判断大容量锅炉沾污状态的方法研究

北京交通大学

毕业设计（论文）

远程与继续教育学院1

北京交通大学

毕业设计(论文)成绩评议

年级 题目 指 导 教 师 评 阅 意 见 07 层次 专科 专业 热能动力工程 姓名 张文熙 判断大容量锅炉沾污状态的方法研究 成绩评定： 指导教师： 年 月 日 评 阅 教 师 意 见 评阅教师： 年 月 日 答 辩 小 组 意 见

答辩小组负责人： 年 月 日 2

北京交通大学

毕业设计(论文)任务书

本任务书下达给： 2007 级 专 科 热能与动力工程 专业 学生 张文熙

设计（论文）题目：判断大容量锅炉沾污状态的方法研究 一、设计（论述）内容：

二、基本要求：

三、重点研究的问题：

四、主要技术指标：

五、其他要说明的问题

下达任务日期： 要求完成日期： 答辩日期： 指导教师：

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开 题 报 告

题 目：判断大容量锅炉沾污状态的方法研究

报告人： 张文熙 2009 年03 月15 日 一、文献综述

据统计,有半数以上锅炉存在着结渣危险性,极大地威胁着锅炉的安全、经济运行及机组的可用率,并且随着机组容量的增大危害更大,假如未能及时对炉膛内水冷壁的灰污进行吹扫，有可能导致锅炉爆炸等严重事故。 二、选题的目的和意义

对计算结果、锅炉测量值、修正值列表比较，其中包括了炉膛出口烟气温、沾污水冷壁管平均温度、经验系数M、污染系数?、火焰最高温度位置偏离燃烧器布置平面的修正值?X。通过上面数据的比较和分析，我们可以得出相应结论。 三、研究方案：

此文主要根据炉膛的出口烟温对炉内的沾污、结渣情况进行判断，并分别运用两种方法反推沾污的相关参数，得出修正的方法更适合大型机组的实际应用。通过对水冷壁沾污结渣的形成及影响、论题目的和相关数据和资料、炉膛出口烟温计算、利用各种方法反推炉膛水冷壁沾污系数的分析研究，提出解决方法，并得出相关的结论。 四、进度计划：

五、指导教师意见：

指导教师：

年 月 日

4

中 期 报 告

题目：判断大容量锅炉沾污状态的方法研究

报告人： 张文熙 2009 年7 月20 日 一、总体设计

二、进展情况

三、指导教师意见

指导教师：

年5

月 日

前言

锅炉受热面沾污、结渣在我国火力发电机组中较为普遍。据统计，有半数以上锅炉存在着结渣危险性，极大地威胁着锅炉的安全、经济运行及机组的可用率，并且随着机组容量的增大危害更大。比较典型的事例是1993年北仑港电厂l号机组600MW锅炉炉膛因严重结渣引起爆破，导致20多人死亡的特大人身伤亡和锅炉严重损坏的事故。

受热面结渣、沾污、积灰和腐蚀使炉内整个热平衡变更，导致过热汽温改变，排烟温度升高，由于炉膛出口烟温升高，导致过热汽温升高，危害过热器；由于热阻增大，可能会使锅炉无法满负荷运行，只得增加投煤量，从而引起炉膛出口烟温进一步升高，使得灰渣更易粘附在受热面上而形成恶性循环，并诱发一系列恶性锅炉事故；引起弱化受热面的传热能力，在传热减弱情况下，为维持锅炉出力需消耗更多燃料，使引、送风机负荷增加，因此引起电耗增加；引起高温腐蚀，过热器、省煤器管束堵灰、爆管、出渣系统堵死等等。可见沾污结渣对锅炉、机组的影响很大。

过去沾污、结渣对锅炉的影响不是很明显，这是由于过去机组容量小，所带负荷不高，一般都是用一种煤种。但是现在电煤供应紧张，很多电厂锅炉燃烧煤质变化很大，烧“百家煤”的现象非常普遍，而锅炉设计是针对某一煤种的；而我国工业发展迅速，需要大量的供电，很多地方都出现“电荒”，很多电厂都必须满负荷运行；高参数、大容量机组是今后的发展趋势，现在超临界、超超临界机组纷纷上马，而机组参数越高，炉膛温度越高，锅炉炉膛的截面热负荷越大，锅炉的受热面更就容易沾污、结渣。这使沾污、结渣的问题更加突出，危害更严重。所以我们在使用一种新的煤种或者混合煤前，对煤种在其受热面是否沾污、结渣而进行计算、判断是必要的，在运行期间对受热面沾污、结渣情况进行监视，根据现场的情况及时采取措施，以防止危害的恶化。

