（动力机械及工程专业论文）燃煤锅炉受热面煤灰粘接特性测试方法的研究.pdf

摘要 卫燃带是实现低质燃煤锅炉稳定高效燃烧最有效最简单的方法，国内外低质 燃煤锅炉几乎都采用卫燃带稳燃，但卫燃带容易引起炉内结渣。针对低质燃煤锅 炉卫燃带的防结渣设计难题，提出了研究卫燃带材料上沉积煤灰渣粘接特性的煅 烧实验与振动测试方法，研究并设计了振动式灰渣粘接特性测量装置。该装置的 特点是振源的振幅和频率可控，实验原理简单，结构简单紧凑，装置部件较少， 自动化程度高，实际动手操作起来也较为简单。该装置可以克服目前测试耐火材 料上粘接特性的方法( 目测法，气流冲刷法，刮铲法等) 的共同缺点：主要依靠 测试人员的经验判断，对同种结渣试样检测的重复性较差，对不同温度下对灰渣 的区分度较差等。 定义了描述耐火材料上灰渣粘接特性的灰渣振落率指标。煤粉燃烧过程中的 结渣主要与煤灰粒子及卫燃带的表面温度有关，当温度逐渐升高时，煤灰在卫燃 带表面上的沉积将由疏松的积灰逐渐过渡到紧密的结渣。疏松的积灰很容易通过 振动振落，振落率近1 0 0 ，紧密结合的渣则很难通过振动振落，其振落率很小， 接近于0 ，而介于疏松积灰与紧密结渣两者之间的灰渣沉积，其灰渣振落率在 1 0 0 - - 0 。显然，如果能获得不同燃烧温度条件下煤灰在卫燃带材料上的沉积试 样，通过振动测试这些试样的灰渣振落率，则可判断不同温度条件下煤灰在卫燃 带材料上的粘接特性，并提出了用于指导卫燃带防结渣设计的结渣临界温度概念 及其测试方法从而为卫燃带的优化设计提供依据。 实验选取了6 种不同煤质的典型燃煤电站燃料煤，将过1 0 0 目筛的煤粉( 最 大粒度为1 5 0 i t m ) 高温灰化，进行元素分析和工业分析。取灰样o 2 克疏松撒播 在高铝质耐火材料板上，制成煤灰耐火材料试样对，在高温电加热炉中恒温烧 结2 0 小时，实验结束后试样自然冷却到室温。对结渣试样进行振动测试分析， 得到6 种煤灰的灰渣振落率测试结果，进而分析得到结渣临界温度( 带) 。该结 论适用于敷设此种卫燃带耐火材料的锅炉，当燃用此种或性质类似煤种时，若恰 当控制炉膛温度，可有效避免结渣。 关键词：受热面；卫燃带；灰渣；粘接特性；振动测量方法；临界温度 a b s t r a c t a i m o s ta l lp c f i r e db o i l e r s ，b u r n i n gl o wr a n kc o a l s ，h a v eb e e na d o p t i n gh e a t i n s u l a t i n g r e f r a c t o r yl i n e ro nt h e i rf u m a c ew a t e r w a l l st oi m p r o v ec o m b u s t i o n a l t h o u g ht h er e f r a c t o r y l i n e ri sv e r ye f f e c t i v ef o rs t a b i l i z i n gc o m b u s t i o no fl o w r a n kc o a l ，i ti sv e 叫e a s yt oc a u s e s l a g g i n go nt h el i n e r p r e s e n tm e t h o d sm a y b eu s e dt ot e s ta d h e s i o np e r f o r m a n c eo fc o a la s h w i t hr e f a c t o r yi n c l u d e ：v i s u a lo b s e r v a t i o n ，a i r f l o ws c o u r i n g , m e c h a n i c a ls c r a p i n ge t c t h e s e m e t h o d sa r es i m p l e ，b u th a v eam u t u a ls h o r t c o m i n gt h a t t h ea d h e s i o np e r f o r m a n c e1 s e s t i m a t e dm a i n l yb yo p e r a t o r s e x p e r i e n c e s ，i na d d i t i o n , t h er e p e a t a b i l i t yo f t e s t e dr e s u l t sf o r i d e l l t i c a lc o a la s h r e f r a c t o r ys a m p l eu n d e rs a m ec o n d i t i o n si sn o ts a t i s f a c t o r y t oo v e r c o m e m ed i s a d v a n t a g e so ft h ea b o v e m e n t i o n e dm e t h o d s ，av i b r a t i o