馬達(dá)夫，何翔，周文臺(tái)，魏增濤，曹建文

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海　200240)

新疆高堿煤沾污特性的分析

馬達(dá)夫，何翔，周文臺(tái)，魏增濤，曹建文

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海200240)

分析了燃用高堿煤時(shí)機(jī)械力與粘性力在沾污、結(jié)渣及腐蝕形成過程中的作用機(jī)理。結(jié)果表明:氧化性氣氛下的灰熔融溫度較高，不容易產(chǎn)生沾污的特性;當(dāng)尾部煙道溫度較低，煙氣流速較大時(shí)，沾污程度較低。

高堿煤;沾污

新疆準(zhǔn)東煤田于2005年被勘探認(rèn)定為蘊(yùn)藏著3.9×1011t煤炭資源［1］，以目前我國煤炭年產(chǎn)量計(jì)算，一個(gè)準(zhǔn)東煤田足夠全國使用100年。準(zhǔn)東煤易著火、易燃盡，灰分含量低，燃燒穩(wěn)定性強(qiáng)［2］;但其含水量高，且熱值僅19 MJ/kg左右［3］，屬于低熱值煤種。準(zhǔn)東煤的另一大特點(diǎn)是堿金屬含量非常高，尤其是灰分中的Na2O通常占到2%以上，部分礦區(qū)甚至高達(dá)10%，屬于嚴(yán)重沾污煤種［4］。故電廠在燃用高堿煤過程中會(huì)在爐膛受熱面及尾部受熱面產(chǎn)生大片沾污面，不僅降低鍋爐換熱效率，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致管壁腐蝕、高溫爆管，影響電廠安全運(yùn)行。為此筆者分析了燃用高堿煤產(chǎn)生沾污的主要作用力與沾污形成過程;燃燒區(qū)域氧化性氣氛與還原性氣氛對(duì)沾污程度及成灰熔融溫度的影響;在鍋爐水冷壁及尾部受熱面沾污的情況下，沾污系數(shù)與積灰時(shí)間或煙氣流速的關(guān)系。改善爐內(nèi)沾污情況對(duì)準(zhǔn)東煤大規(guī)模乃至純燒利用具有很重要的意義。

1　沾污、結(jié)渣及腐蝕形成原因

1.1形成機(jī)理

爐內(nèi)受熱面的沾污及積灰可以看作是結(jié)渣和高溫腐蝕的前奏，它們是相互有機(jī)聯(lián)系的［5］。通常有下列幾個(gè)作用力使灰顆粒沉積在爐內(nèi)受熱面:

(1)范德瓦爾斯力。當(dāng)灰粒較細(xì)時(shí)，例如小于3 μm時(shí)，分子間的吸引力就比灰粒本身重力大，使微小的灰粒在受熱面附近飛過時(shí)受到吸引。

(2)重力。當(dāng)灰粒較大時(shí)，如大于1～3 μm時(shí)，就可能會(huì)由于重力的作用而沉降于受熱面上。

(3)熱泳力。細(xì)灰粒接近水冷壁時(shí)，由于水冷壁壁面溫度比火焰溫度低，使灰粒正反面受到不同熱泳力的作用，接著灰粒向水冷壁運(yùn)動(dòng)。其作用力的大小可由式(1)計(jì)算。式中:r、rp分別為顆粒半徑和分子自由行程;λ、λp分別為氣體和顆粒的導(dǎo)熱系數(shù);μ為氣體動(dòng)力黏度。

對(duì)于粒徑越小的顆粒，其熱泳力與重力的比重越大。

(4)機(jī)械捕捉。當(dāng)部分受熱面被氧化生成凹凸不平的鐵銹，能輕易地網(wǎng)羅一些過往的小灰粒。

(5)凝結(jié)作用。燃料中的堿土金屬氧化物在爐內(nèi)高溫下會(huì)升華成蒸汽，接著凝結(jié)在溫度較低的受熱面上，一般以極細(xì)的晶粒形式出現(xiàn)(粒徑為0.1～0.2 μm)。