锅炉炉内水冷壁是很关键的一个受热面，它的换热情况直接影响后面的烟道的过热器、再热器等等受热面。炉膛内的换热主要有辐射受热和对流受热，水冷壁的换热过程是很复杂的，影响因素也很多，对容量较大的锅炉，由于炉内介质层光学厚度增大，将使炉膛横截面内火焰不等温性增

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大；由于水冷壁的沾污情况的不同，其污染系数?也会不同，使炉内换热量改变，并将引起火焰有效温度变化，导致炉膛出口烟温改变。

本文将对大型锅炉水冷壁进行相关计算以判断其沾污、结渣情况，为吹灰及机组的运行提供依据。首先我们在第一章介绍沾污、结渣的形成，主要说明炉膛水冷壁的情况及其对锅炉的影响和危害，并提出一些研究方法；第二章简单地说明论题的目的和计算资料；第三、四章计算炉膛出口烟温和用其使用两种方法反推炉膛内水冷壁的沾污、结渣情况；第五章防止、治理沾污、结渣的方法；最后是结论。

1. 水冷壁沾污结渣的形成及影响

1.1 沾污的形成过程

沾污：是指温度低于灰熔点时，灰沉积物在受热面上的积聚，多发生在锅炉对流受热面上。其产生过程可概括为：当温度高于灰熔点的烟气冲刷受热面时，烟气中熔融的灰渣粘附到受热面上，从而形成结渣。通常整个锅炉积灰结渣大致可根据温度范围分为三种类型:

1) 熔渣沉积类型。常发生在水冷壁、凝清管和屏式过热器等辐射受热面上，主要是高温烟气中熔化或部分熔化的灰颗粒在各种力的作用下与炉墙及受热面碰撞被冷却凝固而形成的结渣积灰。它和灰渣成份、灰粒和接触表面的温度、形状以及受力大小、撞击方向等因索有关。

2) 高温结合灰沉积型。多发生在屏式过热器、对流过热器及再热器等对流受热面上。其特点是烟温已低于煤灰开始变形温度，但由于碱金属(如钠、钾)与灰中其它元素形成低熔点的硫酸盐沉积或烧结在对流受热面上，有时质地坚硬密集，较难清除。

3) 低温灰沉积型。主要在受热面壁温接近或低于炉烟露点时由酸液和飞灰凝聚而成，除积灰外还会产生酸腐蚀。积灰由酸液与飞灰中铁、钠、

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钾、钙等反应形成的硫酸盐类组成，多发生在低温省煤器及空气预热器等受热面上。

在这里我们主要研究的是第一种类型在水冷壁的情况。

图1-1 煤灰颗在不同炉温下的溶化比例

燃料煤中，特别是劣质煤中含有不少灰分，它由粘土、页岩、硫化物、铁和其他金属的氧化物、碳酸盐及氯化物等所组成。某些研究表明,煤粉中44%～70%颗粒是煤的固有矿物质成分，20%～40%的颗粒由原煤和外来矿物质夹杂物所组成，10%～40%的颗粒只含有外来的矿物质。这种被分离出来的某些低融点矿物质，例如黄铁矿(FeS2)，在流经火焰时被熔融，再与壁面相碰时便可能出现结渣。所谓熔融是指煤灰中不规则的颗粒转化成球体的状况。图1-1示出了典型的煤灰颗粒流经炉膛时在不同温度下灰熔融百分比的试验结果，实线为管式炉停留时间0.2～0.5S的结果，虚线为在炉膛内停留时间2～5S的结果。试验表明，10%的颗粒(主要由黄铁矿残留物组成)在1300℃下熔化，大部分不规则颗粒在1300～1480℃下熔化，仅5%的颗粒(主要由石英组成)在1480℃以上才开始变形。由此可以推论，除直径大于50um的石英颗粒外的大多数灰粒，当它们穿过炉膛火焰时都将被熔化，大多变成球形。可见，任何被粉碎过程中分离出来的低熔点矿物质的数量都会影响结渣和沾污的特性，特别是比重较大、熔点较低的矿物质(如黄铁矿之类)易于附集在炉膛内引起结渣，在炉内空气动力特性不良时更为严重。

