锅炉高温灰渣的控制培训教程.doc

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1、京能集团运行人员培训教程BEIH Plant Course电站锅炉高温灰渣的控制Control of power plant boiler high temperature ashMAJTD NO.100.2目录1、 原煤矿物质在加工过程中发生可能影响锅炉运行的转变32、 初始灰渣层（壁面玷污层）的形成73、 灰渣的形成84、 结渣积灰的危害125、 灰渣的形成、转变、扩展（增厚、流散）和脱落过程146、 影响灰渣黏粘力、塑性强度和结渣速率的基本物质177、 煤灰中几种氧化物对灰渣粘度即强度的影响188、 煤中矿物质对煤灰熔融性的影响199、 烧结时间的影响2110、 煤灰的结渣倾向特性常用的

2、判别指数和判别方法2211、 锅炉结构特性对灰渣特性的影响2812、 锅炉运行工况对灰渣特性的影响3013、 各部位灰渣特征3114、 高温灰渣的控制33 锅炉灰渣是由原煤中的矿物质在生产过程中经过分选、输送、磨制、分离、热解、着火、燃烧等阶段后的产物，其特性与原态矿物质有很大不同，对锅炉产生的磨损、灰渣沉积、腐蚀和玷污作用有着不同的机理和特征，如图0-1。图0- 11、 原煤矿物质在加工过程中发生可能影响锅炉运行的转变1.1 矿物质在原煤中的存在形态1.1.1 煤中矿物质的组成：（1） 矿物质的分类： 矿物质是泛指煤中包含的一切非煤无机物质（如图1-1）。不同种类的煤含有的矿物质在数量、称分

3、、组成上不同，就是同一种煤亦有差异，它不仅决定于产地和分布并且在一定程度上还受开采储存和运输等因素的影响。 煤中矿物质按其来源有两类：“固有矿物质”和“外来矿物质”。前者为成碳的植物中含有的不可燃部分，量少、分布均匀，一般只占煤重的13%，占总矿物质约6%。后者一般是由反映矿区周围地质面貌的矿物质碎粒和片屑组成，它分为：“共成矿物质”和“外部矿物质”。共成矿物质是在成碳过程中与煤在同时、同地、相同条件下形成，分布较均匀。因与固有矿物质具有相似特性，有人把它称为“化合灰”，一般难以用机械的方法除去。“外部矿物质”是在煤硬化后通过隙缝进入和开采运输时混入的矿石、泥沙等杂质，分布不均，变化大，用机械

4、方法可部分除去。这时各个煤粒可分别出现下列不同成分如表1-1：物质种类无矿物质煤单一矿物质黄铁矿石英矿物共生体煤-矿物质共生体密度 g/cm21.35.02.72.53.01.52.0熔融温度115017001200160012001500表 1-1图 1-1（2） 矿物质的组成：1） 酸酐：硅酸酐、硫酸酐、碳酸酐、磷酸酐等； 2） 氧化物：Si 、Al、 Fe 、Ca 、Mg 、Na、 K等物质的氧化物； 3） 硫化物：要是FeS2。 上述酸酐和金属氧化物的有机结合构成的一系列简单和复杂的盐，其组成、结构目前还不十分清楚。 1.1.2 煤中矿物质的存在形式：大体上呈四大类：页岩、粘土、硫分和

5、碳酸盐其他还有一些次要矿物质及微量成分，见表1-2。 类别典型矿物质页岩钾云母 K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O钠云母 Na2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O粘土 (Ca,Mg)O.Al2O3.5SiO2.nH2O高岭土高岭土 Al2O3.2SiO2.2H2O硫化物黄铁矿，白铁矿等碳酸盐方解石，白云石，菱铁矿，铁白云石等盐类矿物质NaCl，KCl，CaSO4等氧化物SiO2，Fe2O3，Fe3O4等表 1-21.1.3 矿物质中的主要元素及其存在形式：（1） Si 、Al Si 、Al主要存在于粘土矿物群中。（2） Fe 除主要存在于黄铁矿（包括白铁矿）外，另外存在于菱铁矿（F

6、eCO3）、赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）中。铁含量有的可高达40%以上。 （3） Ca主要存在于碳酸盐类的方解石(CaCO3)、白云石(CaCO3 MgCO3)中，此外还存在于磷灰石（9CaO 32PO5 CaF2）等中。Ca还会以有机物的形式结合在腐殖酸中。 Mg除存在于白云石中外，还存在于黑云母（K2O MgO Al2O 33SiO2 2H2O）等中。 Ca的含量在煤中变化较大，一般褐煤中含有较多的Ca，有的可达50%以上。Mg在煤中一般很少超过5%。 （4） Na、 K 一般含量小于2%左右，但有的可达5%6%，K主要存在于硅酸盐中，Na大部分以NaCl形态含在有机化合物中

