第九章 尾部受热面运行问题

煤粉炉运行经验表明： ➢ 煤中St,d＜1.5%时，不会产生明显的沾污和腐蚀，低温受热面使用寿命10年
以上； ➢ 煤中St,d=1.5%～3%时，有较明显的沾污和腐蚀； ➢ 煤中St,d＞3%时，有严重腐蚀，低温受热面使用寿命2～4年。 ➢ 对于层燃炉和液态排渣炉，St,d＞1.5%，腐蚀问题就较突出。
低温腐蚀： ◆ 当燃用含硫燃料时，硫燃烧后形成SO2，其中一部分会进一步氧化成SO3，
SO3与烟气中水蒸汽结合成为硫酸蒸汽 ◆ 当受热面的金属壁温低于酸露点时，硫酸蒸汽就会在壁面上凝结，对金属产生
严重的腐蚀作用。
腐蚀和堵灰： ◆ 硫酸蒸汽凝结成液态硫酸，不仅会腐蚀金属，而且还会粘结烟气中的灰颗粒，
引起积灰，此外，沉积灰中的金属氧化物与酸液反应生成水硬性硫酸盐，使 积灰硬化，严重时将造成烟气通道堵灰。 ◆ 腐蚀与堵灰往往是相互促进的。
碳酸盐： 方解石 菱镁矿 菱铁矿 钒土
煤中重量百分数(%)
85 1.6 1.5
5 3 3 ＜0.1 ＜0.1 ＜0.1
0.5 0.1 0.2 稀少
莫氏硬度
1.2—2.5 7
6—7
2—2.5 2—2.5 2—2.5
6 6—7
8
3 4 4 9
维氏硬度(kg/mm2)
10—70 1200—1300 1100—1300
七、尾部受热面的防磨措施
➢ 设计时合理选择烟气流速
➢ 降低速度分布不均匀和飞灰浓度分布不均匀
➢ 在磨损严重部位加装防磨装置
➢ 局部磨损严重的管排改用厚壁管
➢ 降低烟气中飞灰浓度
➢ 采用膜式省煤器或鳍片管式省煤器
➢ 采用较大的管排横向节距，增大烟气流通面积
➢ 减小灰粒直径
书本：201-204
不同炉型最大容许烟速
➢ 适当提高烟气速度是预防积灰主 要手段，吹灰是清除积灰有效措 施
9.2 尾部受热面的磨损
➢ 含有硬颗粒的流体相对于固体运动，使固体表面产生的磨 损——冲蚀(冲击磨损)
➢ 两种冲蚀类型：
冲刷磨损—颗粒相对于固体表面冲击角较小，甚至接近平行； 撞击磨损—颗粒相对于固体表面冲击角较大，或接近于垂直。
Ke=-0.012Ash + 0.074 SiO2/Al2O3 + 1.33 (Ke≥10%)
SiO含量对磨损影响
煤种
SiO2/Al2O3 磨损数Ke
晋中煤
1.428 0.8768
寿阳煤
1.193 1.0886
④飞灰磨损系数a与灰中成分关系
a 0.8688 0.2175[Ch ] 1.660[SiO 2 ] 0.2387 [Al2O3 ]10 9 a 18.81 0.424[Ch ] 0.325[SiO 2 ] 0.232[Fe 2O3 ]10 9
a主要与煤种有关，可近视取14×1010mm·s3/(g·h)
磨损量和速度的简化计算公式
磨损速度主要与灰量、灰的磨损特性、灰粒(烟气)速度和烟气 温度有关。
Ew=57.2Pa3.3/Tg
Pa—灰的磨损参数；—烟气速度；Tg—烟气温度。
飞灰磨损量可用下式计算：
E cw3
式中 E 管壁表面单位面积磨损量，g/m2；
飞灰撞击率，与灰粒所受惯性力及气流的粘性力有关；
如用磨损厚度来表示磨损量，则磨损厚度为： T c •w3 js js
js—金属的密度， g/m3
六、煤灰的磨损特性的判别
• 灰磨损指数（我国常用指数）
H ab
Aar 100
(SiO2
0.8Fe2O3
1.35Al2O3 ),%
– Hab < 10%，磨损倾向轻微 – Hab 10-20%，磨损倾向中等 – Hab 20% ，磨损倾向严重
磨损小的煤： Ic ＜0.01 磨损程度中等的煤： Ic =0.01～0.025 高度磨损的煤： Ic 0.025～0.05 磨损严重的煤： Ic ＞0.05
③磨损与SiO2和Al2O3的关系
SiO2和Al2O3是煤灰磨损主要影响因素，常将SiO2和Al2O3的比值作为 一种判定准则，比值越大，磨损越严重。
kD—锅炉设计负荷下烟气速度与平均运行负荷下烟速比值。
五、飞灰冲击磨损的影响因素
➢ 烟气速度的影响 ➢ 管子排列方式的影响 ➢ 飞灰粒径的影响 ➢ 飞灰浓度的影响 ➢ 管壁材料硬度的影响 ➢ 管壁温度的影响 ➢ 气流方向的影响 ➢ 烟气成分的影响 ➢ 烟气走廊
