CFB锅炉受热面积灰形成机理分析

2016-03-19尉万红山西平朔煤矸石发电有限责任公司朔州036800

低碳世界 2016年35期

尉万红（山西平朔煤矸石发电有限责任公司，朔州036800）

CFB锅炉受热面积灰形成机理分析

尉万红（山西平朔煤矸石发电有限责任公司，朔州036800）

本文首先介绍了锅炉受热面积灰的影响因素，主要是受热面布置方式和煤种变化；其次介绍了介绍了受热面积灰类型，分别是熔渣沉积型积灰、高温粘结型积灰和低温松散型积灰；最后分析了积灰的形成过程，分别是起始、输运、附着、剥蚀和老化，对锅炉运行过程中预防积灰和清理积灰有一定的指导意义。

锅炉；受热面；积灰

1 引起受热面积灰的因素

在CFB锅炉的运行过程中，有诸多因素会引起受热面积灰，但是以下两个方面起着主要作用：

（1）受热面布置方式[1]。从锅炉烟气流程分析，要满足烟气流程的畅通，希望烟道阻力越小越好，弯道越少越好，但在实际的设计中，又必须考虑各种因素和技术条件，要求结构布置紧凑，占地面积小，因此在设计上就会存在烟道的弯曲布置。再者，由于运行工况是不断变化的，这也给烟道转角处的曲率半径设计带来一定的难度，积灰就在所难免。由于弯道的存在，就必然存在积灰死角，锅炉刚开始运行时，飞灰首先堆积在死角区，随着运行时间的延长，积灰对烟气的阻力也越来越大，灰也越积越多。另一方面，随着飞灰堆积数量的不断增多，烟道流通截面积就越小，对于同一流量的流体，流速必然增大，流速增大的结果又使飞灰的数量减少，所以只有当积灰形成的阻力与烟气流通截面积减少所增大的流速达到一个相对平衡的状态时，积灰量也达到相对稳定，这就是烟道不会因积灰而堵塞的原因。

（2）煤种变化。在锅炉的运行调节中，控制好风量和给煤量是至关重要的[2]，在煤种及运行工况保持相对稳定的条件下，各项运行技术参数就处在一个相对的平衡状态，烟气也处于良好的循环之中。如果煤种发生变化，这种平衡就暂时被打破，比如，煤中的矸石量增多，颗粒度变大，就会造成飞灰的单位重量增加，增加了烟道的阻力，导致受热面积灰的加剧。

2 受热面积灰类型

对于电站锅炉而言，不同的受热面，由于烟气温度不同，各受热面积灰情况有所不同，大体可以分为以下三种类型：熔渣沉积型积灰、高温粘结型积灰、低温松散型积灰。

2.1 熔渣沉积型积灰

熔渣多发生在锅炉或燃烧室的辐射换热面部分。灰粒在高温辐射下处于熔化或部分熔化的胶粘状态，一旦与较冷的受热面接触便冷却而凝固，形成熔渣型积灰。

2.2 高温粘结型积灰

这种积灰多出现在对流受热面上。它与升华的灰组分在较冷的受热面上凝结有关，也可能由碱金属与灰中其它成分形成低熔点的硫酸盐而沉积或烧结在受热面上。这种积灰通常分为三层：内层是分散的粒子，中间层由于内层的热阻而使其温度高于受热面壁温，可能使灰粒熔化而形成胶粘的基体，外层几乎全是飞灰，被粘结在中间层的胶粘基体表面上。这种积灰质地坚硬密集，较难清除。

2.3 低温松散型积灰

低温积灰主要发生在锅炉的省煤器、空气预热器等部位，在受热面壁温接近或低于烟气中酸或水蒸气的露点时，这些气相成分（SO2、HCl、H2O等）凝结成液体而与飞灰中的铁、钠、钾、钙等反应生成硫酸盐而沉积于换热面上，形成低温灰。当然，凝结的酸液除形成积灰外还会产生酸腐蚀。