7、，此外还有一些Na和 K的氢氧化物和碳酸盐。 （5） Cl、 P 、S Cl在煤中的存在形式至今还没有统一的结论，一般认为Cl一部分以NaCl形式存在，其余的则以离子态与有机质联在一起。煤中的磷多以磷酸钙的氟化物形态出现。 硫份部分以有机物形式存在，但偶尔也会以硫酸盐形式出现。后者通常存在于露出地面的风化煤中。硫酸盐里硫的份额极小一般低于0.01%，研究意义不大。有机硫在整个煤层中大体是均匀的，很难除去，除非煤的物性发生重大变化，有机硫一般占总硫量的2040%左右。其余硫分是以黄铁矿（包括白铁矿）形式呈现，煤中硫份一般只占14%。1.2 原煤在磨制等机械加工过程中的偏析和富集一般煤粉颗粒直径范

8、围为01000um，大多2050um的颗粒；煤粒中存在的主要是煤-矿物质界面，在研磨、分离、输送过程中，破裂易于在颗粒内的固-固界面上发生，不仅破坏了煤灰本身原有结构，而且把灰分颗粒中的各矿物质分离开，使矿物质产生偏析。磨制的煤粉中矿物质的分布一般为: （1） 铝硅酸盐粘土矿物质，磨制后存在于粒径小于20微米的煤粉颗粒中； （2） 以石英形式存在的SiO2和碳酸盐(集中在中间颗粒，即2075微米范围内的煤粒中; （3） 硫化铁，主要是FeS2，趋向于集中在中间偏低粒径，即1045微米范围内的煤粒中; （4） 氯化物分布在所有粒径的煤粒中。 1.3 燃烧过程灰粒粒径形成和分布规律 煤粉经过燃烧后

9、形成的飞灰含有各种不同粒径的灰颗粒，一般粒度均小于200，但大部分是1020。（1） 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。（2） 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

10、发生破裂，灰粒也跟着破碎，形成不同尺寸的灰粒。（3） 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。图 1-2 飞灰颗粒典型尺寸分布（4） 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（如图1-2），第一个峰值在1左右，第二个峰值位于1012。第一个峰值是由于挥发性灰的冷凝。第二个峰值是灰分积聚和碎裂后的残留飞灰。在绝大多数情况下，残留飞灰的尺寸上限为单个煤颗粒的尺寸，尺寸下限为煤颗粒中单个灰粒的尺寸。1.4 灰粒向受热面的输运过程 灰颗粒向受热面壁面输运是结渣的重要环节，但只有较少颗粒能够到达受热

11、面壁面，绝大部分颗粒会携带其组份离开锅炉，成为飞灰，只不过是颗粒中的组份在高温和燃烧条件下发生了不同程度的燃烧和烧结。灰颗粒的输运机理主要有三类：第一类为挥发性灰的气相扩散；第二类为热迁移；第三类为惯性迁移(如图1-3)。（1） 对于尺寸小于1颗粒和气相灰分，费克扩散、小粒子的布朗扩散和湍流旋涡扩散是重要的输运机理。（2） 对于小于10的颗粒，热迁移是一种重要的输运机理。热迁移是由于炉内温度梯度的存在而使小粒子从高温区向低温区运动。研究表明热迁移是造成灰分沉积的重要因素之一。图1不同尺寸灰渣输运机理。（3） 对于大于10的灰粒，惯性力是造成灰粒向水冷壁面输运的重要因素。当含灰气流转向时，具有较

12、大惯性动量的灰粒离开气流而撞击到壁面。灰粒撞击壁面的概率取决于灰粒的惯性动量、灰粒所受阻力、灰粒在气流中的位置以及气流速度。在典型的煤粉锅炉中，气流速为10m/s25m/s时，直径为510灰粒就有脱离气流冲击水冷壁面的可能性。图 1-3 不同尺寸灰渣运输机理 单位时间内灰颗粒到达壁面的数量与原煤灰份、燃煤量成正比，因此从颗粒与壁面的接触率上看，负荷高、灰份大的煤相对结渣倾向也大。2、 初始灰渣层（壁面玷污层）的形成 主要是硫酸钠、硫酸钾等易气化矿物质的凝结和极细飞灰对受热面的玷污过程（锅炉投运后，受热面管子周围就会形成白色、很细的薄灰沉积层），沾污的形成通常经历了以下三个过程：内白层、烧结内层

13、和外部烧结层：种类反应产物沉积机理捕捉效率含铁有机物分解和氧化氧化物微粒热泳、电泳沉积相当高碳酸盐分解氧化物微粒和大颗粒微粒（5m）热泳、电泳沉积，大颗粒惯性撞击低硫化物（主要是FeS2）分解和氧化熔融态的中间硫化物和氧化物颗粒惯性撞击高硅酸盐玻璃花熔融富铁硅酸盐颗粒惯性撞击中等表 2-1 煤中含铁矿物在火焰中的行为（1） 内白层的形成。内白层的形成主要依靠含硫酸钠较多的挥发性灰组分的气相扩散冷凝和微小颗粒的热迁移及电泳沉积共同作用。这些微小颗粒由范德华力和静电力保持在管壁上，这些含有低熔点硫酸钠（熔点1175）的小颗粒与管壁金属反应生成低熔点化合物，强化了微小颗粒与壁面的连接。内白层具有良好

