鍋爐結(jié)渣原因分析及處理方法

魯博穎，郭建輝，石 永，惠建龍

(陜西興化集團有限責(zé)任公司 陜西興平 713100)

燃煤鍋爐結(jié)渣是鍋爐安全、經(jīng)濟運行的最大障礙。影響鍋爐結(jié)渣的因素很多，主要有煤的灰熔點、還原性氣體含量、煤的沾污性能、爐膛溫度、空氣動力場、爐膛出口煙氣溫度、缺氧燃燒、鍋爐吹灰等。本文根據(jù)各因素的影響來分析如何預(yù)防鍋爐爐膛結(jié)渣，并提出相應(yīng)的處理方法[1]。

1 鍋爐結(jié)渣機理

在鍋爐爐膛中心，燃燒火焰中心溫度為1 500～1 700 ℃。在燃燒過程中，煤粉顆粒中所含的易熔或易氣化的物質(zhì)迅速揮發(fā)成氣態(tài)進入煙氣中，當(dāng)溫度降低時發(fā)生凝結(jié)，或黏附在煙氣沖刷的受熱面、爐墻上，或在飛灰顆粒表面形成熔融的堿化物膜(也稱為堿性膜)，然后黏附在受熱面上形成初始結(jié)渣層，成為結(jié)渣發(fā)展的條件。渣層中發(fā)生物理化學(xué)變化，渣層的強度不斷增大，隨外表溫度不斷升高，渣層越來越厚，當(dāng)結(jié)渣的溫度達到熔化溫度時，就會流到鄰近的受熱面上，擴大了結(jié)渣的范圍。因此，結(jié)渣過程是一個自動加劇的過程。

鍋爐中易結(jié)渣處一般在噴燃器出口、衛(wèi)燃帶、水冷壁受熱面，嚴重結(jié)渣時還會出現(xiàn)在過熱器位置，導(dǎo)致過熱器換熱效果差(有可能引起爆管)、引風(fēng)機出力增大、爐膛呈正壓，造成鍋爐停爐。

鍋爐結(jié)渣是一個十分復(fù)雜的物理、化學(xué)、動力學(xué)過程，涉及煤的燃燒、爐內(nèi)傳熱和傳質(zhì)、煤的潛在結(jié)渣傾向、煤灰粒子在爐內(nèi)運動、煤灰與管壁間的黏附等,至今還沒有能定量描述結(jié)渣過程的數(shù)學(xué)模型。

2 結(jié)渣的危害

鍋爐結(jié)渣將對機組運行的安全性和經(jīng)濟性產(chǎn)生不良的影響。水冷壁、過熱器受熱面發(fā)生結(jié)渣后，爐膛出口煙氣溫度、蒸汽溫度及排煙溫度升高，嚴重時會引起管壁過熱、超溫，危及受熱面的安全性。結(jié)渣往往是不均勻的，會使過熱器熱偏差增大。水冷壁處結(jié)渣對自然循環(huán)鍋爐的水循環(huán)安全性造成不利的影響。鍋爐上部結(jié)渣后出現(xiàn)渣塊掉落時，可能會砸壞水冷壁，影響穩(wěn)定燃燒，嚴重時造成鍋爐滅火。若燃燒器噴口結(jié)渣，會影響氣流的正常噴射，破壞爐內(nèi)的空氣動力工況，嚴重時鍋爐會滅火。如果結(jié)渣嚴重，將迫使鍋爐停止運行，進行除渣。過熱器處結(jié)渣，使鍋爐通風(fēng)阻力增大，耗電量上升。結(jié)渣還會引起受熱面超溫、鍋爐通風(fēng)量不足、蒸發(fā)量不足等問題，可能會限制鍋爐出力，使機組被迫減負荷運行。

3 影響結(jié)渣的主要因素及處理方法

3.1 煤種的灰熔點

煤灰組成極其復(fù)雜，主要由硅、鋁、鐵、鈦、鎂、鈣、釩、錳、鉀、鈉、硫、磷、氧等元素組成，大多數(shù)以氧化態(tài)存在，含量由高到低順序大致為SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、SO3、TiO2、K2O、MgO、Na2O、MnO3等。

