对煤粉炉结渣_积灰及其影响的认识

对煤粉炉结渣、积灰及其影响的认识
Slagging and Ash Fouling of Pulverized Coal 2fired
Boiler and Their Impacts
东南大学 盛昌栋　(南京210096)
收稿日期:1997206210
【摘要】　结渣、积灰是我国燃煤电站锅炉中广泛存
在的问题。

本文简要论述了结渣、积灰对锅炉运行的危害,着重强调了轻度的结渣、积灰对锅炉经济性的影响。

在此基础上对我国目前急需进行的相关研究课题作出建议。

【关键词】　煤粉锅炉　结渣　积灰 煤中的矿物质和无机成份经炉内燃烧后变成煤灰。

煤灰沉积到受热面上即形成结渣和积灰。

结渣和积灰轻则影响锅炉的传热和正常运行,重则导致降负荷甚至意外停炉,严重影响锅炉运行的安全性和经济性。

,它首先取决于煤质,而研究表明,现有大机组用煤约有半数属易结渣煤,主要动力煤产区也富藏低灰熔点煤种。

此外,动力用煤入洗率低,大量使用高灰、高硫煤的现状一时还难以改变。

除煤质外,炉膛结渣还与炉膛结构特性、燃烧器形式与布置、运行方式以及防犯措施等因素有关。

近年来,低NO X 燃烧器的使用,为设计运行时防止渣的产生提出了新课题。

积灰一般是指发生在锅炉水平和尾部烟道中对流受热面上的灰沉积。

虽然国内对专门因积灰引起的运行问题的报道很少,但诸如过热器、再热器的局部超温、腐蚀、爆管,省煤器的局部磨损,空气预热器的积灰、腐蚀,烟道阻力大,炉膛负压不够等问题却频繁发生,而积灰正是引起这些问题的主要原因之一。

在采用结渣、积灰防犯措施方面,在设计时因设计依据不足,主要是煤质特性数据不足,导致措施的针对性水平不高。

如对于结渣,我国通常是根据灰熔融特性温度进行控制。

虽然灰熔点用于预报煤的结渣趋势的准确率可达80%,但毕竟还有20%的失误率。

而结渣取决于煤中特殊矿物,如黄铁矿在炉内的行为。

因而仅依据灰熔融特性温度所设计的炉膛结构参数及防犯措施必然存在问题。

对于积灰,特别是高温积灰也同样因缺乏必要的煤灰和矿物成份数据而不能恰当地采取针对性措施。

在运行中对防犯措施的使用重视不够,也是结渣积灰多发的原因。

如吹灰器的投用率普遍较低,平均投用率仅为36%,即使是500MW 以上的机组也不过74%,因而未能充分发挥其在防止灰沉积和节能方面的作用。

此外,实际使用煤质与设计煤质的差异、煤质多变的广泛存在,也使得设计时所采用措施的针对性水准大大降低。

长期以来,人们对严重结渣、积灰的危害已形成共识,但对相对轻度(不致于降负荷和停炉)的结渣、积灰的影响,特别是在其经济性方面影响认识不足。

本文的目的在于加深这方面的认识。

1　轻度结渣、积灰对锅炉运行经济性的影响
一般认为,对结渣而言,厚度小于215mm 的灰沉积是轻度的,表现为具有锐利尖角的疏松灰沉积,还未发展到熔融和蠕动;而对轻度积灰,其厚度相对于轻度结渣要小得多,是松散的,还未发生烧结或粘结。

轻度的结渣、积灰因不妨碍锅炉正常运行,更不会危及安全性,其对经济性的影响在我国还未引起足够重视。

一台300MW 锅炉,其燃煤量约3000t d (热值大于20MJ kg ),即使所用煤的灰分仅为15%(已经较低了),仍有450t d 的煤灰产生。

因此随时效作用,只要极小比例的灰分沉积就会产生巨大影响。

而事实上,保持受热面清洁是不可能的,即使燃用不易结渣和积灰煤种也难例外。

轻度结渣和积灰对锅炉运行的影响首先体现在传热方面。

从烟气侧到汽水侧的传热过程中,沉积物的导热系数较其它环节介质小得多(见附表),因而所引起的附加热阻在受热面总传热热阻中占主导地位,如得不到及时清除,必将显著地影响传热。

