(華北電力大學(xué)(保定)， 河北 保定 071003)

0 引 言

煤灰引起的相關(guān)問題對(duì)于鍋爐運(yùn)行而言至關(guān)重要。由結(jié)渣或結(jié)垢造成的灰沉積通常是鍋爐意外停機(jī)的主要原因。這是由多種因素造成的，如煤的有機(jī)特性，礦物質(zhì)組成、轉(zhuǎn)化和分解，爐膛溫度，灰分輸送、蒸發(fā)、凝結(jié)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(jié)渣，如爐膛內(nèi)壁和屏式過熱器。通常情況下，結(jié)渣發(fā)生在最熱的部分，結(jié)渣沉積物在高溫下具有化學(xué)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(jié)渣的過程中，灰分顆粒的原始化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)經(jīng)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(duì)流換熱。積灰發(fā)生在煙氣和灰分顆粒冷卻時(shí)。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(xué)結(jié)構(gòu)。

鍋爐不同區(qū)域的灰分沉積問題主要以以下方式表現(xiàn)[3]：

(1)沉積的灰如同保溫層一樣降低傳熱速率，這導(dǎo)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(huì)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(dǎo)致腐蝕加??；

(4)對(duì)流換熱面內(nèi)積灰增多，導(dǎo)致氣體流動(dòng)受阻，溫度場不均勻；

(5)燃燒器處沉積的灰改變?nèi)紵鞯膭?dòng)力學(xué)特性，易導(dǎo)致燃燒、點(diǎn)火不穩(wěn)。

在爐膛內(nèi)，煤中的有機(jī)物在高溫高壓條件下完全燃燒和氣化，同時(shí)煤中的礦物質(zhì)在燃燒過程中轉(zhuǎn)化為煤灰，暴露在高溫條件下的灰由于其組分礦物質(zhì)的熔化和反應(yīng)成為液態(tài)渣，同時(shí)熔融的灰顆粒積聚在氣化室的內(nèi)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(dòng)[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(huì)隨著溫度的變化而相互轉(zhuǎn)化。

在鍋爐中，燃料中的非可燃物質(zhì)及無機(jī)物是灰沉積過程中灰的主要來源。燃燒時(shí)，從燃料中釋放出來。氣流帶動(dòng)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(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)。積灰的形狀和沉積位置則由輸送機(jī)理決定，同時(shí)形狀和位置又影響積灰的生長、損耗、燒結(jié)、融化[5-6]。

Mueller等[7]人總結(jié)了不同尺寸顆粒的輸送機(jī)制：慣性撞擊是大于10 μm顆粒的主要傳輸機(jī)制；湍流渦旋沖擊是1到10 μm之間顆粒的主要傳輸機(jī)制；渦旋擴(kuò)散和熱泳則是小于1 μm顆粒的關(guān)鍵輸送機(jī)制。Theis等[8]人根據(jù)文獻(xiàn)做出了類似的總結(jié)，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(kuò)散輸送到表面；更小的顆粒主要通過擴(kuò)散，布朗運(yùn)動(dòng)等傳遞到表面。顆粒被傳送到傳熱表面的機(jī)制也由表面的位置和性質(zhì)決定。因此，鍋爐中各機(jī)理的相對(duì)重要性取決于燃料成分，鍋爐設(shè)計(jì)和鍋爐運(yùn)行條件。灰分輸送機(jī)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(kuò)散和冷凝。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 沉降爐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

沉降爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖3所示，主要包括刮板式給粉機(jī)、爐體、剛玉反應(yīng)管、電加熱及溫度控制器、進(jìn)樣取樣裝置等組件。

