新疆高碱煤沾污特性的分析

马达夫，何翔，周文台，魏增涛，曹建文

(上海发电设备成套设计研究院，上海　200240)

新疆高碱煤沾污特性的分析

马达夫，何翔，周文台，魏增涛，曹建文

(上海发电设备成套设计研究院，上海200240)

分析了燃用高碱煤时机械力与粘性力在沾污、结渣及腐蚀形成过程中的作用机理。结果表明:氧化性气氛下的灰熔融温度较高，不容易产生沾污的特性;当尾部烟道温度较低，烟气流速较大时，沾污程度较低。

高碱煤;沾污

新疆准东煤田于2005年被勘探认定为蕴藏着3.9×1011t煤炭资源［1］，以目前我国煤炭年产量计算，一个准东煤田足够全国使用100年。准东煤易着火、易燃尽，灰分含量低，燃烧稳定性强［2］;但其含水量高，且热值仅19 MJ/kg左右［3］，属于低热值煤种。准东煤的另一大特点是碱金属含量非常高，尤其是灰分中的Na2O通常占到2%以上，部分矿区甚至高达10%，属于严重沾污煤种［4］。故电厂在燃用高碱煤过程中会在炉膛受热面及尾部受热面产生大片沾污面，不仅降低锅炉换热效率，严重时甚至导致管壁腐蚀、高温爆管，影响电厂安全运行。为此笔者分析了燃用高碱煤产生沾污的主要作用力与沾污形成过程;燃烧区域氧化性气氛与还原性气氛对沾污程度及成灰熔融温度的影响;在锅炉水冷壁及尾部受热面沾污的情况下，沾污系数与积灰时间或烟气流速的关系。改善炉内沾污情况对准东煤大规模乃至纯烧利用具有很重要的意义。

1　沾污、结渣及腐蚀形成原因

1.1形成机理

炉内受热面的沾污及积灰可以看作是结渣和高温腐蚀的前奏，它们是相互有机联系的［5］。通常有下列几个作用力使灰颗粒沉积在炉内受热面:

(1)范德瓦尔斯力。当灰粒较细时，例如小于3 μm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。当灰粒较大时，如大于1～3 μm时，就可能会由于重力的作用而沉降于受热面上。

(3)热泳力。细灰粒接近水冷壁时，由于水冷壁壁面温度比火焰温度低，使灰粒正反面受到不同热泳力的作用，接着灰粒向水冷壁运动。其作用力的大小可由式(1)计算。式中:r、rp分别为颗粒半径和分子自由行程;λ、λp分别为气体和颗粒的导热系数;μ为气体动力黏度。

对于粒径越小的颗粒，其热泳力与重力的比重越大。

(4)机械捕捉。当部分受热面被氧化生成凹凸不平的铁锈，能轻易地网罗一些过往的小灰粒。

(5)凝结作用。燃料中的碱土金属氧化物在炉内高温下会升华成蒸汽，接着凝结在温度较低的受热面上，一般以极细的晶粒形式出现(粒径为0.1～0.2 μm)。

(6)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。

以上的作用因素往往是相互同时作用的。当受热面上积累了一些粒径为0.2～10 μm的灰颗粒时，通常就是炉内水冷壁沾污的开始。温度的压差使得灰粒渐渐黏附在受热面上，而后碱土金属与SiO2等氧化物蒸汽凝结在其之上，形成了沾污灰层的第一层，也就是内白层。当颗粒沉积在受热面之后，具有黏性的硫酸盐或复合硫酸盐将这些颗粒黏住，与以上提到的各种机械力共同作用形成沾污面。

1.2形成过程

锅炉受热面的沾污主要由于燃烧灰中的碱金属及(或)碱土金属升华粘附在水冷壁上，与烟气中的硫氧化物发生反应产生了较稳定且黏性强的复合硫酸盐及(或)硫酸盐，形成了熔融或半熔融基体，以此捕捉飞灰。

