锅炉结渣毕业论文

1、第一章 绪论能源问题已成为世界各国所关注得重大问题，我国用于发电、工业生产和生活取暖等锅炉得煤耗量要占总开采量得一半以上。为了保证锅炉工作安全可靠和节约能源，当今锅炉工作者得重点应着眼于锅炉的烟气侧，即锅炉受热面外部工作过程结渣、积灰、腐蚀和磨损。而力求消除和减轻灰渣污染与金属磨蚀，是研究锅炉受热面外部工作的主要任务。燃用化石矿物燃料的锅炉受热面，或多或少都会遭受到烟气流中固体质点和酸性与有害气体的污染。燃煤锅炉的炉膛结渣(亦称结焦)，对流受热面的积灰与低温腐蚀是屡见不鲜的。结渣属于粘结性灰污，其带来的危害性通常要比松散性灰污严重得多。当锅炉发生结渣当锅炉发生结渣时，由于灰污具有比金属壁大得多

2、的热阻，因而降低了传热效果，增加了锅炉排烟损失，使锅炉效率降低，且增加了通风电耗。同时，由于结渣且有局部性，因而影响到受热面内部汽水正常工作。严重的结渣将堵塞烟气通道及炉膛排渣口和使汽水管过热爆管，破坏设备连续运行。大的渣块掉下，则可能砸坏冷灰斗。结渣也加剧了金属的腐蚀。为清除结渣有时不得不停炉.为防止结渣，也迫使一些锅炉长期在低负荷下运行。因此，结渣严重影响锅炉的可用率、出力及安全性。带来巨大的经济损失。我国近年来，由于电站用煤品种多变，劣质煤的大量使用，锅炉结渣情况日益突出。对我国电站调查表明，有相当数量的锅炉存在不同程度的结渣。由此，不仅造成了经济上的损失，也加剧了我国电力不足的矛盾。如

3、何消除和防止锅炉受热面结渣已成为我国锅炉工作者的一大任务。本文对结渣进行理论和实践研究，对电站锅炉的安全经济运行具有重要意义。一结渣的危害性锅炉结渣不但增加了锅炉受热面的传热阻力，使受热面传热恶化、煤耗增加、降低锅炉的热经济性，还可能造成烟气通道的堵塞，影响了锅炉的安全运行，严重时会发生设备损坏、人身伤害事故。锅炉结渣即锅炉结焦，对锅炉运行危害严重：（一）结渣会降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面沉积后从烟气侧到汽水侧的传热过程中，沉积物的导热系数较其他环节介质小得多(见表1)。图1表明:当受热面积有3mm疏松灰或10m m熔融渣时，就可造成炉膛传热下降40%，相应的炉膛出口烟温升高近300

4、。而锅炉运行中的实测也表明，当炉膛积灰厚度由1m m增至2mm时，传热减少28%。由于其导热系数很低，热阻很大，一般玷污数小时水后水冷壁的传热能力会降低30%60%使得炉内火焰温度后移，炉膛出口烟温相应提高，会使省煤器各空气预热器堵塞，传热恶化，从而提高排烟温度，降低锅炉运行经济性。 表1图1灰沉积对炉膛传热和出口烟温的影响A1、A2疏松灰沉积 B1、B2熔融渣（二）在传热作用减弱的情况下，为了维持同样蒸发量，就需要消耗更多的燃料。以提高燃烧室内各部位的烟气温度，这时必须相应增加通风量，使送引风机负荷增高，厂用电增大。由于通风设备容量有限，加之结渣情况下容易发生烟气通道的局部堵塞，可能因引风量

5、不足，燃烧室内产生正压，甚至限制锅炉出力，（三）由于炉膛出口烟温提高，导致过热汽温度过高，这不仅危害过热器，还会引发汽轮机的事故。另外，还能使飞灰易粘结在对流和屏式过热器上，引起过热器的玷污和腐蚀。（四）由于总的传热阻力增大，会使锅炉可能无法维持在满负荷下运行，只好增加投煤量，引起炉膛出口烟温进一步的提高，使灰渣更容易粘在受热面上，形成恶性循环，导致发生一系列锅炉恶性事故，如过热器，省煤器管束堵灰，爆裂，空气预热器大量漏风，出渣系统堵死。烟温升高还会导致蒸汽过热汽温偏高，使金属管子处于超温运行状态。（五）在高温作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀。发

6、生高温腐蚀时水冷壁管平均腐蚀量达0.82.6mm/s 。如燃用高硫煤时，腐蚀区受火焰的直接冲刷，其腐蚀速度可达5mm/a以上，运行不当时，经常会发生爆管停炉。因此，锅炉结渣灰污可看作是高温腐蚀的前兆。（六）燃烧室上部结渣掉落时，可能砸坏冷灰斗水冷壁管。结渣严重时，下部冷灰斗处因上部渣块掉下和壁面直接结渣而堆积大量硬质焦渣，阻碍了落灰的排除，会使冷灰斗出口逐渐堵塞。以致不能维持运行。（七）喷燃器出口处，可能因结渣而影响煤粉气流的正常喷射，甚至喷口被焦渣堵住或因焦渣影响引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器，（八）结渣以后，为了维持锅炉出力，增加入炉燃料量而通风不足时，燃烧不易完全，一些可燃物可能

7、被带到对流受热面，在烟道角落堆积起来维持燃烧，发生烟道再燃烧现象，这时在燃烧部位的受热面表面温度急剧升高，会造成破坏性的后果。（九）由于积灰，结渣腐蚀及磨损而造成经济损失这可纳如下：1经国内外资料统计，由于炉膛及排烟温度的提高，致使锅炉平均效率降底3%5%，并增加煤耗，2要经常停炉检查；因少发电量带来了很大的损失，3只能低负荷运行，如某台200 MW锅炉燃用灰熔点低的煤（T1=1140），结渣严重时只能在40%负荷下运行，还经常被迫停炉4要增加大量的检修费用，如清渣，更换炉管等所需的费用。据国外估计，美国每年因锅炉受热面玷污，结渣而带来的各种经济损失总和达20100亿美元。电站锅炉结渣是客观存

