新疆高鈉煤積灰特性試驗(yàn)研究

聶 立， 白文剛， 冉燊銘， 周 棋， 張秀昌， 車得福

（1.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，成都611731）

我國(guó)新疆蘊(yùn)藏有大量未開發(fā)的煤炭資源，預(yù)測(cè)其資源總量達(dá)到2.19×1013t，占全國(guó)預(yù)測(cè)煤炭資源總量的41%［1］.但由于歷史成因及當(dāng)?shù)靥厥獾淖匀坏乩憝h(huán)境，新疆煤炭中有相當(dāng)一部分屬于高鈉煤，該煤中鈉含量（以灰分計(jì)，下同）普遍在2%以上，部分煤種的鈉含量甚至高達(dá)10%以上，明顯高于其他地區(qū)動(dòng)力用煤.我國(guó)其他礦區(qū)動(dòng)力用煤中的鈉含量均在1%以內(nèi)［2－3］.

煤中鈉含量直接關(guān)系到煤在燃用過程中受熱面的積灰特性.實(shí)踐表明［1－7］，鍋爐在燃用高鈉煤時(shí)，對(duì)流受熱面更容易發(fā)生黏結(jié)性積灰，并伴有不同程度的高溫腐蝕.因黏結(jié)性積灰引發(fā)的鍋爐停爐清灰事故多有發(fā)生且經(jīng)濟(jì)損失巨大，給鍋爐正常安全運(yùn)行帶來巨大的隱患.目前，對(duì)新疆高鈉煤的利用主要采取摻燒的辦法［3－4］，但這種方法只能減緩積灰，并且摻燒受到摻配煤種成本和運(yùn)輸條件等制約，不能從根本上解決積灰問題［2］.

由于我國(guó)動(dòng)力用煤中鈉含量通常都不是很高，目前，有關(guān)燃用高鈉煤時(shí)受熱面積灰的研究鮮見報(bào)道.因此，研究高鈉煤的積灰特性對(duì)認(rèn)識(shí)此類煤種的積灰問題和指導(dǎo)鍋爐設(shè)計(jì)具有非常重要的意義.筆者依托東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司機(jī)械工業(yè)重點(diǎn)（工程）實(shí)驗(yàn)室的3 MW 煤粉爐試驗(yàn)臺(tái)，研究了燃用3種不同煤種時(shí)煙氣溫度和外壁溫度對(duì)受熱面積灰試驗(yàn)管段外壁積灰特性的影響.

1 試驗(yàn)部分

1.1 煤種特性

試驗(yàn)煤種選用三道嶺煤、沙爾湖煤和五彩灣煤，其中沙爾湖煤和五彩灣煤均屬于新疆高鈉煤，其煤質(zhì)分析見表1.

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

所用的試驗(yàn)系統(tǒng)為東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司德陽(yáng)制造基地的3 MW 煤粉爐試驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示.試驗(yàn)臺(tái)主要由5部分組成：制粉系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和控制系統(tǒng).

采用中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)，其主要設(shè)備有煤粉磨制設(shè)備、煤粉分離設(shè)備、煤粉收集設(shè)備和煤粉輸送設(shè)備.

燃燒試驗(yàn)臺(tái)的點(diǎn)火啟動(dòng)采用天然氣.利用天然氣槍將爐膛溫度烘高后再投入煤粉，燃燒穩(wěn)定后退出天然氣槍.

送引風(fēng)系統(tǒng)主要由送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、管道和調(diào)節(jié)裝置組成，運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的出力保持爐膛有一定的負(fù)壓.

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的作用是通過循環(huán)冷卻水控制試驗(yàn)臺(tái)燃燒室溫度和排煙溫度，該系統(tǒng)主要包括水泵、水池、冷卻塔和調(diào)節(jié)閥等.

控制系統(tǒng)采用XDPS－400e分布式控制（DCS）系統(tǒng).燃燒試驗(yàn)臺(tái)及其輔助系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的啟停、調(diào)節(jié)、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控及主要運(yùn)行參數(shù)（壓力、溫度和流量等）的監(jiān)測(cè)、記錄和安全保護(hù)等均通過DCS系統(tǒng)完成.

