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1、兰州交通大学毕业设计（论文）第一章 绪论能源问题已成为世界各国所关注得重大问题，我国用于发电、工业生产和生活取暖等锅炉得煤耗量要占总开采量得一半以上。为了保证锅炉工作安全可靠和节约能源，当今锅炉工作者得重点应着眼于锅炉的烟气侧，即锅炉受热面外部工作过程 结渣、积灰、腐蚀和磨损。而力求消除和减轻灰渣污染与金属磨蚀，是研究锅炉受热面外部工作的主要任务。燃用化石矿物燃料的锅炉受热面，或多或少都会遭受到烟气流中固体质点和酸性与有害气体的污染。燃煤锅炉的炉膛结渣(亦称结焦)，对流受热面的积灰与低温腐蚀是屡见不鲜的。结渣属于粘结性灰污，其带来的危害性通常要比松散性灰污严重得多。当锅炉发生结渣当锅炉发生结渣
2、时，由于灰污具有比金属壁大得多的热阻，因而降低了传热效果，增加了锅炉排烟损失，使锅炉效率降低，且增加了通风电耗。同时，由于结渣且有局部性，因而影响到受热面内部汽水正常工作。严重的结渣将堵塞烟气通道及炉膛排渣口和使汽水管过热爆管，破坏设备连续运行。大的渣块掉下，则可能砸坏冷灰斗。结渣也加剧了金属的腐蚀。为清除结渣有时不得不停炉.为防止结渣，也迫使一些锅炉长期在低负荷下运行。因此，结渣严重影响锅炉的可用率、出力及安全性。带来巨大的经济损失。我国近年来，由于电站用煤品种多变，劣质煤的大量使用，锅炉结渣情况日益突出。对我国电站调查表明，有相当数量的锅炉存在不同程度的结渣。由此，不仅造成了经济上的损失，
3、也加剧了我国电力不足的矛盾。如何消除和防止锅炉受热面结渣已成为我国锅炉工作者的一大任务。本文对结渣进行理论和实践研究，对电站锅炉的安全经济运行具有重要意义。一 结渣的危害性锅炉结渣不但增加了锅炉受热面的传热阻力，使受热面传热恶化、煤耗增加、降低锅炉的热经济性，还可能造成烟气通道的堵塞，影响了锅炉的安全运行，严重时会发生设备损坏、人身伤害事故。锅炉结渣即锅炉结焦，对锅炉运行危害严重：（一）结渣会降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面沉积后从烟气侧到汽水侧的传热过程中，沉积物的导热系数较其他环节介质小得多(见表1)。图1表明:当受热面积有3mm疏松灰或10m m熔融渣时，就可造成炉膛传热下降40%
4、，相应的炉膛出口烟温升高近300。而锅炉运行中的实测也表明，当炉膛积灰厚度由1m m增至2mm时，传热减少28%。由于其导热系数很低，热阻很大，一般玷污数小时水后水冷壁的传热能力会降低30%60%使得炉内火焰温度后移，炉膛出口烟温相应提高，会使省煤器各空气预热器堵塞，传热恶化，从而提高排烟温度，降低锅炉运行经济性。 表1图1灰沉积对炉膛传热和出口烟温的影响A1、A2疏松灰沉积 B1、B2熔融渣（二）在传热作用减弱的情况下，为了维持同样蒸发量，就需要消耗更多的燃料。以提高燃烧室内各部位的烟气温度，这时必须相应增加通风量，使送引风机负荷增高，厂用电增大。由于通风设备容量有限，加之结渣情况下容易发生
5、烟气通道的局部堵塞，可能因引风量不足，燃烧室内产生正压，甚至限制锅炉出力，（三）由于炉膛出口烟温提高，导致过热汽温度过高，这不仅危害过热器，还会引发汽轮机的事故。另外，还能使飞灰易粘结在对流和屏式过热器上，引起过热器的玷污和腐蚀。（四）由于总的传热阻力增大，会使锅炉可能无法维持在满负荷下运行，只好增加投煤量，引起炉膛出口烟温进一步的提高，使灰渣更容易粘在受热面上，形成恶性循环，导致发生一系列锅炉恶性事故，如过热器，省煤器管束堵灰，爆裂，空气预热器大量漏风，出渣系统堵死。烟温升高还会导致蒸汽过热汽温偏高，使金属管子处于超温运行状态。（五）在高温作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生