nb a s e dt e s t i n gm e t h o d i s p r o p o s e da n da v i b r a t i o n - - b a s e dt e s t i n gd e v i c ew a sd e v e l o p e d t h ec o n c 印to fd r o p o f fr a t i oa n dc r i t i c a lt e m p e r a t u r ef o rs l a g g i n ga n d i t st e s t i n gm e t h o d a r ea l s op r o p o s e dt op r e v e n ts l a g g i n gf o rt h er e f r a c t o r yd e s i g n i fd r o p o f fr a t i oa n dc r i t i c a l s l a g g i n gc o n d i t i o no fc o a la s hs l a g g i n go nr e f r a c t o r yc o u l d ea s s o c i a t e d ，i ti sp o s s i b l et o c o n 伍mc r i t i c a ls l a g 舀n gt 锄p e r a t u r ef o rs p e c i a lc o a lo ns p e c 瑾lr e f r a c t o r y t h ea n a l y s i sa b o v e i n d i c a t e st h a td r o p o f fr a t i om a yb eu s e dt ol i s tt h ea d h e s i o np e r f o r m a n c e b e t w e e nc o a la s h a n dr e 仃a 凭o r vu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s w h e nd r o p o f fr a t i o i s e q u a lt o 10 0 ，t h e c o n c ：s p o n d i n gt e m p e r a t u r ew i l ln o tb r i n gs l a g g i n ga st h e r ei so n l yl o o s ed u s ts t r a t i f i c a t i o n ； w h e i ld r o p o f fr a t i oi se q u a lt oo ，t h ec o r r e s p o n d i n gt e m p e r a t u r ew i l lb r i n g s e r i o u ss l a g g i n g 嬲t i g h ta d h e s i o np r o d u c e d o b v i o u s l y , t h et r a n s f o r m a t i o no fd r o p o f f r a t i of r o m1 0 0 t o0 c o l t e s p o n d st o t h et r a n s f o r m a t i o no fs l a g g i n gb e h a v i o rf r o ml o o s ed e p o s i t i o nt o s e n o u s s l a g g i n ga n d t h ec h a n g ei sp r o c e s so fag r a d u a lc h a n g e s i xt y p i c a lc o a ls a m p l e su s e di np o w e rp l a n tw e r es e l e c t e da n dt h e nt e s t e db yp r o x i m a t e a n du l t i m a t ea n a l y s i s a s ho ft h ep u l v e r i z e dc o a lw i t hs i z eo fn om o r et h a n15 0 i t m ( s i m i l a r w i n lm ec 0 a lb 啪e di np o w e rp l a n t ) w a sm a d eb yh i g ht e m p e r a t u r ed r ya s h i n g 0 2 9a s ho f c o a lw a ss p 代a do nt h es u r f a c eo ft h er e f r a c t o r yt of o r mc o a la s h r e f r a c t o r ys a m p l ea n dt h e n t h es a m p l ew a sp u ti n t ot h em u f f