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1.1.1 炉内辐射受热面的结渣、沾污分类

炉内辐射受热面的结渣、沾污大致可分为如下四种类型:

1) 机械粘结。由于受热面表面的粗糙和其它引力作用，使细粒飞灰堆积而形成疏松的灰污层，这种机械粘结物易于用炉内吹灰来清除。

2) 结沉积物。由于灰中碱土金属在高温烟气中升华而凝结在冷的水冷壁上或由于粘结灰层中灰粒互相产生化学作用而形成低熔点化合物，有时也由于火炬核心中熔融的灰粒粘在灰层为表面而未凝固，这部分粘灰能部分被吹灰清除。

3) 密实的粘结层。这是由于灰粒间在炉内气氛下相互起化学作用而被高温烧结成密实的积灰层，它有较高的机械强度，因而清灰时难以清除。

4) 液态渣层。当沾污的水冷壁面温度较高时，会使灰粒部分熔化而成液态，这样易于粘结不断沉积下来的灰粒，使灰层变厚，灰温更高，结果导致恶性循环，熔化成液态渣流走，直至平衡为止。

在锅炉运行中，四种类型的结渣沾污经常是交叉进行的，但并不一定四种都同时存在，这主要由燃料特性及炉内气氛及燃烧工况而定。也就是说，煤中矿物质是引起锅炉受热面沾污、结渣的根本原因，不同的燃煤特性是决定矿物质在炉内行为的根本因素。

1.1.2 炉内受热面的沾污和积灰过程

炉内灰粒受到如下几种力沉积水冷壁上：

1) 子间的吸引里。当灰粒较细时。例如小于3um时，分子间的吸引力就比灰粒本身重力大，使微小的灰粒在受热面附近飞过时受到吸引。

2) 重力沉降。灰粒较大时，例如大于1～3um，就有可能会由于重力的作用而沉降于受热面上。

3) 热泳力。细的灰粒飞近水冷壁时，由于水冷壁壁面温度比火炬温度低，使灰粒正反面受到不同热泳力的作用，使灰粒向水冷壁运动。

4) 机械网罗作用。受热面有铁锈时，往往以尖刺的形式出现，能轻易地网罗一些小的灰粒。

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（1）凝结作用。燃料中的碱土金属氧化物及其他一些氧化物在炉内高温下

会升华为蒸汽，而在较冷的受热面上凝结。

（2）气流脉动对灰粒的摩擦力。炉内气流的横向脉动可使较大的灰粒沉积

在受热面上。

（3）惯性分离作用。如炉内空气动力组织不良，火炬直冲水冷壁，或在水

冷踉附近出现停滞涡流区，都可能引起灰粒分离并沉积在受热面上。 （4）由于煤灰粒旋转产生侧面作用里而出现的受热面沾污。

（5）流动摩擦产生的静电吸引力。金属或碱土金属( SiO2, Al2O3, Fe2O3 ,

等等)往往带负电，碳和硫往往带正电，如其聚集于管壁上易形成电场，使灰粒间相互吸引。

上述的作用力并不是孤立的，而往往是同时相互作用。在炉内受热面开始受到沾污时，往往是沉积了较多0.2～10um的细灰粒,而这些细灰粒子主要在温差力作用下逐渐粘附在水冷壁上。再加上碱土金属和 SiO2等氧化物蒸汽的凝结而形成第一层的洁污灰层。紧接的是一层结得很紧密，并带有熔化现象的灰白色渣层（金属的硫酸盐类），最外层是粘满了较疏松的飞灰层。

受热面沾污灰层随着其厚度的增加，热阻增大，灰渣表面温度升高，当温度高于这些盐类共熔体的熔点时，便被熔化，产生很大的粘结性，因而能大量网罗烟气中飞灰使灰层很快增厚，外层灰渣成分和飞灰是十分相似的，这是炉内水冷壁积灰结渣过程。

1.2 沾污、结渣的危害

灰渣由不同温度的烟气携带通过炉膛及对流烟道，在不同的受热面上会引起结渣、沾污、积灰和腐蚀，使炉内整个热平衡变更，导致过热汽温改变，排烟温度升高，锅炉效率及可靠性降低，轻则会弱化传热，导致锅炉热效率降低和NOx排放量增大等；重则会导致机组降负荷运行或停炉，甚至发生其它更为严重的恶性事故。具体地讲，表现在以下几个方面：(1)弱化受热面的传热能力。灰污在受热面上沉积后，其导热系数很低，因此热阻很大。一般污染数小时后水冷壁的传热能力会降低30％～60％，致使