表1 試驗(yàn)煤種的煤質(zhì)分析Tab.1 Quality analysis of the coals studied

圖1 3 MW 煤粉爐試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Schematic diagram of the 3 MW experimental system

試驗(yàn)中為了較真實(shí)地模擬爐內(nèi)的受熱面環(huán)境，設(shè)計(jì)了如圖2所示的積灰試驗(yàn)管段.積灰試驗(yàn)管段的材質(zhì)選用SA－213T91，外徑d＝57mm，壁厚h＝4.5mm，長(zhǎng)度L＝860mm，管內(nèi)集成有4根k型熱電偶，其中2根熱電偶測(cè)量進(jìn)、出口空氣溫度，另外2根測(cè)量積灰試驗(yàn)管段的外壁溫度.在煙道上設(shè)置有觀察孔，試驗(yàn)過程中可直接觀察外壁的積灰形貌.

圖2 積灰試驗(yàn)管段Fig.2 Tube section adopted in the ash deposition test

1.3 積灰評(píng)判方法

通過將數(shù)根積灰試驗(yàn)管段布置在試驗(yàn)臺(tái)不同煙氣溫度區(qū)域來考察煙氣溫度的影響，通過調(diào)節(jié)流經(jīng)積灰試驗(yàn)管段內(nèi)的空氣質(zhì)量流量來改變其外壁溫度以考察外壁溫度的影響.利用高溫?zé)犭娕紲y(cè)量煙道內(nèi)的煙氣溫度，采用IMP 分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步、不間斷地（周期為30s）采集掠過積灰試驗(yàn)管段的煙氣溫度tg、外壁溫度tw、進(jìn)口空氣溫度taj、出口空氣溫度tac和積灰試驗(yàn)管段中空氣的質(zhì)量流量qm.通過采集以上參數(shù)可分析計(jì)算出積灰試驗(yàn)管段的傳熱系數(shù).

定義積灰試驗(yàn)管段外壁積灰后的傳熱系數(shù)為h，則有

式中：Q 為積灰試驗(yàn)管段內(nèi)空氣的吸熱量，Q＝c·qm·（tac－taj）；c為空氣的比熱容；A 為積灰試驗(yàn)管段的換熱面積，A＝πdL.

定義積灰試驗(yàn)管段外壁清潔時(shí)的傳熱系數(shù)為h0，通過分析積灰試驗(yàn)管段傳熱系數(shù)比Rh（Rh＝h／h0）隨時(shí)間的變化來研究煙氣溫度和外壁溫度對(duì)積灰試驗(yàn)管段積灰特性的影響.

2 結(jié)果與分析

2.1 煤種的影響

圖3給出了燃用3種不同煤種時(shí)積灰試驗(yàn)管段的傳熱系數(shù)比Rh隨時(shí)間的變化，其中煙氣溫度tg＝800 ℃，外壁溫度tw＝400 ℃.由圖3 可以看出，燃用三道嶺煤時(shí)Rh的變化規(guī)律與燃用另外2種高鈉煤時(shí)明顯不同，在整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)其Rh幾乎不發(fā)生變化（約等于1）；而燃用2種高鈉煤時(shí)Rh隨時(shí)間增加均逐漸減小，且煤中鈉含量越高，對(duì)應(yīng)的Rh減小得越快.

燃用高鈉煤時(shí)所形成的這種現(xiàn)象是由煤中的鈉在燃燒后形成黏結(jié)性積灰引起的.實(shí)際鍋爐中煙氣溫度和受熱面外壁溫度是影響受熱面積灰特性的重要因素.下面重點(diǎn)研究煙氣溫度和外壁溫度對(duì)高鈉煤燃燒時(shí)受熱面積灰特性的影響，考慮到節(jié)省試驗(yàn)成本，試驗(yàn)煤種均為沙爾湖煤.對(duì)于燃用五彩灣煤時(shí)的情況，筆者也對(duì)煙氣溫度為520 ℃和650 ℃時(shí)積灰試驗(yàn)管段的積灰特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)所得的結(jié)論與燃用沙爾湖煤時(shí)基本一致.由于整個(gè)試驗(yàn)中對(duì)沙爾湖煤的研究是最為全面的，因此后續(xù)討論中均以沙爾湖煤為例.

