趙 剛，呂洪坤，張 明，熊建國，應(yīng)明良，王 磊

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100029；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

發(fā)電廠燃煤鍋爐結(jié)渣現(xiàn)象在運行中經(jīng)常出現(xiàn)，是安全生產(chǎn)中必須解決的重大問題之一。爐膛內(nèi)一旦開始結(jié)渣，如不及時采取有效措施，渣塊就會越結(jié)越厚、越結(jié)越大，對鍋爐的燃燒、換熱均會造成一系列的負(fù)面影響，從而影響鍋爐的安全與高效運行[1]。

國內(nèi)對鍋爐內(nèi)部結(jié)渣的機(jī)理、危害以及預(yù)測等方面進(jìn)行了較多的研究[1-6]，為了更好地控制爐膛內(nèi)部的結(jié)渣，采用現(xiàn)代測試技術(shù)對分層渣樣或?qū)t膛不同高度形成的渣樣進(jìn)行理化分析。此類研究在國內(nèi)還未見報道，國外近年來已有少量的報道，如澳大利亞的Wee HL等人[7]將取自330 MW機(jī)組鍋爐的渣樣切成許多薄片對其結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、礦物構(gòu)成等進(jìn)行了研究；希臘的Kostakis G[8]對燃褐煤鍋爐進(jìn)行了渣樣的礦物學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)隨著形成結(jié)渣物高度的不同，其結(jié)構(gòu)與內(nèi)聚力一般均會發(fā)生變化。

1 鍋爐結(jié)渣狀況

1.1 鍋爐概況

某發(fā)電廠1000 MW機(jī)組采用超超臨界變壓運行直流鍋爐，由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造、三菱重工業(yè)株式會社提供技術(shù)支持。鍋爐采用Π型布置、單爐膛、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全懸吊結(jié)構(gòu)、反向雙切圓燃燒方式。

鍋爐長期燃用印尼、澳洲等年輕煤種，這些煤種灰成分中具有較高的堿金屬含量，致使其灰熔點較低[9]。較高的灰分堿金屬含量亦可能導(dǎo)致煙氣中含Na類等物質(zhì)在換熱器壁面上沉積，從而提高了換熱器外壁面的溫度及粘附性，使得表面更易捕獲熔融灰粒，加劇結(jié)渣過程[10]。

1.2 結(jié)渣情況

在鍋爐檢修期間，入爐檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐第二級過熱器下部結(jié)有大渣，燃燒器附近水冷壁面亦存在較大區(qū)域掛渣的現(xiàn)象。如圖1（a）所示，第二級過熱器下部有大面積的結(jié)渣，底部區(qū)域渣層較厚，這主要是因為熔渣在重力作用沿著管屏向下流動，且熔渣存在一定的黏度。當(dāng)下部渣層的重力超過了中間某一渣層區(qū)域的縱向粘性力時，即發(fā)生掉渣的現(xiàn)象。如圖1（b）所示，燃燒器噴口右側(cè)水冷壁區(qū)域有較大面積的結(jié)渣，渣層斷裂部分顯示，渣層存在一定的分層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部呈黑色且質(zhì)地堅硬。

圖1 爐內(nèi)典型結(jié)渣情況

2 渣樣理化研究

為了研究圖1中所示渣樣的成分和形成過程，分別對上述2個典型區(qū)域的渣樣取樣分析。為了便于區(qū)別，定義從圖1（a）所示渣樣中取下的樣本為S-A，從圖1（b）所示渣樣中取下的樣本為S-B。為了對渣樣進(jìn)行深入地分層分析，分別對上述2種渣樣進(jìn)行了典型區(qū)域切割碾磨，表1示出了各切割區(qū)域標(biāo)示的具體描述。

2.1 渣樣表觀分析

圖2描述了S-A樣本的外在形態(tài)。沿著渣樣的生長方向，存在明顯的分層結(jié)構(gòu)。若以靠近換熱器管子外表面為最里側(cè)，則渣樣從里到外依次大致可分為：組織較致密的桔黃色單薄區(qū)、顆粒狀疏松區(qū)、中部結(jié)構(gòu)致密堅硬的厚實區(qū)、外側(cè)顆粒狀疏松區(qū)。最外側(cè)的顆粒狀疏松區(qū)則可能為停爐過程中隨著爐膛溫度的冷卻，粒子打在仍具有粘性的渣層上形成，未形成致密堅硬的燒結(jié)形態(tài)是由于此時的渣溫下降所致。若考慮成渣機(jī)理[2，3]，從里到外，主要可分為：初始沉積區(qū)、飛灰顆粒粘附區(qū)、燒結(jié)區(qū)。

