燃气锅炉积灰原因分析及处理建议

＊周 兵

（广东省特种设备检测研究院顺德检测院 广东 528313）

引言

工业燃气锅炉内飘浮的灰尘颗粒在受热面上冷却、吸附、粘连、积灰和结焦，增加了受热面的热阻；灰垢的导热系数为金属材料的1/40，故较厚的灰垢层会降低金属受热面的导热能力，从而降低锅炉热效率；同时烟气中所含的热功不能在受热面及时被完全吸收，致使锅炉出力不足，增加燃料损耗，其运行的经济性大大降低。当锅炉尾部烟道截面较小会使对流受热面上发生积灰时，会使烟道内负压增加，加大烟道漏风，会增加烟气流通阻力，使引风出力不足，降低锅炉运行负荷，严重时会堵塞锅炉尾部烟道，迫使停炉检修；由于受热面积灰会使烟气温度升高，会影响到后部受热面的正常运行，严重时会损坏设备，致使受热面大面积破裂，严重危害锅炉安全运行和增大经济损失。现今大型锅炉设备均备有蒸汽、压缩空气、钢珠等吹灰器，这些传统吹灰器在操作和性能上，存在吹灰范围有限、有死角、能耗高、修补费用大、操作不方便等弊端，且运用率较低，因此铲除锅炉受热面积灰垢，需探寻新技术。如20世纪70年代瑞典发现并应用于锅炉的低频声波清灰技术，为锅炉清灰提供了新的途径，得到广泛的运用，新的清灰技术一直在探索和研究中。

1.检验概况

2022年3月受某生物科技公司委托对其1台2017年4月投用的燃天然气锅炉进行内部检验。该炉的型号为WNS1-1.0-Y(Q)（如图1），额定蒸发量1t/h，额定压力1.0MPa，额定温度184℃。从现场作业人员处了解到该炉每周运行5d，每天运行9h，工作压力为0.5～0.7MPa，每班会定期排污。2022年3月在对该炉进行能效测试时，其测试结果为锅炉出力为650kg/h，排烟温度117.3℃，锅炉热效率为88.96%，排烟处过量空气系数1.63。

受检锅炉在回燃室、前烟室、后烟室、二回程烟管、三回程烟管处积灰较多（如图2）。积灰灰垢松散，易脱落，颗粒小。

2.积灰产生原因分析

燃气锅炉燃烧过程中会产生的微小飞灰颗粒被带进锅炉烟路系统中（见图3），当烟气冲刷管束时，飞灰颗粒撞在管壁上不仅对受热面造成磨损，也会因下列各种因素而被黏附在管壁上造成受热面积灰。

(1)自身重力

尾部烟道烟气流中飞灰颗粒带有静电荷，对于较小的灰粒，静电引力难以克服灰粒自重，在飞灰自重作用下黏附到管壁上。

(2)分子间引力

细小的飞灰颗粒单位质量具有较大的表面积，它和管壁接触时与管壁分子间存在分子间引力，当其大于颗粒自重时，飞灰颗粒易黏附到管壁上。

(3)管壁摩擦力

对于部分细小的飞灰颗粒，由于管壁表面凹凸不平，借助于烟气流动中的与管壁间摩擦力可以让灰粒挂到管壁上。

由上述分析可见引起积灰的主要原因是自身重力、分子间引力和管壁摩擦力。对于飞灰颗粒的流动惯性力和分子间引力大于其自身重力时，就不易黏附在管壁上。如颗粒大的飞灰颗粒会随着烟气流动快速从烟道排出，而细小飞灰颗粒易黏附在回燃室、各回程烟管以及前、后烟室壁上。

受热面上的积灰有松散的，也有结实的，取决于飞灰颗粒大小。烟气中飞灰是由各种大小颗粒组成的，一般小于200μm，大部分是介于10～30μm细小颗粒。在燃气锅炉中烟气冲刷受热面管束时经常发生受热面积灰主要是在较高温度下的松散积灰和在低温下的结实积灰。飞灰颗粒在受热面上的沉积过程，最初沉积的非常迅速，一方面继续发生着飞灰颗粒的粘附，另一方面在烟气射流与较大颗粒的冲击下，又发生飞灰颗粒的剥落，很快达到动平衡状态。燃气锅炉受热面的布置与结构形式对于受热面的积灰也有一定的影响，错列布置的管束由于背风面有气流的扰动、灰粒的冲刷，积灰程度较轻；而在顺列布置管束中，背风面几乎没有气流的扰动只存在涡流区，故积灰严重。

3.锅炉积灰后果分析

当截面积较小的烟道对流受热面上发生积灰时，会使烟道有效截面积进一步减小，增加烟气流通阻力，使引风机出力不足，降低运行负荷，严重时会堵塞尾部烟道，甚至被迫停炉检修。随着飞灰颗粒越积越多，灰垢表面温度升高，后积上去的飞灰颗粒可能促使烟气中的未完全燃烧物发生二次燃烧，释放出大量热会造成锅炉排烟温度过高，可能影响到后部受热面的安全运行。

燃气锅炉运行过程中烟气产生的飞灰颗粒不仅会对受热面磨损，而且其中微小的粉尘颗粒常常粘附在受热面上造成受热面的积灰，由公式（1）：

式中，Q为单位炉壁面积的辐射热量；σ0是斯蒂芬-波尔兹曼常数，其值为4.88×10-8kcal/mhk4；ak为炉内系统黑度；Thy、Tb和Tgb分别是火焰的平均温度、炉管灰壁表面温度和炉管金属外壁温度；λ、δ分别是灰垢层导热系数和厚度。