l ef u m a c e t ob e e y e b a l l i n g ，v i b r a t i o nt e s t sa n a l y s i sw e r eu s e d s i n t e r e df o r2 0 h a f t e rc o o l e dd o w nn a t u r a l l y , t od e t e r m i n et h ed r o p o f fr a t i oa n dc r i t i c a l t e m p e r a t u r e s ( o rt e m p e r a t u r ez o n e s ) a b o v ea l l ，t h er e s u l tc a n b eu s e dw h e nt h i sk i n do f r e f a c t o r yw a s l a i di nf u r n a c e s ，i ft h e s ec o a l so rc o a l sw i t hs i m i l a rc h a r a c t e r i s t i c sa l eu s e da s f u e l s ，s l a g g i n gm a y b ea v o i d e de f f e c t i v e l yb yc o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r e so nt h er e f r a c t o r y s u r f a c el e s st h a nt h ec r i t i c a lt e m p e r a t u r e s 一一 k e y w o r d s ：h e a t i n gs u r f a c e s ；h e a t i n s u l a t i n gr e f r a c t o r y ；c o a l a s ha n ds l a g ；c o h e s i o n p e r f o r m a n c e ；v i b r a t i o nb a s e dt e s t i n g m e t h o d s ；c r i t i c a lt e m p e r a t u r e i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：裴疵冲 日期：叫年月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 装磁埘 导师签名： 日期：卅年生月，a 日 日期：? 年，月胗日 1 1 课题研究背景 第一章绪论 电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济发展战略 中的先行行业。长期以来，我国非常重视电力工业发展，国家逐步形成了能源 开发以电力为中心的发展战略，我国电力工业迅速发展并不断跃上新台阶。进 入21 世纪，虽然水电、核电及其他新能源发电增长加快，但数据表明：截止 2 0 0 8 年底全国发电装机容量达到7 9 3 亿千瓦，同比增长1 0 3 4 ，其中火电达 到6 0 1 亿千瓦，约占总容量的7 5 8 7 ，同比增长8 15 ，可见我国的能源结 构仍以火力发电为主。而我国的火力发电厂又以燃煤电厂为主，据统计，2 0 0 2 年底我国燃煤火力发电装机容量占全国总装机容量的7 4 5 ，发电量占全国总 发电量的8 0 以上，预计到2 0 2 0 年燃煤电厂仍然要占7 0 左右凹1 ，到2 0 5 0 年燃 煤电厂要占5 0 左右d 1 。2 0 0 8 年，全国发电生产耗用原煤13 4 亿吨，同比增长 4 0 5 ，因此，燃煤火力发电机组在今后很长一段时期仍将是我国电力生产的 主力军。 目前，煤炭市场开放，国家关停私营小煤窑，致使电厂用煤极其紧张。2 0 0 3 年底至今，全国电力生产供不应求，许多地方都面临着拉闸限电的局面，再加 上电煤供应紧张，许多火力发电厂更是因为燃煤供应中断被迫停机，即使许多 坑口电站也面临着电煤供应危机3 。据统计，2 0 0 5 年电煤每吨平均上涨了2 0 一4 0 元，2 0 0 6 年电煤每吨平均上涨了10 一l5 元，2 0 0 7 年电煤每吨品均上涨了3 0 元， 2 0 0 8 年电煤每吨平均上涨了3 0 4 0 元嗨1 。煤炭紧张的直接后果就是电厂不得不 使用大量劣质煤甚至特劣质煤炭作为燃料进行燃烧发电。神头一电厂2 0 0 4 年 卜9 月份，因煤价上涨增加燃料费用2 1 0 0 多万元，因煤质差燃烧不稳定，消耗 助燃柴油9 8 0 多吨，增加燃料费用3 5 0 多万元。煤质下降使该厂2 0 0 4 年发电 生产技术指标明显恶化，。 据统计，全世界的煤炭储量可够人类开发利用2 0 0 年以上，但一半以上都 是低质煤。我国已探明的煤炭储量约为3 6 0 0 亿吨，其中可供开采的煤炭储量 在1 0 9 0 亿吨以上哺1 ，而在全国己发现煤炭资源中，褐煤占12 6 8 ，低变质烟 煤( 长焰煤、不粘煤、弱粘煤) 占4 2 4 5 ，中变质烟煤( 气煤、肥煤、焦煤、 瘦煤) 占2 7 5 8 ，贫煤、无烟煤占17 2 8 1 。