关于锅炉结渣的分析和对策

关于锅炉结渣的分析和对策
居广中南京市第二热电厂锅炉车间
摘要：本文通过对锅炉从沾污、积灰、高温腐蚀和结渣的全过程的分析和煤灰化学成分、特性以及运行中炉内化学反应、烟气成分等影响因素的分析，认为锅炉结渣是一个比较复杂的过程，严重威胁锅炉安全、经济运行。

本文也论述了从设计、安装、调试和运行调整等方面采取有力对策。

许多电站锅炉的燃烧煤种严重偏离设计煤种，对煤灰的熔点、沾污指数、焦结性缺少试验，数据不清，造成锅炉结焦的情况比较多，这类问题应该引起燃煤电厂领导及有关技术人员的重视。

关键词：锅炉沾污积灰结渣高温腐蚀煤灰特性沾污指数焦结性燃烧调整空气动力场火焰中心
煤，特别是劣质煤中，含有不少灰分。

锅炉运行中，容易产生结渣，影响锅炉运行的可靠性和经济性，甚至被迫停炉，对设备的使用寿命影响极大。

然而分析锅炉结渣问题，采取措施、对策，在运行中尽量消除，显得非常重要。

下面从几个方面论述结渣的机理和解决的方法。

锅炉受热面的结渣通常是沾污、腐蚀、积灰至结渣的过程。

按照锅炉结构和温度范围积灰、结渣的型式有三种：
1 . 炉渣沉结类型：它通常发生在水冷壁、凝渣管、屏式过热器等辐射受热面上。

这主要是煤中灰分的熔点温度低，煤灰熔化型结渣。

它还与灰分的成分、结渣指数、焦结性、接触表面温度、形状以及受力大小、撞击方向等因素有关。

这种结渣发展很快，最为严重。

2 . 高温结合沉结型：它多发生在屏式过热器、对流过热器以及高温再热器的受热面上。

其特点是烟温已低于灰的变形温度，但由于灰分中对策碱金属（主要钠、钾）与灰中其它元素形成低熔点的硫酸盐沉结或烧结在受热面上，有时地质坚硬、密集，较难以清除。

在周围烟气中含有三氧化硫气体时，还引起受热面的腐蚀属称高温腐蚀，主要发生在高温、高压以上的锅炉上。

3 . 低温灰尘类型：它主要在受热面接近或低于烟气露点温度时，烟气中硫酸蒸汽凝结，酸液捕捉飞灰凝结而成。

除积灰外，还会产生酸腐蚀，统称低温腐蚀。

一般发上在低温省煤器、空气预热器等受热面上。

炉膛内由沾污引起，结渣一般有四种类型：
1 机械沾灰：由于受热面表面粗糙和其它引力作用，使细粒飞灰堆积而形成疏松灰沾污层。

这种沾污易于用吹灰方法清除。

2 粘结沉积物：由于灰中碱土金属在高温烟气中升华而在冷的水冷壁等受热面凝结或由于粘结灰层中灰粒相互产生化学作用而形成低熔点化合物，由此沾污形成结渣。

3 密实粘结渣：这是由于灰粒间在炉内气氛下相互化学作用而被高温少结成密实积灰层。

沾污在受热面上。

它有较高的机械强度，难以清除。

4 液态渣层：当水冷壁受沾污后，使表面温度随沾污层增厚不断升高，最后使灰粒不断变成液态。

这样更易于不断粘结飞灰，到导致结果是液态流渣与积灰达到平衡。

在锅炉运行中，以上四种情况是交叉进行的，但不一定都存在。

要有煤种特性、炉内气氛以及燃烧工况而定。

根据积灰、结渣的三种型式和沾污、结渣的四种类型，锅炉沾污、腐蚀、积灰、结渣是一个十分复杂的过程。

我认为应从炉内力学、热化学、煤种灰分成份和