(6)氣流脈動(dòng)對(duì)灰粒的摩擦力。爐內(nèi)氣流的橫向脈動(dòng)可使較大的灰粒沉積在受熱面上。

以上的作用因素往往是相互同時(shí)作用的。當(dāng)受熱面上積累了一些粒徑為0.2～10 μm的灰顆粒時(shí)，通常就是爐內(nèi)水冷壁沾污的開始。溫度的壓差使得灰粒漸漸黏附在受熱面上，而后堿土金屬與SiO2等氧化物蒸汽凝結(jié)在其之上，形成了沾污灰層的第一層，也就是內(nèi)白層。當(dāng)顆粒沉積在受熱面之后，具有黏性的硫酸鹽或復(fù)合硫酸鹽將這些顆粒黏住，與以上提到的各種機(jī)械力共同作用形成沾污面。

1.2形成過程

鍋爐受熱面的沾污主要由于燃燒灰中的堿金屬及(或)堿土金屬升華粘附在水冷壁上，與煙氣中的硫氧化物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生了較穩(wěn)定且黏性強(qiáng)的復(fù)合硫酸鹽及(或)硫酸鹽，形成了熔融或半熔融基體，以此捕捉飛灰。

高溫黏結(jié)性積灰的形成通常劃分為三個(gè)區(qū)域:內(nèi)白層、過渡層和外部燒結(jié)層［6］。內(nèi)白層主要由含堿金屬硫酸鹽較多的汽相組分受熱遷移及電泳擴(kuò)散和小于5 μm的微粒受靜電力與范德瓦爾斯力牽引共同作用而形成的。受慣性作用力的影響將煙氣中灰粒攜帶到NaOH與Na2SO4的熔融灰中，形成了過渡層。外燒結(jié)層中捕捉飛灰的黏性物質(zhì)與內(nèi)白層中的物質(zhì)通常是一樣的，由Na、Ca、K和Si的化合物組成。在外燒結(jié)層上，熔融或半熔融基體與飛灰顆粒不斷地增厚，導(dǎo)致水冷壁與外燒結(jié)層之間的熱阻增加，進(jìn)而外燒結(jié)層外層溫度升高，更易將低熔點(diǎn)的礦物質(zhì)熔融，循環(huán)作用使積灰有無限增長的趨勢(shì)，且越往外液成分越多。粘結(jié)灰最后呈硬結(jié)狀，像磚瓦一樣包在管周上，非常堅(jiān)實(shí)，不易去除，嚴(yán)重時(shí)結(jié)積速度很高。內(nèi)白層與過渡層都比較薄，外燒結(jié)層較厚。

蘇聯(lián)化工研究所對(duì)煤灰中含Ca較多的褐煤進(jìn)行了燃燒積灰試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為灰中的CaO與煙氣中的SO2結(jié)合形成CaSO3，而它在700～1 000℃內(nèi)可轉(zhuǎn)化為CaSO4與CaS的高溫共熔體，且此類共熔體具有低熔點(diǎn)的特征，易粘結(jié)在水冷壁上，此外也會(huì)捕捉過往的飛灰。

研究還指出，如果煤粉在溫度高于灰分半球熔點(diǎn)th以上的高溫區(qū)燃盡，由于CaO會(huì)立刻與SiO2、Al2O3、Fe2O3等結(jié)合，飛灰中會(huì)存在較少的CaO;又如果煤粉在爐膛出口處仍尚未燃盡，則會(huì)存在較多的自由CaO，并且此時(shí)SO2可以輕易地?cái)U(kuò)散到帶有孔隙的固體顆粒上與CaO結(jié)合，進(jìn)而發(fā)生上述粘結(jié)積灰現(xiàn)象。因此在煤粉燃燒時(shí)應(yīng)盡可能在爐膛高溫區(qū)使煤粉燃盡，從而減少CaO與SO2化合的機(jī)會(huì)。所以改善爐內(nèi)空氣動(dòng)力場、減少入爐煤全水含量、提高磨煤機(jī)一次風(fēng)溫等都有助于減少積灰的可能。一些觀點(diǎn)認(rèn)為褐煤易燃燒，故使用較大平均粒徑，這樣反而會(huì)延遲煤粉燃盡，導(dǎo)致粘結(jié)積灰的產(chǎn)生。