6、复杂的化学反应，形成高温腐蚀。发生高温腐蚀时水冷壁管平均腐蚀量达0.82.6mm/s 。如燃用高硫煤时，腐蚀区受火焰的直接冲刷，其腐蚀速度可达5mm/a以上，运行不当时，经常会发生爆管停炉。因此，锅炉结渣灰污可看作是高温腐蚀的前兆。（六）燃烧室上部结渣掉落时，可能砸坏冷灰斗水冷壁管。结渣严重时，下部冷灰斗处因上部渣块掉下和壁面直接结渣而堆积大量硬质焦渣，阻碍了落灰的排除，会使冷灰斗出口逐渐堵塞。以致不能维持运行。（七）喷燃器出口处，可能因结渣而影响煤粉气流的正常喷射，甚至喷口被焦渣堵住或因焦渣影响引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器，（八）结渣以后，为了维持锅炉出力，增加入炉燃料量而通风不足
7、时，燃烧不易完全，一些可燃物可能被带到对流受热面，在烟道角落堆积起来维持燃烧，发生烟道再燃烧现象，这时在燃烧部位的受热面表面温度急剧升高，会造成破坏性的后果。（九）由于积灰，结渣腐蚀及磨损而造成经济损失这可纳如下：1经国内外资料统计，由于炉膛及排烟温度的提高，致使锅炉平均效率降底3%5%，并增加煤耗，2要经常停炉检查；因少发电量带来了很大的损失，3只能低负荷运行，如某台200 MW锅炉燃用灰熔点低的煤（T1=1140），结渣严重时只能在40%负荷下运行，还经常被迫停炉4要增加大量的检修费用，如清渣，更换炉管等所需的费用。据国外估计，美国每年因锅炉受热面玷污，结渣而带来的各种经济损失总和达201
8、00亿美元。电站锅炉结渣是客观存在、不可避免的，从现有大机组生产运行情况看,有相当数量的机组为不同程度的结渣问题所困扰。这一方面是由于锅炉结渣的客观规律性所决定的，在另一方面还受我国在现阶段燃煤情况影响。在现阶段，由于煤电供需矛盾的存在，电站锅炉燃煤不能长期保持稳定，煤质多变；另外我国电站锅炉燃用煤质较差,约有半数在不同程度上属于易结渣类型。这两个客观存在的情况就加剧了电站锅炉的结渣现状。结渣一旦发生,将严重影响锅炉运行的安全性和经济性。我国多数主要动力煤产区都富藏灰熔融温度很低的煤种,因此电站锅炉结渣、积灰是个长期存在的问题。对于采用常规煤粉燃烧方式的锅炉来说,炉膛结渣将一直是设计和运行中需
9、要认真对待的问题。从理论上对锅炉结渣、积灰的原理进行分析、探讨，掌握锅炉结渣的规律，从生产实践上采取合理的措施防止锅炉结渣、积灰，防止锅炉掉大焦就具有长期的、现实的意义。二 本课题国内外研究现状及结渣的诊断与监控现状受热面结渣是一极为复杂的理化过程，影响因素很多，不仅牵扯到煤中矿物结构、组成等，还与矿物质在炉内加热过程中的理化变化以及在炉内的运动和炉内气氛等有关。国外虽研究多年，但至今尚未能达到准确的科学性，依据仍然是经验。国内近几年在一些单位开展的研究，还不能满足锅炉设计人员和运行人员的迫切需要。因此，为了进一步向锅炉设计、运行和添加剂等方面提供选用的认识，消除或减轻受热面结渣，提高锅炉可用
10、率、经济性和安全性，节约能源，加强受热面结渣机理的研究是很有必要和很有现实意义的。综合 分 析 国内外关于炉内结渣的研究工作，大致分3个研究方向。即燃料特性、锅炉结构和运行方式，同一个煤种在不同形式的锅炉上结渣程度是有差别的。设计锅炉时炉膛容积热负荷、截面热负荷与燃烧器区域热负荷等参数选取不当，即使灰熔点高的煤种也会引起结渣。锅炉运行方式对结渣影响也很大，对四角切园燃烧方式来说，各角配风不均匀也会对锅炉结渣造成很大的影响。经常出现在同一电厂燃用相同的煤种，同型的两台锅炉的结渣程度不同，其主要原因很可能是运行方式有差别。以上三者相互影响，使结渣问题复杂化，而三者中，对燃料特性的研究又是锅炉设计和
11、运行的主要依据，因此，对燃料结渣特性的研究受到许多重视。对易结渣煤质的判别，一直受到许多学者的关注，并提出了许多的判别指数和判别方法。从大的方面来分，主要分为灰熔点型结渣指数法、灰成分型结渣指数法、灰粘度型结渣指数法、特种方法和综合判别方法。在锅炉运行中，如何准确监测炉内结渣积灰的程度和发展趋势，并根据积灰结渣的状况和运行需要，及时有效地采取吹灰清渣措施，即维持受热面的正常状况，又节约吹灰介质和降低烟尘排放显得十分重要。因此，为大型电厂锅炉研究和开发基于在线监测参数、直接或间接地诊断炉内积灰结渣的在线监测诊断技术，指导优化清渣吹灰是十分必要的。近年来一些工业发达国家十分重视燃煤电厂锅炉结渣积灰
