新疆高钠煤积灰特性试验研究

聂 立， 白文刚， 冉燊铭， 周 棋， 张秀昌， 车得福

（1.西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室，西安710049；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，成都611731）

我国新疆蕴藏有大量未开发的煤炭资源，预测其资源总量达到2.19×1013t，占全国预测煤炭资源总量的41%［1］.但由于历史成因及当地特殊的自然地理环境，新疆煤炭中有相当一部分属于高钠煤，该煤中钠含量（以灰分计，下同）普遍在2%以上，部分煤种的钠含量甚至高达10%以上，明显高于其他地区动力用煤.我国其他矿区动力用煤中的钠含量均在1%以内［2－3］.

煤中钠含量直接关系到煤在燃用过程中受热面的积灰特性.实践表明［1－7］，锅炉在燃用高钠煤时，对流受热面更容易发生黏结性积灰，并伴有不同程度的高温腐蚀.因黏结性积灰引发的锅炉停炉清灰事故多有发生且经济损失巨大，给锅炉正常安全运行带来巨大的隐患.目前，对新疆高钠煤的利用主要采取掺烧的办法［3－4］，但这种方法只能减缓积灰，并且掺烧受到掺配煤种成本和运输条件等制约，不能从根本上解决积灰问题［2］.

由于我国动力用煤中钠含量通常都不是很高，目前，有关燃用高钠煤时受热面积灰的研究鲜见报道.因此，研究高钠煤的积灰特性对认识此类煤种的积灰问题和指导锅炉设计具有非常重要的意义.笔者依托东方电气集团东方锅炉股份有限公司机械工业重点（工程）实验室的3 MW 煤粉炉试验台，研究了燃用3种不同煤种时烟气温度和外壁温度对受热面积灰试验管段外壁积灰特性的影响.

1 试验部分

1.1 煤种特性

试验煤种选用三道岭煤、沙尔湖煤和五彩湾煤，其中沙尔湖煤和五彩湾煤均属于新疆高钠煤，其煤质分析见表1.

1.2 试验系统

所用的试验系统为东方电气集团东方锅炉股份有限公司德阳制造基地的3 MW 煤粉炉试验台，如图1所示.试验台主要由5部分组成：制粉系统、点火系统、送引风系统、循环冷却水系统和控制系统.

采用中间储仓式制粉系统，其主要设备有煤粉磨制设备、煤粉分离设备、煤粉收集设备和煤粉输送设备.

燃烧试验台的点火启动采用天然气.利用天然气枪将炉膛温度烘高后再投入煤粉，燃烧稳定后退出天然气枪.

送引风系统主要由送风机、引风机、管道和调节装置组成，运行时调节送风机和引风机的出力保持炉膛有一定的负压.

循环冷却水系统的作用是通过循环冷却水控制试验台燃烧室温度和排烟温度，该系统主要包括水泵、水池、冷却塔和调节阀等.

控制系统采用XDPS－400e分布式控制（DCS）系统.燃烧试验台及其辅助系统运转设备的启停、调节、运行状态监控及主要运行参数（压力、温度和流量等）的监测、记录和安全保护等均通过DCS系统完成.

表1 试验煤种的煤质分析Tab.1 Quality analysis of the coals studied

图1 3 MW 煤粉炉试验台Fig.1 Schematic diagram of the 3 MW experimental system

试验中为了较真实地模拟炉内的受热面环境，设计了如图2所示的积灰试验管段.积灰试验管段的材质选用SA－213T91，外径d＝57mm，壁厚h＝4.5mm，长度L＝860mm，管内集成有4根k型热电偶，其中2根热电偶测量进、出口空气温度，另外2根测量积灰试验管段的外壁温度.在烟道上设置有观察孔，试验过程中可直接观察外壁的积灰形貌.

图2 积灰试验管段Fig.2 Tube section adopted in the ash deposition test

1.3 积灰评判方法

通过将数根积灰试验管段布置在试验台不同烟气温度区域来考察烟气温度的影响，通过调节流经积灰试验管段内的空气质量流量来改变其外壁温度以考察外壁温度的影响.利用高温热电偶测量烟道内的烟气温度，采用IMP 分散式数据采集系统同步、不间断地（周期为30s）采集掠过积灰试验管段的烟气温度tg、外壁温度tw、进口空气温度taj、出口空气温度tac和积灰试验管段中空气的质量流量qm.通过采集以上参数可分析计算出积灰试验管段的传热系数.