14、的绝热性能，它的形成使得管外壁温度升高。 （2） 内白层向烧结层的过渡阶段。内白层形成后，挥发性的灰组分碱金属钠钾盐在内白层上冷凝沉积，同时较大颗粒在惯性力的作用下冲击到管壁的内白层上，当内白层温度升高到一定程度，这些低熔点的碱金属盐很容易出现液相并具有一定的粘度，这时它将捕获惯性力输送的灰颗粒，从而时内白层不断的增厚。 （3） 外部烧结层的形成。随着内白层的变厚，积灰表面温度升高到接近烟气温度，挥发性组分将不再得到冷凝，这时候积灰表面主要是捕获由惯性力输运的大颗粒。而在持续高温的情况下，积灰表面的迎烟侧开始形成连续的液固黏性基体，它能裹住并粘附灰粒，捕获所有冲击到其上的颗粒，并与它们结合成坚

15、实牢靠的积灰。 对具有潜在结渣倾向的煤，初始沉积层主要由挥发性灰冷凝而形成，具有较低熔点的碱金属和碱土金属硫酸盐，呈液态容易捕捉飞灰。对潜在结渣倾向小的煤，初始沉积层有一部分是由小颗粒的热迁移而产生，对惯性撞击灰的捕获能力较小。由于从工程和运行控制角度考虑，很难防止初始沉积层的形成，不过好在初始沉积层的厚度较薄，对锅炉的安全运行不构成影响。因此，造成炉内结渣迅速增加，并对锅炉安全运行构成威胁的主要因素是惯性沉积。3、 灰渣的形成3.1 灰渣的分类按灰渣粘聚的紧密程度由弱到强可分为七种，见表3-1：渣型代号灰渣特征附着灰G无粘聚特征，灰粒呈松散堆积状微粘聚渣F外形上有粘聚特性，容易切割，切割下的

16、灰呈疏松块状弱粘聚渣E灰渣粘聚特性加强，容易切割，但有一定的硬度粘聚渣D灰渣粘聚在一起，较硬，切刮困难，但仍然可以从渣探针上切割下来强粘聚渣C粘聚灰渣更硬，无法从渣探针上切割下来，渣棒为不规则的粘聚硬渣粘熔渣B灰渣有熔融与半熔渣粘聚起来，无法切割熔融渣A灰渣全熔，渣棒为流渣覆盖，有渣泡形成表 3-13.2 灰渣的烧结原理（1） 烧结的宏观定义：在高温下（不高于熔点），矿物质固体颗粒或颗粒团的相互粘接、键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。微观定义：固态中分子（或原子）间存在互相吸引，通过加

17、热使质点获得足够的能量进行迁移和传质，使粉末体产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。烧结温度Ts与其熔点Tm之间关系的一般规律：金属粉末Ts（0.30.4）Tm；无机盐类Ts0.57Tm；硅酸盐类Ts（0.80.9）Tm。（2） 传质在烧结初期或较低温度下以表面扩散为主：对扩散传质，延长烧结时间并不能达到致密化。温度升高，加快烧结。温度起决定性作用。（3） 传质在烧结中期或灰渣层中部，含有一定比例的液相成份，为具有活泼液相传质过程：1） 溶解-沉淀传质：较小颗粒在颗粒接触点处溶解，通过液相传质在较大颗粒或颗粒的自由表面上沉积，最终使晶粒长大和渣层致密化。影响因素：颗粒原始粒

18、度越小、粉末特性 ：溶解度越润湿、液相数量越大、烧结温度越大，粘度越低，传质越快。2） 颗粒重排：颗粒在毛细管力作用下，通过粘性流动或在一些颗粒间接触点上由于局部应力的作用而进行的重新排列，使颗粒堆积的更加紧密。影响因素：液相数量；固-液二面角；固液润湿性。 （4） 在烧结后期或灰渣层上部主要是流动传质，黏度越小、物料的粒度越细，烧结得越快。颗粒尺寸从10m1m，烧结速率 10倍。粘度 是控制烧结率的重要因素，受温度影响大，T，烧结率。如：T变化100，约变化1000倍。表明黏度越小，物料的粒度越细，烧结得越快。1） 粘性流动：在高温下，依靠液体粘性流动而致密化是大多数硅酸盐材料烧结的主要传质

19、过程。2） 塑性流动：在烧结过程中，当液相含量很少时，烧结物质内部质点在高温和表面张力作用下，超过屈服值f后，流动速率才与作用的剪切应力成正比。3.3、灰渣沉积过程的主要特点（1） 电站锅炉炉内中心温度约为15001700，煤粒燃烧时其本身温度要比炉内温度高200300，因而煤灰在炉膛中心几乎全部为液态。在液态灰颗粒受惯性作用而向水冷壁运动过程中，如果灰颗粒运动速度快，受到的冷却效果差，熔融的灰颗粒就很容易粘附，使渣层迅速积聚长大。（2） 灰颗粒的聚合力：颗粒以固相作为主体和骨架，点状液相成份为粘连点和传质通道，通过传质在两个颗粒（团）的液相接触面形成新的稳定结构。灰颗粒整体的变形温度DT和熔

