煤粉積灰特性的實驗研究

(華北電力大學(保定)， 河北 保定 071003)

0 引 言

煤灰引起的相關問題對于鍋爐運行而言至關重要。由結渣或結垢造成的灰沉積通常是鍋爐意外停機的主要原因。這是由多種因素造成的，如煤的有機特性，礦物質組成、轉化和分解，爐膛溫度，灰分輸送、蒸發(fā)、凝結及沉積等等[1-2]。

直接暴露于火焰輻射的鍋爐區(qū)域中的沉積物被稱為為結渣，如爐膛內壁和屏式過熱器。通常情況下，結渣發(fā)生在最熱的部分，結渣沉積物在高溫下具有化學活性，部分或完全熔化，通常很硬并且難以通過吹灰清掃。在結渣的過程中，灰分顆粒的原始化學和物理結構經歷顯著變化。而積灰指的是并不直接暴露于火焰輻射的鍋爐沉積物，其主要的傳熱過程是對流換熱。積灰發(fā)生在煙氣和灰分顆粒冷卻時。而積灰一般在較低溫度下形成，并保持著顆粒物原始的物理和化學結構。

鍋爐不同區(qū)域的灰分沉積問題主要以以下方式表現[3]：

(1)沉積的灰如同保溫層一樣降低傳熱速率，這導致了爐膛出口煙氣溫度的升高和過高的過熱蒸汽傳熱速率；

(2)大渣塊堆積在爐膛壁面或輻射過熱器管道上，如此大的沉淀物脫落會損壞鍋爐灰斗；

(3)灰沉積造成部分傳熱管堵塞，使氣體流速增加，可能導致腐蝕加??；

(4)對流換熱面內積灰增多，導致氣體流動受阻，溫度場不均勻；

(5)燃燒器處沉積的灰改變燃燒器的動力學特性，易導致燃燒、點火不穩(wěn)。

在爐膛內，煤中的有機物在高溫高壓條件下完全燃燒和氣化，同時煤中的礦物質在燃燒過程中轉化為煤灰，暴露在高溫條件下的灰由于其組分礦物質的熔化和反應成為液態(tài)渣，同時熔融的灰顆粒積聚在氣化室的內壁，然后被一層固體爐渣覆蓋，液態(tài)爐渣將在該固體爐渣的作用下流動[4]?；曳诸w粒首先粘附在熔渣層的表面上，然后溶解到液態(tài)熔渣中。由于熱偏差的作用，固態(tài)和液態(tài)爐渣會隨著溫度的變化而相互轉化。

在鍋爐中，燃料中的非可燃物質及無機物是灰沉積過程中灰的主要來源。燃燒時，從燃料中釋放出來。氣流帶動飛灰及氣體中的灰至傳熱面，輸送過程主要取決于灰顆粒的大小和爐膛內氣流流動狀態(tài)。積灰的形狀和沉積位置則由輸送機理決定，同時形狀和位置又影響積灰的生長、損耗、燒結、融化[5-6]。

Mueller等[7]人總結了不同尺寸顆粒的輸送機制：慣性撞擊是大于10 μm顆粒的主要傳輸機制；湍流渦旋沖擊是1到10 μm之間顆粒的主要傳輸機制；渦旋擴散和熱泳則是小于1 μm顆粒的關鍵輸送機制。Theis等[8]人根據文獻做出了類似的總結，即大于10～15 μm的顆粒通過慣性撞擊傳遞到表面；小于1～10 μm的顆粒通過熱泳和渦流擴散輸送到表面；更小的顆粒主要通過擴散，布朗運動等傳遞到表面。顆粒被傳送到傳熱表面的機制也由表面的位置和性質決定。因此，鍋爐中各機理的相對重要性取決于燃料成分，鍋爐設計和鍋爐運行條件?；曳州斔蜋C制的簡要描述將在以下部分展開描述，包括慣性撞擊、熱泳、湍流渦旋撞擊擴散和冷凝。