从式（1）中可看出，由于灰垢的导热系数小，热阻是钢材的40倍，灰垢层厚度越厚则单位炉壁面积的辐射热量Q越小，这不仅增加了热阻，使传热过程恶化，浪费燃料，将会影响受热面的传热，使得锅炉热效率大幅降低，导致锅炉出力不足，达不到额定蒸发量。同时烟气得不到充分冷却，排烟温度过高，最终导致锅炉热效率下降。积灰严重时烟气流通截面减小，烟气流动阻力增大；同时由于受热面不能把热量有效传递给炉内介质，炉膛温度还会升高，炉膛温度升高会加剧炉内结焦。

排烟热损失q2计算公式（2）为：

式中，apy为排烟过量空气系数，1.63；tpy为排烟温度，117.3℃；t0为冷风温度，取20℃；

计算所检锅炉得出，该炉排烟热损失达6.06%。

锅炉积灰运行所带来的常见危害后果如下几种：

(1)降低锅炉出力

因为灰垢的导热性很差，较轻的积灰也可以形成较大的热阻，能显著降低锅炉的出力。

(2)降低锅炉热功率

积灰导致热功率降低直接表现在锅炉排烟温度升高，理论计算和运行经验表明，锅炉排烟温度若升高20℃，则锅炉热效率就会下降1%；如电站锅炉因积灰形成的排烟温度增加通常在15～30℃，致使其热功率降低约1%～2%，而工业锅炉通常不配备吹灰设备，致使其热功率降低超过5%以上，严重的甚至高达10%以上。

(3)诱发安全事故发生

锅炉高温结垢所形成的高温腐蚀和低温积灰所导致酸腐蚀到达特定程度后，会使锅炉发作“爆管”；因为结垢的热阻很大，高温结垢会使锅炉的高温区后移，会促使带过热器锅炉超温运转，也易诱发“爆管”事故频发。

(4)降低锅炉寿命

低温结灰垢含有硫酸，可以对所附着的受热面形成较严重的腐蚀；而高温结垢中含有碱性金属盐，可在高温作用下与金属发生化学反应，对受热面形成更严重高温腐蚀。锅炉在运转过程中，换热面上发生的积灰结焦削弱了工质与烟气间的热交换，增加了烟气阻力，影响受热面热传递功率，降低锅炉热功率，增加燃料耗费，影响锅炉的正常运转。在工业锅炉中，积灰有时还会致使尾部换热器发生腐蚀，形成锅炉运行风险，从而降低锅炉寿命。

4.处理措施

燃气锅炉产生积灰可从下列几方面进行处理：

(1)选择清洁燃料

①料中杂质越多越易积灰

若燃料中含有较多的杂质，这些杂质混合在燃料中，杂质在燃烧过程中不易被燃烧且易形成细小的颗粒，然后造成炉内积灰。

②燃料中水分越多越易积灰

由于在燃气中含有较多水分，降低了燃料的热值，同时燃烧时极易产生水蒸气，降低了炉内燃烧温度使燃料燃烧的不充分，降低了锅炉出力且易产生积灰。

(2)选择合适的燃烧器

各种锅炉因其结构、吨位不同所需燃烧器功率大小也就不同，若选择不当，锅炉运行时，其炉膛内压、燃烧含氧量配比、火焰状况都存在不稳定性，易导致炉膛积灰；燃烧器调节不当，会造成燃料不完全燃烧，出现冒烟、积灰等，对于燃气锅炉，选择型号匹配的燃烧器尤其重要。

(3)确保精确的空气配比

天然气在燃烧过程中需要适量的空气配比，若空气量不足，难以满足燃料完全燃烧，使燃料不能充分燃烧而冒黑烟和产生积灰；如果空气量过多，易造成燃烧温度降低，使燃料难以充分燃烧而出现积灰、冒黑烟等。排烟处过量空气系数过大，会使得尾部烟气中氧含量过高，使得燃烧不充分，导致排烟温度偏高。

(4)保证合适的烟气流速

燃气锅炉运行过程中需满负荷运行，保证烟气的流速高于0.6m/s。在低负荷运行时，烟气流速降低，将加剧受热面的积灰程度。

(5)增设清灰门，改造烟气流道

由于管束密集，易造成烟速低，烟灰易于附着和沉积，腐蚀性强。目前大部分工业锅炉未设置清灰装置，本体设计上也仅在第三烟程设前、后两个清灰门，管理上实行定期停炉清灰。但清灰门内封保温材料，外上法兰螺栓，拆装极为繁琐，故大部分锅炉房锅炉清灰门被烟灰堆积物封死，不仅长期严重腐蚀炉管，而且减小了流道面积，减弱了换热效果，大大降低了锅炉热效率。如果增设清灰门改变烟气流道，需在制造前通过锅炉设计鉴定评审，且清灰门设计需考虑易操作性。

5.结语

随着社会对环保越来越高的要求，燃气锅炉占有量也在逐渐增大；燃气锅炉积灰是由多种因素造成的，积灰对燃气锅炉的安全运行影响较大，应依据锅炉实际运行情况分析，从产生积灰的原因着手，选取合适有效方法进行处理，通过对锅炉燃烧的调整，提高燃料完全燃烧程度，减少了燃料机械不完全燃烧热损失，降低了烟气中有害物的排放，减少了对环境的污染，同时提高了锅炉安全经济运行能力。对于已经形成的灰垢，需及时采取有效措施处理，如灰垢比较坚硬，可采用人工清除法；如表面浮灰，可开启蒸汽吹灰器或声波除灰器进行定期清除。