浅谈锅炉积灰结焦的危害和预防

刘梦然

摘要：燃煤锅炉目前仍是我国广泛使用的供热装置，锅炉通过煤、生物质、天然气等燃料的燃烧来完成热能的输送，但因为各种各样的原因，许多燃煤、燃生物质锅炉产生了积灰结焦的现象。通过研究锅炉积灰结焦的机理，提高对积灰结焦危害的认知，总结出防止锅炉积灰结焦的技术及安全措施，保证锅炉的供热正常和连续运转。

关键词：锅炉;积灰结焦;预防

引言：积灰结焦结焦是锅炉运行中比较普遍的问题，一般情况下，随着烟气一起运动的灰渣颗粒，由于炉膛水冷壁受热面的吸热而同烟气一起被冷却，如果液态的渣粒在接近水冷壁或炉墙前，已经因为温度降低而凝固，当附着在受热面管壁上时，将形成一层疏松的灰层，运行中通过吹灰可以除掉。当炉膛内温度较高时，一部分灰颗粒已经达到熔融或半熔融状态，若这部分灰颗粒在达到受热面前未得到足够冷却达到凝固状态，具有较高的粘结能力，就容易粘附在受烟气冲刷受热面或炉墙上，甚至达到熔化状态，粘附熔融或半熔融状态的灰颗粒和未燃尽的焦炭使结焦不断发展。

一、锅炉积灰结焦的形成及形态

1.熔渣。水冷壁及其它辐射受热面上的积灰主要是熔渣。燃料灰中含有易熔的碱性金属氧化物和硫酸盐，在高温下发生升华或形成易熔的共晶体，遇到较冷的受热面管壁即冷凝下来形成内灰层。其外表温度随灰厚度的增加而不断增加，使灰层达到熔化状态，覆盖在管壁且具有粘性，进一步捕捉飞灰而不断加厚，这种熔渣的一个重要特点是它能够随时间无限增长。

2.高温积灰。在高温烟气环境中飞灰沉积在管束外表面的现象叫高温积灰。

3.松散灰。松散灰是物理沉积，灰粒之间呈松散状态。在烟气温度低于600-700℃的烟道内，低温受热面管子表面形成的积灰为松散灰。

4.粘结灰。由于燃料中含有燃料硫，燃料燃烧后总有一部分会形成SO3，并和烟气中的水蒸气形成硫酸蒸气。硫酸蒸气能在较高温度下冷凝，使烟气露点温度升高。当硫酸蒸气流经受热面时，如果金属壁温低于烟气露点，则硫酸蒸气就在管壁冷凝下来，当烟气流过时，硫酸溶液就吸附灰粒子与灰中钙的氧化物进行化学反应生成CaSO4粘在管壁上，形成了一硫酸钙为基质的低温粘结灰。低温粘结灰呈硬结状，不易清除，也会无限增长，甚至会产生堵灰，电站锅炉中常在空气预热器中发生，而工业锅炉中常发生在省煤器中，尤其是铸铁式省煤器中。（注：烟气露点温度指硫酸蒸气冷凝时的温度。）尾部受热面的积灰包括松散灰和低温粘结灰两种。

二、锅炉积灰结焦形成的原因及影响因素

1.结焦与熔点有关。结焦的根本原因是熔化状态下的灰沉积在受热面上。可见，灰的熔点是结焦的关键。可用灰熔点温度及灰的主要成分来判断煤灰的结渣指标。通常可用灰成分中的钙酸比、硅铝比、铁钙比及硅值来判断其结焦倾向，灰的熔点与灰的化学成分、灰周围的介质性质及灰分浓度有关。灰的化学成分以及各成分含量比例决定灰熔点的高低。灰熔点比其混合物中最低熔点还要低。灰熔点越低，锅炉受热面越容易结焦。灰熔点与灰周围的介质性质有关。当烟气中有CO、H2等还原性气体存在时，灰熔点降低大约200℃。这是因为还原性气体能使灰分中高熔点的Fe2O3还原成低熔点的FeO的缘故，二者熔化温度相差200～300℃。灰熔点还与烟气中灰的浓度有关。在其他条件相同的情况下，煤中含灰量不同，灰熔点也会发生变化。这是因为灰分中各成分在加热过程中，相互接触越频繁，则产生化合、分解、助熔的机会也越多，则熔点降低的可能性也越大。

2.结焦与燃烧调整有关。如果送引风量太大，进行强化燃烧，炉温超过煤灰粘结温度时，会形成高温结焦。若锅炉运行中配风不合理或风量不足，氧量低，煤不完全燃烧，会产生大量一氧化碳及氢等气体，会使炉内产生还原性气氛，例如，用Fe2O3较高的煤时，在没有充分氧气的情况下，C不完全燃烧生成CO，而CO有还原性，则高熔点的Fe2O3被CO还原成FeO，而FeO与SiO2等进一步形成熔点更低的共晶体，有时候会使灰的熔点下降150-300℃。虽然炉膛出口烟温低于煤灰的软化温度，但仍会形成剧烈的结焦。沸腾燃烧锅炉比较容易出现“低温结焦”就是这个缘故。锅炉负荷升高或燃烧不合理造成局部炉温高，达到灰熔点，导致锅炉结焦。

3.结焦与锅炉设备漏风有关。炉膛漏风增大进入炉内的风量，降低燃烧室的温度水平，推迟燃烧进程。冷灰斗处漏风会抬高火焰中心，火焰拉长，导致炉膛出口烟温升高，容易引起屏过结焦。