圖3 燃用不同煤種時(shí)積灰試驗(yàn)管段的Rh 隨時(shí)間的變化Fig.3 Rhcurves of test section when different coals are burned

2.2 煙氣溫度的影響

圖4 給出了不同煙氣溫度下燃用沙爾湖煤時(shí)積灰試驗(yàn)管段的Rh隨時(shí)間的變化，其中外壁溫度為400 ℃.由圖4可以看出，當(dāng)煙氣溫度為520 ℃時(shí)，積灰試驗(yàn)管段的Rh幾乎不發(fā)生變化（約等于1）；而當(dāng)煙氣溫度高于650 ℃時(shí)，積灰試驗(yàn)管段的Rh均隨時(shí)間的增加逐漸減小，且煙氣溫度越高，對(duì)應(yīng)的Rh減小得越快.通過布置在煙道上的觀察孔觀察各工況下積灰試驗(yàn)管段的外壁積灰形貌，當(dāng)煙氣溫度高于650 ℃時(shí)，積灰試驗(yàn)管段的外壁均形成如圖5（圖中下方為迎風(fēng)面）所示的嚴(yán)重積灰現(xiàn)象，在試驗(yàn)過程中采用壓縮空氣吹灰時(shí)發(fā)現(xiàn)，這種積灰難以清除掉.

圖4 不同煙氣溫度下積灰試驗(yàn)管段的Rh 隨時(shí)間的變化Fig.4 Rhcurves of test section at different flue gas temperatures

圖5 積灰試驗(yàn)管段的積灰形貌Fig.5 Appearance of ash deposit on the test section

研究表明［2，8］，對(duì)于含有較多堿金屬鈉的燃料，其所含鈉的化合物在高溫（700～800 ℃以上）燃燒環(huán)境中發(fā)生升華或揮發(fā)，遇到溫度較低的受熱面時(shí)極易凝結(jié)在受熱面壁面上，然后再與煙氣中的二氧化硫、氧化鋁和氧化鐵等發(fā)生化合反應(yīng)，形成各種硫酸鹽型致密黏結(jié)性底層，如硫酸鈉（Na2SO4）、復(fù)合硫酸鈉（Na3Fe（SO4）3）和焦硫酸鈉（Na2S2O7）等.以黏結(jié)性底層為黏結(jié)劑，一方面捕捉大量飛灰，牢固地黏結(jié)在外壁上形成高溫黏結(jié)性積灰，另一方面還可繼續(xù)形成黏結(jié)物，使灰層迅速增長(zhǎng).對(duì)于高溫黏結(jié)性積灰，其形成過程伴隨著化學(xué)反應(yīng)，能夠無(wú)限增長(zhǎng)，堅(jiān)硬而難以清除，它不僅在背風(fēng)側(cè)，而且大量形成于迎風(fēng)面［9］.通常積灰層的導(dǎo)熱系數(shù)很小，熱阻很大，因此受熱面一旦形成積灰，會(huì)嚴(yán)重降低其傳熱能力.

眾所周知，對(duì)于固態(tài)物質(zhì)來講，其揮發(fā)程度取決于熔點(diǎn)的高低［2］，而對(duì)于其中一些易升華物質(zhì)來講，升華點(diǎn)則是決定其升華程度的關(guān)鍵因素.煤中的鈉化合物除了以硅酸鹽形式存在的化合物熔點(diǎn)很高外，其他形式的鈉化合物熔點(diǎn)均較低（見表2）.

表2 常見鈉化合物的熔點(diǎn)Tab.2 Fusion points of most common sodium compounds℃

如圖4所示，當(dāng)煙氣溫度為520℃時(shí)，煙氣中鈉化合物均已被凝結(jié)下來，此時(shí)煙氣中不再含有堿金屬化合物蒸氣，即使遇到外壁溫度為400 ℃的積灰試驗(yàn)管段也不會(huì)形成難以清除的高溫黏結(jié)性積灰，因而在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)（240 min），積灰試驗(yàn)管段的Rh均較大（約等于1）.由表2可知，鈉化合物中熔點(diǎn)最低的是Na2O（熔點(diǎn)為611 ℃），與試驗(yàn)結(jié)果很吻合.隨著煙氣溫度的升高（＞650 ℃時(shí)），煙氣中未被凝結(jié)的堿金屬蒸氣含量逐漸升高，這些堿金屬蒸氣遇到溫度較低的積灰試驗(yàn)管段后，很容易在外壁上形成一層黏結(jié)性底層，并最終形成高溫黏結(jié)性積灰.隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫黏結(jié)性積灰的厚度不斷增加，這也是圖4中各煙氣溫度下積灰試驗(yàn)管段的Rh隨時(shí)間增加而逐漸減小的主要原因.由于煙氣溫度越高，煙氣中未被凝結(jié)的堿金屬蒸氣含量越高，形成高溫黏結(jié)性積灰的速率越快，具體表現(xiàn)為圖4中隨著煙氣溫度的升高，Rh曲線的斜率越大.

