聶 立， 白文剛， 冉燊銘， 周 棋， 張秀昌， 車得福

（1.西安交通大學 動力工程多相流國家重點實驗室，西安710049；2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，成都611731）

我國新疆蘊藏有大量未開發(fā)的煤炭資源，預測其資源總量達到2.19×1013t，占全國預測煤炭資源總量的41%［1］.但由于歷史成因及當?shù)靥厥獾淖匀坏乩憝h(huán)境，新疆煤炭中有相當一部分屬于高鈉煤，該煤中鈉含量（以灰分計，下同）普遍在2%以上，部分煤種的鈉含量甚至高達10%以上，明顯高于其他地區(qū)動力用煤.我國其他礦區(qū)動力用煤中的鈉含量均在1%以內［2－3］.

煤中鈉含量直接關系到煤在燃用過程中受熱面的積灰特性.實踐表明［1－7］，鍋爐在燃用高鈉煤時，對流受熱面更容易發(fā)生黏結性積灰，并伴有不同程度的高溫腐蝕.因黏結性積灰引發(fā)的鍋爐停爐清灰事故多有發(fā)生且經(jīng)濟損失巨大，給鍋爐正常安全運行帶來巨大的隱患.目前，對新疆高鈉煤的利用主要采取摻燒的辦法［3－4］，但這種方法只能減緩積灰，并且摻燒受到摻配煤種成本和運輸條件等制約，不能從根本上解決積灰問題［2］.

由于我國動力用煤中鈉含量通常都不是很高，目前，有關燃用高鈉煤時受熱面積灰的研究鮮見報道.因此，研究高鈉煤的積灰特性對認識此類煤種的積灰問題和指導鍋爐設計具有非常重要的意義.筆者依托東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司機械工業(yè)重點（工程）實驗室的3 MW 煤粉爐試驗臺，研究了燃用3種不同煤種時煙氣溫度和外壁溫度對受熱面積灰試驗管段外壁積灰特性的影響.

1 試驗部分

1.1 煤種特性

試驗煤種選用三道嶺煤、沙爾湖煤和五彩灣煤，其中沙爾湖煤和五彩灣煤均屬于新疆高鈉煤，其煤質分析見表1.

1.2 試驗系統(tǒng)

所用的試驗系統(tǒng)為東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司德陽制造基地的3 MW 煤粉爐試驗臺，如圖1所示.試驗臺主要由5部分組成：制粉系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、送引風系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)和控制系統(tǒng).

采用中間儲倉式制粉系統(tǒng)，其主要設備有煤粉磨制設備、煤粉分離設備、煤粉收集設備和煤粉輸送設備.

燃燒試驗臺的點火啟動采用天然氣.利用天然氣槍將爐膛溫度烘高后再投入煤粉，燃燒穩(wěn)定后退出天然氣槍.

送引風系統(tǒng)主要由送風機、引風機、管道和調節(jié)裝置組成，運行時調節(jié)送風機和引風機的出力保持爐膛有一定的負壓.

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的作用是通過循環(huán)冷卻水控制試驗臺燃燒室溫度和排煙溫度，該系統(tǒng)主要包括水泵、水池、冷卻塔和調節(jié)閥等.

控制系統(tǒng)采用XDPS－400e分布式控制（DCS）系統(tǒng).燃燒試驗臺及其輔助系統(tǒng)運轉設備的啟停、調節(jié)、運行狀態(tài)監(jiān)控及主要運行參數(shù)（壓力、溫度和流量等）的監(jiān)測、記錄和安全保護等均通過DCS系統(tǒng)完成.

表1 試驗煤種的煤質分析Tab.1 Quality analysis of the coals studied

圖1 3 MW 煤粉爐試驗臺Fig.1 Schematic diagram of the 3 MW experimental system

試驗中為了較真實地模擬爐內的受熱面環(huán)境，設計了如圖2所示的積灰試驗管段.積灰試驗管段的材質選用SA－213T91，外徑d＝57mm，壁厚h＝4.5mm，長度L＝860mm，管內集成有4根k型熱電偶，其中2根熱電偶測量進、出口空氣溫度，另外2根測量積灰試驗管段的外壁溫度.在煙道上設置有觀察孔，試驗過程中可直接觀察外壁的積灰形貌.