煤炭资源的匮乏，再加上煤价上 涨，使得电厂在很多情况下不能使用锅炉设计煤种，而要燃用许多低质煤。煤 种的多样化，与设计煤种相去甚远，锅炉也开始出现了问题，如四管泄漏、锅 炉燃烧不稳灭火、出力不足、结渣等，其中锅炉结渣问题最为普遍。结渣使传 热热阻增加，排烟温度升高，造成锅炉效率降低的情况。一般，排烟温度每升 高1o 一15 ，锅炉效率约降低1 旧1 。 据统计，我国电站燃煤锅炉约有半数在不同程度上属于易结渣类型0 。结 渣一旦发生，轻则会使传热变差，导致过热器或再热器超温、锅炉效率降低、 氮氧化物排放量增加等，重则会导致机组降负荷运行或停炉，严重影响锅炉运 行的安全性和经济性，甚至发生其他更为严重的恶性事故。比较典型的事例是 1 9 9 3 年北仓港电厂1 号机组6 0 0 m w 锅炉炉膛因严重结渣引起爆破，导致2 0 多人死亡的特大人身伤亡和锅炉严重损坏事故。由此可见，预防或减少锅炉 受热面结渣是长期摆在面前的一个重要课题。 1 2 燃煤锅炉低质煤燃烧利用概况 1 2 1 低质煤对燃煤锅炉的影响 国际上目前还没有关于低质煤的定义，在国内电力等行业的叫法也没有统 一。我国的电站锅炉燃用低质煤的特点有肉眼观察煤色发白，质地软硬粗细差 别大，水分高，灰份大，发热量低，挥发分低，着火点高等n 纠，所以低质煤着 火燃烬困难、需要较高的着火与燃烬温度及较长的燃烬时间，且燃烧不稳定。 火力发电厂在燃用低质煤时，煤种挥发分含量越低，煤的着火温度越高， 燃烧越不稳定，特别是挥发分的含量小于5 的无烟煤，着火温度比挥发分大于 2 5 的普通烟煤高出2 0 0 左右，说明挥发分较低的煤通常着火温度较高，着火 特性差n3 l 。燃煤发热量低，为满足负荷需要，给粉机长时间高转速、超额定运 行及变频，给粉机电机容易过热，导致跳闸频繁，锅炉燃烧不稳，极易引起锅 炉灭火放炮事故；为确保燃烧稳定，必须助燃烧油，浪费了大量的燃油，经济 性差；燃煤挥发分降低，锅炉排灰量、灰分增大，燃烧不完全损失增加、排烟 损失增加，严重时导致锅炉无法带足额定出力；出力下降，导致制粉耗电大幅 上升，制粉系统运行时间增加或磨煤机投入台数增加，吸风机耗电也大幅攀升， 锅炉侧厂用电率升高；烟气量、飞灰含量增加，锅炉的省煤器、过热器、再热 器、空气预热器等四管磨损加剧，受热面管壁变薄，运行周期短，漏泄、爆管 等不安全情况频繁，严重威胁设备安全；此外，由于灰水量增大，既浪费了水 源，又增加了除灰电耗，还会导致灰场灰渣混除灰水排放不及，大量灰水溢流 至河流，造成严重的环境污染n4 1 5 1 。河津电厂自2 0 0 0 年投产以来，燃煤就偏 离设计值，由于煤质原因，该厂2 0 0 2 年1 2 月降负荷2 次，2 0 0 3 年共降负荷或 带不起负荷1 0 次，影响厂用电率升高总计o 3 1 左右，锅炉投油助燃2 0 0 2 年 1 次，2 0 0 3 年2 次，2 0 0 4 年4 次哺1 。以上这些情况都说明燃用低质煤使锅炉运 行安全性，经济性降低。 2 此外，还存在燃用低质煤，使锅炉易结焦，各受热面磨损严重，锅炉运行 各参数不稳，运行人员调整工作量增大等问题，并且使发电机组不能正常地满 负荷运行，临时停机增加，费用升高，发电企业为此蒙受巨额经济损失，电厂 的安全生产受到严重威胁哺1 。某电厂燃用低质煤的锅炉，投入运行后发生一系 列严重问题，锅炉效率仅在8 3 5 左右，新装机仅运行3 5 0 0 小时左右后就发生 受热面的局部磨损泄漏，而且磨损周期同趋缩短，一年中全厂发生受热面磨损 泄漏事故2 2 次，引风机叶片磨损造成15 次锅炉停炉事故，燃烧区严重结焦， 曾造成停炉九天九夜打焦的困难局面，频繁的掉焦经常引起炉内灭火，造成锅 炉灭火放炮的恶性事故，对电厂机组造成重大损失n6 1 。 1 2 2 低质煤的稳燃措施 目前，我国电力工业已步入“大电网、大机组，高压电、高自动化的发 展阶段，电力工业对煤粉燃烧提出了越来越高的要求，能源对社会发展的极端 重要性，以及常规能源的不可再生性都决定了低质煤的利用问题必须得到解 决。为此，电力生产部门提出许多解决低质煤燃烧利用问题的方法和建议，各 运行电厂在实践中也总结出不少燃用低质煤的宝贵经验，以下总结一下现代电 站燃煤锅炉在燃用低质煤时采取的措施。 ( 1 ) 低负荷投油助燃卜1 7 1 。由于目前国内外缺乏煤质在线分析系统，当 煤质变差时，如果燃烧调整不及时，就有可能造成燃烧不稳定，甚至引起灭火。 电站燃煤锅炉灭火是影响电厂安全经济运行的严重事故，一旦发生，轻则影响 锅炉的使用寿命，重则停机、停炉，更严重的可能导致锅炉甚至汽轮机损坏。 另外灭火还导致锅炉和汽轮机受到反复交变热应力的作用，对设备的寿命会有 一定影响。因此，投油助燃对机组的安全稳定运行具有特别重要的意义。 但是最近几年，由于气体和液体燃料供应出现世界性的危机，国内外又开 始向采取少投油或无投油方式发展，进行了关于锅炉少投油或无投油助燃的实 验性研究，取得了一些进展。 ( 2 ) 开发与应用高性能稳燃型煤粉燃烧器n 8 2 引。