2　不同氣氛對(duì)沾污、灰熔點(diǎn)的影響

2.1不同氣氛對(duì)沾污、腐蝕的影響

反應(yīng)氣氛會(huì)造成Na釋放形態(tài)的不同，氧化性氣氛下煤中的Na多以NaO形態(tài)釋放，還原性氣氛下則多以Na原子的形態(tài)釋放［7］。對(duì)于高鈉煤而言，原子形態(tài)釋放的Na更易與煙氣中的SO2、SO3反應(yīng)，造成換熱面沾污。

煤在爐膛中燃燒時(shí)Cl元素與Na元素相結(jié)合，以NaCl的形式釋放出來，一部分以氣態(tài)形式與水冷壁氧化膜發(fā)生反應(yīng)［8］，另一部分與H2O、SO2、SO3發(fā)生反應(yīng)，生成Na2SO4和HCl氣體，見式(2);剩余部分Cl凝結(jié)在管壁上，與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)生成HCl。

內(nèi)白層中的HCl與管壁表面的氧化膜反應(yīng)，生成易揮發(fā)的FeCl2;在還原性氣氛下，生成疏松的FeO氧化膜，產(chǎn)生對(duì)受熱面表面的化學(xué)侵蝕［9］。

受高溫作用形成的熔融態(tài)NaCl也會(huì)加速高溫腐蝕［10］。

產(chǎn)物金屬氯化物與SO2和O2進(jìn)一步反應(yīng)，形成疏松的Fe2(SO4)3表層，進(jìn)一步加劇受熱面腐蝕。由沾污機(jī)理可知，發(fā)生沾污的關(guān)鍵是在換熱面管壁上形成一層硫酸鹽。高鈉煤中鈉含量高，在燃燒過程中容易形成硫酸鹽，并沉積在換熱面管壁上，完成高溫黏結(jié)性積灰和高溫腐蝕過程，疏松的FeO氧化膜與Fe2(SO4)3表層易捕捉爐膛中來往的飛灰，造成嚴(yán)重的沾污及腐蝕問題。

2.2不同氣氛對(duì)灰熔融溫度的影響

紫金煤屬于新疆準(zhǔn)東煤，具有高鈉、高揮發(fā)分的特點(diǎn)，易結(jié)渣沾污。將815℃制得的紫金煤灰在不同氣氛下測(cè)得的熔融特征溫度見表1，可見其灰熔融溫度從最高到最低分別為:氧化性氣氛、弱還原性氣氛、強(qiáng)還原性氣氛。其原因主要是灰中Fe的存在形式不同:強(qiáng)還原性氣氛下，F(xiàn)e主要以FeO形式存在;隨著氧化性氣氛的增強(qiáng)，煤灰中的FeO逐漸被氧化成Fe2O3，故氧化性氣氛中Fe的存在形式以Fe2O3為主，而Fe2O3熔點(diǎn)比FeO高得多［11］。

表1　不同氣氛下815℃紫金煤灰熔融特征溫度℃

在不同的成灰溫度下，新疆五彩灣煤在兩種氣氛下制得的灰熔融特性見表2和表3。由表2、表3可見:不同灰樣的變形溫度td會(huì)隨著成灰溫度的增加而增加，但軟化溫度ts、半球溫度th和流動(dòng)溫度tf變化不明顯。分析認(rèn)為這是由于變形溫度之后不同溫度制成灰內(nèi)的高溫共融體已基本相同［12］，即存在相同的“骨架”成分。

表2　氧化性氣氛下不同成灰溫度五彩灣熔融特征溫度℃

表3　弱還原性氣氛下不同成灰溫度五彩灣熔融特征溫度℃

在還原性氣氛中的不同溫度形成的灰樣其td變化的幅度(13 K)較氧化性氣氛的要低(22 K)，這說明在ts之前，高溫共融體還沒有形成之前氧化性氣氛對(duì)于煤灰熔點(diǎn)的提升也是較有利的。就整體灰樣灰熔點(diǎn)來看，氧化性氣氛比還原性氣氛下平均高10 K。