陜西興化集團有限責(zé)任公司(以下簡稱陜西興化公司)4×160 t/h鍋爐燃煤主要來自甘肅和陜北煤礦，其中來自甘肅某煤礦煤種分析數(shù)據(jù)見表1，物質(zhì)熔點見表2。除此之外，鍋爐還摻燒了來自煤氣化裝置和甲醇合成裝置的燃料氣，該燃料氣的主要成分為CO、CH4、H2、CH3OH、N2、H2O、CO2、Ar等。

形成結(jié)渣的化學(xué)反應(yīng)：

Fe2O3+H2=H2O+2FeO

Fe2O3+CO=CO2+2FeO

FeO-SiO2共熔體中有個一致熔融化合物2FeO·SiO2(正硅酸鐵或鐵橄欖石)，熔點為1 208 ℃。該化合物熔化時不穩(wěn)定，分解為偏硅酸亞鐵[2FeO·SiO2+SiO2=2(FeO·SiO2)]，ΔHm>0，在溫度低于1 208 ℃時反應(yīng)向左進行，這極大地加速了結(jié)渣的可能性。CaO·FeO·SiO2共熔體熔點為1 100 ℃，遠低于上述煤種的變形溫度(DT)，很大程度上增加了結(jié)渣的可能性。

為了盡量減輕結(jié)渣帶來的影響，應(yīng)嚴格控制進爐膛的煤粉質(zhì)量，摻燒灰熔點高的煤。在煤粉內(nèi)加入添加劑，可提高灰熔點，并使強黏結(jié)性的渣變?yōu)槭杷傻脑?，便于清除和脫落，但此法需考慮對水冷壁的腐蝕，應(yīng)謹慎使用。

表1 甘肅某煤礦煤種分析數(shù)據(jù)

表2 物質(zhì)熔點

陜西興化公司摻燒的燃料氣中含有還原性成分CO、H2，其含量高將降低煤的灰熔點，易發(fā)生結(jié)渣，因此鍋爐在高負荷運行時應(yīng)少用或停用燃料氣。

3.2 煤的沾污性能

目前各國對煤的沾污性能的判斷指標(biāo)不同，以德國EVT公司采用的計算公式來說明煤的沾污性能。由于鍋爐燃煤的硫含量較高，此公式考慮了硫含量對沾污性能的影響。試驗結(jié)果表明：煤中硫含量的增加與受熱面沾污加劇成正比關(guān)系。沾污指數(shù)按式(1)計算：

Kv=(0.5+wNa2O+wK2O)×(0.5+wS)

(1)

式中：Kv——沾污指數(shù)；

wNa2O——煤灰中含Na2O質(zhì)量分數(shù)；

wK2O——煤灰中含K2O質(zhì)量分數(shù)；

wS——煤灰中含S質(zhì)量分數(shù)。

當(dāng)Kv<4時沾污較輕，當(dāng)Kv>4時沾污較重。鍋爐用煤含硫質(zhì)量分數(shù)為0.18%～0.97%，Kv值一般為2.54～4.77，因此對鍋爐受熱面沾污影響較大，在較短時間內(nèi)就會在高溫過熱器處形成黏結(jié)性積灰。當(dāng)高溫過熱器管排之間的結(jié)渣和積灰封堵了大部分的煙氣流通截面后，會在水平煙道方向形成煙氣走廊，造成煙氣流速大于設(shè)計值，飛灰顆粒對管壁的撞擊力、沖刷力加大，磨損加劇[2]。

3.3 空氣動力場

進行鍋爐空氣動力場試驗的目的是為了保證鍋爐四角一、二次風(fēng)速在規(guī)定范圍內(nèi)，四角來粉均勻，防止因鍋爐切向燃燒偏斜造成受熱面結(jié)焦，故燃燒器的燃燒工況與整個爐膛的空氣動力特性密切相關(guān)。

