煤粉积灰特性的实验研究

(华北电力大学(保定)， 河北 保定 071003)

0 引 言

煤灰引起的相关问题对于锅炉运行而言至关重要。由结渣或结垢造成的灰沉积通常是锅炉意外停机的主要原因。这是由多种因素造成的，如煤的有机特性，矿物质组成、转化和分解，炉膛温度，灰分输送、蒸发、凝结及沉积等等[1-2]。

直接暴露于火焰辐射的锅炉区域中的沉积物被称为为结渣，如炉膛内壁和屏式过热器。通常情况下，结渣发生在最热的部分，结渣沉积物在高温下具有化学活性，部分或完全熔化，通常很硬并且难以通过吹灰清扫。在结渣的过程中，灰分颗粒的原始化学和物理结构经历显著变化。而积灰指的是并不直接暴露于火焰辐射的锅炉沉积物，其主要的传热过程是对流换热。积灰发生在烟气和灰分颗粒冷却时。而积灰一般在较低温度下形成，并保持着颗粒物原始的物理和化学结构。

锅炉不同区域的灰分沉积问题主要以以下方式表现[3]：

(1)沉积的灰如同保温层一样降低传热速率，这导致了炉膛出口烟气温度的升高和过高的过热蒸汽传热速率；

(2)大渣块堆积在炉膛壁面或辐射过热器管道上，如此大的沉淀物脱落会损坏锅炉灰斗；

(3)灰沉积造成部分传热管堵塞，使气体流速增加，可能导致腐蚀加剧；

(4)对流换热面内积灰增多，导致气体流动受阻，温度场不均匀；

(5)燃烧器处沉积的灰改变燃烧器的动力学特性，易导致燃烧、点火不稳。

在炉膛内，煤中的有机物在高温高压条件下完全燃烧和气化，同时煤中的矿物质在燃烧过程中转化为煤灰，暴露在高温条件下的灰由于其组分矿物质的熔化和反应成为液态渣，同时熔融的灰颗粒积聚在气化室的内壁，然后被一层固体炉渣覆盖，液态炉渣将在该固体炉渣的作用下流动[4]。灰分颗粒首先粘附在熔渣层的表面上，然后溶解到液态熔渣中。由于热偏差的作用，固态和液态炉渣会随着温度的变化而相互转化。

在锅炉中，燃料中的非可燃物质及无机物是灰沉积过程中灰的主要来源。燃烧时，从燃料中释放出来。气流带动飞灰及气体中的灰至传热面，输送过程主要取决于灰颗粒的大小和炉膛内气流流动状态。积灰的形状和沉积位置则由输送机理决定，同时形状和位置又影响积灰的生长、损耗、烧结、融化[5-6]。

Mueller等[7]人总结了不同尺寸颗粒的输送机制：惯性撞击是大于10 μm颗粒的主要传输机制；湍流涡旋冲击是1到10 μm之间颗粒的主要传输机制；涡旋扩散和热泳则是小于1 μm颗粒的关键输送机制。Theis等[8]人根据文献做出了类似的总结，即大于10～15 μm的颗粒通过惯性撞击传递到表面；小于1～10 μm的颗粒通过热泳和涡流扩散输送到表面；更小的颗粒主要通过扩散，布朗运动等传递到表面。颗粒被传送到传热表面的机制也由表面的位置和性质决定。因此，锅炉中各机理的相对重要性取决于燃料成分，锅炉设计和锅炉运行条件。灰分输送机制的简要描述将在以下部分展开描述，包括惯性撞击、热泳、湍流涡旋撞击扩散和冷凝。

1 实验系统

1.1 沉降炉实验平台

沉降炉实验系统的构成如图3所示，主要包括刮板式给粉机、炉体、刚玉反应管、电加热及温度控制器、进样取样装置等组件。

刮板式给粉机为系统的核心组件，稳定、分散给料是实验准确性的基础。在范德华力、静电力的共同作用下，小颗粒煤粉极易出现团聚现象，团聚的煤粉进入炉膛后出现燃烧不充分现象，从而实验工况偏离理论的设计工况；同时，这种由于给料不均匀造成的数据波动，严重影响实验重复性的实现，无法得到可信的实验数据，从而难以总结实验规律。为实现给料的稳定与分散，采用给料前控制与给料中控制。给粉前控制，即控制煤粉颗粒的粒径分布，按照实验经验煤粉颗粒的粒径分布处于45～106 μm时燃烧最稳定。给粉中控制，即通过风、粉混合处的特殊设计，在煤粉进入炉膛前的输运过程分散颗粒，从而进一步保证进入炉膛的煤粉颗粒均匀且稳定。

炉体用于隔热保温并固定刚玉反应管，金属本体内填充陶瓷纤维保温材料，中央圆柱形空腔高度2.24 m，内径90 mm。为方便更换刚玉反应管，炉体可水平开合。

反应管所使用的刚玉材质中，Al2O3含量超过99%，可在1 600 ℃的高温下长期工作。反应管外径70 mm，内径60 mm，长度2.50 m。

电加热装置由24根碳化硅加热棒组成，为保证温度场均匀稳定，均匀对称分布在刚玉反应管两侧的长度方向。与电加热装置相配合的是由10个铂铑热电偶和控制器组成的温控装置，可在450～1 400 ℃的范围内加热并控制管壁温度。电加热及温度控制器为反应管提供2.0 m的恒温控制区，保证实验工况的准确性。