高温黏结性积灰的形成通常划分为三个区域:内白层、过渡层和外部烧结层［6］。内白层主要由含碱金属硫酸盐较多的汽相组分受热迁移及电泳扩散和小于5 μm的微粒受静电力与范德瓦尔斯力牵引共同作用而形成的。受惯性作用力的影响将烟气中灰粒携带到NaOH与Na2SO4的熔融灰中，形成了过渡层。外烧结层中捕捉飞灰的黏性物质与内白层中的物质通常是一样的，由Na、Ca、K和Si的化合物组成。在外烧结层上，熔融或半熔融基体与飞灰颗粒不断地增厚，导致水冷壁与外烧结层之间的热阻增加，进而外烧结层外层温度升高，更易将低熔点的矿物质熔融，循环作用使积灰有无限增长的趋势，且越往外液成分越多。粘结灰最后呈硬结状，像砖瓦一样包在管周上，非常坚实，不易去除，严重时结积速度很高。内白层与过渡层都比较薄，外烧结层较厚。

苏联化工研究所对煤灰中含Ca较多的褐煤进行了燃烧积灰试验，结果认为灰中的CaO与烟气中的SO2结合形成CaSO3，而它在700～1 000℃内可转化为CaSO4与CaS的高温共熔体，且此类共熔体具有低熔点的特征，易粘结在水冷壁上，此外也会捕捉过往的飞灰。

研究还指出，如果煤粉在温度高于灰分半球熔点th以上的高温区燃尽，由于CaO会立刻与SiO2、Al2O3、Fe2O3等结合，飞灰中会存在较少的CaO;又如果煤粉在炉膛出口处仍尚未燃尽，则会存在较多的自由CaO，并且此时SO2可以轻易地扩散到带有孔隙的固体颗粒上与CaO结合，进而发生上述粘结积灰现象。因此在煤粉燃烧时应尽可能在炉膛高温区使煤粉燃尽，从而减少CaO与SO2化合的机会。所以改善炉内空气动力场、减少入炉煤全水含量、提高磨煤机一次风温等都有助于减少积灰的可能。一些观点认为褐煤易燃烧，故使用较大平均粒径，这样反而会延迟煤粉燃尽，导致粘结积灰的产生。

2　不同气氛对沾污、灰熔点的影响

2.1不同气氛对沾污、腐蚀的影响

反应气氛会造成Na释放形态的不同，氧化性气氛下煤中的Na多以NaO形态释放，还原性气氛下则多以Na原子的形态释放［7］。对于高钠煤而言，原子形态释放的Na更易与烟气中的SO2、SO3反应，造成换热面沾污。

煤在炉膛中燃烧时Cl元素与Na元素相结合，以NaCl的形式释放出来，一部分以气态形式与水冷壁氧化膜发生反应［8］，另一部分与H2O、SO2、SO3发生反应，生成Na2SO4和HCl气体，见式(2);剩余部分Cl凝结在管壁上，与硫酸盐发生反应生成HCl。

内白层中的HCl与管壁表面的氧化膜反应，生成易挥发的FeCl2;在还原性气氛下，生成疏松的FeO氧化膜，产生对受热面表面的化学侵蚀［9］。

受高温作用形成的熔融态NaCl也会加速高温腐蚀［10］。

产物金属氯化物与SO2和O2进一步反应，形成疏松的Fe2(SO4)3表层，进一步加剧受热面腐蚀。由沾污机理可知，发生沾污的关键是在换热面管壁上形成一层硫酸盐。高钠煤中钠含量高，在燃烧过程中容易形成硫酸盐，并沉积在换热面管壁上，完成高温黏结性积灰和高温腐蚀过程，疏松的FeO氧化膜与Fe2(SO4)3表层易捕捉炉膛中来往的飞灰，造成严重的沾污及腐蚀问题。