8、在、不可避免的，从现有大机组生产运行情况看,有相当数量的机组为不同程度的结渣问题所困扰。这一方面是由于锅炉结渣的客观规律性所决定的，在另一方面还受我国在现阶段燃煤情况影响。在现阶段，由于煤电供需矛盾的存在，电站锅炉燃煤不能长期保持稳定，煤质多变；另外我国电站锅炉燃用煤质较差,约有半数在不同程度上属于易结渣类型。这两个客观存在的情况就加剧了电站锅炉的结渣现状。结渣一旦发生,将严重影响锅炉运行的安全性和经济性。我国多数主要动力煤产区都富藏灰熔融温度很低的煤种,因此电站锅炉结渣、积灰是个长期存在的问题。对于采用常规煤粉燃烧方式的锅炉来说,炉膛结渣将一直是设计和运行中需要认真对待的问题。从理论上对锅炉

9、结渣、积灰的原理进行分析、探讨，掌握锅炉结渣的规律，从生产实践上采取合理的措施防止锅炉结渣、积灰，防止锅炉掉大焦就具有长期的、现实的意义。二 本课题国内外研究现状及结渣的诊断与监控现状受热面结渣是一极为复杂的理化过程，影响因素很多，不仅牵扯到煤中矿物结构、组成等，还与矿物质在炉内加热过程中的理化变化以及在炉内的运动和炉内气氛等有关。国外虽研究多年，但至今尚未能达到准确的科学性，依据仍然是经验。国内近几年在一些单位开展的研究，还不能满足锅炉设计人员和运行人员的迫切需要。因此，为了进一步向锅炉设计、运行和添加剂等方面提供选用的认识，消除或减轻受热面结渣，提高锅炉可用率、经济性和安全性，节约能源，加

10、强受热面结渣机理的研究是很有必要和很有现实意义的。综合分析国内外关于炉内结渣的研究工作，大致分3个研究方向。即燃料特性、锅炉结构和运行方式，同一个煤种在不同形式的锅炉上结渣程度是有差别的。设计锅炉时炉膛容积热负荷、截面热负荷与燃烧器区域热负荷等参数选取不当，即使灰熔点高的煤种也会引起结渣。锅炉运行方式对结渣影响也很大，对四角切园燃烧方式来说，各角配风不均匀也会对锅炉结渣造成很大的影响。经常出现在同一电厂燃用相同的煤种，同型的两台锅炉的结渣程度不同，其主要原因很可能是运行方式有差别。以上三者相互影响，使结渣问题复杂化，而三者中，对燃料特性的研究又是锅炉设计和运行的主要依据，因此，对燃料结渣特性的

11、研究受到许多重视。对易结渣煤质的判别，一直受到许多学者的关注，并提出了许多的判别指数和判别方法。从大的方面来分，主要分为灰熔点型结渣指数法、灰成分型结渣指数法、灰粘度型结渣指数法、特种方法和综合判别方法。在锅炉运行中，如何准确监测炉内结渣积灰的程度和发展趋势，并根据积灰结渣的状况和运行需要，及时有效地采取吹灰清渣措施，即维持受热面的正常状况，又节约吹灰介质和降低烟尘排放显得十分重要。因此，为大型电厂锅炉研究和开发基于在线监测参数、直接或间接地诊断炉内积灰结渣的在线监测诊断技术，指导优化清渣吹灰是十分必要的。近年来一些工业发达国家十分重视燃煤电厂锅炉结渣积灰在线监测和优化吹灰技术的开发与应用，已

12、经在某些大型燃煤电厂锅炉上进行了示范实施，取得提高锅炉安全经济运行的效果。这些系统从功能上大致可以分为两类，一类针对炉膛水冷壁的灰污监测，另一类针对对流和半流受热面的灰污监测。前者大多需要安装额外的测量仪表，测量水冷壁接受的辐射热流等信号。后者大多依赖锅炉原有的数据采集系统提供必要的测量信息，通过数学模型的计算确定受热面的灰污状态。加拿大滑铁卢大学开发了专门针对炉膛结渣的监测系统。该系统在炉膛水冷壁的易结渣部位安装了圆盘式热流计，这些热流计分为两类:一类是清洁热流计，另一类是灰污热流计。清洁热流计装有压缩空气吹扫装置，保持热流计表面没有灰污沉积，用来测量锅炉受热面能够接受到的火焰辐射热流。灰污

13、热流汁和水冷壁一样遭到沾污，用来测量锅炉受热面实际吸收的热流。灰污热流计的输出信号取决于两个因素的作用，一个是炉膛火焰的辐射热流，另一个是热流计表面的灰污沉积。前者随着锅炉负荷、燃烧器摆角、烟气再循环量、过量空气系数等运行参数的调整而变化。清洁热流计的信号，为过滤掉这些与灰污沉积无关的变化，提供了一个参考值，通过比较脏热流计和清洁热流汁的信号，可以判断出水冷壁的灰污程度。三 本文所做的工作本文主要从燃料特性方面，研究了结渣机理，包括煤中矿物质在加热过程中的理化特性、灰熔融特性、灰成分对结渣的影响、结渣形成的过程和锅炉结构，温度场、速度场和运行对结渣的影响。主要从机理上对结渣进行研究，论述判断结

14、渣的方法及防止结渣的方法，最后对实际煤种进行预测。第二章 结渣机理探讨锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程,它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复杂过程,至今还没有能定量描述结渣过程的数学模型。根据研究结果,可以从下面一些过程来探讨结渣机理。一煤灰在燃烧过程中形态变化煤中的灰是指存在于煤中的所有的无机物质,同时也包括存在于煤有机化合物中的无机元素。通常,煤中的无机物可以分为三类,即原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质。原生矿物质主要来源于形成煤的植物生长过程,基本上以分子状态均匀分布于煤中,其在煤中的含量很小,不超过2%3%；次生矿物质是指在成

