渣的基本因素1 、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。 2 、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；3 、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，这影响到与壁面碰撞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既影响到燃烧过程，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，增加与壁面的碰撞的机会。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要进行空气动力场试验，通过调节各喷嘴出3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。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，还热系数也小，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，既因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。锅炉结渣是多种因素综合影响的结果，不过总是有几个关键因素起先导作用。比较重要的因素是煤灰的熔融特性、水冷壁的冷却能力及火焰贴墙等。三、防止结渣的措施和方法。针对结渣的因素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。（1） 、防止受热面壁面温度过高。保持四角风粉量的均衡，使四角射流的动量尽量均衡，尽量减少射流的偏斜程度。注意燃烧调整保持火焰中心尽量接近炉膛中心，切圆直径要合适，以防止气流冲刷炉壁而产生结渣现象。（2） 、防止炉内生成过多的还原性气体。首先要保持合适的炉内空气动力工况，四角的风粉比要均衡，否则有的一次风口由煤粉浓度过高而缺风，出现还原性气氛。炉膛过量空气系数不能太小，以防止水冷壁等受热面附近出现还原性气氛，防止结渣。在这种气氛中，还原性气体使灰中 Fe2O3 还原成 FeO，使灰熔点降低。而 FeO 与 SIO2 等形成共晶体，其熔点远比 Fe2O3 低的多，有时会使灰熔点降低 150-200 度，将会引起严重结渣。（3） 、做好燃料管理工作，保持合适的煤粉细度，进行全面的燃料特性分析，特别是灰分分析及灰熔点和结渣特性分析。 。尽可能固定燃料品种，清除石块，可将少结渣的可能性。保持合适的煤粉细度，不使煤粉过粗，以免火焰中心位置过高而导致炉膛出口受热面结渣，或者防止因煤粉落入冷灰斗而形成结渣等。（4） 、加强运行监视，及时吹灰除渣。要求运行人员精力集中，密切注意炉内燃烧工况，特别炉内结渣严重时，更应到现场监察结渣状况。如发现过热汽温偏高、排烟温度升高、燃烧室负压减小等现象，就要注意燃烧室及炉膛出口是否结渣。利用吹灰程控装置进行定期吹灰，以防止结渣状况加剧。（5） 、做好设备的检修工作。检修时应根据运行中的结渣情况，适当地调整燃烧器。检查燃烧器有无变形烧坏情况，及时校正修复。检修时应彻底清楚结存灰渣，而且应做堵塞漏风工作。（5） 、采用不同煤种掺烧。采用不同灰渣特性的煤掺烧的办法对防止或减轻结渣有一定好处。对结渣性较强的煤种，在锅炉内产生严重结渣时，经掺烧高熔点结晶渣型的煤，结渣会得到有效控制。不过，在采用不同煤种掺烧时，应知晓掺配前后灰渣的特性及选择合适的掺配煤种或添加剂。