对于煤粉燃料，为解决 低质煤及低负荷时的稳定燃烧问题，目前已开发出了多种高稳燃性能与高燃烧 效率的燃烧器，如一、二次风复合旋流燃烧器、富集型燃烧器、双稳可调浓淡 燃烧器、煤粉浓缩预热式燃烧器、浓稀相分离燃烧器等，各种燃烧器均有其不 同的结构、稳燃原理及优缺点，其适用的炉型及煤种也不一样，并且燃烧器的 种类还有许多，不在此赘述。 ( 3 ) 装设燃烧控制与火焰监视诊断系统心4 l 。电站安全、高效的运行是电 力行业的基础。锅炉作为火电站最重要和最基本的设备，它内部的燃烧过程无 疑是确定安全性、经济性最有力的保障。很多学者和企业都立足于炉膛内部燃 3 烧过程的可视化研究，其中利用全炉膛看火电视图像信息进行燃烧监控显示了 很大的理论价值和应用前景，其原理与应用不在此赘述。 ( 4 ) 卫燃带稳燃技术他6 。2 7 1 。在我国燃用低挥发分粉煤的电站锅炉中，为 了尽可能降低稳燃负荷以适应大幅度调峰运行的需要，在采用各种稳燃性能良 好的新型燃烧器的同时，大多在燃烧器附近区域的炉墙上敷设一定厚度和面积 的隔热层一卫燃带。运行经验表明，在炉内敷设卫燃带是低质煤和低负荷稳燃 的一种有效途径，也是最简单、最经济的高效稳燃方法。 卫燃带是通过提高燃烧器附近区域烟气温度来改善稳燃性能的，能提高烟 气温度，有助燃烧并将有利于炉膛上部前、后屏及过热器与烟气之间的换热作 用；同时在燃烧器区段内设置的卫燃带对炉内烟气温度有更显著的影响。石门 电厂3 0 0 m w 机组的10 2 5 t h 煤粉炉，燃料为无烟煤与烟煤各占5 0 ，v d a f = 1 4 5 的混煤，采用了先进的w r 型及具有高稳燃性能的双通道自稳式燃烧器，设计 时未考虑在炉内敷设耐火隔热层，其最低稳燃负荷只能达到2 1o m w 。经现场 测试发现：主要原因是炉内火焰温度偏低，在额定负荷时燃烧中心区域四角平 均温度仅为l19 1 ，大修中在燃烧器区域的四周炉墙上敷设了7 5 m 2 的耐火隔 热层，使不投油稳燃负荷降至1 6 0 1 8 0 m w 。 但是，卫燃带往往又是结渣的发源地。卫燃带隔热板向火面的温度对炉内 稳定燃烧及防止结渣具有重要影响，较高的表面温度对稳定着火有利，但容易 引发结渣；较低的表面温度虽然不易引发结渣，但对强化着火与稳燃效果不明 显，难以发挥卫燃带的作用。 1 3 燃煤锅炉受热面的结渣问题 1 3 1 燃煤锅炉受热面的结渣过程及机理 所谓结渣，是指受热面壁上熔化了的灰沉积物的积聚，多发生在炉内辐射 受热面上，结渣会降低炉内受热面的传热能力。燃煤锅炉的炉内结渣产生过程 可概括为：当温度高于灰熔点的烟气冲刷受热面时，烟气中熔融的灰渣粘附到 受热面上，从而形成结渣，具体受热面结渣过程可分为心p 33 1 ： ( 1 ) 底层沉积层的形成。由于扩散作用，在管子四周形成薄的、白色的、 很细的飞灰沉积层，这主要是由于硫酸钠、硫酸钾等易气化矿物质的凝结和极 细飞灰的沉积造成的，厚度在o 2 0 5 m m 之间，它并不受烟气速度高低的影 响。这一过程未必会引起结渣，但这一层具有良好的绝热性能，它的出现引起 炉膛温度的提高，而且还造成了被覆盖的受热面管子外表面温度显著提高，促 使结渣加剧。 ( 2 ) 内部烧结层的形成。在锅炉管迎烟侧由初期的撞击形成，约有几毫 4 米厚，主要是由直径在l0 2 0 9 m 的细小灰粒组成，灰粒经过炉膛火焰后变成球 形半熔融状态，在热泳力和范德华力作用下由于粒子表面黏性而形成密实的黏 结层这一层中的粒子由于表面具有沾结性而彼此结合，一般说来，这一层不能 用其它的灰粒撞击或吹灰而完全消除。 ( 3 ) 外部烧结层的形成。随内部烧结层变厚，积灰表面温度升高到接近 烟气温度，在烟气温度达到足够高时，并存在足够多的飞灰熔融钠的情况下， 将在积灰层的迎烟侧开始形成熔融相，这些熔融物质捕集撞击在其上的颗粒， 并与它们结合形成坚实牢固的积灰，灰层变厚，灰温升高，导致恶性循环，使 灰层表面形成熔融相，熔融灰渣在重力作用下开始向下流动，从而可能形成液 态渣层。 1 3 2 燃煤锅炉受热面结渣的危害 结渣会严重影响危害锅炉运行的安全性和经济性，甚至被迫停炉。其危害 主要表现在以下几个方面4 q ： ( 1 ) 降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面上沉积后其热阻很大， 在水冷壁上结渣会使水冷壁导热能力降低、炉膛出口烟温相应升高、排烟热损 失增大，影响运行经济性。一般污染数小时后水冷壁传热能力会降低3 0 - 6 0 ， 锅炉无法维持满负荷运行，只得增加投煤量，引起炉膛出口烟温进一步升高， 使得灰渣更易粘附在受热面上，从而形成恶性循环，并引发一系列恶性锅炉事 故。因沾污造成排烟温度的升高会使锅炉效率降低1 - 2 ，影响其运行的经济 性。据文献估计，美国每年因锅炉受热面沾污带来的各种经济损失总和达 2 0 10 0 亿美元。 ( 2 ) 由于炉膛出口烟气温度升高，会导致过热器壁温升高过热爆管。炉 膛出口烟气温度升高，飞灰易粘附在对流和屏式过热器上，引起过热器结渣、 沾污和腐蚀。 ( 3 ) 引起高温腐蚀。锅炉烟气中的三氧化硫与灰渣中的碱金属氧化物氧 化钠及氧化钾等反应生成硫酸盐。