圖2 積灰試驗管段Fig.2 Tube section adopted in the ash deposition test

1.3 積灰評判方法

通過將數(shù)根積灰試驗管段布置在試驗臺不同煙氣溫度區(qū)域來考察煙氣溫度的影響，通過調節(jié)流經(jīng)積灰試驗管段內的空氣質量流量來改變其外壁溫度以考察外壁溫度的影響.利用高溫熱電偶測量煙道內的煙氣溫度，采用IMP 分散式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步、不間斷地（周期為30s）采集掠過積灰試驗管段的煙氣溫度tg、外壁溫度tw、進口空氣溫度taj、出口空氣溫度tac和積灰試驗管段中空氣的質量流量qm.通過采集以上參數(shù)可分析計算出積灰試驗管段的傳熱系數(shù).

定義積灰試驗管段外壁積灰后的傳熱系數(shù)為h，則有

式中：Q 為積灰試驗管段內空氣的吸熱量，Q＝c·qm·（tac－taj）；c為空氣的比熱容；A 為積灰試驗管段的換熱面積，A＝πdL.

定義積灰試驗管段外壁清潔時的傳熱系數(shù)為h0，通過分析積灰試驗管段傳熱系數(shù)比Rh（Rh＝h／h0）隨時間的變化來研究煙氣溫度和外壁溫度對積灰試驗管段積灰特性的影響.

2 結果與分析

2.1 煤種的影響

圖3給出了燃用3種不同煤種時積灰試驗管段的傳熱系數(shù)比Rh隨時間的變化，其中煙氣溫度tg＝800 ℃，外壁溫度tw＝400 ℃.由圖3 可以看出，燃用三道嶺煤時Rh的變化規(guī)律與燃用另外2種高鈉煤時明顯不同，在整個試驗時間內其Rh幾乎不發(fā)生變化（約等于1）；而燃用2種高鈉煤時Rh隨時間增加均逐漸減小，且煤中鈉含量越高，對應的Rh減小得越快.

燃用高鈉煤時所形成的這種現(xiàn)象是由煤中的鈉在燃燒后形成黏結性積灰引起的.實際鍋爐中煙氣溫度和受熱面外壁溫度是影響受熱面積灰特性的重要因素.下面重點研究煙氣溫度和外壁溫度對高鈉煤燃燒時受熱面積灰特性的影響，考慮到節(jié)省試驗成本，試驗煤種均為沙爾湖煤.對于燃用五彩灣煤時的情況，筆者也對煙氣溫度為520 ℃和650 ℃時積灰試驗管段的積灰特性進行了研究，發(fā)現(xiàn)所得的結論與燃用沙爾湖煤時基本一致.由于整個試驗中對沙爾湖煤的研究是最為全面的，因此后續(xù)討論中均以沙爾湖煤為例.

圖3 燃用不同煤種時積灰試驗管段的Rh 隨時間的變化Fig.3 Rhcurves of test section when different coals are burned

2.2 煙氣溫度的影響

圖4 給出了不同煙氣溫度下燃用沙爾湖煤時積灰試驗管段的Rh隨時間的變化，其中外壁溫度為400 ℃.由圖4可以看出，當煙氣溫度為520 ℃時，積灰試驗管段的Rh幾乎不發(fā)生變化（約等于1）；而當煙氣溫度高于650 ℃時，積灰試驗管段的Rh均隨時間的增加逐漸減小，且煙氣溫度越高，對應的Rh減小得越快.通過布置在煙道上的觀察孔觀察各工況下積灰試驗管段的外壁積灰形貌，當煙氣溫度高于650 ℃時，積灰試驗管段的外壁均形成如圖5（圖中下方為迎風面）所示的嚴重積灰現(xiàn)象，在試驗過程中采用壓縮空氣吹灰時發(fā)現(xiàn)，這種積灰難以清除掉.