刮板式給粉機(jī)為系統(tǒng)的核心組件，穩(wěn)定、分散給料是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。在范德華力、靜電力的共同作用下，小顆粒煤粉極易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚的煤粉進(jìn)入爐膛后出現(xiàn)燃燒不充分現(xiàn)象，從而實(shí)驗(yàn)工況偏離理論的設(shè)計(jì)工況；同時(shí)，這種由于給料不均勻造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)重復(fù)性的實(shí)現(xiàn)，無法得到可信的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而難以總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。為實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)煤粉顆粒的粒徑分布處于45～106 μm時(shí)燃燒最穩(wěn)定。給粉中控制，即通過風(fēng)、粉混合處的特殊設(shè)計(jì)，在煤粉進(jìn)入爐膛前的輸運(yùn)過程分散顆粒，從而進(jìn)一步保證進(jìn)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(yīng)管，金屬本體內(nèi)填充陶瓷纖維保溫材料，中央圓柱形空腔高度2.24 m，內(nèi)徑90 mm。為方便更換剛玉反應(yīng)管，爐體可水平開合。

反應(yīng)管所使用的剛玉材質(zhì)中，Al2O3含量超過99%，可在1 600 ℃的高溫下長期工作。反應(yīng)管外徑70 mm，內(nèi)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?qū)ΨQ分布在剛玉反應(yīng)管兩側(cè)的長度方向。與電加熱裝置相配合的是由10個(gè)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(nèi)加熱并控制管壁溫度。電加熱及溫度控制器為反應(yīng)管提供2.0 m的恒溫控制區(qū)，保證實(shí)驗(yàn)工況的準(zhǔn)確性。

進(jìn)樣裝置連接給粉機(jī)與剛玉爐管，為保證反應(yīng)管工況環(huán)境穩(wěn)定，采用法蘭方式與剛玉反應(yīng)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(zhì)?？紤]到爐內(nèi)的高溫環(huán)境與進(jìn)樣裝置、氟橡膠O型圈的耐溫能力，進(jìn)樣裝置使用多層水冷套管進(jìn)行局部降溫。由于進(jìn)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(nèi)輸運(yùn)過程發(fā)生反應(yīng)。

取樣裝置與進(jìn)樣裝置采用相同的多層水冷套管設(shè)計(jì)，同時(shí)具備N2吹掃功能，配合卡箍緊固可在剛玉反應(yīng)管高度方向自由移動(dòng)。煤粉顆粒在剛玉反應(yīng)管中沉降至取樣裝置頂部取樣孔時(shí)，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(yīng)即刻停止，從而確保取樣裝置收集的樣品顆粒為設(shè)計(jì)工況下的產(chǎn)物。

1.2 積灰在線測量系統(tǒng)

積灰在線測量系統(tǒng)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 所示，包括結(jié)渣頭、支撐管、支架固定器、高精度電子天平、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、隔離套管和煙氣冷卻保護(hù)裝置等組件。

結(jié)渣頭使用Al2O3含量超過99%的剛玉材質(zhì)，可在1 600 ℃的高溫下長期工作，為可拆卸更換的設(shè)計(jì)，位于剛玉支撐管的頂部。結(jié)渣頭頂部沉積面為半圓柱設(shè)計(jì)，顆粒撞擊角為0°～90°，更接近實(shí)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(zhì)，可在1 600 ℃的高溫下長期工作。搭配升降平臺(tái)，可以上下調(diào)整改變結(jié)渣頭在爐內(nèi)的位置。

支架固定器采用輕量化設(shè)計(jì)，用于連接剛玉支撐管與電子天平的重量傳感器。實(shí)驗(yàn)工況下結(jié)渣頭及剛玉支撐管受剛玉反應(yīng)管內(nèi)氣流擾動(dòng)及顆粒撞擊作用，易出現(xiàn)不規(guī)律晃動(dòng)，此現(xiàn)象直接導(dǎo)致高精度重量傳感器示數(shù)劇烈波動(dòng)，從而掩蓋積灰增重規(guī)律。支架固定器可消除由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)波動(dòng)，確保測量系統(tǒng)準(zhǔn)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(gè)數(shù)據(jù)至采集系統(tǒng)。