15、煤过程中,因地壳变动使外界泥沙混入煤层中的矿物质,离散地、较均匀地分布于煤粒中。而外来矿物质则是指采煤时混入到煤层中大块或层状的岩石,它具有原矿物质的一般特性。有些研究者也将原生矿物质和次生矿物质总称之为内在灰分,而外来矿物质则称之为外在灰分。受热面的结渣和积灰，主要是燃烧时煤中矿物成份发生作用的结果，三种灰分在煤中的存在形态不同,在燃烧过程中的形态变化也不同：（一）对于原生灰分,与煤中有机物相联系的Na离子、K离子及其氧化物在高温下挥发成气态。而与煤有机体相连的钙和镁离子,当煤燃烧,煤颗粒表面边界层中的含氧量足够低时,也会导致钙和镁的挥发,但是挥发性的钙和镁一旦到达氧化性气氛中(含氧量约为3

16、%)便会迅速氧化生成小于1的小颗粒。挥发态的钠、钙、钾一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝,生成低熔点灰粒相；另一方面,也发生均相成核凝结,生成0.020.5灰尘微粒。（二）对于离散分布在煤中的次生灰分,在煤粒燃烧过程中,随着碳的消耗,离散的灰粒发生积聚(核缩过程)。或者,碳燃烧时发生破裂,灰粒也跟着破碎,形成不同尺寸的灰粒。（三）对于外在灰分,有些灰粒在燃烧过程中熔化,粘接在一起形成较大的灰粒,而有些灰粒随着碳粒在熔化过程中的爆破,形成尺寸较小的残留飞灰。由于飞灰在炉内的生成机理不同,使得飞灰颗粒尺寸呈双峰形分布,第一个峰值在1左右,第二个峰值位于1012。第一个峰值是由于挥发性灰的冷凝。第

17、二个峰值是灰分积聚和碎裂后的残留飞灰。在绝大多数情况下,残留飞灰的尺寸上限为单个煤颗粒的尺寸,尺寸下限为煤颗粒中单个灰粒的尺寸。煤粉燃烧时，在高温受热面上形成污染和结渣的基本过程可分为两个阶段。开始在管子上形成第一层灰（原生层），但是随着其厚度的增加，其外表面温度不断升高，逐渐接近于当地的烟气温度，若此烟气温度高到使灰处于熔化状态，则在第一层灰上面形成增长速度很快的梳状沉积物（第二层灰），也就开始了结渣。形成第二层灰渣后，因渣层中发生物理化学变化致使灰层的强度不断增加。其中，第一层灰的形成与灰的组成有关，即和黄铁矿分解的产物、碱性化合物、钙的化合物、磷的化合物等有关，第一层灰中也有SiO2，它

18、在炉膛高温条件下也能升华。此外，所有能促进形成疏松灰的因素也能影响第一层灰的形成。高度弥散粒子的表面活性也能使非常细的灰粒沉积在管子表面而形成第一层灰层。二灰粒向水冷壁的输运过程灰颗粒向水冷壁面输运是结渣的重要环节。灰颗粒的输运机理主要有三类：第一类为挥发性灰的气相扩散；第二类为热迁移；第三类为惯性迁移（见图2）。对于尺寸小于1颗粒和气相灰分,费克扩散、小粒子的布朗扩散和湍流旋涡扩散是重要的输运机理。对于小于10的颗粒,热迁移是一种重要的输运机理。热迁移是由于炉内温度梯度的存在而使小粒子从高温区向低温区运动。研究表明热迁移是造成灰分沉积的重要因素之一。对于大于10的灰粒,惯性力是造成灰粒向水冷

19、壁面输运的重要因素。当含灰气流转向时,具有较大惯性动量的灰粒离开气流而撞击到水冷壁面。灰粒撞击水冷壁面的概率取决于灰粒的惯性动量、灰粒所受阻力、灰粒在气流中的位置以及气流速度。在典型的煤粉锅炉中,气流速为10m/s25m/s时,直径为510灰粒就有脱离气流冲击水冷壁面的可能性。图2三灰渣在管壁上的粘接和结聚长大由于灰粒的形成机理及输运机理不同,灰渣在管壁上沉积存在两个不同的过程：一个为初始沉积层的形成过程,初始沉积层为厚度0.2mm0.5mm的化学活性高的薄灰层,它是由尺寸小于5m的灰颗粒所组成。对于具有潜在结渣倾向的煤,初始沉积层主要是由挥发性灰组分在水冷壁上冷凝而形成。对于潜在结渣倾向小的

20、煤,初始沉积层由挥发性灰组分的冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同作用而形成。初始沉积层中碱金属类和碱土金属类硫酸盐含量较高,这些微小的颗粒由范德瓦尔力和静电力保持在管壁上,并与管壁金属反应生成低熔点化合物,强化了微小颗粒与壁面的连接。初始沉积层具有良好的绝热性能,它的形成使管壁外表面温度升高。另一个沉积过程为较大灰粒在惯性力作用下冲击到管壁的初始沉积层上,当初始沉积层具有粘性时,它捕获惯性力输运的的灰颗粒,并使渣层厚度迅速增加。由于初始沉积层主要是由挥发分灰组分的冷凝及微小颗粒的热迁移而引起,因而从工程角度考虑,很难防止初始沉积层的形成,不过好在初始沉积层的厚度较薄。它并不会对锅炉的安全运行构成威