特性以及燃烧调整等方面分析研究，寻找对策手段。

一、炉内受热面的沾污、积灰与灰粒在炉内的受力情况有关。

一般有以下八种力
的作用，使灰粒沉积在受热面上。

1．分子间的吸引力：灰粒越细，此力作用越明显。

当灰粒小于3μm时，分子间的吸引力就大于灰粒自身重量力。

2．重力沉降：灰粒越大，可能是灰粒的重量力产生在受热面上沉降。

3．热泳力：细的灰粒飞近水冷壁时，较容易在温度差的作用下被水冷壁吸住。

4．机械网罗作用：受热面有铁锈，粗糙等易阻止灰的流动，附着灰粒。

5．气流脉动时对灰粒的摩擦力：气流的脉动主要指横向脉动，一般大于60~70μm的灰粒不随气流脉动，小于50μm的灰粒可能随气流横向脉动，而产生沾污积灰。

6．惯性分离作用：如炉内空气阻力不良，火炬（气流）直接冲刷水冷壁或在水冷壁附近产生停滞、涡流区，假象切圆过大，偏离等都有可能使灰粒分离沉积在受热面上。

7．由于灰粒旋转产生侧面作用力而出现的受热面沾污。

试验表明，灰粒在气流中旋转速度达每秒几百至几千转。

因而产生了和气流方向垂直的横向力，使灰碰在在受热
面上沾污。

8．流动摩擦产生的静电吸引力：一般金属碱土金属带负电荷，碳和硫带正电荷，使灰粒聚集管壁。

根据灰粒的受力情况分析，灰粒在炉内的沾污、积灰或多或少是必然的。

所以，锅炉运行中，经常检查、分析受热面的积灰，及时做清灰工作十分重要。

二、炉内的高温腐蚀是沾污积灰至结渣的重要因素。

有时它们是互相牵制的，一
般沾污是腐蚀的前奏。

高温腐蚀有硫酸盐和硫化物以及五氧化二钒这三种类
型腐蚀。

下面分别论述高温腐蚀的机理。

（五氧化二钒主要发生在燃油炉上，
不在此分析）
1．硫酸盐型的高温腐蚀：
受热面表面Fe2O3铁锈和沾污着极薄的细灰粒层是金属的保护膜。

在高温火焰下，升华的碱金属氧化物（如Na2O2、K2O等）冷凝在管壁的沾污层上，如果周围烟气中有SO3存在，则会发生如下反应生成硫酸盐：
Na2O+SO3→Na2SO4
K2O+SO3→K2SO4
当硫酸盐层厚增厚，热阻加大，表面温度升高，而开始发粘、熔化，此时就要沾污更多的灰粒。

硫酸盐熔化时会放出SO3和烟气中的SO3又向疏松的渣内扩散，产生下列反应：
3Na2SO4+Fe2O3+3SO3→2Na3Fe（SO4）3
3K2SO4+Fe2O3+3SO3→2K3Fe（SO4）3
这样管壁Fe2O3被破坏，而K3Fe（SO4）3在584℃就就会熔化，进一步氧化而使金属损耗，同时，结渣不断增厚，此时铁的腐蚀为：
10Fe+2Na3Fe（SO4）3→3Fe3O4+3FeS+3Na2SO4
10Fe+2K3Fe（SO4）3→3Fe3O4+3FeS+3K2SO4
因此，Na2SO4、K2SO4不断循环产生，使腐蚀不断进行。

当运行中清灰或灰渣自行脱落时，使Na3Fe（SO4）3、K3Fe（SO4）3暴露在高温火焰中，产生如下反应：
K3Fe（SO4）3→K2SO4+Fe2O3+SO3
Na3Fe（SO4）3→Na2SO4+Fe2O3+SO3
这样出现了新的碱金属硫酸盐层，在SO3的作用下，不断使管壁受到腐蚀。