1 實驗系統

1.1 沉降爐實驗平臺

沉降爐實驗系統的構成如圖3所示，主要包括刮板式給粉機、爐體、剛玉反應管、電加熱及溫度控制器、進樣取樣裝置等組件。

刮板式給粉機為系統的核心組件，穩(wěn)定、分散給料是實驗準確性的基礎。在范德華力、靜電力的共同作用下，小顆粒煤粉極易出現團聚現象，團聚的煤粉進入爐膛后出現燃燒不充分現象，從而實驗工況偏離理論的設計工況；同時，這種由于給料不均勻造成的數據波動，嚴重影響實驗重復性的實現，無法得到可信的實驗數據，從而難以總結實驗規(guī)律。為實現給料的穩(wěn)定與分散，采用給料前控制與給料中控制。給粉前控制，即控制煤粉顆粒的粒徑分布，按照實驗經驗煤粉顆粒的粒徑分布處于45～106 μm時燃燒最穩(wěn)定。給粉中控制，即通過風、粉混合處的特殊設計，在煤粉進入爐膛前的輸運過程分散顆粒，從而進一步保證進入爐膛的煤粉顆粒均勻且穩(wěn)定。

爐體用于隔熱保溫并固定剛玉反應管，金屬本體內填充陶瓷纖維保溫材料，中央圓柱形空腔高度2.24 m，內徑90 mm。為方便更換剛玉反應管，爐體可水平開合。

反應管所使用的剛玉材質中，Al2O3含量超過99%，可在1 600 ℃的高溫下長期工作。反應管外徑70 mm，內徑60 mm，長度2.50 m。

電加熱裝置由24根碳化硅加熱棒組成，為保證溫度場均勻穩(wěn)定，均勻對稱分布在剛玉反應管兩側的長度方向。與電加熱裝置相配合的是由10個鉑銠熱電偶和控制器組成的溫控裝置，可在450～1 400 ℃的范圍內加熱并控制管壁溫度。電加熱及溫度控制器為反應管提供2.0 m的恒溫控制區(qū)，保證實驗工況的準確性。

進樣裝置連接給粉機與剛玉爐管，為保證反應管工況環(huán)境穩(wěn)定，采用法蘭方式與剛玉反應管連接在一起，其間使用最高工作溫度為250 ℃的氟橡膠O型圈作為密封介質?？紤]到爐內的高溫環(huán)境與進樣裝置、氟橡膠O型圈的耐溫能力，進樣裝置使用多層水冷套管進行局部降溫。由于進樣裝置的底部位于爐體2.0 m電加熱恒溫區(qū)的頂部位置，多層水冷套管亦可防止煤粉顆粒在爐內輸運過程發(fā)生反應。

取樣裝置與進樣裝置采用相同的多層水冷套管設計，同時具備N2吹掃功能，配合卡箍緊固可在剛玉反應管高度方向自由移動。煤粉顆粒在剛玉反應管中沉降至取樣裝置頂部取樣孔時，受水冷套管的冷卻作用和N2吹掃的稀釋作用的共同影響下，反應即刻停止，從而確保取樣裝置收集的樣品顆粒為設計工況下的產物。

1.2 積灰在線測量系統

積灰在線測量系統可以克服沉積過程本身的干擾，在線測量原位積灰的重量變化。積灰在線測量系統的結構如圖 所示，包括結渣頭、支撐管、支架固定器、高精度電子天平、數據采集系統、隔離套管和煙氣冷卻保護裝置等組件。

結渣頭使用Al2O3含量超過99%的剛玉材質，可在1 600 ℃的高溫下長期工作，為可拆卸更換的設計，位于剛玉支撐管的頂部。結渣頭頂部沉積面為半圓柱設計，顆粒撞擊角為0°～90°，更接近實際鍋爐水冷壁積灰的表面情況

支撐管使用Al2O3含量超過99%的剛玉材質，可在1 600 ℃的高溫下長期工作。搭配升降平臺，可以上下調整改變結渣頭在爐內的位置。

支架固定器采用輕量化設計，用于連接剛玉支撐管與電子天平的重量傳感器。實驗工況下結渣頭及剛玉支撐管受剛玉反應管內氣流擾動及顆粒撞擊作用，易出現不規(guī)律晃動，此現象直接導致高精度重量傳感器示數劇烈波動，從而掩蓋積灰增重規(guī)律。支架固定器可消除由此產生的數據波動，確保測量系統準確穩(wěn)定。