21、胁。造成炉内结渣迅速增加,并对锅炉安全运行构成威胁的主要因素是惯性沉积。由惯性输送的灰粒在初始沉积层上的粘接除与初始层的性质有关外,还与撞击灰粒的温度水平有关,当撞击灰粒的温度很高,呈溶融状液态时,很容易发生粘接,使结渣过程加剧。认为在水冷壁壁面的灰层处于熔化状态或者炉内飞灰在迁移到水冷壁面时本身处于熔化状态时,水冷壁发生结渣。根据对结渣机理的分析,可以将结渣过程用更为简洁的方框图3表示。 图3第三章 控制炉内结渣过程的主要因素根据结渣机理,控制炉内结渣过程的主要因素,可以概括为：一煤的潜在结渣性1炉内矿物成份结渣过程受热面的结渣，主要是煤粉燃烧时煤中矿物成份发生作用的结果。煤粉燃烧时，在高温

22、受热面上形成结渣过程基本上分二个阶段。开始在管子上形成第一层灰（原生灰），但是随着其厚度的增加，其外表面的温度增加，其表面温度不断升高，逐渐接近于当地的烟气温度。若此烟气温度高到使灰处于熔化状态，则在第一层灰上形成增长速度很快的梳状沉积物（第二层灰），也就是开始了结渣过程。形成第二层灰渣后因渣层中发生物理化学的变化致使灰层的强度增加。开始形成的第一层灰和灰的组成有关，即和黄铁矿分解的产物、碱性化合物、钙的化合物、磷的化合物等有关，第一层灰中也有sio2, 它在炉膛高温下也能升化。此外，所有能促进形成疏松灰的因素也能影响第一层灰的形成。高度弥散粒子表面活性也能使非常细的灰粒沉积在管子表面而形成第

23、一层灰层。飞灰中的大小灰粒占的比例对小灰粒沉积在受热面上有很大的影响，通常烟气在锅炉烟道中流动时，小于30的灰粒主要都沉积在管子表面上，而更大的灰粒则起磨蚀作用。煤中含有较多的碱性物质的灰，则极易发生结渣问题。在8001000时，许多含钠的成份能和硅酸盐发生反应。因此含钠的成份会参与煤矿物成份的玻璃化过程，在加热时生成易熔的共晶体。碱金属化合物在高温区中可能发生蒸发，变成以氧化物、氯化物、氢氧化物及硫酸盐的蒸汽或气体，然后冷凝在温度较低的受热面上。在管子上这些化合物又和金属及烟气相互作用，形成有粘性的焦性硫酸盐及复杂的碱性硫酸盐，覆盖在管子表面上，形成积灰的初始原因。 NaCl和KCl等碱金属

24、盐对形成碱性粘结灰有作用。碱金属盐在燃烧时从矿物成份中挥发出的主要原因，是含NaCl低的煤在燃烧时蒸发并变成气态的NaOH，Na2SO4，Na2CO3。通常只有在很高温度的火焰中心处才会形成NaOH,随着温度降低而变成Na2SO4，及NaOH，碱金属的硫酸盐和铁，铝的硫酸盐发生化合作用，其产物的熔化温度为500600，是二次沉积的成份，因此，碱金属化合物不仅促进一次灰的形成，而且也是促进二次灰的生成。2灰中含铁对结渣的影响一般认为铁是预测结渣可能性的最重要因素之一，铁通常以黄铁矿（FeS）碳酸铁（FeCO3）的形式存在于煤中，或者是作为杂质的形式存在于方解石和白去石中，较少的是以扇石（Fe2M

25、g2 Al2Si2O4）角扇石（CaFe3Si4O12）赤铁石（Fe2O3）等其它形式出现。火焰中矿物质的初阶段反应对积灰可以产生影响，根据矿物质的类型，物理特性如密度与尺寸大小将改变，更重要的是熔化温度以及由此而产生的颗粒形状将由于下面表明的火焰中的瞬间反应产物来决定：表2 各含铁矿物的熔化温度矿物名Fe2SFeSFeCO3FeO比重5.024.623.965.70熔化温度75011926001373 图4 炉内形成结渣的示意图到达管壁的化合物决定所形成的沉积物的类型，下面的反应说明这点： Fe2S（c）FeS(l)+ SO2(g) 式（1） FeCO3 FeO(c,l)+ CO2(g) 式

26、中c 为结晶物，g 为气体，l 为液休。反应式（1）表明，黄铁矿首先氧化成磁黄铁矿和SO2,该反应是在燃烧区发生的最重要的矿物质反应之一，反应在本身的动量推动下到达炉墙上。根据已经沾积在炉墙上的积在炉墙上的积灰成份，FeS 在以后的反应中可能产生一种熔点较低的物质，下列反应表示两种熔点明显不同的可能产物：FeS（l） + Fe2O3(c,l)2FeO(c,l) + 1/2O2(g)(熔化温度1377) 式（2）FeS(l) + SiO2(c,l)2FeO(c,l) + 2SO2(g)FeO(l)+ SO2(c,l)FeSiO3(c,l)(熔化温度1147)反应式（2）生成的FeO的密度比FeS

27、 大，熔化温度也高尽管FeO会在火焰中熔化，但根据积灰的火焰侧表面温度它很可能在炉墙上达到热平衡后凝固,形成结渣.另外,灰渣FeO还是组成低熔点共熔体的重要组成成份,一般灰渣在熔融在熔融过程中可以生成大多数类型的低熔点共熔体都含有FeO组成(表1-26) 表3 一些低熔点共熔体的熔点体系熔点（K）纯氧化物CaO-Fe2O3CaO-FeOCa-SiO2120511301436含硫化合物Na2S-FeSFeS-FeS640940含铁硅酸盐Al2O3SiO2+2FeOSiO2+SiO22FeO-SiO2+FeO2FeO-SiO2+SiOCaOFeo+CaO·Al2O3CaOFeO-SiO2

28、-MgOSiO2-Al2O3-Fe2O31000-1100117511801200<10741073 煤灰中铁的氧化程度经过炉内过程要发生变化.这对灰渣流变特性有很大影响,表征熔渣中铁的氧化程度,通常使用以下两个指标:(1) 当量Fe2O3 当量Fe2O3即熔渣中含有FeO和未被还原的Fe2O3,另外发生析铁过程时,极少量元素铁溶解在熔渣中呈均相分布状态,由于其所占的比例较小,实际计算中可以忽略.这样,熔渣中Fe2O3含量和按克分子数折算成Fe2O3的确FeO含量这和, 即为渣的当量Fe2O3含量这和,即为渣的当量Fe2O3含量,即: 当量Fe2o3= Fe2O3+1.11FeO + 1