20、化温度FT差值越大，其内部各组份融化出现液相的温度差距就越大，液固两相结构存在的温度范围也就越大，其内部粘度、结合力就越大，结构越稳定，同时对外呈现的粘合力也就越大。（3） 由于各灰渣颗粒组份的不均匀性、各矿物质颗粒在燃烧过程的相对独立性以及灰渣在气流场和温度场中分布的不均匀性，组份不同的煤灰颗粒在燃烧过程中的中间产物和最终产物也会有较大差别；大部分颗粒并不会与壁面或渣层接触，能够与壁面接触、接触后能够粘附、粘附后能够存在至灰渣沉积层加剧阶段的颗粒概率随炉内工况不同而不断发生变化。例如有的惯性颗粒可能只是对灰渣颗粒进行冲击后就自动离开；有的灰颗粒到达受热面时可能直接附着在壁面上，也可能叠加在先

21、生灰渣颗粒上（这种行为比例比粘附壁面比例更大），只是增加了渣层重量和被外界力量扰动的体积，没有对壁面的粘附起到推动和加剧作用；有的还可能与其它颗粒发生凝聚现象，不但内部结构力增强，体积也相对缩小，变得致密坚固。因此对灰颗粒的结渣倾向分析，不能完全按原煤的均匀组份进行分析。1） 富含低熔点组份的颗粒在热扩散过程中有趋近受热面的特征，这一点对分析评价灰渣初始沉积和发展速率有重要意义。低温粘接面上形成的灰渣成份（如水冷壁管壁上的结渣）总是偏离原煤矿物质平均成份。2） 与烟气接触的热表面熔融状态存在的温度环境越高、时间越长，其组份越均匀并趋近于煤灰矿物质的平均组份，这对分析熔融渣发展趋势和评价其高温流

22、动特性和粘度特性有重大意义。如卫燃带和火焰直接冲刷形成的灰渣。3） 处于两相状态的颗粒在相变过程中，各组份重组结合，新结构的能级与反应温度、反应界面决定的能量级比较一致，有向同一结构形式发展的趋势，在降温冷却过程中呈现出新结晶结构熔点降低的趋势。4） 单一颗粒呈现机械混合物相变温度区宽的特点，各组份特性差别越大，相变区越宽；组份不同，相变的开始和结束温度差距就大，灰渣的流动性能相对。5） 液相成份有对有毛细管结构的组织体产生浸润的作用，使以液相成份结晶重组的构架范围有向其它颗粒或颗粒团、壁面结构扩展的趋势，成为颗粒黏结并进一步凝聚、互溶的的基点。（4） 灰渣沉积层生成和发展的基本条件是：灰渣颗

23、粒或灰渣团、层以及与壁面初次相互接触时，其接触面有一定的液相成份，呈现出足够的黏性和塑性，并且这一粘接力大于其自重、气流扰动和其它灰颗粒的惯性冲击。1）灰渣层或团、颗粒冷表面：作为原始直接与壁面接触粘连的，因被其本身高的热阻把其与高温烟气隔离，处于被低温受热面吸热冷却状态，不能维持高温，液相成份逐步降低的表面。冷表面与壁面的结合力是决定灰渣层能否进一步增厚的的主要因素，其主要由液相基点、接触面和传质速度决定。l 冷却速度：冷表面与受热面之间的热阻，受热面的壁温，其中是否存在继续燃烧放热的可燃物，如S、H、C等；在火焰偏斜、未燃尽熔融颗粒直接冲刷粘附，以及卫燃带以及超温管壁上，会发生冷却速度降速

24、慢甚至升温的情况；屏式受热面壁温超温。l 与壁面或其它固定物进行传质，形成新的结合方式的速度：如高温腐蚀，这种情况往往与火焰直接冲刷和管壁超温同时发生。l 再结晶生成熔点更低的复合结晶结构：最终结晶结构熔点的极限温度是壁面温度，还原性气氛、低价Fe等的浓度等，这决定于煤种的熔融特性和壁面反应气氛。l 冷表面的粗糙度和垂直方向的支持力，如卫燃带、燃烧器水冷套让管区、屏式受热面水平结构、冷灰斗斜坡、高温腐蚀区等。火焰直接冲刷往往同时具备了灰颗粒粘附力增强的几个因素：高温环境、还原性气氛、高温腐蚀、各种矿物质的富集，因此结渣严重往往是必然现象。如果在热阻较小的受热面上产生了严重结焦现象，必然也同时意