由于粘接在水冷壁或高温过热器上的灰渣表 面温度较高，高温烟气穿过灰渣层时，硫酸盐与管壁氧化层在三氧化硫的作用 下生成硫酸盐络合物。该络合物在5 0 0 以上呈熔融状态，与受热面管子发生 反应生成硫化亚铁，形成高温腐蚀，使管壁厚度由外向内减薄。通常情况下， 水冷壁管年腐蚀量为0 8 2 2 5 m m 年，但如果燃煤含硫量大或设计、运行不当， 腐蚀速度可高达5 m m 年，二三年甚至更短就需要更换水冷壁。 ( 4 ) 在喷燃器出口处，可能会因结渣而影响煤粉气流的正常喷射，引起 气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器。 ( 5 ) 燃烧室上部大块灰渣掉落时，会砸坏水冷壁管和冷灰斗，有可能会 5 使冷灰斗出口发生堵塞，造成炉膛灭火，甚至人身伤亡。 ( 6 ) 在传热减弱的情况下，为维持锅炉出力需要更多燃料，使引、送风 机负荷增加，因此引起电耗增加。并且由于通风设备的容量有限，加之结渣时 易发生烟气通道阻塞，可能会造成引风量不足，燃烧不完全，一些可燃物被带 到对流受热面，在烟道角落堆积起来继续燃烧，即发生所谓“烟道再燃烧 现 象，其后果极具破坏性。 ( 7 ) 受热面结渣一旦失去控制，就会对生产和运行构成严重危害，此时 被迫降负荷运行甚至停炉检修。然而，作为工业动力，锅炉降负荷或停炉所带 来的经济损失是相当可观的。据估计，l 台5 0 0 m w 机组每停运l 天所损失的 收入就会超过10 万美元。 由以上结渣的危害可见，如何防止和减轻结渣是锅炉设计和运行中非常重 要的课题。 1 3 3 燃煤锅炉受热面结渣的影响因素 燃煤锅炉的炉内结渣既是一个物理化学过程，也是一个非常复杂的流体力 学过程。煤灰结渣的影响因素很多，其中有来自煤质特性、锅炉设计特性参数、 设备运行管理等主动方面的因素，也有来自水冷壁和卫燃带耐火材料表面物理 化学特性等被动方面的因素。综合一些研究结果，燃煤锅炉受热面结渣的影响 因素可总结如下呤8 4 3 1 ： ( 1 ) 煤灰成分及分布。在燃烧过程中各种灰颗粒的形成都来自于组成煤 的矿物质问的物理变化和化学反应，煤中各种矿物质的含量是决定其沉积特性 的一个重要因素。一般来说煤的灰分、灰中铁矿物质和碱金属的含量越高，煤 的结渣倾向就越高。燃料的灰熔点主要取决于燃料中灰分的成分组成。灰熔点 低，灰分高或发热量高的煤容易发生炉内结渣。 ( 2 ) 燃烧温度。锅炉受热面上结渣和沾污主要是由于在烟气中生成了气 相粒子和熔融的颗粒，这些颗粒的形成是炉内高温作用的结果，炉膛热负荷越 高，烟气中熔融颗粒和气相粒子的比例就越高。因此，炉膛热负荷的选取既要 有利于煤粉的着火燃烧，也要考虑到其偏高带来的结渣和沾污的负面影响。 ( 3 ) 燃烧气氛。燃烧区域的局部还原性气氛会降低煤灰的熔点。已有研 究表明，较大的还原性气氛可使灰的软化温度降低15 0 以上，同时，局部还 原性气氛还会导致烟气中细微粒子的生成量大大增加而产生沾污、结渣。而炉 内还原性气氛是不可避免的，这可以通过设法在受热面附近人为制造氧化气氛 以减轻灰熔点降低倾向。 ( 4 ) 炉膛结构。锅炉设计中，如果炉膛高度偏低，则炉膛容积热负荷过 大，炉内的温度水平增高，如果此时炉膛水冷壁上已经出现结渣，那么熔融的 6 灰颗粒得不到充分的冷却固化就会接触到受热面上沉积下来而使结渣加剧。另 外，设计炉膛高度偏低时，燃料的后燃烧期将持续到炉膛上部甚至炉膛出口以 后，这样也极易引起对流受热面上的结渣和沾污。 ( 5 ) 其他因素。除上述因素外，影响结渣和沾污的因素还有颗粒的细度， 燃烧器的设计与布置，炉内的空气动力场，受热面的状态，灰颗粒和受热面金 属的氧化物相容性和化学相容性等。 炉内结渣还是一个自动加剧的过程，因此运行中要重视经常、及时地吹灰 打渣，清洁水冷壁受热面，防止结渣现象积累加重。 1 4 卫燃带对燃煤锅炉的影响 1 4 1 卫燃带对燃煤锅炉的影响 卫燃带是敷设在锅炉的水冷炉墙上的一层具有一定厚度和面积的耐火、隔 热材料。耐火材料是耐火度不低于15 8 0 的无机非金属材料和制品钔。耐火 度是指材料在高温作用下达到特定软化程度时的温度，它标志着材料抵抗高温 作用的性能。耐火材料在高温作用下的成功使用必须具有良好的组织结构、抗 热性能和使用性能，即具有较高的耐火度、荷重软化温度、抗热震性和抗化学 侵蚀等性能h5 1 ，才能承受各种物理化学变化和机械作用，满足热工设备及部件 的使用要求h 引。 首先，炉内敷设卫燃带后，减少了燃烧器区域水冷壁的吸热量，显著提高 该区域的温度，一般情况下，卫燃带表面温度比水冷壁管表面温度高4 0 0 一- - 6 0 0 左右，使煤快速着火并稳定燃烧。特别是有利于降低锅炉的最低不投油稳燃 负荷，满足电厂调峰需要。对于液态排渣炉和旋风炉，用以提高火焰温度，强 化燃料的燃烧，保证煤灰熔化成液体状态，顺利流出炉膛。 但是，较高的卫燃带表面温度使得处于熔化或半熔化状态的灰粒被甩到受 热面上时得不到有效冷却，仍呈现熔化状态，并且与光滑水冷壁管相比，卫燃 带耐火材料表面要粗糙得多，且内部多孔，当卫燃带材质选择不当时，耐火材 料高温下与熔融煤灰发生化学反应，有可能会加重炉内受热面结渣h 7 1 。 