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 一、          鍋爐結焦的形成及形態

結焦是鍋爐運行中比較普遍的問題,一般情況下,隨著煙氣一起運動的灰渣顆粒,由于爐膛水冷壁受熱面的吸熱而同煙氣一起被冷卻,如果液態的渣粒在接近水冷壁或爐墻前,已經因為溫度降低而凝固,當附著在受熱面管壁上時,將形成一層疏松的灰層,運行中通過吹灰可以除掉。當爐膛內溫度較高時,一部分灰顆粒已經達到熔融或半熔融狀態,若這部分灰顆粒在達到受熱面前未得到足夠冷卻達到凝固狀態,具有較高的粘結能力,就容易粘附在受煙氣沖刷受熱面或爐墻上,甚至達到熔化狀態,粘附熔融或半熔融狀態的灰顆粒和未燃盡的焦炭使結焦不斷發展。

在燃燒過程中,煤粉顆粒中所含的易熔或易氣化的物質迅速揮發,成氣態進入煙氣中,當溫度降低時凝結,或者粘附在煙氣沖刷的受熱面或爐墻上?;蛘吣Y在飛灰顆粒表面,成為熔融的堿化物膜,然后粘附在受熱面上形成初始結焦層,成為結焦發展的條件。

如果鍋爐床溫過高,導致渣溫高,達到其軟化點,一般為1040℃,爐渣軟化后形成結焦。結焦的爐渣急劇過快冷卻能形成硬塊,不易碎裂,出現堵塞排渣機等運行問題。

熔渣:

水冷壁及其它輻射受熱面上的積灰主要是熔渣。燃料灰中含有易熔的堿性金屬氧化物和硫酸鹽,在高溫下發生升華或形成易熔的共晶體,遇到較冷的受熱面管壁即冷凝下來形成內灰層。其外表溫度隨灰厚度的增加而不斷增加,使灰層達到熔化狀態,覆蓋在管壁且具有粘性,進一步捕捉飛灰而不斷加厚,這種熔渣的一個重要特點是它能夠隨時間無限增長。

高溫積灰:

在高溫煙氣環境中飛灰沉積在管束外表面的現象叫高溫積灰。過熱器與在熱器管外的積灰既屬于高溫積灰.煤灰根據其易熔程度可分為三部分。底熔灰主要是金屬氯化物和硫化物(NACL,NA2SO4,MGCL2,AL(SO4)3)等他們的熔點大都在700--800℃。中熔灰的主要成分是FES,NA2SIO3,K2SO4等,熔點900-1100 ℃。高熔灰是由純氧化物(SIO2,AL2O3,CAO,MGO,FE2O3)等組成,熔點1600-2800 ℃

高熔灰的熔點超過了爐膛火焰區的溫度,當它通過燃燒區時不發生狀態變化。高溫過熱器與再熱器布置在煙溫高于700—800℃的煙道里,管子的外表面積灰由兩部分組成,內層灰緊密,與管子黏結牢固,不容易清除,外灰層松散,容易清除。

低熔灰在爐膛內高溫煙氣區已成為氣態,隨煙氣流向煙道。由于高溫過熱器和再熱器區域的煙溫較高,低熔灰若不接觸溫度較低的受熱面則不會凝固,若接觸到溫度較低的受熱面就會凝固在受熱面上,形成黏性灰層?;覍有纬珊?,表面溫度隨灰層厚度的增加而增加。此后,一些中熔,高熔灰粒也被黏附在黏性灰層中。這種積灰在高溫煙氣中的氧化硫氣體的長期作用下形成白色的硫酸鹽密實灰層,這個過程稱為燒結。隨的灰層厚度的增加,其外表面溫度繼續升高,低熔灰的黏結結束。但是中熔灰和高熔灰在密實灰層表面還進行著動態沉積,形成松散而且多孔的外層灰。                              

松散灰:

松散灰是物理沉積,灰粒之間呈松散狀態。在煙氣溫度低于600-700℃的煙道內,低溫受熱面管子表面形成的積灰為松散灰。

粘結灰:

由于燃料中含有燃料硫,燃料燃燒后總有一部分會形成SO3,并和煙氣中的水蒸氣形成硫酸蒸氣。硫酸蒸氣能在較高溫度下冷凝,使煙氣露點溫度升高。當硫酸蒸氣流經受熱面時,如果金屬壁溫低于煙氣露點,則硫酸蒸氣就在管壁冷凝下來,當煙氣流過時,硫酸溶液就吸附灰粒子與灰中鈣的氧化物進行化學反應生成CASO4粘在管壁上,形成了一硫酸鈣為基質的低溫粘結灰。低溫粘結灰呈硬結狀,不易清除,也會無限增長,甚至會產生堵灰,電站鍋爐中常在空氣預熱器中發生,而工業鍋爐中常發生在省煤器中,尤其是鑄鐵式省煤器中。(注:煙氣露點溫度指硫酸蒸氣冷凝時的溫度。)尾部受熱面的積灰包括松散灰和低溫粘結灰兩種。

二、          鍋爐結焦形成的原因及影響因素

1.       結焦與灰熔點有關

結焦的根本原因是熔化狀態下的灰沉積在受熱面上??梢?,灰的熔點是結焦的關鍵??捎没胰埸c溫度及灰的主要成分來判斷煤灰的結渣指標。通??捎没页煞种械拟}酸比、硅鋁比、鐵鈣比及硅值來判斷其結焦傾向,灰的熔點與灰的化學成分、灰周圍的介質性質及灰分濃度有關?;业幕瘜W成分以及各成分含量比例決定灰熔點的高低?;胰埸c比其混合物中最低熔點還要低?;胰埸c越低,鍋爐受熱面越容易結焦?;胰埸c與灰周圍的介質性質有關。當煙氣中有CO、H2等還原性氣體存在時,灰熔點降低大約200℃。這是因為還原性氣體能使灰分中高熔點的Fe2O3還原成低熔點的FeO的緣故,二者熔化溫度相差200~300℃?;胰埸c還與煙氣中灰的濃度有關。在其他條件相同的情況下,煤中含灰量不同,灰熔點也會發生變化。這是因為灰分中各成分在加熱過程中,相互接觸越頻繁,則產生化合、分解、助熔的機會也越多,則熔點降低的可能性也越大。

2.       結焦與燃燒調整有關

如果送引風量太大,進行強化燃燒,爐溫超過煤灰粘結溫度時,會形成高溫結焦。

若鍋爐運行中配風不合理或風量不足,氧量低,煤不完全燃燒,會產生大量一氧化碳及氫等氣體,會使爐內產生還原性氣氛,例如,用FE2O3較高的煤時,在沒有充分氧氣的情況下,C不完全燃燒生成CO,而CO有還原性,則高熔點的FE2O3被CO還原成FEO,而FEO與SIO2等進一步形成熔點更低的共晶體,有時候會使灰的熔點下降150-300oC。雖然爐膛出口煙溫低于煤灰的軟化溫度t2,但仍會形成劇烈的結焦。沸騰燃燒鍋爐比較容易出現“低溫結焦”就是這個緣故。

鍋爐負荷升高或燃燒不合理造成局部爐溫高,達到灰熔點,導致鍋爐結焦。

3 .       結焦與鍋爐設備漏風有關

爐膛漏風增大進入爐內的風量,降低燃燒室的溫度水平,推遲燃燒進程。冷灰斗處漏風會抬高火焰中心,火焰拉長,導致爐膛出口煙溫升高,容易引起屏過結焦??疹A器漏風,不但引風機電耗增大,而且部分送風量進入煙道,容易造成爐內缺風。

三、          鍋爐結焦的危害

n       受熱面結渣以后,會使傳熱熱阻增加,傳熱減弱,工質吸收熱量減少,鍋爐排煙溫度升高,排煙熱損失增加,鍋爐效率下降。為保持鍋爐的正常運行,在增加燃料量的同時必須相應的加大風量,這就使送、引風機負荷增加,用電增加,因此,結渣使鍋爐運行的經濟性明顯降低。  

n        受熱面結渣時,要保持鍋爐的正常運行,必須增大風量。若通風設備容量有限,加上結渣容易使煙氣通道局部堵塞,煙氣阻力增加,風機風量難于加大,鍋爐只好被迫降負荷運行。