29、.43Fe(2) 三氧化二铁的百分比(N),三氧化二铁的百分比即熔渣中Fe2O3含量占当量 Fe2O3的百分比分额,记作N:N= Fe2O3/( Fe2O3+ 1.11FeO + 1.43Fe)×100%3灰中含硫对结渣的影响研究表明, SiO2在形成结渣过程中也是重要因素,不管煤中的硫以有机形式或以黄铁矿形式存在,在火焰中其主要部分是生成SiO2.但是,与碱阳离子致密弥散在某些中的有机硫直接被留置在由固有灰份生成的飞灰烟粒中,以有机硫酸盐存在的少量硫分也可能被留置在灰中或者挥发掉,部分挥发硫在低温时又与飞灰中的碱性成份化合在一起,一些电厂燃烧试验指出,最后有大约10-40%的总硫份

30、存在于飞灰中,它的多少主要决定于灰中钠的数量. 由于硫份的存在,致使碱金属在对流烟道中凝析出来,低硫煤中析出的碱金属趋向于在飞灰粒子的外表面上凝析,在对流烟道中形成粘结性的硅酸盐并产生烧结的沉积物.而高硫煤上析出的碱金属却趋向于形成复杂的铝或铁的碱金属类的硫酸盐.它们的熔点低,在810-977K左右,后一种情况下, SiO2与钠或钾的氧化物或氢氧化物发生反应生成硫酸盐,其熔化温度如表4所示,这些易熔融的成份为干的飞灰在对流管束上的粘附提供了条件, 表4复合硫酸盐的熔点名 称熔 点（K）K3Fe(SO4)3891K3Al(SO4)3927KFe(SO4)3966Na3Fe (SO4)3896 N

31、a3Al(SO4)3919 NaFe(SO4)2963Na2SO4-NaCl898Na2SO4-CaSO41191Na2SO4-CaSO4K2SO41118-1206CaS-CaSO411234碱金属含量对结渣的影响无论就哪种类型的积灰而言,碱金属化合物在其形成过程中均有程度不同的作用,对于碱金属化合物型积灰,这种作用更加明显,因此钠和钾一般被视为造成锅炉对流烟道结渣的原因,如果煤和灰中含有较多的碱类物质,便易产生积灰,特别是煤中含有硫也较高时,积灰即更为严重,这已为许多锅炉的运行实践所证实.在国外,甚至还给出了引起严重积灰的煤中碱金属化物含量的极限值,即R2O不应大于0.5%,否则便易在过热

32、器上严重的积灰,如果R2O<0.4%,积灰便不易产生.研究表明,结渣与“活性碱”的数量有关,一种形式的活性碱是与煤中有机物结合在一起的,煤有机物中的碱金属在燃烧过程中部分地挥发掉,无论是重新加热飞灰或是试验室灰当超过1316后均导致碱金属的大量从煤的有机物结构中挥发比从玻璃状的飞灰颗粒中再挥发更容易。例如，钠在火焰高温区短时间内可能以原子Na或Na2O的形式存在，因为水蒸气存在，故它们便反应生成NaOH；而在较低温时，与CO2、SO2、O2及SO3反应生成Na2SO4、N2CO3,当存在硫的氧化物时，最主要的生成物就是硫酸钠，在火焰中没有挥发出来的钠残留在由不挥发的固有灰份所构成的复杂的

33、灰粒内其百分比较大，低于982时，挥发的钠凝聚在带出的飞灰中上，使较细飞灰含钠量大大增加。在较低的温度下生成沉积物内比高温下生成的沉积物更容易出现钠的富集。最终，挥发钠和残留钠的作用是相同的，即两者都使飞灰熔融并增加沾污结渣。国外为了判断煤的积灰性能，利用煤灰“烧结强度”作为衡量指标。具体的作法是把煤灰（或飞灰）用人工压成一定大小的试块，在电炉中焙烧至一定温度（700-1000），然后在压力机上测定在各种焙烧温度下所得试验块的抗压强度。一般对易产生积灰的煤，试块在700-800就能达到较高的强度，而不易积灰的煤，达到较高强度的温度要高的多，煤中碱金属化合物含量越高，煤灰“烧结强度”也越大。这从

34、另外一个角度说明碱金属化合物对积灰的影响。表5 给出了碱金属氧化物及其聚合物熔点数据名 称熔 点 () Na2O 1277(升华) K2O 349 NaOH 318 KOH380 Na2S2O7399 NaCl801 KCl776图5 试管中积灰重量和煤中的钠含量的关系另外，FW公司给出了六种煤的试验结果表明，煤中钾的含量对探针表面的结渣影响很大。当煤灰中K2O>1%时，结渣较为严重，而K2O又<0。2%的煤，尽管其熔点很低，但是也未发生结渣未现象，在燃烧KSO约为105%的贫煤时，仅在结渣探针表面形成一薄层白色的灰。5氯含量对结渣的影响煤中的氯主要是以碱金属的氯化物KCl,NaC

35、l或者与碱土金属氯化物CaCl2MgCl2和另外一些化合物形态存在。根据国外的试验，煤中氯的含量对锅炉灰的生成同样有较大的影响。对于以碱金属氯化物形态存在的氯元素，其对积灰过程的作用与碱金属相同，不过，由于KCl,NaCl更容易挥发，因而对积灰的影响很大，大数十台煤粉炉（包括液态排渣炉）上进行大量试验证实了氯含量对积灰确有很大的影响6硅酸盐等含量对结渣的影响在硅酸盐化合物型的积灰中，初始层的形成不是由碱金属化合物的汽化、凝结，而是因极微细的雾状硅化物沉积于管壁的结果，在显微镜下可观察到，积灰管壁是极为粗糙不平的，金属氧化物不是以连续的膜覆盖在金属表面上，而是像针状或草丛一样的结构。在这些针状物