1 4 2 卫燃带结渣的影响因素 耐火材料在与熔渣直接接触的高温容器中，通过化学或物理化学作用，极 易受熔渣侵蚀。另外，在许多高温热交换设备中，或在有些反应器和其他高温 装置中，耐火材料虽然不直接与熔渣接触，但是固态物料、烟气中的尘粒可与 其接触，一些气态物质也可在耐火材料上凝结，它们都在高温下与耐火材料反 应形成熔融体，或形成性质不同的新产物，或是耐火材料中形成的一些组分分 7 解，导致耐火材料毁损。可见，渣蚀是耐火材料在使用过程中很常见的，有时 甚至是最严重的一种毁损形式。因此，耐火材料的抗渣侵蚀性的好坏是影响耐 火材料使用寿命一个重要因素，是判断耐火制品质量优劣的一项重要指标4 1 。 影响熔渣侵蚀耐火材料的因素h 8 1 可归纳为： ( 1 ) 熔渣和耐火材料的组成和性质。一般而言酸性耐火材料如硅石、粘 土质耐火材料，可抵抗酸性熔渣；碱性耐火材料如镁质、白云石质耐火材料， 可抵抗碱性熔渣；中性耐火材料如高铝质、铬质、碳质耐火材料，对酸性、碱 性有相近的抗侵蚀性。 ( 2 ) 耐火材料的内部结构对灰渣的渗透抵抗具有较大影响。秦风久等人 的研究发现：不同内部结构的耐火材料，其抗结渣能力相差很大嗨引。 ( 3 ) 相互作用的温度。工作环境温度越高，熔渣对耐火材料的侵蚀也越 厉害。 ( 4 ) 熔渣的粘度。熔渣的粘度越低，对耐火制品的侵蚀速度越快，熔蚀 程度也越深。在侵蚀过程中熔渣粘度的变化也是不容忽视的重要因素，有些熔 渣能强烈熔解耐火材料而粘度迅速增大凝结，甚至会在制品表面处形成一层 “覆盖层”，使熔解速度显著降低，也难以渗入制品的孔隙处，起到保护耐火制 品的作用。 ( 5 ) 环境气氛。工作环境气氛( 氧化性或还原性) 对熔渣侵蚀也有影响。 ( 6 ) 熔渣对耐火材料的润湿性。只有熔渣的润湿角0 06 9 02 9 。 ( 4 ) 卫燃带材料及成分配比的影响。三种材制板均表现出较好的抗结渣 性能。对于添加不l 可量氧化铬的高铝质卫燃带材料板，低铬高铝质材料板灰渣 的剥落性强，容易脱落；而商铬高铝质板材料板的抗灰渣侵蚀性较好。 28 煤灰3 3 燃带耐火材料结渣机理 28 1 煤灰碳化硅质耐火材料结渣机理 碳化硅质耐火材料结渣机理的实验研究选取过2 0 0 日筛的云贵煤灰，并按 照煅烧试样制各过程分别制得云贵煤灰碳化硅质耐火材料板3 对。将制好的 试样对分别在i 2 5 0 。c 、1 3 5 0 c 和1 4 5 0 c 下置于马弗炉中恒温煅烧4 0 h 。实验结 束后，试样自然玲却到室温。 为示区别，将煅烧后的煤灰称为灰渣。煅烧玲却后煤灰渣s i c 板的外规如 图24 所示，煤灰渣层、煤灰渣s i c 板结合部位的s e m 图片如图25 所示，及 煤灰渣的x r d 图| 韭如图26 所示，了解高温般烧过程中渣、板及其柑吐问物理 化学行为。 曩簿圈 a ) 1 2 5 0 c 煅烧b ) 1 3 5 0 c 煅烧c ) 1 4 5 0 1 c 煅烧 幽24 云贵灰渣碳化硅质材料板煅烧4 0 h 后图片 在12 5 0 煅烧4 0 h 后，如剖24 ( a ) 所示，有轻微聚集现蒙发，l ，图25 ( a ) 的s e m 照也表明煤灰层末与s i c 材料板结合：在13 5 0 煅烧d o h 后，如图 24 ( b ) 所示，发生熔融聚集变形，图25 ( b ) 也证明煤灰层出现熔融并与s l c 板 形成较致密的结合：在1 4 5 0 般烧4 0 h 后，如图24 ( c ) 所示，渣饼很薄，产 e 了流动现象，并出现大量的气孔，图25 ( c ) 的s e m 照片表明熔融的煤灰已 滑气孔进入s i c 材料板内部。刚25 ( d ) 显示了熔融煤灰渣层巾的开气孔特征， 气孔最大直径超过1 m m 。加热初期，s i c 材料在氧分脏较高时发生氧化，形成 曩圈 雹 “? i t 2 5 0 c 煅烧 “12 1 3 5 0 c 煅烧 ”1j3 1 4 5 0 c 煅烧h 一赤铁矿，f e 2 0 ， ，1 ，677 - 鳞右英，s i o z 的赤铁矿，这说明在1 3 5 0 c 的煅烧过程中赤铁矿对碳化硅材科板发生了渗透 侵蚀，同时s i c 材料板中有部分氧化铬向煤灰渣中渗透；经1 4 5 0 般烧后，灰 渣中的主要成分为方英石，而灰渣中赤铁矿的含量继续减少，渗透和侵蚀加剧。 此外，还发现s i c 板中的氧化锆也向煤灰中渗透但未见其与煤灰发生反应， 说明氧化锆具备较好的抗侵蚀作用。 282 煤灰高铝质耐火材料结渣机理 高铝质耐火材料结渣机理的实验研究选取过2 0 0 目筛的余竹山煤灰和斗等 山煤灰，并按照煅烧试样制各过程分别制得金竹山煤灰两种高铝质耐火材料 板和斗笠山煤灰两种高铝质耐火材料板各2 对。将制好的试样对在1 3 5 0 置 于马弗炉中恒温煅烧4 0 h 。实验结束后，试样自然冷却到室温。 为示区别，将般烧后的煤灰称为灰渣。煅烧冷却后煤灰渣两种高铝质耐 火材料扳的外观如图2 7 所示，煤灰渣层、煤灰渣两种高铝质板断面部位的 s e m 图片如图2 8 ，断面进行能谱( e d s ) 分析如图29 所示，了解高温煅烧 过程中渣、板及其相互闻物理化学行为。 