3　沾污對(duì)傳熱特性的影響

準(zhǔn)東煤燃燒產(chǎn)生沾污會(huì)導(dǎo)致鍋爐運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)傳熱系數(shù)降低，出現(xiàn)積灰和結(jié)渣，發(fā)生高溫腐蝕等嚴(yán)重影響。針對(duì)傳熱特性，有學(xué)者在某75 t/h循環(huán)流化床鍋爐煙道上搭建試驗(yàn)臺(tái)，將兩組試驗(yàn)管束分別安裝在省煤器和空氣預(yù)熱器之間的煙道，對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)速對(duì)沾污系數(shù)影響因素的實(shí)驗(yàn)［13］。實(shí)驗(yàn)中維持穩(wěn)定積灰時(shí)間5 h，這個(gè)時(shí)間范圍是勝利發(fā)電廠對(duì)新安裝采用螺旋翅片管的省煤器進(jìn)行實(shí)爐測(cè)量的結(jié)果(見圖1)。

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前將調(diào)節(jié)擋板關(guān)閉，鍋爐點(diǎn)火升至滿負(fù)荷后將調(diào)節(jié)擋板打開進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用擋板開度調(diào)節(jié)煙氣流速。

圖2、圖3為管束沾污系數(shù)與煙速的關(guān)系。由圖2、圖3可看出:隨著煙氣流速升高，螺旋翅片管的沾污系數(shù)降低。這是由于鍋爐運(yùn)行5 h后，沾污面的三層已發(fā)展完全，翅片管上的最外層積灰主要是依靠機(jī)械力的網(wǎng)羅作用，易被高速的煙氣帶走，沾污面被逐漸削薄。當(dāng)外燒結(jié)層被削到一定程度時(shí)，逐漸接近過渡層，在過渡層中具有黏性的硫酸鹽或復(fù)合硫酸鹽對(duì)顆粒所施加的力要大于外燒結(jié)層上的力，故沾污面不再被削薄，漸漸達(dá)到作用力的平衡，此時(shí)的沾污系數(shù)下降也漸漸平緩。

從圖2和圖3可以看出:當(dāng)煙速處于3～10 m/s時(shí)，兩管束的沾污系數(shù)都小于0.01 m2·K/W，這個(gè)數(shù)值比鍋爐熱力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)方法［14］(見圖4)中的數(shù)值小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這可能是由于此次試驗(yàn)的受熱面為鍋爐尾部受熱面，而爐膛相對(duì)煙氣流速要低，且爐膛中溫度要遠(yuǎn)高于尾部煙道，故沾污要更嚴(yán)重，沾污系數(shù)高。

4　結(jié)語

沾污的形成主要是由于兩個(gè)方面的因素共同作用:一方面機(jī)械力，包括分子間吸引力、重力沉降、熱泳力、機(jī)械捕捉和凝結(jié)作用;另一方面是低熔點(diǎn)熔融灰的黏性力作用。

高溫黏結(jié)性積灰一般分為三層:內(nèi)白層、過渡層和外部燒結(jié)層，其中外部燒結(jié)層最厚，多為捕捉的飛灰。

氧化性氣氛下煤灰的熔融溫度較高，不容易產(chǎn)生沾污;超過td后，灰的蠕變溫度與其成灰溫度關(guān)系不大。

鍋爐尾部煙道溫度較低，煙氣速度較大，其沾污程度較低。

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Analysis on Fouling Characteristics of Xinjiang High-alkali Coal

Ma Dafu，He Xiang，Zhou Wentai，Wei Zengtao，Cao Jianwen
(Shanghai Power Equipment Research Institute，Shanghai 200240，China)

An analysis was conducted to the action mechanism of mechanical and viscous force during formation process of fouling，slagging and corrosion when burning high-alkali coal.Results show that fouling faults are not easy to occur under oxidization atmosphere due to higher fusion temperature of ash;the fouling degree would be relatively low in the case of lower temperature in the tail flue gas duct of boiler and higher flue gas velocity.

high-alkali coal;fouling

TK227.6

A

1671-086X(2016)01-0007-04

2015-07-24

馬達(dá)夫(1989—)，男，助理工程師，主要從事大型煤粉鍋爐燃燒優(yōu)化及性能評(píng)定工作。

E-mail:madafu@speri.com.cn