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排烟热损失增大，降低锅炉效率。因沾污造成排烟温度的升高会使锅炉效率降低1％～2％，影响其运行的经济性。据估计，美国每年因锅炉受热面沾污而带来的各种经济损失总和达20～100亿美元。(2)由于炉膛出口烟温升高，导致过热汽温升高，危害过热器。(3)由于热阻增大，可能会使锅炉无法满负荷运行，只得增加投煤量，从而引起炉膛出口烟温进一步升高，使得灰渣更易粘附在受热面上而形成恶性循环，并诱发一系列恶性锅炉事故。如过热器、省煤器管束堵灰、爆管、出渣系统堵死等。(4)引起高温腐蚀。在高温烟气的作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀，使管壁厚度由外向内减薄。通常情况下，水冷壁管年腐蚀量为0.82～2.5mm／年，但如果燃煤含硫量大或设计、运行不当，腐蚀速度可高达5mm／年，二三年甚至更短就需更换水冷壁。(5)在喷燃器出口处，可能会因结渣而影响煤粉气流的正常喷射，甚至喷口被焦渣堵住。(6)燃烧室上部大块渣掉落时，会砸坏水冷壁管和冷灰斗，有可能使冷灰斗出口发生堵塞，造成炉膛灭火、氢爆，甚至人身伤亡。(7)在传热减弱情况下，为维持锅炉出力需消耗更多燃料，使引、送风机负荷增加，因此引起电耗增加。另外，由于通风设备的容量有限，加之结渣时易发生烟气通道阻塞，可能会造成引风量不足，燃烧不完全，一些可燃物被带到对流受热面，在烟道角落堆积起来继续燃烧，即发生所谓“烟道再燃烧”现象，其后果极具破坏性。(8)受热面结渣一旦失去控制，就会对运行构成严重危害，此时被迫降负荷运行甚至停炉检修。然而，作为工业动力，锅炉降负荷或停炉所带来的经济损失是相当可观的。据估计，l台500 MW机组每停运1天所损失的收入就会超过10万美元。

1.3 结渣、沾污对炉内传热和运行影响的工业试验方法

进行炉内工业性试验是比较困难的，因此要求力图用最小的测试项目来总结出炉内沾污结渣的影响，下而是几种试验总结方法: 一、测量炉膛出口烟温Tl//的近似总结法

除了要知道炉子结构、燃料特性、投煤量外，如果能准确地测出炉膛出

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口烟温Tl//，并假定火焰中心位置不随沾污、结渣过程而变化，即M值可计算出来。这样，当试验得出Tl//随运行时间、锅炉负荷、煤粉细度、炉膛热负荷、过量空气系数、吹灰的周期等等参数的变化规律时，便可算出水冷壁吸热量、火炬投射热流、炉内沾污系数、沾污炉壁温度及热阻、积灰平均厚度等随这些参数的变化规律。具体在第五章介绍，并提出了新修正方法。

二、综合系数的总结法

第一种方法的主要缺点是假定火炬中心不随沾污过程而变化，即M为定值，实际上随着炉膛的沾污结渣，火焰中心有所提高，M值略有降低。当只测量炉膛出口烟温时而又同时考虑这些变化的影响，可把与沾污、结渣有关的参数综合成一个总的未知数加以相对比较。 由式：

Tl// ?Ta即：

11 （1-1） ?M(?l?)0.61?R1?(B0/)0.6(B0/)0.6 R?M(??l)0.6Ta?Tl//?(B)() （1-2）

Tl///0.60三、测量炉内温度场及炉膛出口烟温的总结方法

采用该方法M值及Tl//值都通过试验决定，因此所得的沾污参数比较可靠，但是由于测量上及炉墙开孔的困难，炉内温度场不易测准。工业性试验往往多用光学高温计进行，火焰中心的微小变化是不易判别出来的，这是本法的主要问题。

四、测量炉膛出口烟温及水冷壁热有效系数

除了测出炉膛出口烟温外，如果还能用双面热流计把水冷壁的热有效系数?测出，则可按式(1-2)求出M值：

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Ta?Tl//M?()() （1-3） //??Tll0.6B0/这样，其他沾污参数就能顺利地求出。