25、味着，火焰推迟至受热面上燃烧而并非处于降温阶段。燃煤成份严重偏离设计值，含结渣倾向严重的组份的颗粒有较大比例处于烟气切圆外层，结渣速率大于灰渣脱落速率，新的粘接性颗粒更多的是直接粘附在壁面后，然后与附近颗粒连接成片，为原有的频临脱落的颗粒提供了新的连接力量。卫燃带具备了表面粗糙、温度高、火焰成份扩散距离小的条件，因此也属于结渣敏感区。2）灰渣层或团、颗粒热表面：一般情况下，粘附在受热面上的惯性颗粒的热表面能否持续呈现一定程度的熔融性和粘度，是捕捉其它惯性颗粒并维持塑性状态而不发生流渣和断裂，促使灰渣沉积层继续沿增厚的关键。当其处于完全熔融状态，固相成份很少时，就会达到牛顿流体状态，而成为流渣。

26、l 灰渣层热表面的灰颗粒能否呈可以流动（非浸润）的熔融状态，是结渣由粘聚渣向粘熔渣转变的基本条件。 l 液态熔渣作为多种组分的复合熔体，热表面下的灰渣层在降温过程中随着固相结晶的析出，将发生一系列液、固两相反应，形成复合晶体，同时沿降温进程还会逐渐生成玻璃相，整个过程机理是很复杂的。这种液、固两相熔体通常称为塑性流体，其粘度为熔体的塑性粘度。 l 临界粘度和临界粘度温度。熔渣由真实液态过渡到塑性状态，往往在粘度曲线上产生明显的折变，这是由于在折变点的温度下，熔体突然有大量晶体析出的缘故。通常把这一折变点对应的粘度一一绝对粘度区域和塑性粘度区域的准分界点叫做这种熔渣的临界粘度，而其对应的温度叫做

27、临界粘度温度或简称临界温度。 l 灰渣对壁面的结合力是决定非熔融渣厚度的关键因素，而完全熔融渣作为牛顿流体，其厚度则主要由其临界粘度和温度决定。3）灰渣层或团、颗粒中间层：由于灰渣层本身的高热阻，一个灰渣层从厚度方向上，由冷表面至热表面，温度大梯度升高，液相成份比例逐步增加，对于处于相对疏松粘聚状态的沉积层结构，其粘合力是逐步增加的；而对处于融聚状态的沉积层结构，其塑性粘度和强度逐步降低，是符合塑性流体特征的两相结构。 因此一个沉积层的内部结构主要是由其各层形成时的结构决定的，后期的传质过程有加强的作用，当传质结束或缓慢时，其结构是相对稳定的。4）灰渣强度：颗粒与颗粒之间的结合力（灰渣强度），

28、主要由颗粒与颗粒以及颗粒团之间的结合方式决定，在发生熔融状态时各颗粒连接处组份可能发生化学和结晶反应，生成粘度发生变化的新结构，其粘度和强度比原颗粒团大大提高，但其熔点可能降低，液固两相中液相比例增加，因此会有灰渣层整体强度和速度同时提高的现象。l 松散、颗粒独立存在、无黏粘基点的附着灰强度主要取决于其颗粒度、孔隙率和吸附能力。l 比较松散、多孔的黏粘性灰渣强度主要取决于粘连基点密度、均匀度、粘连点的结构形式和结晶重组程度，这与颗粒及颗粒团大小即相互之间的接触面、冷却结晶时的液相比例以及液相浸润速度和时间有关，低熔点成份越多、浸润范围越大，以结晶体连接的范围越大，结合力也就越大；浸润范围取决于

29、颗粒（团）之间接触面的毛细孔率、液相比例和浸润时间，冷却速度越快浸润范围就会越小；有效的毛细孔率主要是由颗粒度和液相的浸润能力决定的，这都与颗粒（团）的形状结构有关。随着液相比例的增加，浸润范围的扩展，灰渣的黏粘性逐步加强。一般情况下，低熔点成份越多、燃烧温度越高，颗粒的黏粘性越强，最后形成的灰渣强度也就越大。5）灰渣沉积速率： 煤灰颗粒到达壁面时有一定的黏粘力和塑性，是结渣的基本条件；灰渣层冷表面的冷却速度、灰渣温度、相同空间具有黏粘力的灰渣的浓度，是决定灰渣层能否继续团聚的基本条件，即冷表面在尚未失去自身黏粘力或来自受热面结构的结合力时，新的热渣与之交叠并提供了与受热面结构的结合力，其团聚

30、后与受热面结构总的结合力大于由气流扰动和重力产生的脱离力，团聚现象才能继续发生。 高温腐蚀斑点、浇注料以及各处斜坡、水平管等是增加灰渣层与壁面附加结合力、使灰渣层热表面的灰颗粒能否呈可以流动（非浸润）的熔融状态，使粘聚渣向粘熔渣转变的基本条件；灰渣的变形温度DT和熔化温度FT差值同向决定灰渣厚度。4、 结渣积灰的危害 （1） 降低炉内受热面的传热能力。热阻大，一般污染数小时后水冷壁传热能力会降低30%60%。结渣引起炉内火焰中心后移，炉膛出口烟温升高，排烟热损失增大，锅炉效率降低1%2%（如图4-1）。锅炉中对流换热系数比较和常见物质导热系数比较见表4-1项目对流换热系数（W/m2。K）导热系

