清华大学热能工程教学课件-第10章-外部工作过程1

第10章受热面外部工作过程,提纲,10.1对流受热面的磨损10.2锅炉受热面的结灰10.3锅炉低温对流受热面的烟气侧腐蚀10.4锅炉高温受热面的烟气侧腐蚀,10.1对流受热面的磨损,10.1.1受热面的磨损情况10.1.2飞灰磨损机理10.1.3锅炉受热面结构对磨损的影响10.1.4飞灰磨损机械作用的决定因素10.1.5受热面磨损的防治方法,以容量为20万kW的锅炉为例:B=75t/hAar=30=0.8飞灰量=约16.5万吨/年受热面设计使用寿命=10年飞灰总量=165万吨飞灰磨损是锅炉设计和运行中的重要问题之一。,10.1.1受热面的磨损情况,西安热工所调查结果：各厂均发生过因磨损造成受热面漏泄而停炉的事故。绝大部分属于局部磨损。水冷壁数量：少位置：燃烧器安装不好，一次风直接冲刷水冷壁对流过热器数量：占1/5位置：两侧墙烟气走廊附近15排管子水平烟道底部弯头个别突出在顺列管束之外的管子和弯头,10.1.1受热面的磨损情况,高温段省煤器：占很大比例靠后墙的几排靠两侧墙的弯头穿墙管靠前墙的13排管子（如烟气走廊较大）顺烟气流向的第2、3两排管子管式空预器:烟气入口区段。,10.1.1受热面的磨损情况,某地区电力管理局统计（1977年）：锅炉事故率占电厂总事故率的54.7%，因尾部受热面磨损而爆破不得不停炉的事故竟占锅炉总事故的4550%。,10.1.1受热面的磨损情况,能量转换机理：灰颗粒具有动能。当灰粒与受热面管壁相接触时，灰粒动能减少，其能量转变为对金属表面的撞击或摩擦做功，造成金属受热面表面的磨损。,10.1.2飞灰磨损机理,10.1.2飞灰磨损机理,10.1.2飞灰磨损机理,实际上，灰粒对受热面的磨损是非常复杂的过程。烟气中多少带有腐蚀性气体，特别是燃用含硫量含水分高的煤，它的腐蚀性亦是不能忽视的。虽然如此，就磨损最严重的地区的主要过程来看，磨损主要是由于冲击与切削作用，而又以后者为主。,锅炉受热面结构对磨损的影响,图4-4正向冲刷,烟气流均匀地横向正面冲刷管束时，第一排管子上的磨损集中于两个对称点与正前方约成3040的角度。对交错排列，以后各排管子的磨损集中在a=25300的对称点，对于顺列排列，则a=600。,10.1.3锅炉受热面结构对磨损的影响,横向冲刷严重,纵向冲刷次之距管入口150200mm处,顺列次之第五排及以后各排最严重（磨损集中于60的对称点）,错列严重第二排最严重（磨损集中于2530的对称点）,图4-6烟气纵向冲刷管子时的磨损情况,10.1.3锅炉受热面结构对磨损的影响,图4-5斜向冲刷,当斜向冲刷时，第一排管子上产生最大的磨损在正前方,10.1.3锅炉受热面结构对磨损的影响,在型布置的锅炉中，烟气在转弯处对受热面管子磨损的不均匀性影响很大。,图4-3竖井中省煤器蛇形管严重磨损区及大颗粒灰粒浓度分布曲线a)蛇形管平行前墙布置b)蛇形管垂直前墙布置1-蛇形管2-转弯烟室3-大颗粒灰粒浓度分布曲线4-管子严重磨损区,10.1.3锅炉受热面结构对磨损的影响,10.1.4飞灰磨损机械作用的决定因素,机械作用飞灰磨损的决定因素,因各种颗粒度的撞击率不同，总的撞击率为:,磨损厚度：,由各受热面中磨损带有局部性质，最大磨损厚度为：,10.1.4飞灰磨损机械作用的决定因素,通过以上讨论，飞灰磨损的主要影响因素：,飞灰浓度、灰粒的物理化学性质、烟气流速以及受热面的布置与结构特性，此外，还与运行工况有关。