36、之间落入了由雾状SiO2所形成的直径约为0.2的微细颗粒。这些颗粒可以呈球形，也可呈不规则的形状，其外面往往包有凝结的碱金属氧化物，这可以在那些细粒间，或细粒与其它飞灰颗粒间起粘结的作用，这就是这种类型积灰产生的最早的阶段。当初始层灰形成以后，表面温度提高，加上灰中其它易物质的作用，积灰便逐渐增长。一般情况下，SiO2的熔点和汽化温度相当高，但是，所形成的硅酸盐共熔体却有较大的降低，如表6所示表6 体 系 熔 点 （） SiO2-Al2O3-CaO 1165-1260 SiO2-Al2O3-Fe2O3 1073 SiO2-Al2O3-K2O 750 SiO2-CaO-NaO 720SiO2-C

37、aO-K2O 710 CaO-FeO-SiO2 1093 3Al2O32·SiO2 1850 CaO·Al2O3 1500 CaO·SiO2 1540 2FeO·SiO2 1065 CaO·FeO·Si2 1100 Na4SiO4 1018 SiS 940 SiO2 1470 FeSiO2 1550 CaSiO4 1540煤灰中氧化硅含量一般占首位。含量在10-40 %，对灰的熔化温度（t3）影响不大，40-80%时，t3略有增高。但是在这一范围内增加时熔化温度和软化温度（t2）的差值t3-t2的数值却有明显上升趋势。软化点提前的原因

38、在于，随着SiO2含量增加生成越来越多的无定型玻璃体SiO2，它使灰份提早软化、蠕动。另外，在某些燃用高氯煤的煤粉炉或一些高钙煤的锅炉中，受热面上能产生钙化物型的积灰。其特点是积灰中的钙含量很高，往往含有较多的SiO3.这种积灰接近管壁底层的灰相当坚硬密实，它牢牢地附在管壁上，极难清除，而外层的积灰往往较为疏松。积灰中的钙含量（一般为CaO）增加时可使灰熔点降低，但到大于一定数值后（CaO含量>30-35%）其熔点会显著增高，根据我国的煤的统计规律表明，CaO在4-6%以上，就有上升趋势 。此外Al2O3的含量也会对t2产生影响，Al2O3大于15%时，就会明显增大，当Al2O3大于36

39、%时，不管其它成份如何变化，T2>1500 影响炉内结渣的因素有三个,因此仅根据煤潜在的结渣性来评估锅炉炉内是否会发生结渣,其准确性必然是有限的。如果要提高判断炉内结渣的准确性,则判断模型中应包括炉内温度及炉内空气动力结构等参数。二灰粒的惯性输运在三种灰粒输运机理中,扩散和热迁移主要是对初始沉积层的形成起作用。对具有潜在结渣倾向的煤,初始沉积层主要由挥发性灰冷凝而形成,具有较低熔点的碱金属和碱土金属硫酸盐,呈液态容易捕捉飞灰。对潜在结渣倾向小的煤,初始沉积层有一部分是由小颗粒的热迁移而产生,对惯性撞击灰的捕获能力较小。由于初始沉积层对锅炉的安全运行不构成影响,并且控制初始沉积层几乎是不可

40、能的。因此,要控制锅炉的结渣,就要避免煤灰粒子向水冷壁惯性撞击。电站锅炉炉内中心温度约为15001700,煤粒燃烧时其本身温度要比炉内温度高200300,因而煤灰在炉膛中心几乎全部为液态。在液态灰颗粒受惯性作用而向水冷壁运动过程中,由于灰颗粒运动速度快,受到的冷却效果差,熔融的灰颗粒很容易粘附,使渣层迅速积聚长大。因此,惯性撞击灰粒在撞击水冷壁时的状态对渣的结聚、长大具有重要影响。在四角燃烧锅炉中 ,气流在炉内作旋转运动,受惯性力作用,煤粉颗粒向旋转气流外侧聚集,因此,煤粉浓度切圆和温度切圆要比速度切圆大,这一点已被试验所证实。减少炉内气流切圆直径,降低煤粉细度均可减小煤灰颗粒向水冷壁的惯性迁

41、移,有利于减轻结渣。当四角风速分配不均,炉内旋转气流中心偏斜或某一角一次风因速度低而偏转刷墙时,煤灰颗粒的惯性撞击几倍甚至几十倍的增加,这大大增加了结渣的速度和程度。因此,控制灰粒向水冷壁的惯性迁移,对防止锅炉结渣具有非常重要的意义。三炉内温度及其分布由于熔化的灰粒碰到水冷壁时极易发生粘附,从而导致结渣。在煤灰熔点一定的情况下,炉内温度水平及其分布就成为是否发生结渣的重要因素。炉内烟温提高，开始使渣层与管子表面交界处的温度及积渣层内的温度梯度增加，灰在表面的沉积速度也会呈指数增加。实验表明，烟气温度每升高50度，可使结渣率增加5倍。煤灰粒子的冷却过程取决于炉内总体温度水平及水冷壁附近温度水平。

42、当炉内温度较低时,煤粒呈熔化或软化状态的概率较少。另一方面,当炉内温度水平较高,而水冷壁附近温度较低,且温度分布较平缓时,煤灰粒子在碰撞水冷壁前可以得到较好的冷却,温度降低,与水冷壁碰撞时,被捕捉的概率降低。温度对炉内结渣具有非常重要的影响,研究结果表明,温度增高,结渣程度将按指数规律增长。水冷壁附近的温度分布除与炉膛中心温度、水冷壁吸热热流有关外,还与水冷壁表面的清洁程度有关。当水冷壁表面附有灰渣时,表面温度迅速增高。这不仅有可能使灰渣表面具有粘性,捕捉飞灰,而且还降低了惯性输运灰粒的冷却程度,因而灰渣的积聚具有自加剧性,即一旦发生结渣,其程度将会越来越严重,直到外层灰渣因熔化而发生自流。炉