书本198-201
飞灰磨损系数a！
燃料和飞灰特性
确定磨损量与飞灰特性关系的方法
①磨损速度Ew与飞灰硬度的关系： Ew=BH2.3
式中B为实验常数， 而更一般的表达式为：
Ew=B1(H - H1)n 式中H1表示被磨损材料的硬度，B1为常数，n为指数。
②煤的磨损指数Ic，取决于石英和黄铁矿重量分额。 Ic=(Cq + xCp)Iq
Cq和Cp—为煤中石英和黄铁矿的重量分额(%) x—系数，一般取0.2～0.5， Iq—石英的相对磨损度。
位置：空气预热器、省煤器、烟道、 引风机、炉墙护板和烟囱。
二、硫是形成低温腐蚀的主要因素
➢酸露点与燃料中的含硫量及燃烧方式有关。 ➢可燃硫分燃烧生成SO2，进一步转化成SO3的很少，烟气中SO3含量仅为 SO2的3%～5%，烟气中SO3含量只占到几十万分之几。
烟气中三氧化硫的形成主要有两种方式： ➢一是燃烧反应中火焰里的部分氧分子会离解成原子状态，它能与二 氧化硫反应生成三氧化硫，燃料含硫量愈大，炉膛温度愈高，过量空 气量愈多，生成的三氧化硫愈多； ➢二是烟气中二氧化硫流经对流受热面遇到氧化铁或氧化钒等催化剂 时，会与烟气中的过剩氧反应生成三氧化硫。
我国典型煤种磨损系数a的试验结果
煤种名称 铜川煤 抚顺混煤 义马焦作混煤 大同煤 南桐重庆混煤 荣昌/广元/会家山混煤 埠新、新丘混煤
磨损量(g) 0.042 0.047 0.051 0.0356 0.063 0.059 0.062
a×109 1.12 1.26 1.37 0.95 1.82 1.58 1.66
膜式壁和鳍片管防磨原理
转向室后常用防磨措施
八、流化床锅炉磨损问题突出
• 山东某发电公司465t/h循环流化床锅炉自2002年投产，经历了 星期炉、半月炉等阶段，其中锅炉爆管导致机组非停占总非停 次数85％以上，经过数年设备改造及治理，最少爆管3次，最长 连续运行周期百日。国内首台1025t/h循环流化床锅炉投产当年 就数次发生爆管事故。
➢ 纯煤不坚硬，维氏硬度为10—70。磨损主要由煤中矿物质引起； ➢ 高岭土、伊利石和白云母软物质，维氏硬度不超过80； ➢ 长石、蓝晶石和黄玉硬物质，维氏硬度可达1000以上； ➢ 常用的耐磨金属锰钢的维氏硬度为180-220。
成分
煤质 石英 黄铁矿
硅酸盐： 高岭土 伊利石 白云母 长石 蓝晶石 黄玉
第九章 尾部受热面的运行问题
内容提纲
➢ 本章内容 • 尾部受热面积灰特点 • 尾部受热面的磨损、影响因素、预防措施 • 酸露点与空预器低温腐蚀、堵灰 ➢ 解决重点 • 尾部受热面的磨损与预防措施 • 酸露点与空预器低温腐蚀及预防措施 ➢ 补充内容 • 磨损与燃料特性的关系
9.1 尾部受热面的积灰
➢ 烟气中的SO2越高，硫酸蒸汽的含量越高，烟气露点越高，低温腐蚀越严重； ➢ 水蒸汽含量越高，烟气露点升高； ➢ 极少量的硫酸蒸汽就会对酸露点影响很大； ➢ 酸露点估计依靠经验关联式确定； ➢ 可以由仪器直接测定。
(1-3)d位置磨损量最大
烟气流动转向与烟气走廊
炉内易受热面磨损的区域
•烟气流动方向变化 •烟气走廊 •吹损
水平烟气走廊出口处速度场
烟气走廊
三、磨损危害
• 磨损的危害
– 受热面壁厚减小，强度降低，甚至破坏，导致管子 泄漏，影响锅炉的安全运行。
– 增加检修工作量和钢材（修复或更换）耗量
四、金属管壁受飞灰冲蚀磨损近似计算
1973年锅炉热力计算标准推荐管壁最大磨损量计算公式：
Emax
aMk
(k
g
)3.3
R2/3 90
(
1 2.85kD
)3.3
(
S1 S1
d
)2
(mm)
p
碰撞频率因子
计算第一排不计，烟 速取管前平均烟速
a—烟气中飞灰磨损系数；
M—管材的抗磨系数；
—飞灰浓度；
k和k—飞灰浓度场和烟气速度场不均匀系数；
g—管束间最窄截面上的烟速；
185t/h 75t/h
除尘器前 预热器上部 引风机前 除尘器前 除尘器前 省煤器出口
平均莫氏硬度 7.27
7.18
7.33 6.88 7.03
6.97