2.2不同气氛对灰熔融温度的影响

紫金煤属于新疆准东煤，具有高钠、高挥发分的特点，易结渣沾污。将815℃制得的紫金煤灰在不同气氛下测得的熔融特征温度见表1，可见其灰熔融温度从最高到最低分别为:氧化性气氛、弱还原性气氛、强还原性气氛。其原因主要是灰中Fe的存在形式不同:强还原性气氛下，Fe主要以FeO形式存在;随着氧化性气氛的增强，煤灰中的FeO逐渐被氧化成Fe2O3，故氧化性气氛中Fe的存在形式以Fe2O3为主，而Fe2O3熔点比FeO高得多［11］。

表1　不同气氛下815℃紫金煤灰熔融特征温度℃

在不同的成灰温度下，新疆五彩湾煤在两种气氛下制得的灰熔融特性见表2和表3。由表2、表3可见:不同灰样的变形温度td会随着成灰温度的增加而增加，但软化温度ts、半球温度th和流动温度tf变化不明显。分析认为这是由于变形温度之后不同温度制成灰内的高温共融体已基本相同［12］，即存在相同的“骨架”成分。

表2　氧化性气氛下不同成灰温度五彩湾熔融特征温度℃

表3　弱还原性气氛下不同成灰温度五彩湾熔融特征温度℃

在还原性气氛中的不同温度形成的灰样其td变化的幅度(13 K)较氧化性气氛的要低(22 K)，这说明在ts之前，高温共融体还没有形成之前氧化性气氛对于煤灰熔点的提升也是较有利的。就整体灰样灰熔点来看，氧化性气氛比还原性气氛下平均高10 K。

3　沾污对传热特性的影响

准东煤燃烧产生沾污会导致锅炉运行时炉内传热系数降低，出现积灰和结渣，发生高温腐蚀等严重影响。针对传热特性，有学者在某75 t/h循环流化床锅炉烟道上搭建试验台，将两组试验管束分别安装在省煤器和空气预热器之间的烟道，对其进行了风速对沾污系数影响因素的实验［13］。实验中维持稳定积灰时间5 h，这个时间范围是胜利发电厂对新安装采用螺旋翅片管的省煤器进行实炉测量的结果(见图1)。

实验进行前将调节挡板关闭，锅炉点火升至满负荷后将调节挡板打开进行实验，利用挡板开度调节烟气流速。

图2、图3为管束沾污系数与烟速的关系。由图2、图3可看出:随着烟气流速升高，螺旋翅片管的沾污系数降低。这是由于锅炉运行5 h后，沾污面的三层已发展完全，翅片管上的最外层积灰主要是依靠机械力的网罗作用，易被高速的烟气带走，沾污面被逐渐削薄。当外烧结层被削到一定程度时，逐渐接近过渡层，在过渡层中具有黏性的硫酸盐或复合硫酸盐对颗粒所施加的力要大于外烧结层上的力，故沾污面不再被削薄，渐渐达到作用力的平衡，此时的沾污系数下降也渐渐平缓。

从图2和图3可以看出:当烟速处于3～10 m/s时，两管束的沾污系数都小于0.01 m2·K/W，这个数值比锅炉热力计算标准方法［14］(见图4)中的数值小一个数量级。这可能是由于此次试验的受热面为锅炉尾部受热面，而炉膛相对烟气流速要低，且炉膛中温度要远高于尾部烟道，故沾污要更严重，沾污系数高。

4　结语

沾污的形成主要是由于两个方面的因素共同作用:一方面机械力，包括分子间吸引力、重力沉降、热泳力、机械捕捉和凝结作用;另一方面是低熔点熔融灰的黏性力作用。

高温黏结性积灰一般分为三层:内白层、过渡层和外部烧结层，其中外部烧结层最厚，多为捕捉的飞灰。

氧化性气氛下煤灰的熔融温度较高，不容易产生沾污;超过td后，灰的蠕变温度与其成灰温度关系不大。

锅炉尾部烟道温度较低，烟气速度较大，其沾污程度较低。

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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

马达夫(1989—)，男，助理工程师，主要从事大型煤粉锅炉燃烧优化及性能评定工作。

E-mail:madafu@speri.com.cn