圖4 不同煙氣溫度下積灰試驗管段的Rh 隨時間的變化Fig.4 Rhcurves of test section at different flue gas temperatures

圖5 積灰試驗管段的積灰形貌Fig.5 Appearance of ash deposit on the test section

研究表明［2，8］，對于含有較多堿金屬鈉的燃料，其所含鈉的化合物在高溫（700～800 ℃以上）燃燒環(huán)境中發(fā)生升華或揮發(fā)，遇到溫度較低的受熱面時極易凝結在受熱面壁面上，然后再與煙氣中的二氧化硫、氧化鋁和氧化鐵等發(fā)生化合反應，形成各種硫酸鹽型致密黏結性底層，如硫酸鈉（Na2SO4）、復合硫酸鈉（Na3Fe（SO4）3）和焦硫酸鈉（Na2S2O7）等.以黏結性底層為黏結劑，一方面捕捉大量飛灰，牢固地黏結在外壁上形成高溫黏結性積灰，另一方面還可繼續(xù)形成黏結物，使灰層迅速增長.對于高溫黏結性積灰，其形成過程伴隨著化學反應，能夠無限增長，堅硬而難以清除，它不僅在背風側，而且大量形成于迎風面［9］.通常積灰層的導熱系數(shù)很小，熱阻很大，因此受熱面一旦形成積灰，會嚴重降低其傳熱能力.

眾所周知，對于固態(tài)物質來講，其揮發(fā)程度取決于熔點的高低［2］，而對于其中一些易升華物質來講，升華點則是決定其升華程度的關鍵因素.煤中的鈉化合物除了以硅酸鹽形式存在的化合物熔點很高外，其他形式的鈉化合物熔點均較低（見表2）.

表2 常見鈉化合物的熔點Tab.2 Fusion points of most common sodium compounds℃

如圖4所示，當煙氣溫度為520℃時，煙氣中鈉化合物均已被凝結下來，此時煙氣中不再含有堿金屬化合物蒸氣，即使遇到外壁溫度為400 ℃的積灰試驗管段也不會形成難以清除的高溫黏結性積灰，因而在試驗時間內（240 min），積灰試驗管段的Rh均較大（約等于1）.由表2可知，鈉化合物中熔點最低的是Na2O（熔點為611 ℃），與試驗結果很吻合.隨著煙氣溫度的升高（＞650 ℃時），煙氣中未被凝結的堿金屬蒸氣含量逐漸升高，這些堿金屬蒸氣遇到溫度較低的積灰試驗管段后，很容易在外壁上形成一層黏結性底層，并最終形成高溫黏結性積灰.隨著時間的延長，高溫黏結性積灰的厚度不斷增加，這也是圖4中各煙氣溫度下積灰試驗管段的Rh隨時間增加而逐漸減小的主要原因.由于煙氣溫度越高，煙氣中未被凝結的堿金屬蒸氣含量越高，形成高溫黏結性積灰的速率越快，具體表現(xiàn)為圖4中隨著煙氣溫度的升高，Rh曲線的斜率越大.

由圖4還可以看出，當煙氣溫度為650℃時，積灰試驗管段的Rh隨時間的增加而逐漸趨于穩(wěn)定；當煙氣溫度分別為900 ℃和1 000 ℃時，對應的Rh曲線互相重合.當煙氣溫度為650℃時，由于該溫度已十分接近煙氣中鈉化合物的最低熔點，煙氣中所含有的堿金屬蒸氣含量很低，即使完全凝結在積灰試驗管段外壁上，也不足以產生嚴重的高溫黏結性積灰，因此Rh隨時間的增加而逐漸趨于穩(wěn)定值.而當煙氣溫度為900 ℃和1 000 ℃時，由表2可知，除硅酸鹽形式的鈉化合物外，其他形式的鈉化合物的熔點均較低，最高熔點不超過884℃.因此當積灰試驗管段的外壁溫度為400 ℃、煙氣溫度分別為900℃和1 000℃時，2種工況下煙氣中所含有的堿金屬蒸氣含量是相同的，從而使煙氣溫度為900 ℃時的Rh曲線與煙氣溫度為1 000 ℃時的Rh曲線互相重合.

2.3 外壁溫度的影響

圖6 不同外壁溫度下積灰試驗管段的Rh 隨時間的變化Fig.6 Rhcurves of test section at different outer wall temperatures

圖6 給出了不同外壁溫度下積灰試驗管段外壁溫度對Rh的影響，其中煤種為沙爾湖煤，煙氣溫度分別為800 ℃和1 000 ℃.由圖6可以看出，2種煙氣溫度下外壁溫度變化均會對積灰試驗管段的Rh產生一定影響，但這種影響與外壁溫度是否介于鈉化合物的熔點區(qū)間（611～884 ℃）緊密相關.當外壁溫度低于煙氣中鈉化合物蒸氣的最低熔點（611 ℃）時，改變外壁溫度不會對積灰試驗管段的Rh產生影響；而當外壁溫度處于鈉化合物的熔點區(qū)間時，外壁溫度越低，Rh減小得越快.外壁溫度對積灰試驗管段Rh的影響與煙氣中不同形式鈉化合物蒸氣的凝結有關，具體可參見表2中各種鈉化合物的熔點.

