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无烟煤煤灰化学成分对炉膛结焦的影响

发布时间：2011/1/15 阅读次数：2180 字体大小: 【小】【中】【大】

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摘要讨论了我厂锅炉所用两种无烟煤煤灰成分特性在三个方面对炉膛结焦的影响，即不同的化学成分对灰熔点的影响，煤灰成分对锅炉受热面结焦程度的预测和煤灰成分对结焦过程的作用，指出我厂无烟煤基本属于轻微结焦的煤种，但对结焦的影响不容忽视，运行中应采取积极的对策。

关键词锅炉；无烟煤；煤灰化学成分；炉膛结焦

中州分公司热电厂现有二台NG—220/9.8—M22型高压自然循环锅炉，露天布置、平衡通风、固态机械除渣，角置式水平浓淡型燃烧器，切圆燃烧方式，中间储仓式钢球磨制粉系统，热风送粉，以燃用本地方庄无烟煤和山西晋城无烟煤为主，锅炉启动、稳燃用0#轻柴油。

锅炉自投运以来，燃烧器区域结焦问题十分突出，经常发生落大焦和燃烧不稳现象，严重影响锅炉运行的安全性、经济性，甚至造成锅炉被迫停炉清焦。解决锅炉炉膛结焦问题，需要从锅炉的设计参数、设备选配、运行工况、煤质特性等方面给予全面系统的考虑。本文探讨了我厂锅炉所用无烟煤的灰渣化学成分及其对炉膛结焦的影响，为解决好锅炉结焦问题提供了一些思路。

1 我厂锅炉无烟煤煤灰化学成分

煤是一种由有机可燃质、不可燃无机矿物质和水分等物质组成的复杂混合物。煤中矿物质主要为粘土类矿物，即高岭土、方解石、白云石、氧化物和石英等。煤在炉膛中完全燃烧时，煤中的无机矿物质以及金属有机物便形成了残渣，这个残渣便是平常所说的煤灰或灰渣。煤灰的组成是极为复杂的，主要由硅、铝、铁、钛、钙、镁、钒、锰、钾、钠、硫、磷和氧等元素组成。化验室分析时，常把这些元素的含量以氧化物形式来表示。

由于各地区煤的组成不一，因此它们的煤灰组成也不相同。表1列出了我厂220t/h锅炉所用无烟煤的煤灰化学成分。由表可见，我厂无烟煤煤灰的主要化学成分是酸性氧化物如SiO₂、Al₂O₃、TiO₂等，占了总矿物质含量的80%左右。

表1 我厂锅炉用无烟煤煤灰化学成分

化学成份	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	TiO₂	K₂O	Na₂0	SO₃
《湖北电试化验报告》山西煤	50.33	29.83	5.72	4.48	1.33	1.26	1.51	0.46	1.35
《湖北电试化验报告》方庄煤	52.12	30.10	5.28	5.46	1.78	1.11	1.47	0.76	2.15
《中州分公司技术质量月报》进厂煤上半年平均	49.23	32.33	3.91	6.40	8.13

2 煤灰化学成分对灰熔点的影响

煤灰熔融性俗称煤灰熔点，包括了煤灰在熔化时的三个特性温度，即开始变形温度t1、软化温度t2和流动温度t3。表2列出了我厂用山西煤、方庄煤煤灰熔融特性温度：

表2 无烟煤煤灰熔融特性温度

项目	山西无烟煤	方庄无烟煤
变形温度t₁（℃）	>1500	1420
软化温度t₂（℃）	>1500	1490
流动温度t₃（℃）	>1500	>1500

煤灰中不同的化学成分对灰熔点有不同的影响。

2.1 SiO2/Al2O3比的影响。硅铝钛都有增高灰熔点的作用，SiO2+Al2O3含量越高，熔化温度越高。但SiO2/Al2O3比超过2时，含硅的氧化矿物群和硅酸盐矿物群与其它组份会形成大量的低熔点共熔体。我厂用无烟煤的SiO2/Al2O3比测定只有1.7左右，试验表明t3在 1500℃以上。

2.2 CaO和MgO的影响。CaO是低熔点共晶体的重要组份。在CaO<10%时，随着其含量的增加，灰的熔点下降。MgO和CaO具有相同的助熔特性。我厂无烟煤CaO+MgO含量通常为5—7%，但由于在原煤中含量分布存在不均匀性，发生偏析时对t3有一定影响。