1.4 沾污、结渣的专门性试验方法

为了了解不同煤种、不同运行工况下的沾污、结渣机理和寻求解决这些问题的措施，往往需要进行一些专门性的试验，通常有： 一、灰渣熔点及粘度试验

灰渣熔点及粘度特性来判断炉内结渣时，应考虑到炉内的气氛及煤在炉内燃烧时灰分的分离和沉积的影响，最好在炉内水冷壁不同部位直接取样，在不同气氛下进行分析试验。 二、在锅炉中装设小型旁通烟道的试验方法

当现场条件许可时，亦可设计小型旁通烟道，自炉膛上部抽取高温烟气，经过模拟管束和试验取样管再送回对流烟道内，这种办法易于变化烟温、烟速、壁温、管束布置形式对结渣的影响。每次试验在几个小时至几十个小时内即可完成，但不易进行变化煤种、煤粉细度、灰中不同矿物含量的试验。

三、根据煤灰烧结强度来衡量煤灰沾污特性

鉴于炉内灰沉积和沾污常是在低于灰的初始变形温度下进行，即单靠灰熔点高低无法进行准确判断，而在专门试验和现场工业性试验中往往要求设备较复杂，所需试验周期较长，使用简单的煤灰烧结强度指标可对沾污、积灰进行判断。

收集的飞灰烧结强度与温度和时间之间的关系可作为表征沾污特性的指标。研究发现，当烧结强度低于1MPa的大多数煤种是属于不沾污性质的，超过此值后就带有一定的沾污倾向。

四、根据煤灰成分来判断其结渣及沾污特性

当条件许可时，可以分析煤灰巾的碱性成分(如Fe2O3 、 CaO、 MgO、

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Na2O、K2O等)和酸性化学成分(如SiO2, Al2O3, TiO2等)，并计算出结渣指数Rs的大小：

Rs?Fe2O3?CaO?MgO?Na2O?K2O?Sg (1-4)

SiO2?Al2O3?TiO2Sg为煤中干燥基含硫量。Rs值愈大，表明结渣愈严重。

同理，根据煤灰成分也可计算出沾污指数RF ： RF?FeCa?OMg?O2N?aOKO2O3?2 (1-5) ?Na2OSiO?Al?OTiO2232RF值越大，表明受热面沾污越严重。国外把煤的结渣和沾污特性分成四种类型，即程度低的、中等的、高的和严重的四种。各类型的结渣指数和沾污指数的范围如表1-1所示：

表1-1 结渣和沾污指数范围

沾污结渣程度 低 中等 高 严重

结渣指数Rs范围 <0.6 0.2~2.0 2.0~2.6 >2.6 沾污指数RF范围 <0.2 0.2~0.5 0.5~1.0 >1.0 19

2. 论题目的和相关数据和资料

2.1 论题计算目的

利用实测的锅炉炉膛出口烟温的数据，反推出水冷壁的污染系数和灰污层外壁温，并根据专门试验对炉内沾污和结渣情况作出预报。利用标准方法计算600t/h以上锅炉炉膛出口烟温比实测值低100-300℃。这里我们用到是300MW机组的数据，蒸汽量为1020t/h，故用标准方法反推的结果也要产生相应的误差。

2.2 计算相关资料

本文只要计算资料来源于文献[3]的编号为02的电厂，该厂现装2台300MW机组，1号于1996年5月投运，2号于1996年12月投运，设计煤种为晋东南无烟煤和贫煤各半的混煤（见表2-1）。 一、锅炉设计特性 (1) 锅炉概况

1号、2号锅炉为亚临界、自然循环、单炉膛、露天布置、尾部双烟道燃煤锅筒锅炉。采用一次中间再热，全悬吊平衡通风方式，配中储式制粉系统。6片全大屏布置在炉膛上方。过热器按蒸汽流向分为6级：顶棚管、包墙管、低温过热器、全大屏过热器、后屏过热器与高温过热器。尾部布置有两台直径为10.32m 三分仓回转式空气预热器和两台静电除尘器，锅炉炉膛底部装有两套湿式水封除渣装置，采用中间断式固态除渣方式。 项目 收到基水分 收到基灰分 收到基碳 收到基氢 收到基氧

表2-1 锅炉设计煤种特性 符号 单位 Mar % Mar % Car % Har % Oar % 20

设计煤种 7.43 19.76 65.02 3.07 3.46

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/rduf.html