爐膛燃燒區(qū)域內(nèi)的結(jié)渣常發(fā)生在火焰或煙氣直接沖刷處，若無上述情況，即使大量灰粒已呈熔融狀態(tài)，由于不與水冷壁接觸，也不會黏結(jié)在水冷壁上。若空氣動力場不良，造成切圓過大或火焰中心偏移，將導(dǎo)致高溫?zé)煔鉀_刷水冷壁面而結(jié)渣。因此，應(yīng)及時調(diào)整各風(fēng)門開度及風(fēng)煤配比，盡量均勻提供四角煤粉濃度及各燃燒器配風(fēng)量，并適當(dāng)提高一次風(fēng)速[3]。

3.4 爐膛出口煙氣溫度

爐膛出口煙氣溫度直接反映了火焰是否有偏斜現(xiàn)象。測溫點一般南北兩側(cè)各布置1個，二者溫差直接反映了火焰對兩側(cè)水冷壁的沖力方向、一二次風(fēng)的分布是否均勻，間接反映了結(jié)渣的可能方向。因此，日常生產(chǎn)中應(yīng)注意觀察2個測溫點的溫差大小。

當(dāng)空氣量充足時，控制爐膛出口煙氣溫度是避免爐膛結(jié)渣的重要措施之一，一般爐膛出口煙氣溫度控制在低于灰熔點50～100 ℃就可避免爐膛上部結(jié)渣。為避免爐膛出口煙氣溫度過高，可采用合理配風(fēng)、降低火焰中心高度、減小爐膛熱強度等措施。

火焰中心上移將導(dǎo)致出口煙氣溫度上升，排煙溫度升高，引起屏式過熱器、低溫過熱器和高溫過熱器結(jié)渣，嚴重時甚至發(fā)生爆管。因此，實際生產(chǎn)中必須控制好火焰中心高度，嚴防火焰中心上移。

下部爐膛投用燃料氣時，若熱負荷過高，易發(fā)生局部結(jié)渣，此時可適當(dāng)提高送風(fēng)機風(fēng)壓，保持爐膛中氧體積分數(shù)為4%～5%，控制壓力為-70 Pa，并稍微延長著火點。

3.5 缺氧燃燒

缺氧燃燒會產(chǎn)生還原性氣氛，使煤灰熔點大幅下降，誘發(fā)嚴重結(jié)渣。所以控制合適的爐膛氧量非常重要。固態(tài)排渣煤粉爐過?？諝庀禂?shù)為1.20～1.25，過?？諝庀禂?shù)過小將導(dǎo)致缺氧燃燒。鍋爐過?？諝庀禂?shù)按式(2)計算：

α=0.209/(0.209-φO2)

(2)

式中：α——過?？諝庀禂?shù)；

φO2——O2體積分數(shù)實測值，%。

3.6 蒸汽吹灰

鍋爐用燃料煤含灰量和含硫量高，運行中會引起受熱面沾污積灰、結(jié)渣。結(jié)渣后，外部輻射熱減少、傳熱速率下降，導(dǎo)致鍋爐效率下降；此外，高負荷連續(xù)運行時，爐膛容積熱負荷增大，過熱器溫度嚴重升高，燃料氣的投用極大地增加了爐膛結(jié)渣的可能性。因此，應(yīng)定時采用蒸汽對爐膛受熱面進行吹灰。吹灰一般采用壓力1.0～1.5 MPa、溫度400 ℃的過熱蒸汽，能有效清除水冷壁及屏式過熱器積灰。

4 結(jié)語

爐膛結(jié)渣是一種危害性較大的鍋爐運行障礙，必須從煤質(zhì)、運行、檢修及其他方面進行綜合分析，最終將危害程度降至最低。另外，當(dāng)鍋爐高負荷運行時，爐膛容積熱負荷過大，爐膛出口煙氣溫度高，為防止局部嚴重結(jié)渣，甚至發(fā)生爆管事故，應(yīng)強化給水質(zhì)量，對受熱面及時吹灰，適當(dāng)加強排污。在例行巡檢過程中，如發(fā)現(xiàn)底部有大渣掉落或渣量異常少時，應(yīng)對爐膛受熱面和噴燃口進行檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。