燃?xì)忮仩t積灰原因分析及處理建議

＊周 兵

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院順德檢測(cè)院 廣東 528313）

引言

工業(yè)燃?xì)忮仩t內(nèi)飄浮的灰塵顆粒在受熱面上冷卻、吸附、粘連、積灰和結(jié)焦，增加了受熱面的熱阻；灰垢的導(dǎo)熱系數(shù)為金屬材料的1/40，故較厚的灰垢層會(huì)降低金屬受熱面的導(dǎo)熱能力，從而降低鍋爐熱效率；同時(shí)煙氣中所含的熱功不能在受熱面及時(shí)被完全吸收，致使鍋爐出力不足，增加燃料損耗，其運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性大大降低。當(dāng)鍋爐尾部煙道截面較小會(huì)使對(duì)流受熱面上發(fā)生積灰時(shí)，會(huì)使煙道內(nèi)負(fù)壓增加，加大煙道漏風(fēng)，會(huì)增加煙氣流通阻力，使引風(fēng)出力不足，降低鍋爐運(yùn)行負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞鍋爐尾部煙道，迫使停爐檢修；由于受熱面積灰會(huì)使煙氣溫度升高，會(huì)影響到后部受熱面的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備，致使受熱面大面積破裂，嚴(yán)重危害鍋爐安全運(yùn)行和增大經(jīng)濟(jì)損失。現(xiàn)今大型鍋爐設(shè)備均備有蒸汽、壓縮空氣、鋼珠等吹灰器，這些傳統(tǒng)吹灰器在操作和性能上，存在吹灰范圍有限、有死角、能耗高、修補(bǔ)費(fèi)用大、操作不方便等弊端，且運(yùn)用率較低，因此鏟除鍋爐受熱面積灰垢，需探尋新技術(shù)。如20世紀(jì)70年代瑞典發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用于鍋爐的低頻聲波清灰技術(shù)，為鍋爐清灰提供了新的途徑，得到廣泛的運(yùn)用，新的清灰技術(shù)一直在探索和研究中。

1.檢驗(yàn)概況

2022年3月受某生物科技公司委托對(duì)其1臺(tái)2017年4月投用的燃天然氣鍋爐進(jìn)行內(nèi)部檢驗(yàn)。該爐的型號(hào)為WNS1-1.0-Y(Q)（如圖1），額定蒸發(fā)量1t/h，額定壓力1.0MPa，額定溫度184℃。從現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員處了解到該爐每周運(yùn)行5d，每天運(yùn)行9h，工作壓力為0.5～0.7MPa，每班會(huì)定期排污。2022年3月在對(duì)該爐進(jìn)行能效測(cè)試時(shí)，其測(cè)試結(jié)果為鍋爐出力為650kg/h，排煙溫度117.3℃，鍋爐熱效率為88.96%，排煙處過(guò)量空氣系數(shù)1.63。

受檢鍋爐在回燃室、前煙室、后煙室、二回程煙管、三回程煙管處積灰較多（如圖2）。積灰灰垢松散，易脫落，顆粒小。

2.積灰產(chǎn)生原因分析

燃?xì)忮仩t燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的微小飛灰顆粒被帶進(jìn)鍋爐煙路系統(tǒng)中（見(jiàn)圖3），當(dāng)煙氣沖刷管束時(shí)，飛灰顆粒撞在管壁上不僅對(duì)受熱面造成磨損，也會(huì)因下列各種因素而被黏附在管壁上造成受熱面積灰。

(1)自身重力

尾部煙道煙氣流中飛灰顆粒帶有靜電荷，對(duì)于較小的灰粒，靜電引力難以克服灰粒自重，在飛灰自重作用下黏附到管壁上。

(2)分子間引力

細(xì)小的飛灰顆粒單位質(zhì)量具有較大的表面積，它和管壁接觸時(shí)與管壁分子間存在分子間引力，當(dāng)其大于顆粒自重時(shí)，飛灰顆粒易黏附到管壁上。

(3)管壁摩擦力

對(duì)于部分細(xì)小的飛灰顆粒，由于管壁表面凹凸不平，借助于煙氣流動(dòng)中的與管壁間摩擦力可以讓灰粒掛到管壁上。

由上述分析可見(jiàn)引起積灰的主要原因是自身重力、分子間引力和管壁摩擦力。對(duì)于飛灰顆粒的流動(dòng)慣性力和分子間引力大于其自身重力時(shí)，就不易黏附在管壁上。如顆粒大的飛灰顆粒會(huì)隨著煙氣流動(dòng)快速?gòu)臒煹琅懦觯?xì)小飛灰顆粒易黏附在回燃室、各回程煙管以及前、后煙室壁上。