【尾部受热面磨损的分析】一、飞灰磨损的机理携带有灰粒和未完全燃烧燃料颗粒的高速烟气，通过受热面时，粒子对受热面的每次撞击都会剥离掉极微小的金属屑，从而逐渐使受热面管壁变薄，这就是飞灰对受热面的磨损。颗粒对受热面的撞击，可分为垂直方向（法线方向）分力和切向方向（切线方向）分力。垂直方向撞击，可使管壁表面产生微小的塑性变形或显微裂纹，称为撞击磨损。切向撞击则引起颗粒对管壁表面产生微小的切削作用，造成摩擦磨损。大量灰粒长期反复撞击，产生上述两类磨损的综合结果，使得冲击角度在 30 度50 度范围内的金属管壁磨损最为严重。 二、影响磨损的主要因素：(1)、烟气的流动速度锅炉烟道中受热面管壁的磨损程度，与飞灰颗粒的动能和飞灰撞击的频率成正比。而灰粒的动能与灰粒速度成平方关系，撞击频率与灰粒速度的 1 次方5成正比。因此，管壁的磨损量与飞灰颗粒冲击速度成 3 次方关系。在实际运行中，由于灰粒与烟气之间有较大的滑移速度，又难以求得灰粒的实际冲击速度，在实践中，常用烟气流动速度代替灰粒冲击速度。显然，烟气流动速度越高，磨损越重。为降低磨损，降低烟速是有利的，但烟速降低，会引起积灰，而且烟速降低，使对流传热效果变差，会多消耗钢材。因此烟速的确定，要综合考虑磨损、积灰和传热方面的因素。（2） 、灰粒的特性灰粒的形状对磨损程度有较大的影响。有锐利棱角的灰粒比呈圆形的灰粒磨损较为严重。而灰的颗粒直径越大，磨损也越重。灰的颗粒密度越大，磨损也越严重。当灰粒中 SiO2 含量增加时，磨损也加重。（3） 、飞灰浓度烟气中的飞灰浓度增加，单位时间内灰粒撞击管壁的频率增加，磨损加重。因此，燃用多灰燃料时，磨损严重；烟气走廊等局部地方的烟气浓度也较高，磨损也严重。锅炉中烟气由水平烟道转向竖井尾部烟道时，烟道外侧后墙处的飞灰浓度大，因而该处管子磨损严重。烟气在转向室中转弯，造成靠后墙侧烟气流速大，飞灰浓度大，局部磨损严重。（4） 、管束排列方式与冲刷方式当烟气横向冲刷管束时，对于错列布置的管束，第二排的磨损量比第一排的要大两倍左右。这是因为第二排的每根管子正对第一排管的两管之间，烟气进入管束后，流通截面变小，而烟气流速加大，使磨损加重。以后各排的磨损量也均大于第一排，但小于第二排。对于顺列布置的管束，第一排磨损较为严重，而后面各排受第一排遮挡磨损相对较轻。灰粒对管壁圆周各处冲击磨损是不同的，对于顺列或错列布置的第一排管，最大磨损位置在迎风面两侧圆心角=4560 之间。对错列布置的第二排管，最大磨损位置在=3045 之间。当气流纵向冲刷管束时，磨损情况则较轻，一般只在进口处 150200mm 处磨损较为严重，因为此处气流不稳定，气流经过收缩和膨胀，灰粒多次撞击受热面，以后气流稳定了，磨损就较轻。（5） 、气流运动方向。当烟气流自上而下流动时，灰粒在重力作用下，其速度可能大于烟气速度，从而加重了冲击磨损的程度。而当烟气自下而上流动时，在重力作用下，灰粒速度降低，对管壁磨损将会减轻。（6） 、管壁材料和壁温。管壁材料的硬度 Hb 和灰粒硬度 Hh 的比值与管壁的磨损量有关。当 Hb/Hh=（0.50.8）时，称为软磨料磨损，采用硬度较高管材可减小磨损。运行中，管壁温度的高低也会影响磨损程度。因为管壁表面存在着一层氧化膜，其硬度超过管壁金属，当管壁温度升高时，氧化膜硬度增大，使磨损减轻。但壁温过高会使氧化膜膨胀而与金属分离，使磨损量有所增加。这主要是金属与氧化膜膨胀系数不同所至。（7） 、烟气成分。在烟气温度低于 250 度时，烟气中的腐蚀性气体 SO2、O 2、H 2O、H 2S 等将对管壁产生腐蚀作用。