附图所示表明:当受热面积有3mm 疏松灰或10mm 熔融渣时,就可造成炉膛传热量下降近40%,相应炉
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21—1997年第9期 中　国　电　力 第30卷
膛出口烟温升高近300K。

而锅炉运行中的实测也表明,当炉膛积灰厚度由1mm增至2mm时,传热量减少28%。

传热效率的降低必然导致经济性下降。

为满足负荷的要求,往往还要增加燃料量以增加吸热,从而增加了机组的煤耗。

附表 炉内传热各环节介质的热力特性参数项　目对流换热系数(W m2・K)导热系数(W m・K)
介　质汽水侧烟气侧金属氧化物沉积层数　值111～117×10420～20040100103～310
附图　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
轻度的结渣和积灰一般对应于灰沉积过程的初始阶段,如不及时处理,则可能继续发展、恶化。

对燃用有一定结渣、积灰倾向的煤种,因受热面吸热减少,导致各段烟温升高,此外,因弥补受热面吸热的不足和负荷的需要而增加燃料量,造成各段烟温的进一步升高,从而促进结渣、积灰的进一步发展。

而即使对燃用不易产生灰沉积的煤种,可能不具备产生严重结渣、积灰的条件,但因时效作用,已有的沉积层会烧结、部分熔融,粘性增加而有利于后续飞灰的吸附,灰沉积也会逐渐恶化直至平衡。

国外经验表明,一台设计良好的四角切圆燃烧锅炉,燃用灰分为6%～10%、挥发分为25%～38%的不结渣煤,在连续运行5000h后,炉膛也出现了轻微结渣,而炉出口烟温则由1230℃升到1400℃。

我国有研究也表明,长期不吹灰,灰沉积使中等容量锅炉(<125 MW)排烟温度升高15℃～30℃,相当于锅炉效率降低1%～2%;而对大容量锅炉(>200MW)排烟温度升高15℃～18℃,相当于锅炉效率降低019%～112%。

当燃用有结渣积灰倾向煤种时,锅炉效率则会降低更多。

尽管定量估计结渣、积灰造成的经济损失是困难的,但由此引起的损失确是巨大的。

根据美国有关方面的初略估计,在有效控制灰沉积的条件下,如换热热流损失减少1%,可用率提高1%,即可节省4亿美元 a;而对一台燃用易积灰褐煤的500MW锅炉,仅灰沉积一项所造成的损失就可达800万美元 a。

我国虽然缺少类似的估计,但是,由于劣质煤(高灰分、高硫分、低热值)的广泛使用和吹灰不足,其损失应是相当巨大的。

因此,对轻度结渣、积灰的影响也应给予高度重视。

2　克服轻度结渣、积灰的有效措施—吹灰
上述分析表明,轻度的结渣、积灰不仅影响锅炉运行的经济性,还有进一步恶化的可能,因此必须及时清除。

轻度的灰沉积一般是疏松的、采用吹灰可有效清除。

吹灰作为防止和减轻结渣积灰的最有效手段,在国外倍受青睐。

在吹灰措施完备的前提下,设计时甚至允许一定程度的可能的灰沉积,而通过优化吹灰程序和综合考虑投资和运行的经济性,以获得较高的经济效益。

吹灰不仅是防止结渣和积灰的措施,同时也是电厂节能的一种手段,这已为国内外的实践所证明。

3　加强结渣、积灰的相关研究
综上表明,锅炉的结渣和积灰在我国是普遍存在的,在深入研究基础上可成功地解决与此相关的问题,这方面国内外不乏成功的例子。

因此加强对锅炉结渣、积灰的研究和认识是十分必要的。

从国情出发,我国目前应急需解决以下课题。

311　我国煤质特性的研究
煤质对结渣和积灰起着决定性作用,正确了解煤质特性,特别是煤中矿物质的分布及其炉内行为,是有效防止结渣、积灰的前提。

这方面国外已做了大量的研究工作,其结果可以借鉴。

但是我国煤炭资源分布广、煤种类多、煤质差异大,且与国外煤质有很大差异,因此我国的煤质特性需靠自己去研究。

对我国主要矿区的代表性煤质的特性作深入细致的研究,并建立详细的数据库(包括基础数据、实验室结果和实际运行结果),则可为锅炉设计和运行提供合理的指导和参考依据。

312　结渣、积灰机理的研究
国内外对结渣、积灰机理的研究很多,虽取得了很大进展,但依然知之甚少,因而以我国煤种为基础的机理研究仍有待深入。

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313　煤质评价
合理、准确地评价煤质及其变化对锅炉运行的影响是锅炉设计、经济运行、合理使用混煤、防止结渣和积灰等的前提。