,10.1.4飞灰磨损机械作用的决定因素,安装以及运行工况安装问题引起烟气走廊，局部烟速，造成磨损D，Wy，飞灰磨损加重烟道漏风，Wy，加快磨损例如：高温省煤器前漏风系数10，磨损速度将加快25运行中燃烧不良，飞灰含碳量，因焦碳粒比灰粒硬而加快了磨损受热面发生局部结渣堵灰现象，将使烟气流偏向一侧而加快这一侧受热面的磨损,10.1.4飞灰磨损机械作用的决定因素,降低烟气中的飞灰浓度，选用合理的烟气速度；防止在受热面中形成局部过高的飞灰浓度和烟速；减少锅炉漏风，以减少烟气体积，以便保证合理的烟速；装设防磨装置。,10.1.5受热面磨损的防治方法,降低烟气中飞灰浓度,10.1.5受热面磨损的防治方法,采煤及运输过程中尽量保证质量，不再混入更多杂质，以降低燃料中的灰分。采用合适的燃烧方法。,选用合理烟气速度；,烟气的最大允许烟气流速,10.1.5受热面磨损的防治方法,表16-1最大允许烟气流速(国外推荐数据),防止在受热面中形成局部过高的飞灰浓度和烟速；,受热面的横向节距布置均匀受热面与炉墙之间的空隙不过大。在“II型布置的锅炉中，转弯气室后省煤器蛇形管一般平行于前墙布置。,10.1.5受热面磨损的防治方法,对于燃用多灰的劣质燃料的锅炉，其受热面应考虑适当的防磨措施。,图省煤器的防磨措施,10.1.5受热面磨损的防治方法,10.1.5受热面磨损的防治方法,图16-6管式空气预热器的防磨装置1一套接短管2一绝热材料3一管板4一焊接短管,10.2.1结渣（熔渣）10.2.2低温粘结灰10.2.3松结灰10.2.4高温粘结灰,10.2锅炉受热面的结灰,传热阻力增加。对流烟道的阻力增加。严重时造成事故必须停炉，使可用率下降。加速管壁的腐蚀。,10.2锅炉受热面的结灰,受热面结灰的危害：,但结渣与积灰几乎是不可避免的，只能采用措施来减轻。,结灰的四种形态,结渣（熔渣）,高温粘结灰,低温粘结灰,松结灰,受热面积灰的几种形态,10.2锅炉受热面的结灰,发生部位：结渣也叫溶渣，主要发生在炉膛受热面及高温对流受热面，如凝渣管和过热器的前部等处发生。产生原因：燃料灰的熔点较低，而炉膛中及出口处的烟气温度又很高，以至飞灰呈熔状的粘结颗粒，碰到受热面后即粘结在管壁上。,结渣,10.2.1结渣（熔渣）,正确地组织燃烧器的工作，采用适当的炉膛容积和断面热负荷以保证炉膛出口烟温不致于过高。采用拉稀的高温对流受热面，即凝渣管，屏式受热面以及对流过热器前部的拉稀等。采用适当的吹灰打渣方法,防止结渣的方法：,10.2.1结渣（熔渣）,发生部位：低温对流受热面（省煤器、空气预热器）产生原因：烟气中含有水蒸气和SO3，它们形成硫酸蒸汽，使烟气酸露点，如果tb酸露点，硫酸蒸汽会在管壁上冷凝下来，与飞灰中Ca的氧化物反应生成CaSO4粘结在管壁上，烘干变硬“水泥化”。特点：呈硬结状，难去除（燃用高水分、灰分、硫分时较易发生）。,低温粘结灰,10.2.2低温粘结灰,概貌：干松灰是小粒度飞灰在对流受热面上的物理聚积。积灰过程没有化学反应，灰层中无粘性成分，灰粒之间呈现散状态，易于吹除的灰。,干松灰（松结灰，疏松灰）,10.2.3干松灰,发生部位：对流过热器、省煤器和空气预热器上都有沉积。主要发生在管子的背风面，只有在含灰气流的速度很低时，才会在迎风面产生。