观察发现：金竹山煤灰渣在高铬材料板上有明显聚集，出现砂状渣，如图 27 ( a ) 所示：而在低铬高铝耐火材料板上也有砂状渣出现，但5 0 以上的灰渣 已经渗透到材料板内部，材料板上只留下灰饼的痕迹，如图2 7 ( b ) 所示；斗爷 山煤灰渣均匀而且致密地分布在高铬高铝耐火材料板上，渣层表面很光滑，如 图27 ( c ) 所示；而在低铬高铝耐火材料板表面几乎没有肉眼可见的灰渣存在， 灰渣几乎全部渗透到材料板内部，如图2 7 ( d ) 所示。 剿豢| 曲金竹山煤材高铬板b ) 金竹山煤舭铬板c ) 斗笠山煤村高铝板d ) 斗笠山煤封低铬板 图27 煤获腐铝质材料扳试样经1 3 5 0 煅烧4 0 1 1 后的外观形貌 图2 8 ( a ) 和( b ) 为经1 3 5 0 煅烧4 0 h 后高熔点的的金竹山煤灰高铝 质材料板断面的s e m 图，图2 8 ( c ) 和( d ) 为经1 3 5 0 煅烧4 0 h 后低熔点 的斗笠山煤灰高铝质材料板断面的s e m 图。观察断面的微观结构后发现：在 高铝质材料板近表面层有明显的颜色变化，这种变化是由于煤灰中某些成分向 高铝质材料板侵蚀的结果，且侵蚀深度为材料板近表面层有颜色变化的深度。 由分析试样的$ e m 图知，煅烧后的煤灰高铝质材料板断面可分为三个特征明 2 0 辫 显的区域：灰渣层、材料板侵蚀层、材料板未侵蚀层，如图2 所不。 对于金竹山煤扶高铝质材料板试样，煅烧后，厌渣在高铬高铝质材料板 巾侵蚀的最大深度均小于2 5 0 p m ，扶渣层的厚度大于6 0 0 p m ，如脚28 ( a ) 所示； 扶渣在低铬高铝质材料板中侵蚀的最小深度均大于5 0 0 , l l m ，灰渣层的厚度小于 3 0 0 u m ，如图2 8 ( b ) 所示。这表明，煤荻在高铬高铝质材料板上剩余的扶渣量 至少是低铬高铝质材料板上的2 倍，煤灰渣在低铬高铝质材料板上的侵蚀深度 至少是高铬材料板上侵蚀深度的2 倍。 对于斗笠山煤灰高铝质材料板试样，煅烧后，灰渣在高铬高铝质材料板 中侵蚀的最大深度约为4 8 2 p m ，扶渣层的厚度约为1 0 0 9 m ，如图28 ( c ) 所示； 灰渣在低铬高铝质材料扳中侵蚀的最大深度约为9 4 3 “m ，灰渣层的厚度约为 5 0 u m ，如图2 8 ( d ) 所示。这表明：扶清在高铬高铝质材料板上剩余的扶渣量约 为低铬高铝质材料板上的2 倍，煤灰渣在低铬高铝质材料板上的侵蚀深度约是 高铬材料板上侵蚀深度的2 倍。 a ) 盘竹m 煤驶高铬材科板b ) 金竹m 煤灰低铬材料扳 c ) 斗笠煤灰高铬村料板曲斗笠m 煤灰低铬材料板 图2 , 8 煤拂铝质材料板试样经1 3 5 0 煅烧4 0 h 后断面的s e m 圉 图29 给出了斗笠山煤灰高铝质材料板煅烧后断面的e d s 分析结果。其 中，6 表示e d $ 分析测点至材料板表面的距离，座标0 点表示耐火材料板表 面位置。由图2 9 ，可以得到下述结论： 沿耐火材料板的深度方向，煤灰中元素f e 的含量呈近似线性的递减趋势， 2 l 如图2 9 ( a ) 示。出现这种现象的原因可能是煤灰向材料板的渗透过程中，f e 不断与材料板中的有关成分发生反应，形成了大分子物质，阻止f e 元素进一 步渗透，因此含量逐渐减少，直至元素f e 的含量在深度方向上接近零，此时 的深度位置即为f e 元素在材料板中的侵蚀深度。由图2 8 ( a ) e d s 分析结果 所确定的侵蚀深度与料板断面s e m 图片中分析得到的侵蚀深度结果基本一致。 1 4 1 2 奢i 0 i g0 8 o 6 0 4 l o 0 8 一 笔 邑o ，6 篁 o 4 船 2 0 拿 专t 8 。1 6 1 4 l 一 冰 i 一 d n n m 0o 20 4n b0 81 o ( c )6 ( 唧) i 1 拿1 i 1 一 卜0 0 o 图2 9 斗笠山煤灰高铝质板在1 3 5 0 c 煅烧4 0 h 后断面的e d s 分析结果 沿耐火材料板的深度方向，煤灰中s i 、c a 、k 、n a 、t i 、m g 元素的含量 呈下降趋势，并呈现出先慢后快的特点，如图2 9 ( b ) 一( g ) 所示。对于高铬高铝 质材料板，在深度方向上，当6 2 0 0 1 t m 时，煤灰中各元素的含量沿材料板的 深度方向呈快速下降趋势，部分元素呈近似线性下降趋势；对于低铬高铝质材 料板，在深度方向上，当 i 6 0 0 p m 时，煤灰中各元素的含量沿深度方向呈快速 下降趋势，其中，t i 元素的变化趋势与f e 元素相近，呈近似线性下降趋势。 图2 9 还表明，煤灰中主要元素成分在低铬高铝质材料板中的侵蚀深度远大于 在高铬高铝质材料板中的侵蚀深度；用e d s 方法确定的各元素侵蚀深度值与 s e m 图片中分析得到的侵蚀深度结果基本一致。 c r 元素含量在高铝质材料板中沿深度方向上呈现出近似线性增加的特点， 如图2 9 ( i ) 所示。图2 9 ( i ) 表明耐火材料板中铬元素的渗透扩散方向与煤灰 中金属元素的渗透扩散方向相反，材料板中铬元素的含量越高，在煅烧过程中， 其扩散渗透至煤扶中的量越大。进入煤狄渣层中的c r 2 0 3 与煤灰渣中的某些成 分在高温条