受熱面上的積灰有松散的，也有結(jié)實(shí)的，取決于飛灰顆粒大小。煙氣中飛灰是由各種大小顆粒組成的，一般小于200μm，大部分是介于10～30μm細(xì)小顆粒。在燃?xì)忮仩t中煙氣沖刷受熱面管束時(shí)經(jīng)常發(fā)生受熱面積灰主要是在較高溫度下的松散積灰和在低溫下的結(jié)實(shí)積灰。飛灰顆粒在受熱面上的沉積過(guò)程，最初沉積的非常迅速，一方面繼續(xù)發(fā)生著飛灰顆粒的粘附，另一方面在煙氣射流與較大顆粒的沖擊下，又發(fā)生飛灰顆粒的剝落，很快達(dá)到動(dòng)平衡狀態(tài)。燃?xì)忮仩t受熱面的布置與結(jié)構(gòu)形式對(duì)于受熱面的積灰也有一定的影響，錯(cuò)列布置的管束由于背風(fēng)面有氣流的擾動(dòng)、灰粒的沖刷，積灰程度較輕；而在順列布置管束中，背風(fēng)面幾乎沒(méi)有氣流的擾動(dòng)只存在渦流區(qū)，故積灰嚴(yán)重。

3.鍋爐積灰后果分析

當(dāng)截面積較小的煙道對(duì)流受熱面上發(fā)生積灰時(shí)，會(huì)使煙道有效截面積進(jìn)一步減小，增加煙氣流通阻力，使引風(fēng)機(jī)出力不足，降低運(yùn)行負(fù)荷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵塞尾部煙道，甚至被迫停爐檢修。隨著飛灰顆粒越積越多，灰垢表面溫度升高，后積上去的飛灰顆?？赡艽偈篃煔庵械奈赐耆紵锇l(fā)生二次燃燒，釋放出大量熱會(huì)造成鍋爐排煙溫度過(guò)高，可能影響到后部受熱面的安全運(yùn)行。

燃?xì)忮仩t運(yùn)行過(guò)程中煙氣產(chǎn)生的飛灰顆粒不僅會(huì)對(duì)受熱面磨損，而且其中微小的粉塵顆粒常常粘附在受熱面上造成受熱面的積灰，由公式（1）：

式中，Q為單位爐壁面積的輻射熱量；σ0是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，其值為4.88×10-8kcal/mhk4；ak為爐內(nèi)系統(tǒng)黑度；Thy、Tb和Tgb分別是火焰的平均溫度、爐管灰壁表面溫度和爐管金屬外壁溫度；λ、δ分別是灰垢層導(dǎo)熱系數(shù)和厚度。

從式（1）中可看出，由于灰垢的導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻是鋼材的40倍，灰垢層厚度越厚則單位爐壁面積的輻射熱量Q越小，這不僅增加了熱阻，使傳熱過(guò)程惡化，浪費(fèi)燃料，將會(huì)影響受熱面的傳熱，使得鍋爐熱效率大幅降低，導(dǎo)致鍋爐出力不足，達(dá)不到額定蒸發(fā)量。同時(shí)煙氣得不到充分冷卻，排煙溫度過(guò)高，最終導(dǎo)致鍋爐熱效率下降。積灰嚴(yán)重時(shí)煙氣流通截面減小，煙氣流動(dòng)阻力增大；同時(shí)由于受熱面不能把熱量有效傳遞給爐內(nèi)介質(zhì)，爐膛溫度還會(huì)升高，爐膛溫度升高會(huì)加劇爐內(nèi)結(jié)焦。

排煙熱損失q2計(jì)算公式（2）為：

式中，apy為排煙過(guò)量空氣系數(shù)，1.63；tpy為排煙溫度，117.3℃；t0為冷風(fēng)溫度，取20℃；

計(jì)算所檢鍋爐得出，該爐排煙熱損失達(dá)6.06%。

鍋爐積灰運(yùn)行所帶來(lái)的常見(jiàn)危害后果如下幾種：

(1)降低鍋爐出力

因?yàn)榛夜傅膶?dǎo)熱性很差，較輕的積灰也可以形成較大的熱阻，能顯著降低鍋爐的出力。

(2)降低鍋爐熱功率

積灰導(dǎo)致熱功率降低直接表現(xiàn)在鍋爐排煙溫度升高，理論計(jì)算和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，鍋爐排煙溫度若升高20℃，則鍋爐熱效率就會(huì)下降1%；如電站鍋爐因積灰形成的排煙溫度增加通常在15～30℃，致使其熱功率降低約1%～2%，而工業(yè)鍋爐通常不配備吹灰設(shè)備，致使其熱功率降低超過(guò)5%以上，嚴(yán)重的甚至高達(dá)10%以上。

(3)誘發(fā)安全事故發(fā)生

鍋爐高溫結(jié)垢所形成的高溫腐蝕和低溫積灰所導(dǎo)致酸腐蝕到達(dá)特定程度后，會(huì)使鍋爐發(fā)作“爆管”；因?yàn)榻Y(jié)垢的熱阻很大，高溫結(jié)垢會(huì)使鍋爐的高溫區(qū)后移，會(huì)促使帶過(guò)熱器鍋爐超溫運(yùn)轉(zhuǎn)，也易誘發(fā)“爆管”事故頻發(fā)。