,图4-9松灰的沉积,10.2.3干松灰,产生原因：气固两相流绕流过管子，由于边界层的分离，在背风面必产生旋涡区，大颗粒惯性大，不易被旋进旋涡区，小于30m，特别是小于10m的颗粒易于被旋涡旋进背风区。,10.2.3干松灰,粒径d，比表面积，表面能，吸附力，当颗粒与管壁接触时，能靠分子力吸附在管壁上。纯机械作用（管粗糙）灰碰撞带静电灰聚积,影响因素,10.2.3干松灰,Wy飞灰粒度管子直径管束的布置方式管子节距：烟气的流动方向,10.2.3干松灰,烟气中的飞灰量，即灰分浓度由于对应于一定的结构及烟气流速，积灰量基本一是存在一个最大量，不能无限增加，只是达到这个量的时间不同，因此，烟气中灰粒浓度的大小只能影响到达这一量所需的时间，不能影响到积灰量。,图10-9积灰与烟气流中灰分浓度的关系不大。,设计时采用足够高的流速，一般不能低于5-6m/s，对有升华物质的燃料更应高一些.采用小管径，错列布置，紧凑布置（减小纵向节距）的管束。但对易结渣或易结粘性灰的受热面，不适用。正确设计和布置吹灰装置，运行时应制订吹灰间隔时间及连续吹灰时间。,减轻和防止的措施,10.2.3干松灰,概貌：伴随化学反应，能够无限地增长，坚硬而不易清除的粘结灰。形成的位置及灰的特点：在温度较高的区域形成，在远低于t2的烟温区也能形成，例如在高温省煤器上。,不仅在背风侧，而且更多地在迎风面形成；分层形成，各层的化学成分不同，颜色也有差异；灰的粘性是由化学反应产物而来。出现的范围广。,10.2.4高温粘结灰,1-飞灰沉积2-暗红结积层3-白色升华物质层4-黑色腐蚀产物层5一管壁,高温粘结灰,高温粘结灰的形成关键在于首先形成一层处于熔化或软化的粘性灰层，靠这一层粘性灰的捕捉作用，积聚飞灰粒子，被捕捉到的飞灰在化学作用下形成紧密的灰层。事实上，高温粘结灰的形成与高温腐蚀是密切相关的。飞灰中的化学成分不同，将会有不同的高温粘结灰的形成机理以及不同的灰层颜色，目前，对这个问题认识得不是非常清楚。,10.2.4高温粘结灰,产生原因,例如：燃烧多碱性金属（800即可升华）的燃料时，高温粘结灰的形成机理大致是这样的：以燃料灰分中的碱金属的氧化物，在燃烧时升华，升华的氧化金属成分子状态，靠扩散作用到达，并冷凝在管壁上。冷凝在管壁上的碱金属氧化物与烟气中三氧化硫反应形成硫酸金属。在高温对流受热面上，钢管壁面上的催化作用，使得烟气中的SO2在氧化成SO3的同时，形成硫酸盐。硫酸盐与飞灰中的氧化铁Fe2O3及烟气中的三氧化硫反应，形成复合硫酸盐Na2Fe(SO4)3、K3Fe(SO4)3；也与飞灰中的氧化铝，形成Na3(AlSO4)3、K2(AlSO4)3，这些反应产物在500800范围内呈现熔状，具有粘性。以这层为粘结剂，一方面捕捉飞灰，一方面还可继续形成粘结物，灰层迅速增长。,10.2.4高温粘结灰,最近的研究表明，形成粘结灰的原因很多，不同的燃料成分导致不同的高温粘结灰的形成机理。目前，一般采用这样的式子来表征燃料形成高温粘结灰的程度。,式中Fe2O3表示该成分在燃料灰分中的重量百分数,10.2.4高温粘结灰,燃料成分燃烧方式：火床或煤粉炉的高温粘结灰的程度是不同的，也即最终归结为燃烧强度不同，结灰程度不同，强度高，升华物便多，高温粘结灰严重。温度水平：高温粘结灰发生在温度较高的区域。烟气流速：烟气流速越高，结灰