进样装置连接给粉机与刚玉炉管，为保证反应管工况环境稳定，采用法兰方式与刚玉反应管连接在一起，其间使用最高工作温度为250 ℃的氟橡胶O型圈作为密封介质。考虑到炉内的高温环境与进样装置、氟橡胶O型圈的耐温能力，进样装置使用多层水冷套管进行局部降温。由于进样装置的底部位于炉体2.0 m电加热恒温区的顶部位置，多层水冷套管亦可防止煤粉颗粒在炉内输运过程发生反应。

取样装置与进样装置采用相同的多层水冷套管设计，同时具备N2吹扫功能，配合卡箍紧固可在刚玉反应管高度方向自由移动。煤粉颗粒在刚玉反应管中沉降至取样装置顶部取样孔时，受水冷套管的冷却作用和N2吹扫的稀释作用的共同影响下，反应即刻停止，从而确保取样装置收集的样品颗粒为设计工况下的产物。

1.2 积灰在线测量系统

积灰在线测量系统可以克服沉积过程本身的干扰，在线测量原位积灰的重量变化。积灰在线测量系统的结构如图 所示，包括结渣头、支撑管、支架固定器、高精度电子天平、数据采集系统、隔离套管和烟气冷却保护装置等组件。

结渣头使用Al2O3含量超过99%的刚玉材质，可在1 600 ℃的高温下长期工作，为可拆卸更换的设计，位于刚玉支撑管的顶部。结渣头顶部沉积面为半圆柱设计，颗粒撞击角为0°～90°，更接近实际锅炉水冷壁积灰的表面情况

支撑管使用Al2O3含量超过99%的刚玉材质，可在1 600 ℃的高温下长期工作。搭配升降平台，可以上下调整改变结渣头在炉内的位置。

支架固定器采用轻量化设计，用于连接刚玉支撑管与电子天平的重量传感器。实验工况下结渣头及刚玉支撑管受刚玉反应管内气流扰动及颗粒撞击作用，易出现不规律晃动，此现象直接导致高精度重量传感器示数剧烈波动，从而掩盖积灰增重规律。支架固定器可消除由此产生的数据波动，确保测量系统准确稳定。

高精度电子天平使用梅特勒-托利多公司的重量传感器，精度为1 mg，每秒传输1个数据至采集系统。

隔离套管使用2520不锈钢材质，可在1 250 ℃的高温下长期工作。在进行积灰实验时，将结渣头移入沉降炉炉膛中，燃烧过程产生的灰颗粒不断沉积在结渣头上。由于结渣头及支撑系统均放置于重量传感器上，数据采集系统可以在线记录沉积过程中总重量的变化，从而得到积灰的在线数据。然而灰颗粒沉积在结渣头上的同时，也会有部分颗粒沉积至刚玉支撑管及重量传感器上，从而影响探针沉积重量测量的准确性。为避免此现象的发生，设计制作了隔离套管，并与烟气冷却保护装置一起固定于炉体上。

烟气冷却保护装置采用水冷夹层设计，与隔离套管之间形成空腔，在真空泵的抽吸作用下，隔离套管内侧的空气与炉膛烟气一起抽吸排出。通过空气的回流保护作用，进一步阻隔灰颗粒沉积至支撑管及重量传感器上。与此同时，针对实际工况合理调整真空泵的真空度以减少其对测量系统的干扰。

1.3 实验样品

研究采用2种煤样，分别为：准东煤(ZD)、宜宾煤(YB)。其工业分析、元素分析分别按照GB/T212-200831和GB/T31391-201532进行测定，结果见表1。煤灰熔融特性结果见表2。

表1工业分析和元素分析

表2煤灰熔融特性结果

2 实验及分析

2.1 温度对结渣速率的影响

为探究温度对积灰速率的影响，需控制温度变量的唯一性。依据第三章灰熔点的测试结果，选取小于DT的温度1个，对应烟道对流换热区、省煤器区积灰工况；选取DT、FT之间的温度1个；选取大于FT的温度1个，对应辐射换热区结渣工况。

准东煤工况设计如下：给煤量2.52 g/min，过量空气系数1.2，反应距离2.0 m，在1.5 m/s和2.5 m/s两个烟气流速下，分别探究1 200、1 240、1 280、1 320 ℃下温度对结渣速率的影响；宜宾煤工况设计如下：给煤量3.17 g/min，过量空气系数1.2，反应距离2.0 m，在1.5 m/s和2.5 m/s两个烟气流速下，分别探究1 200 ℃、1 250、1 290、1 320 ℃下温度对结渣速率的影响。