3 結 論

（1）燃用不同煤種時，煤中鈉含量會直接影響受熱面積灰試驗管段外壁的積灰特性，煤中鈉含量越高，積灰越嚴重.

（2）對于高鈉煤（沙爾湖煤），煙氣溫度對積灰試驗管段外壁的積灰特性具有顯著影響.當煙氣溫度為520 ℃時（低于鈉化合物的最低熔點），積灰試驗管段的Rh幾乎不隨時間發(fā)生變化，約等于1；當煙氣溫度高于650 ℃時，隨著時間的增加，Rh均逐漸減小，且煙氣溫度越高，Rh減小得越快.

（3）煙氣溫度為650 ℃時，Rh隨著時間的增加逐漸趨于穩(wěn)定；煙氣溫度為900 ℃時的Rh曲線與煙氣溫度為1 000 ℃時的Rh曲線互相重合.

（4）外壁溫度會對積灰試驗管段的Rh隨時間的變化產生影響，并且這種影響與外壁溫度是否位于煙氣中鈉化合物的熔點區(qū)間有關.

［1］ 于強，張健強.燃用高鈉煤對鍋爐受熱面的影響［J］.鍋爐制造，2012，4（4）：4－6.YU Qiang，ZHANG Jianqiang.Effect of burning high－sodium coal on boiler heating surface［J］.Boiler Manufacturing，2012，4（4）：4－6.

［2］ 張守玉，陳川，施大鐘，等.高鈉煤燃燒利用現(xiàn)狀［J］.中國電機工程學報，2013，33（5）：1－12.ZHANG Shouyu，CHEN Chuan，SHI Dazhong，et al.Situation of combustion utilization of high sodium coal［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33（5）：1－12.

［3］ 楊忠燦，劉家利，姚偉.準東煤灰沾污指標研究［J］.潔凈煤技術，2013，19（2）：81－84.YANG Zhongcan，LIU Jiali，YAO Wei.Fouling index of Zhundong coal ash［J］.Clean Coal Technology，2013，19（2）：81－84.

［4］ 董明鋼.高鈉煤對鍋爐受熱面結渣、沾污和腐蝕的影響及預防措施［J］.熱力發(fā)電，2008，37（9）：35－39.DONG Minggang.Influence of high－sodium coal upon slagging，contamination，and corrosion on the heating surface of boilers［J］.Thermal Power Generation，2008，37（9）：35－39.

［5］ 陳川，張守玉，施大鐘，等.準東煤脫鈉提質研究［C］／／中國動力工程學會鍋爐專業(yè)委員會2012年學術研討會論文集.昌吉：中國動力工程學會，2012.

［6］ 陳川，張守玉，劉大海，等.新疆高鈉煤中鈉的賦存形態(tài)及其對燃燒過程的影響［J］.燃料化學學報，2013，41（7）：832－840.CHEN Chuan，ZHANG Shouyu，LIU Dahai，et al.Existence form of sodium in high sodium coals from Xinjiang and its effect on combustion process［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，2013，41（7）：832－840.

［7］ 朱予東，閻維平，高正陽，等.600MW 機組鍋爐對流受熱面污染狀況實驗與吹灰優(yōu)化［J］.動力工程，2005，25（2）：196－200.ZHU Yudong，YAN Weiping，GAO Zhengyang，et al.Tests on fouling condition of the convection heating surfaces and soot blowing optimization of a 600 MW sets boiler［J］.Chinese Journal of Power Engineering，2005，25（2）：196－200.

［8］ RADHAKRISHNAN P，ZAKKAY V，AGNONE A.Alkali and gas emissions from PFB combustion of lignite［J］.Combustion Science and Technology，1986，50（4／5／6）：271－281.

［9］ CHE D.Boilers－theory，design and operation［M］.Xi＇an：Xi＇an Jiaotong University Press，2008.