隔離套管使用2520不銹鋼材質(zhì)，可在1 250 ℃的高溫下長期工作。在進(jìn)行積灰實(shí)驗(yàn)時(shí)，將結(jié)渣頭移入沉降爐爐膛中，燃燒過程產(chǎn)生的灰顆粒不斷沉積在結(jié)渣頭上。由于結(jié)渣頭及支撐系統(tǒng)均放置于重量傳感器上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)。然而灰顆粒沉積在結(jié)渣頭上的同時(shí)，也會(huì)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(zhǔn)確性。為避免此現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)制作了隔離套管，并與煙氣冷卻保護(hù)裝置一起固定于爐體上。

煙氣冷卻保護(hù)裝置采用水冷夾層設(shè)計(jì)，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(nèi)側(cè)的空氣與爐膛煙氣一起抽吸排出。通過空氣的回流保護(hù)作用，進(jìn)一步阻隔灰顆粒沉積至支撐管及重量傳感器上。與此同時(shí)，針對(duì)實(shí)際工況合理調(diào)整真空泵的真空度以減少其對(duì)測量系統(tǒng)的干擾。

1.3 實(shí)驗(yàn)樣品

研究采用2種煤樣，分別為：準(zhǔn)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(jìn)行測定，結(jié)果見表1。煤灰熔融特性結(jié)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(jié)果

2 實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 溫度對(duì)結(jié)渣速率的影響

為探究溫度對(duì)積灰速率的影響，需控制溫度變量的唯一性。依據(jù)第三章灰熔點(diǎn)的測試結(jié)果，選取小于DT的溫度1個(gè)，對(duì)應(yīng)煙道對(duì)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(gè)；選取大于FT的溫度1個(gè)，對(duì)應(yīng)輻射換熱區(qū)結(jié)渣工況。

準(zhǔn)東煤工況設(shè)計(jì)如下：給煤量2.52 g/min，過量空氣系數(shù)1.2，反應(yīng)距離2.0 m，在1.5 m/s和2.5 m/s兩個(gè)煙氣流速下，分別探究1 200、1 240、1 280、1 320 ℃下溫度對(duì)結(jié)渣速率的影響；宜賓煤工況設(shè)計(jì)如下：給煤量3.17 g/min，過量空氣系數(shù)1.2，反應(yīng)距離2.0 m，在1.5 m/s和2.5 m/s兩個(gè)煙氣流速下，分別探究1 200 ℃、1 250、1 290、1 320 ℃下溫度對(duì)結(jié)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(yīng)的差值。Weber等[9]人提出了評(píng)價(jià)積灰可能性的兩個(gè)方面：(1)慣性撞擊和熱泳力；(2)反彈和粘附。就第一個(gè)方面來看，由上文溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)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(duì)第二方面，由于結(jié)渣頭溫度較高，堿性蒸汽不會(huì)凝結(jié)，冷凝作用也不用考慮。當(dāng)顆粒溫度超過變形溫度時(shí)，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(shù)直接相關(guān))，反彈和粘附。

在低氣速下，隨溫度升高積灰增重變化不大；當(dāng)進(jìn)入高氣速時(shí)，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(dòng)能較小，反彈效應(yīng)影響較低，此時(shí)主要是撞擊控制，溫度改變，即粘度增加對(duì)積灰影響不大；當(dāng)氣速繼續(xù)增大時(shí)，動(dòng)能增加，此時(shí)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(duì)結(jié)渣速率的影響

為探究煙氣流速對(duì)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(gè)，大于FT的溫度一個(gè)，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(fēng)的進(jìn)樣裝置，通過改變二次風(fēng)進(jìn)氣量來提高煙氣流速。依據(jù)第三章轉(zhuǎn)化率結(jié)果，可知在1 100 ℃和1 400 ℃下，煤粉燃燒完全，通過改變二次風(fēng)量來提高煙氣流速不會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)工況的偏差。