由圖4還可以看出，當(dāng)煙氣溫度為650℃時(shí)，積灰試驗(yàn)管段的Rh隨時(shí)間的增加而逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)煙氣溫度分別為900 ℃和1 000 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的Rh曲線互相重合.當(dāng)煙氣溫度為650℃時(shí)，由于該溫度已十分接近煙氣中鈉化合物的最低熔點(diǎn)，煙氣中所含有的堿金屬蒸氣含量很低，即使完全凝結(jié)在積灰試驗(yàn)管段外壁上，也不足以產(chǎn)生嚴(yán)重的高溫黏結(jié)性積灰，因此Rh隨時(shí)間的增加而逐漸趨于穩(wěn)定值.而當(dāng)煙氣溫度為900 ℃和1 000 ℃時(shí)，由表2可知，除硅酸鹽形式的鈉化合物外，其他形式的鈉化合物的熔點(diǎn)均較低，最高熔點(diǎn)不超過884℃.因此當(dāng)積灰試驗(yàn)管段的外壁溫度為400 ℃、煙氣溫度分別為900℃和1 000℃時(shí)，2種工況下煙氣中所含有的堿金屬蒸氣含量是相同的，從而使煙氣溫度為900 ℃時(shí)的Rh曲線與煙氣溫度為1 000 ℃時(shí)的Rh曲線互相重合.

2.3 外壁溫度的影響

圖6 不同外壁溫度下積灰試驗(yàn)管段的Rh 隨時(shí)間的變化Fig.6 Rhcurves of test section at different outer wall temperatures

圖6 給出了不同外壁溫度下積灰試驗(yàn)管段外壁溫度對(duì)Rh的影響，其中煤種為沙爾湖煤，煙氣溫度分別為800 ℃和1 000 ℃.由圖6可以看出，2種煙氣溫度下外壁溫度變化均會(huì)對(duì)積灰試驗(yàn)管段的Rh產(chǎn)生一定影響，但這種影響與外壁溫度是否介于鈉化合物的熔點(diǎn)區(qū)間（611～884 ℃）緊密相關(guān).當(dāng)外壁溫度低于煙氣中鈉化合物蒸氣的最低熔點(diǎn)（611 ℃）時(shí)，改變外壁溫度不會(huì)對(duì)積灰試驗(yàn)管段的Rh產(chǎn)生影響；而當(dāng)外壁溫度處于鈉化合物的熔點(diǎn)區(qū)間時(shí)，外壁溫度越低，Rh減小得越快.外壁溫度對(duì)積灰試驗(yàn)管段Rh的影響與煙氣中不同形式鈉化合物蒸氣的凝結(jié)有關(guān)，具體可參見表2中各種鈉化合物的熔點(diǎn).

3 結(jié) 論

（1）燃用不同煤種時(shí)，煤中鈉含量會(huì)直接影響受熱面積灰試驗(yàn)管段外壁的積灰特性，煤中鈉含量越高，積灰越嚴(yán)重.

（2）對(duì)于高鈉煤（沙爾湖煤），煙氣溫度對(duì)積灰試驗(yàn)管段外壁的積灰特性具有顯著影響.當(dāng)煙氣溫度為520 ℃時(shí)（低于鈉化合物的最低熔點(diǎn)），積灰試驗(yàn)管段的Rh幾乎不隨時(shí)間發(fā)生變化，約等于1；當(dāng)煙氣溫度高于650 ℃時(shí)，隨著時(shí)間的增加，Rh均逐漸減小，且煙氣溫度越高，Rh減小得越快.

（3）煙氣溫度為650 ℃時(shí)，Rh隨著時(shí)間的增加逐漸趨于穩(wěn)定；煙氣溫度為900 ℃時(shí)的Rh曲線與煙氣溫度為1 000 ℃時(shí)的Rh曲線互相重合.

（4）外壁溫度會(huì)對(duì)積灰試驗(yàn)管段的Rh隨時(shí)間的變化產(chǎn)生影響，并且這種影響與外壁溫度是否位于煙氣中鈉化合物的熔點(diǎn)區(qū)間有關(guān).

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