高精度電子天平使用梅特勒-托利多公司的重量傳感器，精度為1 mg，每秒傳輸1個數據至采集系統。

隔離套管使用2520不銹鋼材質，可在1 250 ℃的高溫下長期工作。在進行積灰實驗時，將結渣頭移入沉降爐爐膛中，燃燒過程產生的灰顆粒不斷沉積在結渣頭上。由于結渣頭及支撐系統均放置于重量傳感器上，數據采集系統可以在線記錄沉積過程中總重量的變化，從而得到積灰的在線數據。然而灰顆粒沉積在結渣頭上的同時，也會有部分顆粒沉積至剛玉支撐管及重量傳感器上，從而影響探針沉積重量測量的準確性。為避免此現象的發(fā)生，設計制作了隔離套管，并與煙氣冷卻保護裝置一起固定于爐體上。

煙氣冷卻保護裝置采用水冷夾層設計，與隔離套管之間形成空腔，在真空泵的抽吸作用下，隔離套管內側的空氣與爐膛煙氣一起抽吸排出。通過空氣的回流保護作用，進一步阻隔灰顆粒沉積至支撐管及重量傳感器上。與此同時，針對實際工況合理調整真空泵的真空度以減少其對測量系統的干擾。

1.3 實驗樣品

研究采用2種煤樣，分別為：準東煤(ZD)、宜賓煤(YB)。其工業(yè)分析、元素分析分別按照GB/T212-200831和GB/T31391-201532進行測定，結果見表1。煤灰熔融特性結果見表2。

表1工業(yè)分析和元素分析

表2煤灰熔融特性結果

2 實驗及分析

2.1 溫度對結渣速率的影響

為探究溫度對積灰速率的影響，需控制溫度變量的唯一性。依據第三章灰熔點的測試結果，選取小于DT的溫度1個，對應煙道對流換熱區(qū)、省煤器區(qū)積灰工況；選取DT、FT之間的溫度1個；選取大于FT的溫度1個，對應輻射換熱區(qū)結渣工況。

準東煤工況設計如下：給煤量2.52 g/min，過量空氣系數1.2，反應距離2.0 m，在1.5 m/s和2.5 m/s兩個煙氣流速下，分別探究1 200、1 240、1 280、1 320 ℃下溫度對結渣速率的影響；宜賓煤工況設計如下：給煤量3.17 g/min，過量空氣系數1.2，反應距離2.0 m，在1.5 m/s和2.5 m/s兩個煙氣流速下，分別探究1 200 ℃、1 250、1 290、1 320 ℃下溫度對結渣速率的影響。

一般來講，積灰重量是沉積顆粒的重量與焦炭反應的差值。Weber等[9]人提出了評價積灰可能性的兩個方面：(1)慣性撞擊和熱泳力；(2)反彈和粘附。就第一個方面來看，由上文溫度標定實驗可以知道，剛玉頭表面與爐溫幾乎一致，不存在溫度梯度，亦不存在熱泳力的影響。針對第二方面，由于結渣頭溫度較高，堿性蒸汽不會凝結，冷凝作用也不用考慮。當顆粒溫度超過變形溫度時，顆粒開始熔化并變得粘稠，這將降低回彈的效果。因此主要影響因素為：慣性撞擊(特別是與斯托克斯數直接相關)，反彈和粘附。

在低氣速下，隨溫度升高積灰增重變化不大；當進入高氣速時，溫度較高，較軟的顆粒積灰增速明顯，拉開很大差距。這是由于在低氣速下，顆粒動能較小，反彈效應影響較低，此時主要是撞擊控制，溫度改變，即粘度增加對積灰影響不大；當氣速繼續(xù)增大時，動能增加，此時粘附控制，因此溫度提升極大影響了積灰速率。