比重
2.10
2.12
2.25 2.38 2.05
2.30
可燃物
2.28
4.53
6.32 1.29 2.71
6.34
我国典型电站锅炉飞灰的平均硬度Hm为7左右，相当于石英的硬度。
气固流动形式
9.3空气预热器低温腐蚀与堵灰
一、烟气的水露点、酸露点和低温腐蚀、堵灰
水露点：烟气中水蒸汽开始凝结的温度。烟气中水蒸汽的露点低达45-54℃。烟 气中水蒸气分压约为10%，在此分压下，纯水蒸汽的凝结露点仅为46.65℃。
酸露点：烟气中硫酸蒸汽的凝结温度。烟气酸露点可达140-160℃甚至更高。 烟气中SO3浓度（或硫酸蒸汽浓度）越高，酸露点越高。
管式
10～11 12～14
板式
9～10 11～13
铸铁带鳍片 10～11
回转式
8～12
wk/wy
0.5 0.95 1.05 0.7
省煤器的防磨装置
(a)弯头处的护瓦和护帘；(b)烟气走廊 区的护瓦；(c)弯头护瓦；(d)局部防磨 装置 1—护瓦；2—护帘
各种防磨装置
管式空气预热器的防磨装置
(a)磨损和防磨原理；(b)、(c)加装保护套管；(d)外部焊接短管 1—内套管；2—耐火混凝土；3—预热器管板；4—焊接短管
➢ 顺列管束布置，第一排管磨损最为严重。
管外横向冲刷磨损区域
➢第一排管，迎风面撞击角 为30 ～ 50时，磨损量达 到最大。
➢对多排管束时第一排以后 的各排管子，错列时磨损集 中在25～30区域，顺列时 集中在60处。
➢最大磨损量位置与管径及 管节距有关，管径大，半角 小。
管内纵向冲刷磨损区域
明显产生磨损的部位， 在烟气进口约100～ 150 mm或(1-3) d长 的一段管壁处。
1-旋风炉，(排渣率80%) 2-液态炉， (排渣率60%) 3-煤粉炉， (排渣率20%)
有灰燃料烟气极限流速
受热面
折算灰分(g/MJ)
省煤器、过渡 ＜12 14～17 21～24 70 区
过热 碳钢 13 10
9
7
器 合金钢 14 12
11
8
空预器最佳烟气流速
空预器型式 最佳烟气流速(m/s)
低温级 高温级
30—40 20—35 40—80 700—800 500—2150 1500—1700
130—170 370—520 370—430
1200
煤种和矿物质的莫氏硬度和比重值
➢ 金属的磨损量与材料和灰粒的硬度比有关(书本199，Hb/Hh)，灰粒硬度越 高，磨损量越大；
➢ 灰粒硬度比金属差时，灰粒撞击到金属表面会使飞灰颗粒受到破坏，降低 磨损性。
二、受热面磨损的区域
受热面的磨损是不均匀的， 不仅是烟道截面不同部位 受热面的磨损不均匀，而 且沿管子周界的磨损也是 不均匀的。
管外烟气横向冲刷 管内烟气纵向冲刷
错列 顺列
➢ 错列管束，s1/d = s2/d = 2时，最大磨损的管排是第 二排，约为第一排的2倍。以后各排磨损量大于第一排， 小于第二排。 s1/d>2时，最大磨损的管排往往不是在 第二排，而是移至管束深处。
➢ 磨损一般发生在烟温低于1150K，壁温低于750K的低过、低 再、省煤器和空预器区域。
➢ 例：200MW的燃煤锅炉，灰分30%，飞灰占80%，每年 流经对流受热面管束的飞灰量为16.5万吨，设计寿命为10 年，流过165万吨。
一、冲击磨损过程的物理现象
(a)球形粒子 正面冲击时 的能量平衡 (b)球形粒子 30°冲击时 的能量平衡
飞灰的平均莫氏硬度计算：
m
m
Hm X i Hi / X i
i0
i0
Xi—灰粒中各化学成份的百分含量；Hi—对应Xi的莫氏硬度。
氧化物 莫氏硬度9
Fe2O3 5.8
TiO2 6
CaO MgO
4
4
我国典型电站飞灰的平均硬度Hm
炉型
400t/h
220t/h
尾部受热面积灰特点：
➢ 尾部受热面烟道温度低于600～ 700℃，没有熔化的飞灰，除空 气预热器外，受热面上积灰为疏 松的沉积灰。
➢ 灰的特点：小于200μm，大多数 为10～20μm。
➢ 当含尘烟气横向流经受热面管束 时，在管子的背风面形成涡流区， 较大粒径飞灰惯性大，不易卷入， 而小于30 μm的小颗粒却跟随气 流卷入涡流区，并沉积。