31、数（W/m。K）介质汽水侧烟气侧金属氧化物沉积物数值1.11.71042020040100.033表 4-1（2） 灰渣引起其沉积部位受热面管材沾污和腐蚀，并造成后部受热面超温。 （3） 喷燃器出口结渣会影响煤粉气流正常喷射，甚至喷口被焦渣堵住。另外，焦渣易引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器。 图 4-1（4） 出现积灰结渣的恶性循环。水冷壁管在沾污的过程中，由于沾污层热阻很大，灰层表面的温度不断提高，当局部热负荷过大，炉内空气动力组织不良、火炬中心贴墙及灰熔点较低时，都会使积灰结渣过程迅速增长，严重影响锅炉的正常运行。即使是正常运行的锅炉，由于沾污，水冷壁管温亦大大高于饱和水温度。对一般

32、锅炉，光管水冷壁灰污层温度只比火炬温度低250400，因此为下一步积灰、结渣加剧提供了高温条件。当运行不正常、操作不当、煤质变劣等条件出现时，便会产生积灰、结渣恶性循环。 （5） 产生高温腐蚀。沾污后的水冷壁管受到灰和烟气复杂的化学反应，有时会出现高温腐蚀，管壁厚度由外壁向内壁减薄。锅炉压力越高，就越容易产生高温腐蚀。从发生高温腐蚀的部位来看，大多在布置喷燃器高度的区域内。国内某些腐蚀严重的电厂，其水冷壁管年腐蚀量达0.822.srnrn。国外燃用无烟煤的液态排渣300MW机组也经常出现高温腐蚀，最大的腐蚀速度高达1，8Zmnlla。 （6）燃烧室上部大块渣掉落时，会砸坏水冷壁管和冷灰斗，有可

33、能使冷灰斗出口发生堵塞，造成炉膛灭火、氢爆，甚至人身伤亡。 （7）在传热减弱的情况下，为维持锅炉出力需要更多燃料，使引、送风机负荷增加，因此引起电耗增加。另外，由于通风设备的容量有限，加之结渣时易发生烟气通道阻塞，可能会造成引风量不足，燃烧不完全。5、 灰渣的形成、转变、扩展（增厚、流散）和脱落过程 因为炉内温度场、浓度场和气流动力场的正常梯度分布，煤灰颗粒群中富含危险低熔点（接近受热面壁温：清洁的水冷壁、屏式受热面外壁温度一般都分别在500、700以下，水冷壁灰污层温度比火炬温度低250400）组份，在壁面附近温度下处于液固两相状态而具有黏粘性的颗粒所占比例很低，而且其也只是一少部分能够到达

34、受热面壁面并沉积下来（但不一定能够稳定存在），因此绝大部分颗粒没有在黏结状态下接触壁面的机会，煤粉燃烧锅炉燃烧后的绝大部分颗粒在通过辐射发热和与烟气的热交换降温冷却后后，飞出炉膛出口，成为飞灰。 只有在煤质与锅炉设计炉膛参数异常偏离或火焰严重偏斜、炉膛温度过高等情况下，惯性冲撞到壁面的、组份液相比例大的煤灰颗粒单体数量明显增加，且不能在受热面上快速冷却脱落，就被后续到来的颗粒覆盖，在其附近环境温度升高或其本身继续燃烧放热的影响下，使其能够较长时间保持粘黏状态，最终造成煤灰颗粒结渣速度和强度明显升高的情况下，才会发生较为严重的灰渣沉积现象。 随着炉膛温度的降低和锅炉运行参数的降低，积聚在水冷壁表

35、面的灰渣由于温度下降导致其由高负荷下的熔融状态向固态化方向转变，并且对水冷壁的附着力也大大下降，从而在某种特定情况下发生掉焦。5.1 产生玷污层并非产生灰渣沉积的决定因素：受热面壁面温度的升高，增加了颗粒粘性粘接产生灰渣沉积的几率，此时撞击在受热面上的粘性灰粒只有一少部分被粘接并形成少量的疏松、多孔、容易脱落的灰层，在被快速冷却后，与壁面的结合力降低，可能会因各种因素(如重力、气流剪切力、灰粒撞击等)的作用而脱落，成为落渣，落入冷灰斗。也可能因沉积物内部烧结及捕捉表面的存在等而继续粘附。5.2 灰渣初始沉积层的形成：炉管上灰沉积物迅速聚结的基本条件是存在一个粘性表面，粘性表面一般由硫酸钠、硫酸

36、钙或钠、钙与硫酸盐的共晶体等物质组成的液固两相结构。粘性沉积物的液相会对对金属或耐火材料具有润湿作用，并且灰成分一般也能相互润湿，这样由于粘附作用而形成初始沉积层。 此时为微粘聚渣向粘聚渣发展的阶段。 5.3 一次沉积层的形成：随着初始沉积层的加厚，烟温升高，沉积速率加快，沉积物与沉积物之间以及沉积物与受热面之间粘接强度增加，沉积层表面温度升高，直至沉积到沉积层的熔融或半熔融颗粒基本不再发生凝固而形成粘性流体层，即捕捉表面。此时为粘聚渣向粘融渣发展的阶段。 粘聚性、粘融性灰渣层厚度是由其冷表面与壁面的结合力决定的，一般来说灰渣初始层塑性粘度越小，厚度越大，结合面温度、粗糙度、腐蚀程度越大，厚度