2.3 FeO的影响。煤灰中铁的氧化物含量增加，灰熔点往往显著降低。灰中Fe2O3含量越大，弱还原性气氛下的灰熔融性就要比氧化性气氛下低得越多。这是因为在高温半还原气氛下，Fe2O3会还原成FeO，FeO会与SiO2、Al2O3、CaO等化合生成低熔点共晶体，从而使灰的熔点比在氧化气氛中低30—50℃，甚至200℃。我厂无烟煤Fe2O3含量一般只有5%左右，含量较低，但在高负荷时存在送风量不足、过量空气系数a偏小的问题，炉内局部会形成还原性气氛。

2.4 碱金属氧化物Na20和K2O的影响。在高温火焰作用下，碱金属会升华，燃烧温度越高，可升华的成份含量越多，并与烟中的SO3结合在一起，凝聚在受热面上形成易熔的Na2SO4、K2SO4等，构成易粘附灰垢的温床。呈熔融状态的K2SO4和Na2SO4会侵蚀管壁生成复合硫酸盐（K2NaFeSO4），熔化温度只有500—600℃，造成受热面发生高温腐蚀。

2.5 SO3的影响。煤中硫主要以黄铁矿的形式存在，转化的磁黄铁矿FeS熔点很低，且易与FeO形成熔点更低（930—1000℃）的共熔体，因而在常见的烟温条件下会熔化，并且由于自身密度大，熔融小球很容易借助惯性穿过气流而达到管壁上。

总之，在相同的气氛性质中，煤灰熔点完全取决于煤灰化学成分的性质和含量。煤灰中的硫、钙、钠、钾等元素能大大强化结渣现象。在还原性气氛下，灰的软化温度较氧化性气氛下低。在氧化性和弱还原性两种气氛下，灰的变形温度与软化温度均随灰中碱性氧化物（如Fe2O3、CaO、MgO等）的含量增加而下降。

3 锅炉受热面结焦预测

锅炉结焦受许多因素影响，其中煤本身结焦倾向、炉内温度水平及温度场、炉内空气动力工况等是其主要因素。锅炉结焦程度可以从煤灰成份特性、煤灰物理特性、锅炉运行特性等来进行预测。我们这里主要讨论我厂无烟煤煤灰成份预测的情况，见表3。

表3 无烟煤煤灰成份对锅炉受热面结焦程度的预测

序号	煤灰成份特性判别方法		山西煤	方庄煤
1	硅比G G=100SiO₂/（SiO₂+CaO+MgO+Fe₂O₃）	>78.8 轻微 66.1—78.8中等 <66.1 严重	81.4 轻微	80.6 轻微
2	硅/铝比 SiO₂/Al₂O₃	<1.87 轻微 1.87—2.65中等 >2.65 严重	1.69 轻微	1.73 轻微
3	铁钙比 Fe₂O₃/CaO	<0.3 轻微 0.3—3 严重 >3.0 轻微	1.28 严重	0.97 严重
4	碱/酸比（B/A） B=Fe₂O₃+CaO+MgO+Na₂0+K₂O A=SiO₂+Al₂O₃+TiO₂	<0.206 轻微 0.206—0.4 中等 >0.4 严重	0.166 轻微	0.177 轻微
5	硫量结渣指数Rs Rs=SA/B	<0.6 轻微 0.6—2.0 中等 >2.0 严重	1.69 中等	1.81 中等
6	碱金属氧化物含量当量Na₂0=（Na₂0+0.659K₂O）A/100 A为煤的灰份	<0.3 轻微 0.3—0.45 中等 >0.45 严重	0.29 轻微	0.31 中等
7	沾污指数R_f R_f=A/B·Na₂0	<0.2 轻微 0.2—0.5 中等 >0.5 严重	2.77 严重	4.29 严重
8	结渣温度 tjz tjz=1025+3.57(18-K) K=（Na₂0+K₂O）+0.048（Fe₂O₃+CaO）	>1050 轻微 1000—1050中等 <1000 严重	1080 轻微	1079 轻微

从以上计算可以发现，我厂锅炉用无烟煤在硅比G、硅/铝比、碱/酸比（B/A）、结渣温度tjz等几项指标中属于不易焦焦的范畴。但铁钙比、沾污指数Rf属于严重结焦的区域，在炉内容易结焦。此外，在碱金属氧化物含量项上，方庄无烟煤值得关注，计算中采用的A是取样化验的18.02%，而实际运行中，经常有28%以上的灰份，其当量Na20达到了0.48，粘污结焦倾向严重。