2．硫化物的高温腐蚀：
当炉内氧气不足或燃烧组织不良、煤粉与空气混合比、不佳时，尤其在管壁附近存在着还原气氛、并出现硫化氢气体时，就会产生硫化物的腐蚀。

开始时煤中的FeS2随煤、灰粒一起冲刷到管壁上，受热分解出自由原子硫和硫化亚铁：
FeS2→FeS+[S]
当管壁附近出硫化氢和二氧化硫气体时也可产生[s]
H2S+SO2→H2O+[S]
在还原性气氛中，由于缺氧，原子硫可能单独存在，当管壁温度达到350℃时，就产生了如下反应：
Fe+S→FeS
硫化亚铁继续缓慢氧化而生成黑色磁性氧化铁，即：
3FeS+SO2→Fe3O4+3SO2
这一过程使管壁腐蚀，增加了管壁粗糙度，导致积灰更加严重。

因此，受热面沾污是腐蚀的和重要条件，而腐蚀是受热面积灰至结渣的重要因素。

三、煤中灰分成分和特性对结渣的影响：
煤中灰分成分多而复杂，由许多种氧化物和化合物以及矿物质等组成。

煤灰的一般成份和熔点列于下表中：
煤灰化学成分范围
煤灰的化学成分数据是当量氧化物的质量百分比，通常表达为：
SiO2+Al2O3+Fe2O3+CaO+ MgO+ Na2O+ K2O+TiO2+SO3→100%
P2O5含量极少，有时可忽略不计。

我国煤炭主要成分是SiO2、Al2O3之和达70%—90%，
少数煤种Fe2O3成分较高。

根据美国研究表明，煤灰化学成分与锅炉炉膛中实际飞灰、陆地成分、水冷壁渣的化学成分有区别。

但是灰中的化学成分一般可以估计出煤灰和渣的特性。

在高温和炉内一些气氛作用下，灰中氧化物生成化合物，使灰熔点减低。

在其它条件下形成化合物，熔点一般也是降低的。

煤灰中的矿物质有上百种，这里就不列表说明了。

从下面表中可见，煤灰中的化学成分含量变化很大，许多物质的熔点大不相同。

煤灰中碱性成分的总量可达到5%—80%，碱性成分很高或者很低都具有较高的熔点；碱性成分在30%—40%之间的煤灰的熔点最低。

煤灰中酸性成分的总量可占20%—90%，通常酸性成分高的煤灰熔点高，且渣的粘性也高。

煤中硫分高，煤灰熔点高。

煤灰中的酸碱比例，不同的煤灰、酸碱比不同，其灰的熔点不同，通过试验说明，用结渣指数Rs 的大小可以反映锅炉结渣的程度。

即：
Rs=
Fe 2O 3+CaO+ MgO+ Na 2O+ K 2O
SiO 2+ Al 2O 3+TiO 2
×S 8
S 8：干燥硫基分
同理可根据灰的成分计算出沾污指数Rf 的大小：
Rf=
Fe 2O 3+CaO+ MgO+ Na 2O+ K 2O
SiO 2+ Al 2O 3+TiO 2
×Na 2O
Rs 越大，结渣越严重；Rf 越大，沾污越严重，且烧结强度也越高，沾污的灰越难以清除。