37、越大。 5.4 二次沉积层的形成：捕捉表面形成后，无论灰粒的粘度、速度及碰撞角度如何，只要接触到沉积层的颗粒一般均会被捕捉，使沉积层快速增加，被捕捉的固体颗粒溶解在沉积面上，使熔点或粘度升高，从而发生凝固而又形成新的捕捉表面，直到沉积表面温度达到重力作用下的极限粘度值时的温度，使沉积层的形成不再加厚而使撞击上的灰粒沿管壁表面向下流动。 此时为粘融渣向熔融渣发展的阶段。因为此时几乎各种组份不同的颗粒几乎都有进入热表面层的可能，因此稳定的熔融渣层厚度的主要影响因素，是入炉煤的全部矿物质的平均组份所决定的临界粘度、炉膛温度和结渣面的倾斜角，高熔点组份起着提高流体粘度、降低其流动性的作用。总体认为灰渣

38、中SiO2、A12O3增加粘度，而碱金属减少粘度。铁、镁也是减少粘度的成分。钙在一定范围内变化时减少粘度，当大于某一值后，增加钙会不会再产生影响。5.5 灰渣颗粒与壁面接触面（冷表面）的结合力主要决定于壁面的粗糙程度、颗粒黏着力（不同于灰渣内部粘度，其主要反应灰渣液固两相状态下的液相比例和塑性变形能力），这两个因子越大，相同量的颗粒与壁面的接触面积也越大，二者的结合力也就越大；当发生管壁灰渣腐蚀时，灰渣组份与管壁内部材料组织的结合方式产生了复杂的晶体结构形式，其结合强度会大幅增加。5.6 稳定的熔融灰渣层（厚度和内部组份结构不发生变化）从厚度方向上各层结构不同，液相比例、晶体组份比例和各颗粒之

39、间及颗粒团间的结构形式，也就是其塑性和强度（粘度），决定于其所处的温度水平和内部组份的熔点 ：（1）最外层的沉积层：熔融状态的液相比例最高，塑性、对外粘附力即捕获能力最大，温度高于临界粘度温度，故而粘度较低，强度低，处于牛顿流体状态，沉积层的增加不再向厚度方向发展，而使撞击上的灰粒沿管壁表面向下流动。由于温度接近火焰温度，除熔点很高的石英石、A12O3外大部分组份处于熔融状态。（2）最内层的沉积层：1）温度远低于初期形成温度和外层温度，液相比例最小；2）因为内层初期形成时原生组份的低熔点机理和微粘结灰渣结构相对松散、多孔的结构，以及外层高温度、低熔点成份以液相状态的浸润扩散作用，故其所含低熔点

40、成份比例最大，同时由于低熔点成份的结晶放热，致使对原熔点较高的颗粒固体组份产生复合结晶作用，形成的复合结晶体熔点相对降低，因此整个灰渣层的熔点最低；3）有明显的低熔点成份由外部加入，促进原有高熔点成份生成低熔点结构的自我浸润作用，以维持其液相成份和对壁面的附着力。松散灰渣颗粒的结合由空隙率较大的宏观黏结状态向结晶熔合致密的大孔洞结构转变，外部液相的浸润通道逐渐封闭减少；4）其最终的稳定状态由附着壁面温度和煤种成份决定，煤种低熔点成份越多，其内部晶体结构也就越多、颗粒结合越致密，强度也就越大。5）壁面温度决定于冷表面下的管壁温度、玷污层（卫然带）的热阻和热表面上的灰渣层厚度，灰渣层厚度越大，壁面

41、温度越低，液相比例越少，对壁面的结合力也就越低，最后在附着力渐低和单位结合面灰渣层重量渐增的共同作用下，灰渣层从内层与附着层的结合面处解体。（3）中间灰渣层结构是内层向外层渐变的过渡层，液相比例同步渐增。5.7 稳定的熔融灰渣层（厚度和内部组份结构不发生变化），流渣流过温度较低的壁面或灰渣层时（流渣或爬渣），必然发生冷凝现象，形成结合力更强的新的冷表面（如图5-1）：（1） 流过原有灰渣层时，由于其在流动冷却过程中会侵入原有粘结性渣层多孔的中间层，因此原渣层和新的流渣层被连接在一起，出现粘熔渣或新型的、致密性、结合力更强的初始层。新旧渣层成为一个整体，其冷表面结合力得到大大提高，可维持的渣层总