3 积灰的形成过程

积灰的形成过程是质量交换、热量交换和动量交换的动态综合，是多种复杂过程的同时作用，因而影响这一过程的因素也很多，如烟气的性质、壁温、露点温度、烟气与壁面的温度梯度、壁面材料、表面加工方式、表面粗糙度、烟气流速、湍流强度、烟气与壁面的剪切应力、灰粒的形状、状态、组成、浓度、粒径分布以及作用于粒子的热、电磁和引力等。这些因素不同，形成的积灰特性也各不相同。但所有积灰的形成一般都要经历以下五个阶段：起始、输运、附着、剥蚀和老化。这些阶段可以依序连续发生，如输运和附着；也可以同时发生，如老化和前四个阶段。

3.1 起始

积灰形成的起始阶段也称诱导期或延迟时间，这是指从受热面与烟气接触起到形成可观测的积灰的一段时间。在诱导期内，表面逐渐达到污垢生长所需要的条件。可凝结气体在低于其露点温度时所产生的湿表面吸引粒状物质，可以大大促进气侧污垢的形成，而气流中干燥粒状物质则不会附着于光滑的干燥表面。此外，研究表明，各类污垢的诱导期长短不一，影响因素各不相同。影响微粒污垢诱导期的因素主要有摩擦速度、灰粒直径、两次湍流猝发的平均时间间隔内单位换热面上受到猝发的面积份额和稳定时间。

3.2 输运

CFB锅炉受热面积灰的输运机制主要有以下三种模型：

（1）湍流扩散。在这种输运机制中，灰粒被湍流边界层内的漩涡所夹带并被卷向受热面。灰粒物质到达的多少与边界层边缘处的自由流速度和微粒大小成正比，而与边界层厚度成反比。

（2）惯性碰撞。在流动方向变化，如管道的弯曲处，惯性力大的微粒，运动轨迹将偏离流线而被惯性抛向受热面，其到达率是微粒直径的函数。

（3）重力。1μm以上的粒子可因重力而沉降于水平受热面上。

3.3 附着

穿过流动边界层被输运到固体表面的微粒，通常不会全部附着于固体表面而形成积灰，其中一部分粒子往往从表面反弹出来。粒子要附着于表面，作用于粒子上的诸力会起到重要作用，粒子的尺寸、密度、弹性、表面条件以及固体壁面条件等参数对粒子的附着也有重要影响。

灰粒被输运到壁面，首先是粒子与壁面的附着，而一旦壁面被灰粒占据，则附着是在积灰粒子之间进行的，能产生适度积灰热阻的积灰层厚度约100μm，而灰粒粒径通常都比这个尺寸小，有的甚至要小2～3个数量级，所以灰粒的附着主要是灰粒之间的附着。

3.4 剥蚀

剥蚀是指沉积在受热面上的灰粒重新脱离受热面或积灰层被烟气带走的过程。这个过程实际上包含两个同时存在的子过程：污垢物质从流——固界面处的脱离反应和污垢物质从表面到流体中的输运过程。前者通常称之为剥离，后者则称之为重新夹带或重夹。这两个过程可以说是一个过程的两个方面，因为流体与换热面或污垢层接触，污垢物质脱离污垢层，即进入流体。积灰物质脱离表面的形态基本有三种：离子、颗粒、块状物。按照污垢物质脱离的这些形态，研究者们提出了相应的三种剥蚀机制：溶解、磨蚀和剥落。

3.5 老化

积灰层的老化，当其在受热面上形成时就开始了。老化的进行使沉积物的特性发生变化，因而剥蚀过程也会随之改变。老化过程受受热面温度的影响，积灰层一般会随时间而变得更加坚韧，更难于剥蚀，但可以通过将表面加热到一定程度，以削弱其沉积强度，利用流体剪切应力剥离它。