一般来讲，积灰重量是沉积颗粒的重量与焦炭反应的差值。Weber等[9]人提出了评价积灰可能性的两个方面：(1)惯性撞击和热泳力；(2)反弹和粘附。就第一个方面来看，由上文温度标定实验可以知道，刚玉头表面与炉温几乎一致，不存在温度梯度，亦不存在热泳力的影响。针对第二方面，由于结渣头温度较高，碱性蒸汽不会凝结，冷凝作用也不用考虑。当颗粒温度超过变形温度时，颗粒开始熔化并变得粘稠，这将降低回弹的效果。因此主要影响因素为：惯性撞击(特别是与斯托克斯数直接相关)，反弹和粘附。

在低气速下，随温度升高积灰增重变化不大；当进入高气速时，温度较高，较软的颗粒积灰增速明显，拉开很大差距。这是由于在低气速下，颗粒动能较小，反弹效应影响较低，此时主要是撞击控制，温度改变，即粘度增加对积灰影响不大；当气速继续增大时，动能增加，此时粘附控制，因此温度提升极大影响了积灰速率。

2.2 烟气流速对结渣速率的影响

为探究烟气流速对积灰速率的影响，需控制速度变量的唯一性。选取小于DT的温度1个，大于FT的温度一个，烟气流速由1 m/s等比例增长至3 m/s。由于容积不变，且保证燃烧工况一致，需使用带环形二次风的进样装置，通过改变二次风进气量来提高烟气流速。依据第三章转化率结果，可知在1 100 ℃和1 400 ℃下，煤粉燃烧完全，通过改变二次风量来提高烟气流速不会产生实验工况的偏差。

准东煤工况设计如下：给煤时长20 min，给煤量2.52 g/min，过量空气系数1.2，在1 100 ℃和1 400 ℃两个烟气流速下，分别探究1、1.5、2、2.5、3m /s下烟气流速对结渣速率的影响；宜宾煤工况设计如下：给煤时长7 min，给煤量3.17 g/min，过量空气系数1.2，在1 100 ℃和1 400 ℃两个烟气流速下，分别探究1、1.5、2、2.5、3 m/s下烟气流速对结渣速率的影响。选择1 100 ℃是因为此时低于变形温度，灰粒仍是硬质颗粒；1 400 ℃高于其流动温度，颗粒受到较强的粘附作用。

气体速度影响颗粒的斯托克斯数，进而影响撞击效率。在撞击效率方面，较高的速度会导致较高的斯托克斯数，进而导致较高的沉积效率。反弹效率受颗粒动能和撞击时的能量耗散控制。它与颗粒速度、颗粒性质、撞击角度和沉积表面性质有关。当速度较大时会有更大的动能，撞击效率提高。对于硬质颗粒来说，撞击表面的能量耗散相对较少，因此会导致较大的回弹效率。然而当初始沉积层形成后，沉积表面变为灰分覆盖的软质表面，耗散作用较大。

当温度低于熔融温度时，随着气速的增加积灰速率不断减小，这是因为此工况下的煤灰颗粒为硬质颗粒，其在沉积面上的损耗较小，随着动能增加，反弹效率增加更快，因此积灰速率下降。当温度高于熔融温度时，随着气速的增加沉积速率增加，这是因为煤灰颗粒变为熔融的软质颗粒其粘滞作用增强，并不断积灰。低温时，随着气速增加，积灰初始层的行成会有滞后性。

2.3 燃尽率对结渣速率的影响

为燃尽率对积灰速率的影响，控制燃尽率变量的唯一性。为保证相同的烟气流速，则烟气流量不变，即通过二次风中通入N2来实现不同氧浓度的工况，由此控制煤粉颗粒的燃尽率。

氧浓度对积灰的影响分两阶段：初始阶段，部分转化率较好的颗粒黏附到结渣表面，进而继续捕捉其他颗粒，造成重量快速增加，第二阶段，随着表面含碳颗粒的增加，结渣表面变硬，颗粒反弹概率增大，结渣速率减小。

3 结束语

通过设计开发积灰在线测量的实验系统并小型电加热的沉降炉组合使用，在线测量原位积灰的重量变化。采用2种煤样，对煤粉积灰特性进行实验研究，结论如下：

(1)温度对结渣速率的影响：在低气速下，随温度升高积灰增加不明显；高气速下，随温度升高积灰增加不明显。

(2)烟气流速对结渣速率的影响：当温度低于熔融温度时，随着气速的增加积灰速率不断减小，这是因为此工况下的煤灰颗粒为硬质颗粒，其在沉积面上的损耗较小，随着动能增加，反弹效率增加更快，因此积灰速率下降。当温度高于熔融温度时，随着气速的增加沉积速率增加，这是因为煤灰颗粒变为熔融的软质颗粒其粘滞作用增强，并不断积灰。

(3)燃尽率对结渣速率的影响：氧浓度对积灰的影响分两阶段，初始阶段，部分转化率较好的颗粒黏附到结渣表面，进而继续捕捉其他颗粒，造成重量快速增加，第二阶段，随着表面含碳颗粒的增加，结渣表面变硬，颗粒反弹概率增大，结渣速率减小。