定义积灰试验管段外壁积灰后的传热系数为h，则有

式中：Q 为积灰试验管段内空气的吸热量，Q＝c·qm·（tac－taj）；c为空气的比热容；A 为积灰试验管段的换热面积，A＝πdL.

定义积灰试验管段外壁清洁时的传热系数为h0，通过分析积灰试验管段传热系数比Rh（Rh＝h／h0）随时间的变化来研究烟气温度和外壁温度对积灰试验管段积灰特性的影响.

2 结果与分析

2.1 煤种的影响

图3给出了燃用3种不同煤种时积灰试验管段的传热系数比Rh随时间的变化，其中烟气温度tg＝800 ℃，外壁温度tw＝400 ℃.由图3 可以看出，燃用三道岭煤时Rh的变化规律与燃用另外2种高钠煤时明显不同，在整个试验时间内其Rh几乎不发生变化（约等于1）；而燃用2种高钠煤时Rh随时间增加均逐渐减小，且煤中钠含量越高，对应的Rh减小得越快.

燃用高钠煤时所形成的这种现象是由煤中的钠在燃烧后形成黏结性积灰引起的.实际锅炉中烟气温度和受热面外壁温度是影响受热面积灰特性的重要因素.下面重点研究烟气温度和外壁温度对高钠煤燃烧时受热面积灰特性的影响，考虑到节省试验成本，试验煤种均为沙尔湖煤.对于燃用五彩湾煤时的情况，笔者也对烟气温度为520 ℃和650 ℃时积灰试验管段的积灰特性进行了研究，发现所得的结论与燃用沙尔湖煤时基本一致.由于整个试验中对沙尔湖煤的研究是最为全面的，因此后续讨论中均以沙尔湖煤为例.

图3 燃用不同煤种时积灰试验管段的Rh 随时间的变化Fig.3 Rhcurves of test section when different coals are burned

2.2 烟气温度的影响

图4 给出了不同烟气温度下燃用沙尔湖煤时积灰试验管段的Rh随时间的变化，其中外壁温度为400 ℃.由图4可以看出，当烟气温度为520 ℃时，积灰试验管段的Rh几乎不发生变化（约等于1）；而当烟气温度高于650 ℃时，积灰试验管段的Rh均随时间的增加逐渐减小，且烟气温度越高，对应的Rh减小得越快.通过布置在烟道上的观察孔观察各工况下积灰试验管段的外壁积灰形貌，当烟气温度高于650 ℃时，积灰试验管段的外壁均形成如图5（图中下方为迎风面）所示的严重积灰现象，在试验过程中采用压缩空气吹灰时发现，这种积灰难以清除掉.

图4 不同烟气温度下积灰试验管段的Rh 随时间的变化Fig.4 Rhcurves of test section at different flue gas temperatures

图5 积灰试验管段的积灰形貌Fig.5 Appearance of ash deposit on the test section

研究表明［2，8］，对于含有较多碱金属钠的燃料，其所含钠的化合物在高温（700～800 ℃以上）燃烧环境中发生升华或挥发，遇到温度较低的受热面时极易凝结在受热面壁面上，然后再与烟气中的二氧化硫、氧化铝和氧化铁等发生化合反应，形成各种硫酸盐型致密黏结性底层，如硫酸钠（Na2SO4）、复合硫酸钠（Na3Fe（SO4）3）和焦硫酸钠（Na2S2O7）等.以黏结性底层为黏结剂，一方面捕捉大量飞灰，牢固地黏结在外壁上形成高温黏结性积灰，另一方面还可继续形成黏结物，使灰层迅速增长.对于高温黏结性积灰，其形成过程伴随着化学反应，能够无限增长，坚硬而难以清除，它不仅在背风侧，而且大量形成于迎风面［9］.通常积灰层的导热系数很小，热阻很大，因此受热面一旦形成积灰，会严重降低其传热能力.

众所周知，对于固态物质来讲，其挥发程度取决于熔点的高低［2］，而对于其中一些易升华物质来讲，升华点则是决定其升华程度的关键因素.煤中的钠化合物除了以硅酸盐形式存在的化合物熔点很高外，其他形式的钠化合物熔点均较低（见表2）.