目前,日本、美国、德国等发达国家已进行了细致的工作,开发出应用软件,并与电厂控制系统相结合,取得了良好的经济效益。

我国在这方面仍是空白,而由于煤质变化频繁,广泛使用混煤等,急需建立自己的煤质评价体系。

314　结渣和积灰的预报、诊断与监控
国内外已开发出大量的经验指数用于煤的结渣、积灰趋势的预测,但因这些指数大都建立在煤灰特性基础上,准确性和通用性均不高。

事实上,结渣、积灰是由煤中一些矿物成份的选择性沉积引起的,并与锅炉结构、运行等密切相关。

因而,近年来国外运用多种方法和先进测试技术研究矿物质的炉内行为,以揭示结渣和积灰机理,并运用所得成果,建立大型数学模型和模拟软件,以模拟炉内飞灰的行为和沉积过程,对结渣、积灰趋势进行预报;用于新锅炉的设计和运行时对锅炉变换煤质的影响的评价。

在这方面,我国的研究已显落后,需及时赶上。

对炉内结渣和积灰的位置、状况进行准确的诊断、预报和监控,可使运行人员及时采取措施,合理而有效地清除积灰、优化运行、防止事故的发生。

因此,开发相应的诊断技术和监控系统是十分必要的。

315　防犯措施的研究与开发
a 1　煤质方面:洗煤、
变煤种和混煤后煤中矿物质的炉内行为的研究。

b 1　锅炉设计:煤质、
煤灰特性与锅炉结构之间相关性的研究。

c 1　锅炉运行:优化运行与控制系统的开发。

d 1　吹灰:诊断技术的开发和吹灰程序优化。

e 1　添加剂:针对我国典型煤质,开发相应的新
型添加剂。

316　新问题的研究
环境保护要求的日益提高,迫使煤粉炉在实现
高效燃烧的同时,还要降低污染物的排放。

越来越多的锅炉中采用了低NO X 燃烧的脱硫技术,但由此也引起了一些新的灰沉积问题。

在实现低NO X 燃烧时,炉内燃烧工况,特别是低氧和还原性气氛的出现,有促进结渣和积灰的作用;而当采用炉内喷钙技术脱硫时,钙基成份则可能引起和加重积灰。

对这些新问题的研究无疑有益于这些技术的完善,并促进其应用。

4　结束语
煤粉炉的结渣和积灰严重影响着锅炉运行的安全性和经济性,是长期困扰人们的难题之一。

研究表明,炉内结渣、积灰是我国煤粉锅炉中广泛而将长期存在的问题。

因此本文分析了炉内结渣、积灰对锅炉运行的影响,着重强调了轻度结渣和积灰对经济性的影响以及吹灰的作用,旨在加深对结渣、积灰的认识。

在此基础上,提出了我国急需研究的相关课题,相信这些课题的完成,必将大大的改善我国煤粉锅炉的整体运行水平,进一步提高经济效益。

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和计算.北京:科学出版社,1994
(责任编辑　孙家振)
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行摸底试验,找出存在的问题。

借助热力试验手段,可对热力设备性能进行监督评估。

5　结束语
节能是我国的一项基本国策。

电厂节能技术监督能促使发电设备效率提高和各种能耗降低。

监督工作是从基建开始的全过程监督,是全厂各部门的全方位监督,各部门应有明确的监督职责及其指标;监督的基础是能源计量管理,有效手段是计算机在线监测和热力试验。

只要认真、扎实地抓好监督工作,就能推动电厂运行及检修质量的提高,开创节能工作的新局面。

(责任编辑　叶　雷)
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