表1 各切割區(qū)域標(biāo)示說明

圖2 S-A樣本各個視角整體及局部圖樣

圖3描述了S-B樣本的外在形態(tài)。渣樣從里側(cè)到外側(cè)仍存在較明顯的分層結(jié)構(gòu)，其最大的區(qū)別在于里側(cè)渣樣局部呈現(xiàn)玻璃化流動態(tài)，越靠近外側(cè)，渣樣中的空隙結(jié)構(gòu)越多。

圖3 S-B樣本各個視角整體及局部圖樣

由此可見，S-B渣樣與S-A渣樣在形態(tài)結(jié)構(gòu)上存在較大區(qū)別，究其原因，可能跟各自區(qū)域的溫度有關(guān)。S-B渣樣取自燃燒器噴口附近，該區(qū)域靠近火焰，熱負(fù)荷較高，且該區(qū)域的粒子顆?？赡茌^大，若有粒子物沾在換熱管上，粒子外側(cè)溫度在強(qiáng)烈輻射作用下易升高，當(dāng)其呈現(xiàn)粘性進(jìn)一步捕獲粒子時就可能使外側(cè)渣樣形成熔融態(tài)，而最里側(cè)形成的初始沉積區(qū)不夠致密致使外側(cè)渣樣的粘附力不足，因此外側(cè)渣樣易于形成局部柱狀熔融流動態(tài)。

從空隙分布角度可以判斷，外側(cè)渣層的溫度要更高些，因此其中某些物質(zhì)氣化形成的空隙結(jié)構(gòu)亦會更多。然而，從外觀上大致判斷，S-B樣本的燒結(jié)程度不如S-A樣本，這說明S-B樣本所處的整體最高溫度可能不如S-A樣本。這可能和S-B渣樣靠近燃燒器噴口有關(guān)，因為當(dāng)渣樣長厚到一定程度時，可能受到相對較低溫度的一、二次風(fēng)的冷卻。

2.2 渣樣切割碾磨物可燃物分析

表2及表3分別列出了S-A樣本及S-B樣本中可燃物含量的分析結(jié)果。2種樣本中的可燃物含量均非常低，且不同切割位置之間的差別亦不大。這至少說明，在鍋爐內(nèi)部所形成的塊狀物質(zhì)確系為渣而非焦。此外，兩表中的結(jié)果亦表明，S-A樣本中的整體可燃物含量還要稍低于S-B樣本，這可能是S-A樣本取自大屏區(qū)域，可燃粒子已經(jīng)過較長的燃燒時間，其可燃物含量自然會相對低一些。

表2 S-A樣本各切割位置可燃物含量

表3 S-B樣本各切割位置可燃物含量

2.3 渣樣切割碾磨物XRF分析

表4及表5分別列出了S-A樣本與S-B樣本從各自典型區(qū)域切割取下的碾磨樣品進(jìn)行XRF（X射線熒光光譜）分析，所得的以氧化物形態(tài)表示的成分構(gòu)成。如表4所示，各切割區(qū)域樣品的組成與灰的成分結(jié)構(gòu)類似[9]。S-A-3切割碾磨樣品中SiO2與Al2O3此類高熔點物質(zhì)含量是各層中最高的，而Fe2O3，CaO，MgO，Na2O，K2O等低熔點物質(zhì)含量則是各層中最低的。這是由于，S-A-3切割位置處于S-A樣本中間區(qū)域的高溫?zé)Y(jié)層，其所處的溫度是各層中最高的。因此，一些低熔點物質(zhì)或更易揮發(fā)，或更易形成熔融態(tài)物質(zhì)，在重力作用下從渣層中流出，如此剩下的高熔點物質(zhì)所占比例自然也就高了。

此外，從表4還可以發(fā)現(xiàn)，最里側(cè)的Na2O與K2O及SO3含量是各層中最高的。該層中的Na2O與K2O含量相對最高主要跟該層的成渣機(jī)理有關(guān)，因為通常在最初潔凈的換熱管上，Na2O與K2O由于熔點非常低，易在煙氣中形成氣態(tài)，當(dāng)其遇到較冷的潔凈換熱管之后即快速凝固；而SO3含量較高可能和含SO3類物質(zhì)向里側(cè)的某種富集擴(kuò)散機(jī)理有關(guān)。事實上，SO3含量較高也提示了其管壁（過熱器）易發(fā)生高溫硫酸鹽型腐蝕，這和有關(guān)文獻(xiàn)的分析一致。