12、在线监测和优化吹灰技术的开发与应用，已经在某些大型燃煤电厂锅炉上进行了示范实施，取得提高锅炉安全经济运行的效果。这些系统从功能上大致可以分为两类，一类针对炉膛水冷壁的灰污监测，另一类针对对流和半流受热面的灰污监测。前者大多需要安装额外的测量仪表，测量水冷壁接受的辐射热流等信号。后者大多依赖锅炉原有的数据采集系统提供必要的测量信息，通过数学模型的计算确定受热面的灰污状态。加拿大滑铁卢大学开发了专门针对炉膛结渣的监测系统。该系统在炉膛水冷壁的易结渣部位安装了圆盘式热流计，这些热流计分为两类:一类是清洁热流计，另一类是灰污热流计。清洁热流计装有压缩空气吹扫装置，保持热流计表面没有灰污沉积，用来测量锅
13、炉受热面能够接受到的火焰辐射热流。灰污热流汁和水冷壁一样遭到沾污，用来测量锅炉受热面实际吸收的热流。灰污热流计的输出信号取决于两个因素的作用，一个是炉膛火焰的辐射热流，另一个是热流计表面的灰污沉积。前者随着锅炉负荷、燃烧器摆角、烟气再循环量、过量空气系数等运行参数的调整而变化。清洁热流计的信号，为过滤掉这些与灰污沉积无关的变化，提供了一个参考值，通过比较脏热流计和清洁热流汁的信号，可以判断出水冷壁的灰污程度。三 本文所做的工作本文主要从燃料特性方面，研究了结渣机理，包括煤中矿物质在加热过程中的理化特性、灰熔融特性、灰成分对结渣的影响、结渣形成的过程和锅炉结构，温度场、速度场和运行对结渣的影响。
14、主要从机理上对结渣进行研究，论述判断结渣的方法及防止结渣的方法，最后对实际煤种进行预测。第二章 结渣机理探讨锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程,它涉及煤的燃烧、炉内传热、传质、煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复杂过程,至今还没有能定量描述结渣过程的数学模型。根据研究结果,可以从下面一些过程来探讨结渣机理。一 煤灰在燃烧过程中形态变化煤中的灰是指存在于煤中的所有的无机物质,同时也包括存在于煤有机化合物中的无机元素。通常,煤中的无机物可以分为三类,即原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质。原生矿物质主要来源于形成煤的植物生长过程,基本上以分子状态均匀分布于煤中,其在煤中的含量
15、很小,不超过2%3%；次生矿物质是指在成煤过程中,因地壳变动使外界泥沙混入煤层中的矿物质,离散地、较均匀地分布于煤粒中。而外来矿物质则是指采煤时混入到煤层中大块或层状的岩石,它具有原矿物质的一般特性。有些研究者也将原生矿物质和次生矿物质总称之为内在灰分,而外来矿物质则称之为外在灰分。受热面的结渣和积灰，主要是燃烧时煤中矿物成份发生作用的结果，三种灰分在煤中的存在形态不同,在燃烧过程中的形态变化也不同：（一）对于原生灰分,与煤中有机物相联系的Na离子、K离子及其氧化物在高温下挥发成气态。而与煤有机体相连的钙和镁离子,当煤燃烧,煤颗粒表面边界层中的含氧量足够低时,也会导致钙和镁的挥发,但是挥发性的
16、钙和镁一旦到达氧化性气氛中(含氧量约为3%)便会迅速氧化生成小于1的小颗粒。挥发态的钠、钙、钾一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝,生成低熔点灰粒相；另一方面,也发生均相成核凝结,生成0.020.5灰尘微粒。（二）对于离散分布在煤中的次生灰分,在煤粒燃烧过程中,随着碳的消耗,离散的灰粒发生积聚(核缩过程)。或者,碳燃烧时发生破裂,灰粒也跟着破碎,形成不同尺寸的灰粒。（三） 对于外在灰分,有些灰粒在燃烧过程中熔化,粘接在一起形成较大的灰粒,而有些灰粒随着碳粒在熔化过程中的爆破,形成尺寸较小的残留飞灰。由于飞灰在炉内的生成机理不同,使得飞灰颗粒尺寸呈双峰形分布,第一个峰值在1左右,第二个峰值位于1012