43、内温度水平对结渣的影响是多方面的:(1)炉内温度水平高，将使煤中更多的易挥发碱性氧化物在高温处汽化或升华，在低温处碱金属化合物又在受热面上凝结。碱金属氧化物汽化温度一般在1400以上，而凝结温度在1000-1100碱金属直接凝结在受热面上会形成致密的强粘结灰。(2)当烟气温度较高且管壁温度也高时，可在初始灰层中达到低熔点复合硫酸盐的生成条件，还会使含有碱金属化合物的积灰外表层粘性增强，加速积灰过程发展。(3)含碱金属的高钙褐煤所形成的钙化物型积灰，其过程的发展也与烟温有关.据运行观察，当受热面区域烟温在850-900时，这种积灰增长最快，也易形成坚硬的灰垢。(4)当烟温高时，煤灰呈熔化或半熔化

44、状态，熔融灰会直接粘在受热面，产生严重结渣。第四章 锅炉结渣的其他原因一 燃烧过程中空气供应量不足我们知道,煤的灰熔融特性常用变形温度(DT)、软化温度(ST)与流动温度(FT)来表示,并以ST来控制煤质。煤灰是多成分的复杂化合物,同一煤种的灰渣在不同的烟气或气体介质中,化学成分会发生变化,灰熔点也随着成分的改变而改变。同一煤种的灰渣,在弱还原性中,其灰熔点最低,在氧化性中则较高。这是因为在不同的气体介质下,煤灰中的化学成分发生了氧化还原反应,如在弱还原性气体中,会使高熔点的三价铁(Fe2O3)还原成低熔点的二价铁(FeO)。因此在燃烧过程中,当空气量不足时,由于煤燃烧不完全,炉膛的还原性气体

45、一氧化碳(CO)增多,使灰中的化学成分发生还原反应,从而使灰熔点降低。这时炉膛温度即使不高,也可能产生结渣。二一次风门与二次风门调节不当锅炉运行的配风方式也是影响结渣或积灰的主要因素。若一次风门与二次风门调节不当,则会使炉膛内煤粉与空气的混合不好,造成煤在炉内燃烧不良、烟气温度不均匀。在烟气温度高的地方,管壁温度高,未燃尽的煤粉颗粒一旦粘结在上面继续燃烧,将形成灰的粘附。在空气少的地方,容易产生燃烧不完全,产生大量的CO,使灰熔点降低,导致结渣。此外,由于炉膛内的烟气处于剧烈的运动中,烟气成分不断变化,同一煤种的煤灰在不同部位的灰熔点可能不同,也促进了结渣。三煤粉细度的影响不同细度的煤粒燃烧时

46、具有不同的温度，图6中间部分对颗粒温度分布与平均烟气温度进行了比较.温度的高低与粒径有关.0.5二粒径的颗粒温度最多可比烟温高240左右，而0.lm m的颗粒比烟温高不到100.图6不同煤粉细度下的颗粒温度煤粉细度与沉积量的关系如图7所示，灰的细度对灰粒碰撞率的影响十分大.试验使用不同的粗粉分离器开度，使通过200目筛煤粉细度为60一80%.曲线代表以试验重新验证的六次试验结果.在整个试验期间，烟气流速的变化在15%以内，烟气的变化在83以内，但总是保持在1149以上.图2-59所示过量空气的变化是另一试验的一部分而进行的.用北达科塔褐煤“D”所做的试验，显示出相似的结果.在各种条件下，当煤粉

47、细度由通过200目筛的80%下降到60%时，第三阶段的沉积增加。图7煤粉细度与沉积量的关系图8则给出了在不同的煤粉粒度情况下，污染系数的变化规律，图中R30。表示大于30的灰粒含量，该实验为试验室试验结果，可供定性参考.图8四锅炉高负荷连续运行锅炉结渣、积灰随锅炉负荷及烟气温度的增加而增加。当锅炉高负荷连续运行,特别是超负荷运行时,炉膛热负荷增加,温度升高,灰粒得不到冷却,在吹灰器吹不到的地方易形成积灰,如不及时吹灰清渣,当熔融软化的灰粘结在上面时会形成大面积结渣。五锅炉设计不当及安装或检修质量不好结渣和积灰不仅与煤灰性质有关，而且同锅炉设计参数密切相关，主要是炉膛热负荷（包括炉膛容积热负荷和

48、断面热负荷）、煤粉在炉膛内逗留的时间、燃烧器结构形式以及受热面的布置等。炉膛容积设计过小,会使炉膛出口烟温偏高,导致炉膛出口附近的受热面结渣；炉膛断面过小时,会使燃烧器温度偏高、喷燃器附近水冷壁结渣；喷燃器安装不好,会造成火焰偏斜而结渣；风机出力不足或炉墙漏风过大,也会影响正常的动力工况而促进结渣。在设计一台锅炉之前，首先要选择好所燃用的煤种，即设计煤种。如果一台锅炉在建造和安装过程中完全符合设计要求，那么，锅炉在燃用设计煤种时，一般不会发生结渣或严重积灰的情况。但在实际锅炉运行过程中，往往燃用的煤种接近或完全偏离设计煤种，这时就要产生一定程度的结渣或积灰，如果实际燃用煤种无法满足设计要求时，

49、必须考虑对锅炉的设计结构进行改造，以适应所燃用煤种的要求。六煤质发热量过高或过低大家知道,煤的发热量过低,对锅炉的安全运行危害极大,但是对于按设计煤种设计的锅炉来说,是不是煤的发热量越高越好呢？答案是否定的。因此,要改变发热量高的煤就是优质煤,就是好煤的观念。这是因为当燃煤的发热量高于设计值太多时,炉膛温度及出口烟温骤升,即使燃用煤的ST值大于设计煤种的ST值,仍可能造成灰的熔融软化,而导致锅炉结渣,甚至被迫停炉。在这种情况下,锅炉结渣不是因为灰熔点低,而是因为所燃用的煤的发热量太高造成的。七管于直径的影响图9示出了管子直径不同时，其对锅炉沾污系数的影响规律。从图中可见，随着管子直径的增大，粘