綜合分析，樣本中間區(qū)域的高溫?zé)Y(jié)層由于溫度較高，表面熔融之后更易捕獲飛灰顆粒，是導(dǎo)致渣層不斷增長的層區(qū)。從防止結(jié)渣的角度出發(fā)，由于渣樣最里層區(qū)域較致密難以有效吹除，而里層附近存在一疏松結(jié)構(gòu)的渣層，應(yīng)是可以通過吹灰措施最易去除的渣層。

表4 S-A樣品各切割位置氧化物構(gòu)成（XRF）

表5所列結(jié)果與表4中的結(jié)果存在較明顯的區(qū)別。各層的SiO2與Al2O3類高熔點物質(zhì)及Fe2O3，CaO，MgO等低熔點物質(zhì)的含量均相差不多。S-B樣品中最外側(cè)渣樣的SiO2含量明顯稍高一些，而中間區(qū)域CaO含量要稍低一些。這說明S-B樣本在爐膛中形成時各層之間的溫度差別不大，相對的，可能外側(cè)區(qū)域要稍高一些。同樣的，S-B樣本最里側(cè)的Na2O，K2O及SO3含量與S-A樣本的情況是類似的，究其原因亦應(yīng)類似。

表5 S-B樣品各切割位置氧化物構(gòu)成（XRF）

2.4 渣樣切割碾磨物XRD分析

對取自S-A樣本、S-B樣本各自典型區(qū)域切割碾磨的樣品進(jìn)行了XRD（X射線衍射）分析，發(fā)現(xiàn)各樣品中的礦物質(zhì)分布非常復(fù)雜。表6與表7分別列出了各測試樣品進(jìn)行XRD分析所得的礦物質(zhì)構(gòu)成，表中所標(biāo)示出的僅是儀器能明顯辨認(rèn)存在的礦物質(zhì)。

表6 S-A樣本各切割位置XRD檢測出主要成分

表7 S-B樣本各切割位置XRD檢測出主要成分

如表6與7所示，樣品不同切割位置的礦物質(zhì)分布許多是類似的，但也有一些不同之處，有些礦物質(zhì)從化學(xué)組成角度而言是一致的，但事實上確屬不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，造成這種差別的原因可能與渣層所在的溫度等因素有關(guān)。

如表6所列，S-A樣本各切割碾磨樣本中均明顯分布有鈣長石及赤鐵礦，S-A-2及S-A-4兩個位置樣本均取自疏松狀渣樣，可見其內(nèi)部的礦物組成基本一致，而溫度相對最低的S-A-1位置所取樣品與溫度相對最高的S-A-3位置所取樣品的礦物質(zhì)組成則存在明顯不同。

表7中所列結(jié)果則顯示各切割位置中礦物質(zhì)的分布均基本一致，這可能也說明S-B樣本各切割位置在爐膛內(nèi)部時的溫度分布比較接近。

綜合表6及表7結(jié)果可以得出S-A樣本各切割位置的溫度分布存在明顯區(qū)別，而S-B樣本各切割位置的溫度分布則相差不多，這與上文XRF分析所得出的結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論

通過對某燃燒年輕煤種鍋爐內(nèi)部典型渣樣的表觀與分層理化研究，可以得出如下一些結(jié)論：

（1）渣樣各切割位置中的可燃物含量極低，預(yù)示通常鍋爐內(nèi)所結(jié)的物質(zhì)主要為渣而非焦；

（2）第二級過熱器區(qū)域渣樣主要可以分為4個層區(qū)，中部為最厚也最致密的燒結(jié)層，其中低熔點物質(zhì)較少、高熔點物質(zhì)較多的分析結(jié)果反映出該區(qū)域是渣層最高溫度所在位置，其亦是導(dǎo)致渣層不斷增長的層區(qū)；

（3）為了防止渣層的增長應(yīng)通過適當(dāng)?shù)拇祷掖胧┐_保渣樣不在里層附近形成疏松層，一旦中間燒結(jié)區(qū)形成后，熔渣將難以有效吹除。

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