当金属温度在 300 度以上时，烟气中的 O2、SO 2 与壁面的氧化铁作用生成 SO3，产生硫酸盐型腐蚀。当腐蚀层被灰粒冲掉时，暴露的金属再次发生腐蚀，形成腐蚀与磨损交替循环，使总磨损速度加快几倍。（8） 、烟气走廊。在布置对流受热面时，考虑到管束受热膨胀等问题，省煤器蛇行管弯头与炉墙之间留有几十毫米的间隙。此间隙处流动阻力小，烟气流速大于此烟道端面上平均烟气流速，称此间隙为烟气走廊。运行实践表明，不仅在烟气走廊进口处烟气流速大于烟道截面上的平均流速，在烟气走廊内，烟气流速也在不断增加。这是因为烟气走廊内烟气流量不断增加的结果。烟气流量的增加，一部分来自走廊进口处烟气的横向流动，另一部分来自管束间烟气的横向流动。烟气的横向流动，均因为有管束截面上阻力系数大于走廊处的阻力系数，使烟气向阻力小的走廊处流动，使烟气走廊内烟气流量和流速不断增加，使管束弯头处磨损加剧。（9） 、运行中的因素。当锅炉负荷增加时，燃料消耗量和供应的空气量增加、烟气量和烟气流速增加，飞灰浓度增加也会引起磨损加剧。当烟道漏风量增加时，也会使烟气量7和烟气流速增加，造成磨损加重。运行实践表明，当省煤器处漏风系数增加 0.1时，则会使金属磨损量约增加 25%。当运行过程中改用含灰量较多的煤种时，由于飞灰浓度增加，也会引起磨损加剧。三、减轻和防止磨损的措施。根据以上对飞灰磨损规律的分析，可以从选用合理的烟气流速、降低飞灰浓度，采取合理的受热面结构和布置着手，防止出现局部的烟气速度增高和局部的飞灰浓缩集中。受热面的磨损总是带有局部性，可采用如下措施。（1） 、降低烟气的速度和飞灰的浓度。大量的实验和研究表明，磨损量与烟气流速的 3 次方成正比，烟速增加一倍，磨损量约增加 10 倍。根据国内的调查表明，省煤器中烟速最大不宜超过 9m/s，否则会引起较大的磨损。（2） 、防止在受热面烟道内产生局部烟速过大和飞灰浓度过大。因此，不容许烟道内出现烟气走廊。例如，在进入省煤器烟道前加装折流板，即在省煤器蛇行管弯头和炉墙之间加装折流板，可以均匀省煤器烟道内各处的烟气流速，防止烟气走廊的出现。（3） 、在省煤器弯头易磨损部位加装防磨保护装置。此时受磨损的不是受热面管子，而是保护部件，检修时只需更换这些部件即可。(2)、采用防磨装置。在尾部烟道中受热面磨损最严重部位加装防磨装置，是重要的防磨措施之一。如在第一排和第二排管的迎风面装设防磨护瓦，在烟气走廊处受热面加装防磨护帘，在烟气走廊进口处加装塑形管和护瓦来减轻磨损。（3） 、设计和运行中的措施。在 型布置的锅炉中，由于烟气在转向室中转弯，造成靠后墙侧烟气流速大，飞灰浓度大，局部磨损严重。在转弯处加装导向板装置，可使烟气流速和飞灰浓度均匀；减轻局部磨损。在烟气走廊进口处加装塑形管和护瓦，可使进口烟气阻力均衡，护瓦则可防止管束间烟气横向流动。两者组合，可更好的降低烟气走廊中的烟气流速和磨损。在运行中，锅炉采用较低的过量空气系数，尽量减少各受热面的漏风量，使烟气流速降低，可以减轻磨损。同时严格控制煤粉细度，减小灰粒直径，可降低灰粒冲击磨损力。（4） 、采用新型受热面。采用膜式省煤器和螺旋肋片式省煤器，可以扩展传热表面积，在烟道截面不变的条件下，省煤器占用空间小，可采用较大的横向节距，使烟气流通截面增大、烟气流速下降，从而较大程度地减轻磨损。【本厂在锅炉结渣和飞灰磨损方面的情况及改进措施】我厂在锅炉结渣和飞灰灰磨损方面做了大量细致的工作，但新安装的330MW 机组的锅炉也存在一些问题，有炉膛结焦的现象；#10 炉在低温再热器处接连发生爆管，而且每次都基本在同一位置，造成停炉事故。 针对锅炉结焦的现象，我认为运行人员要加强监视，严禁超出力运行；运行人员应充分