42、量快速增加，出现致密的流渣沉积层逐步成为主体并不断扩展的粘熔渣现象。同时在原生渣层空隙被完全堵塞时，不断增厚的冷渣层与壁面的结合力也不再增加；因此在一定的烟气温度环境、一定的灰渣成份、一定厚度的渣层下，由于冷渣层的不断加厚，其冷表面温度趋近于管内工质温度，结合力不断下降，部分冷表面脱离壁面、呈悬挂状态，如周围熔渣不能及时侵入，这一间隙会不断扩展，连成整体的渣层与壁面总的接触面积和结合力就会不断下降。直至发生大面积垮焦现象。（2） 流过无渣层的清洁低温壁面时，快速冷凝，形成相对单一的熔渣层，其特点是：内层呈晶体或玻璃体形式，结构比较单一，致密度和塑性粘度最大；当流渣流过的壁面温度随炉膛温度和壁面

43、温度逐步降低时，因其塑性粘度增加、流动性变差，厚度逐步增加，从而形成向炉膛中心方向厚度渐大的坡面，达到一定程度时，流渣就会脱离热渣面直接落入下方的冷灰斗，造成连续落焦的现象。（3） 流渣的扩展会造成所到之处乃至全炉膛温度的升高，致使结渣量总体增加，流渣范围和速度增加，渣体与壁面的结合力增加，使其不易脱落但厚度却进一步降低，大部分灰渣以较薄的流态形式扩展，且不易清除；此时会因炉膛出口烟温快速升高、过再热器超温、负荷无法维持而被迫停运。图 5-16、 影响灰渣黏粘力、塑性强度和结渣速率的基本物质6.1 粘聚渣的聚合力一般来自硫酸钠、硫酸钙或钠、钙与硫酸盐的共晶体等低熔点的粘性基质。在炉内，硫酸钠是

44、同煤中有机体一体的NaCl，与来自黄铁矿或有机硫中的硫化合而成的，它能独立存在于1100以上的高温烟气中，但其凝结时最终会被管壁或固相的灰颗粒吸附于表面。这些物质在灰渣中的数量非常少，而且熔点也不相同，随着温度的升高，液相成份比例也增加，对外来颗粒的吸附能力即黏粘力也相应增加；在初始沉积层中，灰渣颗粒总体呈现在变形状态以下，但随其熔融或半熔融态成份的增加，液相成份及其携带物质对其它灰渣成分、金属或耐火材料的浸润和结合作用逐步加强；固相作为主体和骨架，极少的点状液相成份为粘连点，固液两相组成具有粘性和塑性的粘聚渣。高温粘结性积灰按初始沉积物富集的成分不同，可分为碱金属化合物型沾污、钙化物型沾污两

45、种。6.1.1 在碱金属化合物型沾污的形成过程中，起主要作用的是Na2SO4，它常构成灰沉积物中的液相组分。凝结后的Na2SO4吸收烟气中的SO3，并与受热面上及沉积物中的Fe2O3进一步反应，生成碱金属复合硫酸盐如Na3Fe(SO4)3，其熔点很低，只有600左右，而高温对流受热面的壁温或水冷壁浇注料温度可达650一 700，因此生成的碱金属复合硫酸盐可处于熔融态，并作为一种粘性基质，一方面捕捉飞灰颗粒，另一方面又为飞灰之间的快速烧结提供了条件。6.1.2 在钙化物型沾污中，粘性基质的存在同样是沾污产生、形成的关键所在。对高氯煤，钙化物型沾污的起因是钙以CaCl2形式凝结在受热面上。CaCl

46、2熔点不高，仅780，当沉积到表面温度较高的管壁时，可能仍处于粘稠状，从而起到粘性基质的作用。CaCl2与NaCl有类似的性质，燃烧时也能升华并冷凝在管壁上，再与SO3反应生成CaSO4粘结剂。此外，在积灰结渣沉积物中的铝酸钙CaA12O4、硅酸钙CaSiO3、钙长石CaA12Si2O6、黄长石Ca2A12SiO7和钙铁橄榄石CaFeSiO4等化合物，这些化合物在沾污结渣形成过程中的作用不如CaC12和CaSO4大，但对灰沉积物的发展却起着重要作用。6.1.3 S元素在沾污和结渣的形成过程中的作用起着关键作用，原煤中的硫元素在高温下转化成SO2，与其它多种物质反应生成硫酸盐等低熔点共熔物。 6

47、.1.4 铁的选择性沉积和富集也是结渣产生的根本原因之一。在结渣的形成过程中黄铁矿起控制作用。如图6-1，在高温火焰中，黄铁矿首先氧化成磁黄铁矿和SO2，该反应是在燃烧区发生的最重要的矿物反应之一，反应产物FeS熔化成球形，由于它具有较低的阻力系数和较大的密度，因此在本身的动量推动下到达炉墙上，与己经沾积在炉墙上的积灰沾污在一起，FeS在以后的反应中易与SiO2、CaO、Na2O等其它物质生成低熔点化合物或共熔体(如FeSiO3)，加上密度大，阻力小，惯性大，很容易穿过气流而到达管壁。 关于铁的低温共熔体，见表6-1共熔体熔点CaO-Fe2O31205CaO-FeO1133Ca-SiO21436Na2S-FeS640FeS-FeO940Al2O3SiO2+2FeOSiO2+SiO2100011002FeOSiO2+FeO11752FeOSiO2+SiO21180CaOFeO+