4 煤灰成分对结焦过程的作用

锅炉炉膛的粘污和结焦，主要是煤粉燃烧时煤中灰分发生作用的结果。煤粉在很高的温升速度下，灰分的蒸发、分解、氧化、挥发以至于熔融形成结晶体几乎同时进行。一般锅炉的炉膛中心处温度可达1600℃，可以认为穿过炉膛火焰的全部灰粒都是被液化的，而在水冷壁附近的烟温则较低，在管子上逐渐形成0.2—0.5mm厚的第一层灰（原生层）。原生层灰的形成和黄铁矿分解的产物、碱性化合物、钙的化合物等有关，SiO₂在炉膛高温条件下也能升华，此外所有能促进形成疏松灰的因素也能原生层灰的形成。

原生层具有良好的绝热性和黏结性，随着其厚度的增加，外表面温度不断升高，若烟气温度高到使灰处于熔化状态，则在第一层灰上面粘结形成增长速度很快的梳状沉积物（第二层灰），开始了结焦过程。硫酸盐和氧化铁含量高时灰粒特别容易熔化，碱性矿物质多的灰也容易形成易熔的共晶体。灰渣沉积层挂壁厚度的最大值受灰渣的软化温度的限制，在此温度下灰渣表面呈塑性渣膜状，受重力作用而下滑，使其维持一定厚度。在火焰温度1400℃、黑色玻璃渣软化温度1260℃时，结到20mm厚的渣面就能达此温度开始软化；当渣厚145mm时渣已是流动态，烟中熔融灰粒继续扑上渣膜，使渣层增厚，如此下去，结渣面积不断向下扩大，而厚度不断增加，最终成为巨型焦渣。

灰渣的结构基本上可分为三类：疏松状、蜂窝状和致密状，颜色有黑色、黄色、咖啡色、泥土色等。物相组织主要是莫来石晶体（3Al₂O₃·2SiO₂）和非晶体。炉内温度水平越高，形成的莫来石越多。莫来石的生成还常伴以石英玻璃体组合。

我厂高压锅炉结焦时，水冷壁及卫燃带附近温度常在1500℃以上，焦渣基本上是熔融之后凝结上去的，形成莫来石的反应非常充分，在1300℃左右莫来石的形成就基本完成，其化学反应过程为：

Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O（高岭土） ^550℃^脱水 Al₂O₃·2SiO₂ + 2H₂O

^>900℃ Al₂O₃ + 2SiO₂(无定形)

3Al₂O₃ + 2SiO₂ ^>1000℃ 3Al₂O₃·2SiO₂（莫来石）

冷却下来的大块坚硬焦渣，按受热程度的不同，外观上呈现黑色蜂窝状或咖啡色致密状，测定其密度为1.63到2.16kg/m3。

5 讨论

从上面的煤灰化学成分分析中可以看出，我厂锅炉用无烟煤基本属于轻微结焦的煤种，但对结焦的影响不容忽视，主要体现在：

5.1 我厂无烟煤煤灰化学成分中的铁钙比、沾污指数Rf属于严重结焦的区域，在炉内容易结焦。由此表明进厂煤灰分含量需要严格地控制，避免碱金属氧化物含量过高，引起水冷壁粘污和结焦。

5.2 目前锅炉存在着高负荷时风量不足a过低的现象，容易在炉内出现还原性气氛，将熔点较高的成分如Fe2O3还原为熔点较低的FeO，大大降低了灰的软化温度，增加了结焦的可能性。需要采取措施确保a在3%以上。

5.3 锅炉炉膛内安装有大片的卫燃带，表面温度很高，又很粗糙，小灰粒很容易因粘附力而附着上，成为了大片焦渣的策源地。因此，运行调整时必须保持燃烧中心适中，配风均衡，防止火焰偏斜和贴边。

5.4 炉膛内温度水平过高，可使碱金属氧化物汽化并凝结在受热面上形成致密的强粘结灰，并使煤灰成熔化或半熔化状态，粘附在受热面上。因此，要严格控制炉膛运行温度，必要时采取降负荷运行。■

[主要参考文献]

1、岑可法，池作和等著，锅炉和热交换器的积灰、结渣、磨损和腐蚀的防止原理与计算，北京：科学出版社，1995

2、刘德昌，陈汉平主编，锅炉改造技术，北京：中国电力出版社，2000

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