2.2 煙氣流速對結渣速率的影響

為探究煙氣流速對積灰速率的影響，需控制速度變量的唯一性。選取小于DT的溫度1個，大于FT的溫度一個，煙氣流速由1 m/s等比例增長至3 m/s。由于容積不變，且保證燃燒工況一致，需使用帶環(huán)形二次風的進樣裝置，通過改變二次風進氣量來提高煙氣流速。依據第三章轉化率結果，可知在1 100 ℃和1 400 ℃下，煤粉燃燒完全，通過改變二次風量來提高煙氣流速不會產生實驗工況的偏差。

準東煤工況設計如下：給煤時長20 min，給煤量2.52 g/min，過量空氣系數1.2，在1 100 ℃和1 400 ℃兩個煙氣流速下，分別探究1、1.5、2、2.5、3m /s下煙氣流速對結渣速率的影響；宜賓煤工況設計如下：給煤時長7 min，給煤量3.17 g/min，過量空氣系數1.2，在1 100 ℃和1 400 ℃兩個煙氣流速下，分別探究1、1.5、2、2.5、3 m/s下煙氣流速對結渣速率的影響。選擇1 100 ℃是因為此時低于變形溫度，灰粒仍是硬質顆粒；1 400 ℃高于其流動溫度，顆粒受到較強的粘附作用。

氣體速度影響顆粒的斯托克斯數，進而影響撞擊效率。在撞擊效率方面，較高的速度會導致較高的斯托克斯數，進而導致較高的沉積效率。反彈效率受顆粒動能和撞擊時的能量耗散控制。它與顆粒速度、顆粒性質、撞擊角度和沉積表面性質有關。當速度較大時會有更大的動能，撞擊效率提高。對于硬質顆粒來說，撞擊表面的能量耗散相對較少，因此會導致較大的回彈效率。然而當初始沉積層形成后，沉積表面變?yōu)榛曳指采w的軟質表面，耗散作用較大。

當溫度低于熔融溫度時，隨著氣速的增加積灰速率不斷減小，這是因為此工況下的煤灰顆粒為硬質顆粒，其在沉積面上的損耗較小，隨著動能增加，反彈效率增加更快，因此積灰速率下降。當溫度高于熔融溫度時，隨著氣速的增加沉積速率增加，這是因為煤灰顆粒變?yōu)槿廴诘能涃|顆粒其粘滯作用增強，并不斷積灰。低溫時，隨著氣速增加，積灰初始層的行成會有滯后性。

2.3 燃盡率對結渣速率的影響

為燃盡率對積灰速率的影響，控制燃盡率變量的唯一性。為保證相同的煙氣流速，則煙氣流量不變，即通過二次風中通入N2來實現不同氧濃度的工況，由此控制煤粉顆粒的燃盡率。

氧濃度對積灰的影響分兩階段：初始階段，部分轉化率較好的顆粒黏附到結渣表面，進而繼續(xù)捕捉其他顆粒，造成重量快速增加，第二階段，隨著表面含碳顆粒的增加，結渣表面變硬，顆粒反彈概率增大，結渣速率減小。

3 結束語

通過設計開發(fā)積灰在線測量的實驗系統并小型電加熱的沉降爐組合使用，在線測量原位積灰的重量變化。采用2種煤樣，對煤粉積灰特性進行實驗研究，結論如下：

(1)溫度對結渣速率的影響：在低氣速下，隨溫度升高積灰增加不明顯；高氣速下，隨溫度升高積灰增加不明顯。

(2)煙氣流速對結渣速率的影響：當溫度低于熔融溫度時，隨著氣速的增加積灰速率不斷減小，這是因為此工況下的煤灰顆粒為硬質顆粒，其在沉積面上的損耗較小，隨著動能增加，反彈效率增加更快，因此積灰速率下降。當溫度高于熔融溫度時，隨著氣速的增加沉積速率增加，這是因為煤灰顆粒變?yōu)槿廴诘能涃|顆粒其粘滯作用增強，并不斷積灰。

(3)燃盡率對結渣速率的影響：氧濃度對積灰的影響分兩階段，初始階段，部分轉化率較好的顆粒黏附到結渣表面，進而繼續(xù)捕捉其他顆粒，造成重量快速增加，第二階段，隨著表面含碳顆粒的增加，結渣表面變硬，顆粒反彈概率增大，結渣速率減小。