三、积灰结焦的危害

受热面结渣以后，会使传热热阻增加，传热减弱，工质吸收热量减少，锅炉排烟温度升高，排烟热损失增加，锅炉效率下降。为保持锅炉的正常运行，在增加燃料量的同时必须相应的加大风量，这就使送、引风机负荷增加，用电增加，因此，结渣使锅炉运行的经济性明显降低。受热面结渣时，要保持锅炉的正常运行，必须增大风量。若通风设备容量有限，加上结渣容易使烟气通道局部堵塞，烟气阻力增加，风机风量难于加大，锅炉只好被迫降负荷运行。

水冷壁结渣，会使其个部分受热不均，对自然循环锅炉的水循环安全性和控制流动带来不利影响，可能导致水冷壁管破坏。 若造成水冷壁全部结焦时，只有停炉进行人工清焦。焦若熔合成大块时，因重力从上部落下，导致砸坏冷灰斗水冷壁。低负荷会因掉大块焦而引起燃烧不稳甚至熄火。

总之，結渣不但增加了锅炉运行维护和检修的工作量，严重危及锅炉安全经济运行，还可能迫使锅炉降低负荷运行甚至被迫停炉，结渣本身是一个复杂的物理化学过程同时还有自动加剧的特点，一旦发生，由于渣层的热阻使传热恶化，炉内咽气温度和渣层表面温度都将升高，加之渣层表面粗糙，渣粒更容易黏附上去，结果结渣过程会愈演愈烈，所以应尽最大努力来减轻或防止锅炉结渣。

四、在运行方面防止锅炉积灰结焦的办法

1.选择合理的运行氧量。锅炉运行氧量即炉内的氧化或还原性气氛，它对锅炉的结焦有非常大的影响，如果锅炉运行氧量偏低，炉内还原性气氛较强，煤的灰熔点就会下降，锅炉就容易结焦。提高锅炉运行氧量，避免炉内出现还原性气氛。加强炉内吹灰工作，特别是重点区域要增加吹灰次数，如果运行氧量还偏低，必要时适当降低负荷。由于结焦的主要区域在炉膛出口处，此处容易堵塞烟道，增加烟气阻力，引风机出力更显不足，所以要防止结焦与还原性气氛恶性循环的趋势。机组检修时，对空气预热器进行重点清洗，降低风烟道的阻力， 提高风机的出力。

2. 选择合理的炉膛出口温度。监视炉膛出口烟温（或高温受热面管壁温度），保证主参数合格和炉膛出口烟温低于燃煤灰熔点的同时来保证蒸汽质量，从而防止炉膛出口结焦，并能获得最大的锅炉效率。 当煤质有波动时，运行人员要根据实际情况进行调整，防止在燃用不同煤种时锅炉炉膛结焦，如有一部分大颗粒煤粉在炉膛出口处尚未燃尽，会导致锅炉炉膛出口烟温偏高，结焦严重。

3. 保证空气和燃料的良好混合，避免在水冷壁附近形成还原性气氛，防止局部严重积灰、结焦。当风速、风量不合理时，尽管炉内总空气量大，但仍会出现局部区域的炽热焦碳和挥发分得不到氧量而出现局部还原性气氛。当煤粉炉烟气含氧量低于3%时，由于局部缺氧，将会使CO含量急剧增加。 保持适当的过剩空气系数，合理使用一、二次风。若一次风太大，火焰上升得很高，甚至直射后墙，会促使高温结焦。若二次风使用得当，火焰中心下移，延长了烟气路线，可使炉膛出口温度降低。

4. 要有合适的煤粉细度和厚度。粉粗，火炬拖长，粗粉因惯性作用会直接冲刷受热面。再则，粗煤粉燃烧温度比烟温高许多，熔化比例高，冲墙后容易引起结焦。但是，煤粉太细也会带来问题，一是电耗高，制粉出力受到影响，二是炉膛出口烟温升高，易引起结焦。

5.防止锅炉超负荷运行。超负荷运行会引起结焦。超负荷时就要较大幅度调大风量，提高送引风和二次风风速及烟速，增加过剩空气量。这种强化燃烧的结果使火焰偏高，烟气里携带大量熔融状态的煤粒煤灰粘结在炉膛出口捕渣管上，此处平均温度很快高于灰熔点，形成结焦。

6. 适当提高一次风速可以减轻燃烧器附近的结焦。提高一次风速可推迟煤粉的着火，可使着火点离燃烧器更远，火焰高溫区也相应推移到炉膛中心，可以避免喷口附近结焦。 提高一次风速还可以增加一次风射流的刚性，减少由于射流两侧静压作用而产生的偏转，避免一次风直接冲刷壁面而产生结焦。

7. 掺烧不同煤种。煤种掺烧能在一定程度上综合所掺煤种的灰焦特性。低灰熔点煤灰分仍在受热面上沉积，但高熔点固态灰对受热面有一定的冲刷作用，使沉积量降低。 混合掺烧不同煤种，合理掌握煤块粒度及煤粉细度，特别是混烧结焦性强和结焦性差的烟煤，是预防结焦、提高锅炉热效率的好办法。 对于干煤应适当掺水，对于含硫化铁粘结性强的煤应及时打焦清渣，对于灰分大的煤应适当增加清炉次数，对于管群、烟管或烟室的堵灰应及时清理。

参考文献：

[1] 郑翔阳 锅炉结焦的危害及防治措施探讨 科技创新与应用2016 第18期

[2]张亚生 锅炉结焦原因分析及解决对策  科学论坛 （2014）07-0331-01