(4)降低鍋爐壽命

低溫結(jié)灰垢含有硫酸，可以對(duì)所附著的受熱面形成較嚴(yán)重的腐蝕；而高溫結(jié)垢中含有堿性金屬鹽，可在高溫作用下與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)受熱面形成更嚴(yán)重高溫腐蝕。鍋爐在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，換熱面上發(fā)生的積灰結(jié)焦削弱了工質(zhì)與煙氣間的熱交換，增加了煙氣阻力，影響受熱面熱傳遞功率，降低鍋爐熱功率，增加燃料耗費(fèi)，影響鍋爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在工業(yè)鍋爐中，積灰有時(shí)還會(huì)致使尾部換熱器發(fā)生腐蝕，形成鍋爐運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，從而降低鍋爐壽命。

4.處理措施

燃?xì)忮仩t產(chǎn)生積灰可從下列幾方面進(jìn)行處理：

(1)選擇清潔燃料

①料中雜質(zhì)越多越易積灰

若燃料中含有較多的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)混合在燃料中，雜質(zhì)在燃燒過(guò)程中不易被燃燒且易形成細(xì)小的顆粒，然后造成爐內(nèi)積灰。

②燃料中水分越多越易積灰

由于在燃?xì)庵泻休^多水分，降低了燃料的熱值，同時(shí)燃燒時(shí)極易產(chǎn)生水蒸氣，降低了爐內(nèi)燃燒溫度使燃料燃燒的不充分，降低了鍋爐出力且易產(chǎn)生積灰。

(2)選擇合適的燃燒器

各種鍋爐因其結(jié)構(gòu)、噸位不同所需燃燒器功率大小也就不同，若選擇不當(dāng)，鍋爐運(yùn)行時(shí)，其爐膛內(nèi)壓、燃燒含氧量配比、火焰狀況都存在不穩(wěn)定性，易導(dǎo)致?tīng)t膛積灰；燃燒器調(diào)節(jié)不當(dāng)，會(huì)造成燃料不完全燃燒，出現(xiàn)冒煙、積灰等，對(duì)于燃?xì)忮仩t，選擇型號(hào)匹配的燃燒器尤其重要。

(3)確保精確的空氣配比

天然氣在燃燒過(guò)程中需要適量的空氣配比，若空氣量不足，難以滿足燃料完全燃燒，使燃料不能充分燃燒而冒黑煙和產(chǎn)生積灰；如果空氣量過(guò)多，易造成燃燒溫度降低，使燃料難以充分燃燒而出現(xiàn)積灰、冒黑煙等。排煙處過(guò)量空氣系數(shù)過(guò)大，會(huì)使得尾部煙氣中氧含量過(guò)高，使得燃燒不充分，導(dǎo)致排煙溫度偏高。

(4)保證合適的煙氣流速

燃?xì)忮仩t運(yùn)行過(guò)程中需滿負(fù)荷運(yùn)行，保證煙氣的流速高于0.6m/s。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煙氣流速降低，將加劇受熱面的積灰程度。

(5)增設(shè)清灰門(mén)，改造煙氣流道

由于管束密集，易造成煙速低，煙灰易于附著和沉積，腐蝕性強(qiáng)。目前大部分工業(yè)鍋爐未設(shè)置清灰裝置，本體設(shè)計(jì)上也僅在第三煙程設(shè)前、后兩個(gè)清灰門(mén)，管理上實(shí)行定期停爐清灰。但清灰門(mén)內(nèi)封保溫材料，外上法蘭螺栓，拆裝極為繁瑣，故大部分鍋爐房鍋爐清灰門(mén)被煙灰堆積物封死，不僅長(zhǎng)期嚴(yán)重腐蝕爐管，而且減小了流道面積，減弱了換熱效果，大大降低了鍋爐熱效率。如果增設(shè)清灰門(mén)改變煙氣流道，需在制造前通過(guò)鍋爐設(shè)計(jì)鑒定評(píng)審，且清灰門(mén)設(shè)計(jì)需考慮易操作性。

5.結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保越來(lái)越高的要求，燃?xì)忮仩t占有量也在逐漸增大；燃?xì)忮仩t積灰是由多種因素造成的，積灰對(duì)燃?xì)忮仩t的安全運(yùn)行影響較大，應(yīng)依據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況分析，從產(chǎn)生積灰的原因著手，選取合適有效方法進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒的調(diào)整，提高燃料完全燃燒程度，減少了燃料機(jī)械不完全燃燒熱損失，降低了煙氣中有害物的排放，減少了對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)提高了鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行能力。對(duì)于已經(jīng)形成的灰垢，需及時(shí)采取有效措施處理，如灰垢比較堅(jiān)硬，可采用人工清除法；如表面浮灰，可開(kāi)啟蒸汽吹灰器或聲波除灰器進(jìn)行定期清除。