50、污系数也增大，对错列管束直径d由76mm降低到25二时，降低4倍;对顺列管束，粒径d由38mm降低到25mm时，降低2.5倍.图9管子直径对沾污系数的影响(错列管束)八管束节距的影响不同管束节距下，受热面污染系数和烟气速度的关系示于图中。从图中可见，在一定的S1/d=2的情况下，增大S2/d时，污染系数也随着增大。对错列管束来说，在S1/d=2-3下，S2/d由2.0下降到1.0时，则上升4.5倍，而对顺列管束来说，S2/d则影响不大。当条件相同时，错列比顺列低约2倍，所以顺列的尾部停滞区使头、尾部均积灰严重。因此，对燃烧易积灰的煤应采用错列布置。另外，对错列布置来说，当S1/d=2-2.5

51、时S2/d的下降，会导致的下降，这是因为产生受热面的自吹作用。图10 管束节距对的影响第五章 防止炉内结渣的措施一炉膛设计中防止结渣的措施（一）锅炉设计的前提众所周知,锅炉必须按一定的煤质特性来设计制造。因此,正确地选定设计煤种,以期在电站建成后,从煤的产、供、销、运等方面都得到保证,是使机组能在设计条件下正常运行,充分发挥其应有效益的基本前提,必须充分重视。根据对我国煤质性质及燃烧效果的分析,有些锅炉结渣并非都是运行不当或设计不正确的结果,而是煤根本不适于所用的燃烧方式。例如固态排渣煤粉炉燃用灰分高、灰熔点过低的煤,就不可避免地会严重结渣,而液态排渣煤粉炉或流化床燃烧锅炉,则恰恰适用于这种煤

52、种。可见根据煤种性质选择正确的燃烧方式,是避免燃烧某些煤种造成锅炉结渣的根本性措施。（二）正确设计炉膛结构,合理布置辐射受热面过去炉膛设计最重要的结构设计指标是炉膛容积热强度和炉膛断面热强度,整个炉膛设计合理的判断指标是炉膛出口烟温应低于燃料的灰熔点。然而对300MW及以上锅炉炉膛设计的研究表明,大型锅炉炉膛结构设计的指标远不止这几项。除炉膛容积热强度、炉膛断面热强度外,还有燃烧器区域的热强度、炉膛辐射受热面热强度、最上层燃烧器中心距分隔屏式过热器底部的高度、以及最下层燃烧器中心距冷灰斗上沿的高度等一系列指标。加设这些指标的目的是不仅要满足炉膛燃烧和传热的要求,还要保证炉膛运行安全可靠。1炉膛

53、容积热强度的选取根据以往的研究（徐通模，1993；秦裕琨，1974），炉膛容积热负荷Qv中指单位炉膛容积内燃烧放热的热功率大小，即QV=Q/V=BQydw/VwkJ/m3·s式中，Q单位时间内，燃料燃烧的放热量， (J/s)有：Q=BQydw; B单位时间的应用基位，kJ/s Qydw所用燃料的应用基低位发热量， kJ/kg; V燃料燃烧的炉膛容积，m3 VW实际烟气量，m3容积热负荷是锅炉设计很重要的综合性指标，其数值的大小与炉型、煤种、容量及燃烧方式、燃烧工况有关。目前锅炉容积热负荷是按经验选取的，并进行炉内传热校核。我国锅炉采用容积热负荷的统计值见表表7 炉膛容积热负荷的统计值

54、（MW/m3） 燃烧方式煤种固体排渣炉 液体排渣炉开式炉膛半开式炉膛 熔渣段2无烟煤0.1100.1400.1450.1690.5230.698贫煤0.1160.1630.1510.1860.1630.1980.5230.698烟煤10.1400.1980.1860.1860.5230.64褐煤0.0930.1511T21350烟煤取下限；2半开式取上限。研究数据及理论分析表明,随着锅炉容量的增大,炉膛容积热强度值相对减小。此外,近20几年来环境法规的日益严格对锅炉燃烧技术产生极大的影响,低NOx燃烧原理与传统的燃烧热力学理论的矛盾,使国内外都又采用保守设计、适当增大炉膛容积的趋势。在燃烧一般

55、烟煤时,410t/h锅炉的炉膛容积热强度约为110150kW/m3,1000t/h锅炉的约为100140kW/m3,而2000t/h锅炉则在80120kW/m3之间。对于灰分水分多、发热量低及灰熔点低的劣质煤,该值更应选得小些。例如盘山电厂的500MW锅炉,其校核煤种软化温度为1190,设计炉膛容积热强度仅为88kW/m3。2炉膛断面热强度的选取 炉膛断面热负荷QF是指燃烧器区域单位炉膛断面积的燃料燃烧放热的热功率，有Q = = （kW/m2或kJ/m2·s）式中，F燃烧器区域炉膛断面积，m2；F是炉膛宽度B与深度A的乘积。 与容积热负荷的选取相类似，目前炉膛断面热负荷按经验选取。表所示是我国部分固态排渣煤炉炉膛截面热负荷统计值。 表8 炉膛断面Q/F的统计值（MW/m2）炉膛蒸发量（t/h）220 400,410 670切向燃烧褐煤、易结渣煤12.1 2.562.93.363.253.71烟煤2.322.672.784.063.714.64无烟煤、贫煤2.673.483.024.523.714.64前墙或对冲燃烧22.22.783.023.713.484.061易结渣煤指T21350烟煤；2对裼煤和易结渣煤取下限。大容量锅炉炉膛设计中,炉膛断面热强度数