表2 常见钠化合物的熔点Tab.2 Fusion points of most common sodium compounds℃

如图4所示，当烟气温度为520℃时，烟气中钠化合物均已被凝结下来，此时烟气中不再含有碱金属化合物蒸气，即使遇到外壁温度为400 ℃的积灰试验管段也不会形成难以清除的高温黏结性积灰，因而在试验时间内（240 min），积灰试验管段的Rh均较大（约等于1）.由表2可知，钠化合物中熔点最低的是Na2O（熔点为611 ℃），与试验结果很吻合.随着烟气温度的升高（＞650 ℃时），烟气中未被凝结的碱金属蒸气含量逐渐升高，这些碱金属蒸气遇到温度较低的积灰试验管段后，很容易在外壁上形成一层黏结性底层，并最终形成高温黏结性积灰.随着时间的延长，高温黏结性积灰的厚度不断增加，这也是图4中各烟气温度下积灰试验管段的Rh随时间增加而逐渐减小的主要原因.由于烟气温度越高，烟气中未被凝结的碱金属蒸气含量越高，形成高温黏结性积灰的速率越快，具体表现为图4中随着烟气温度的升高，Rh曲线的斜率越大.

由图4还可以看出，当烟气温度为650℃时，积灰试验管段的Rh随时间的增加而逐渐趋于稳定；当烟气温度分别为900 ℃和1 000 ℃时，对应的Rh曲线互相重合.当烟气温度为650℃时，由于该温度已十分接近烟气中钠化合物的最低熔点，烟气中所含有的碱金属蒸气含量很低，即使完全凝结在积灰试验管段外壁上，也不足以产生严重的高温黏结性积灰，因此Rh随时间的增加而逐渐趋于稳定值.而当烟气温度为900 ℃和1 000 ℃时，由表2可知，除硅酸盐形式的钠化合物外，其他形式的钠化合物的熔点均较低，最高熔点不超过884℃.因此当积灰试验管段的外壁温度为400 ℃、烟气温度分别为900℃和1 000℃时，2种工况下烟气中所含有的碱金属蒸气含量是相同的，从而使烟气温度为900 ℃时的Rh曲线与烟气温度为1 000 ℃时的Rh曲线互相重合.

2.3 外壁温度的影响

图6 不同外壁温度下积灰试验管段的Rh 随时间的变化Fig.6 Rhcurves of test section at different outer wall temperatures

图6 给出了不同外壁温度下积灰试验管段外壁温度对Rh的影响，其中煤种为沙尔湖煤，烟气温度分别为800 ℃和1 000 ℃.由图6可以看出，2种烟气温度下外壁温度变化均会对积灰试验管段的Rh产生一定影响，但这种影响与外壁温度是否介于钠化合物的熔点区间（611～884 ℃）紧密相关.当外壁温度低于烟气中钠化合物蒸气的最低熔点（611 ℃）时，改变外壁温度不会对积灰试验管段的Rh产生影响；而当外壁温度处于钠化合物的熔点区间时，外壁温度越低，Rh减小得越快.外壁温度对积灰试验管段Rh的影响与烟气中不同形式钠化合物蒸气的凝结有关，具体可参见表2中各种钠化合物的熔点.

3 结 论

（1）燃用不同煤种时，煤中钠含量会直接影响受热面积灰试验管段外壁的积灰特性，煤中钠含量越高，积灰越严重.

（2）对于高钠煤（沙尔湖煤），烟气温度对积灰试验管段外壁的积灰特性具有显著影响.当烟气温度为520 ℃时（低于钠化合物的最低熔点），积灰试验管段的Rh几乎不随时间发生变化，约等于1；当烟气温度高于650 ℃时，随着时间的增加，Rh均逐渐减小，且烟气温度越高，Rh减小得越快.

（3）烟气温度为650 ℃时，Rh随着时间的增加逐渐趋于稳定；烟气温度为900 ℃时的Rh曲线与烟气温度为1 000 ℃时的Rh曲线互相重合.

（4）外壁温度会对积灰试验管段的Rh随时间的变化产生影响，并且这种影响与外壁温度是否位于烟气中钠化合物的熔点区间有关.

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