西安热工研究所研究了我国典型煤种，烧结强度与温度有关，温度越高，烧结强度越高。

但温度接近灰的熔化温度时，烧结强度急剧下降。

烧结强度与时间有关，烧结时间越长，烧结强度也越高，结渣也难以消除。

结渣指数没有考虑到SiO 2含量高低和CaO 助熔作用对熔点的影响。

因此Rs 是定性的分析。

硅铝比SiO 2/Al 2O 3（该值一般在0.8~4）为灰熔点分析提供补充资料，也就说同样的酸碱比，则硅铝比较高的煤灰具有较低的熔点。

另外，还有些物质（如CaO 、Fe 2O 3等）对结渣指数Rs 的影响及不在此分析了。

所要提一点，一般试验煤灰的熔点数据要比锅炉燃烧的煤灰熔点高些。

因此，实际锅炉运行中必须掌握这点差异。

四、 锅炉运行燃烧调整对积灰结渣的影响：
1. 锅炉超负荷运行，炉膛容积热强度、断面热强度太高，炉膛温度超过灰的熔点
温度，使熔化的灰粒溅到水冷壁上凝结。

2. 燃烧组织不良，火焰中心偏斜，引起局部结渣。

3. 四角燃烧切圆过大，旋流式燃烧器扩散角过大，使气流贴壁；火焰中心过上或
过下都易产生水冷壁、屏式过热器等受热面结渣。

4. 煤粉过粗，炉膛负压过大，炉底漏风严重等，都可能引起炉膛出口结渣。

5. 煤粉过细，一次风量过小，一次温度太高，使煤粉着火过早，引起燃烧器周围
结渣。

6.燃烧风量不足或煤粉与空气混合不佳，都会产生还原性气体（CO、H2等）同
时产生还原反应。

Fe2O3+CO→2FeO+CO2
Fe2O3+H2→2FeO +H2O
此时，FeO与CaO、Al2O3、SiO2生成共生系统。

如：
Al2O3.FeO+2FeO.SiO2，其熔点温度是1100℃。

CaO.FeO+CaO.Al2O3,其熔点温度为1200℃，这就是CaO有助熔作用的缘故。

当生成熔点很低的共生系统，结渣要增加几倍。

从以上四个方面的分析，了解了锅炉结渣的机理和因素，而且是相当复杂、自行加剧的过程。

我认为解决锅炉运行结渣问题，必须从锅炉设计和安装调试及锅炉运行燃烧调整全过程采取措施，即：“防、治”相结合。

一、设计方面：
1.必须严格按照煤种设计锅炉型式和参数有关参数。

炉膛断面强度、炉膛出口
烟温设计应适当保守些。

2.设计良好的燃烧器性能，并能适应煤种的变化。

例如：上下摆动式燃烧器等。

3.设计受热面吹灰系统，而且吹灰性能要好，吹灰效果高。

利用声波吹灰器，
既可以起到吹灰作用，又能避免吹坏管子。

4.设计烟气再循环，调整炉膛温度。

二、安装调试、运行、燃烧调整方面：
1.燃烧器安装的各种技术指标必须符合要求，验收要认真、仔细把好关，特别
是四角燃烧直流式燃烧器的偏角>\0.5°。

2.炉膛底部的安装要使锅炉能很好的自由膨胀，并且要严密、坚固、防止漏风。

3.安装调试的工作十分重要，炉膛动力场的好坏直接影响燃烧的结渣问题。

因
此，动力场的问题必须在调试中解决。

4.运行中，加强燃烧调整，风粉混合要均匀，保证合格的煤粉细度，过剩空气
系数要合理，一、二风配比、配合要适中，建立良好的空气动力场。

5.对于四角布置的直流燃烧器，投用火嘴要均称，避免缺角运行和气流偏斜直
接冲刷水冷壁。

保持火焰中心对称。

6.燃烧煤种要尽量符合设计煤煤种。

如煤种的煤灰熔点低，采取分散性燃烧手
段、利用烟气再循环降低炉膛温度，必要时限制热负荷，运行中要加强结渣
检查和捣焦工作。

7.对硫分高的煤种，在保证完全燃烧的前提下，采取低氧燃烧，减少SO3气体
的产生。

硫酸盐型的高温腐蚀严重时，运行中可加石灰石或石英石减轻腐蚀
和积灰及结渣。

8.避免锅炉超负荷运行。

在锅炉启动、停止或低负荷时，进风量不能低于额定
负荷总风量的30%，避免煤粉、灰粒沉积。

经常检查、消除炉壁底部漏风，
控制上层燃烧器燃烧负荷等。

避免火焰中心上移，造成炉膛出口结渣。

9.吹灰器必须良好运行，定期吹灰，蒸汽吹灰次数。

延续时间根据积灰情况而
定，避免破坏热面保护层Fe2O3。

目前，声波吹灰技术不断完善，利用声波吹
灰可避免吹坏管子，节约用气量。

注：本文主要对煤粉炉、大型燃烧锅炉结渣的分析和对策。