準(zhǔn)東煤工況設(shè)計(jì)如下：給煤時(shí)長20 min，給煤量2.52 g/min，過量空氣系數(shù)1.2，在1 100 ℃和1 400 ℃兩個(gè)煙氣流速下，分別探究1、1.5、2、2.5、3m /s下煙氣流速對(duì)結(jié)渣速率的影響；宜賓煤工況設(shè)計(jì)如下：給煤時(shí)長7 min，給煤量3.17 g/min，過量空氣系數(shù)1.2，在1 100 ℃和1 400 ℃兩個(gè)煙氣流速下，分別探究1、1.5、2、2.5、3 m/s下煙氣流速對(duì)結(jié)渣速率的影響。選擇1 100 ℃是因?yàn)榇藭r(shí)低于變形溫度，灰粒仍是硬質(zhì)顆粒；1 400 ℃高于其流動(dòng)溫度，顆粒受到較強(qiáng)的粘附作用。

氣體速度影響顆粒的斯托克斯數(shù)，進(jìn)而影響撞擊效率。在撞擊效率方面，較高的速度會(huì)導(dǎo)致較高的斯托克斯數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致較高的沉積效率。反彈效率受顆粒動(dòng)能和撞擊時(shí)的能量耗散控制。它與顆粒速度、顆粒性質(zhì)、撞擊角度和沉積表面性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)速度較大時(shí)會(huì)有更大的動(dòng)能，撞擊效率提高。對(duì)于硬質(zhì)顆粒來說，撞擊表面的能量耗散相對(duì)較少，因此會(huì)導(dǎo)致較大的回彈效率。然而當(dāng)初始沉積層形成后，沉積表面變?yōu)榛曳指采w的軟質(zhì)表面，耗散作用較大。

當(dāng)溫度低于熔融溫度時(shí)，隨著氣速的增加積灰速率不斷減小，這是因?yàn)榇斯r下的煤灰顆粒為硬質(zhì)顆粒，其在沉積面上的損耗較小，隨著動(dòng)能增加，反彈效率增加更快，因此積灰速率下降。當(dāng)溫度高于熔融溫度時(shí)，隨著氣速的增加沉積速率增加，這是因?yàn)槊夯翌w粒變?yōu)槿廴诘能涃|(zhì)顆粒其粘滯作用增強(qiáng)，并不斷積灰。低溫時(shí)，隨著氣速增加，積灰初始層的行成會(huì)有滯后性。

2.3 燃盡率對(duì)結(jié)渣速率的影響

為燃盡率對(duì)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(fēng)中通入N2來實(shí)現(xiàn)不同氧濃度的工況，由此控制煤粉顆粒的燃盡率。

氧濃度對(duì)積灰的影響分兩階段：初始階段，部分轉(zhuǎn)化率較好的顆粒黏附到結(jié)渣表面，進(jìn)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(jié)渣表面變硬，顆粒反彈概率增大，結(jié)渣速率減小。

3 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)開發(fā)積灰在線測量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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(duì)煤粉積灰特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

(1)溫度對(duì)結(jié)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(duì)結(jié)渣速率的影響：當(dāng)溫度低于熔融溫度時(shí)，隨著氣速的增加積灰速率不斷減小，這是因?yàn)榇斯r下的煤灰顆粒為硬質(zhì)顆粒，其在沉積面上的損耗較小，隨著動(dòng)能增加，反彈效率增加更快，因此積灰速率下降。當(dāng)溫度高于熔融溫度時(shí)，隨著氣速的增加沉積速率增加，這是因?yàn)槊夯翌w粒變?yōu)槿廴诘能涃|(zhì)顆粒其粘滯作用增強(qiáng)，并不斷積灰。

(3)燃盡率對(duì)結(jié)渣速率的影響：氧濃度對(duì)積灰的影響分兩階段，初始階段，部分轉(zhuǎn)化率較好的顆粒黏附到結(jié)渣表面，進(jìn)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(jié)渣表面變硬，顆粒反彈概率增大，結(jié)渣速率減小。