n       鍋爐受熱面結渣后,爐膛出口煙溫升高,導致過熱氣溫升高,加之結渣造成的熱偏差,易引起過熱器超溫損壞。這時為了維持過熱氣溫和保護過熱器,運動中也需要限制鍋爐負荷。

n        結焦易成灰渣大塊,使撈渣機、碎渣機運輸困難,有時會過載跳閘,嚴重時使渣溝受堵,不得不降負荷運行。

n        燃燒器噴口結渣,改變了燃燒器出口氣流結構,從而使爐內空氣動力工況受到破壞,影響燃燒過程的進行。噴口結渣嚴重而被堵塞時,鍋爐只好降負荷運行,或是被迫停爐。

n       水冷壁結渣,會使其個部分受熱不均,對自然循環鍋爐的水循環安全性和控制流動帶來不利影響,可能導致水冷壁管破壞。 若造成水冷壁全部結焦時,只有停爐進行人工清焦。

n        結焦若熔合成大塊時,因重力從上部落下,導致砸壞冷灰斗水冷壁。低負荷會因掉大塊焦而引起燃燒不穩甚至熄火。

n       冷灰斗處結渣嚴重時,會使冷灰斗出口堵塞,無法排渣,鍋爐無法繼續運行。

n        鍋爐的大焦塊掉在撈渣機后,瞬間產生大量的水蒸氣,破壞撈渣機的水封,同時使爐底漏入大量冷風,造成燃燒器區域(尤其是下排燃燒器區域)煤粉火焰著火狀況的嚴重惡化,使爐膛負壓產生劇烈波動(超限)而引起鍋爐滅火。

總之,結渣不但增加了鍋爐運行維護和檢修的工作量,嚴重危及鍋爐安全經濟運行,還可能迫使鍋爐降低負荷運行甚至被迫停爐,結渣本身是一個復雜的物理化學過程同時還有自動加劇的特點,一旦發生,由于渣層的熱阻使傳熱惡化,爐內咽氣溫度和渣層表面溫度都將升高,加之渣層表面粗糙,渣粒更容易黏附上去,結果結渣過程會愈演愈烈,所以應盡最大努力來減輕或防止鍋爐結渣。

四、          在運行方面防止鍋爐結焦的辦法

1) 選擇合理的運行氧量。

鍋爐運行氧量即爐內的氧化或還原性氣氛,它對鍋爐的結焦有非常大的影響,如果鍋爐運行氧量偏低,爐內還原性氣氛較強,煤的灰熔點就會下降,鍋爐就容易結焦。這是因為灰熔點隨著鐵量的增加而下降,鐵對灰熔點的影響還與爐內氣體性質有關,在爐內氧化性氣氛中,鐵可能以Fe2O3形態存在,這時隨著含鐵量的增加,其熔點的降低比較緩慢;在爐內還原性氣氛中(氧量不足),Fe2O3會還原成FeO,灰熔點隨之迅速降低,而且FeO最容易與灰渣中的SiO2形成熔點很低的2FeO?SiO2,其灰熔點僅為1 065 ℃。 提高鍋爐運行氧量,避免爐內出現還原性氣氛。加強爐內吹灰工作,特別是重點區域要增加吹灰次數,如果運行氧量還偏低,必要時適當降低負荷。由于結焦的主要區域在爐膛出口處,此處容易堵塞煙道,增加煙氣阻力,引風機出力更顯不足,所以要防止結焦與還原性氣氛惡性循環的趨勢。機組檢修時,對空氣預熱器進行重點清洗,降低風煙道的阻力, 提高風機的出力。

2) 選擇合理的爐膛出口溫度

監視爐膛出口煙溫(或高溫受熱面管壁溫度),保證主參數合格和爐膛出口煙溫低于燃煤灰熔點的同時來保證蒸汽質量,從而防止爐膛出口結焦,并能獲得最大的鍋爐效率。 當煤質有波動時,運行人員要根據實際情況進行調整,防止在燃用不同煤種時鍋爐爐膛結焦,如有一部分大顆粒煤粉在爐膛出口處尚未燃盡,會導致鍋爐爐膛出口煙溫偏高,結焦嚴重。

3)保證空氣和燃料的良好混合,避免在水冷壁附近形成還原性氣氛,防止局部嚴重積灰、結焦。

當風速、風量不合理時,盡管爐內總空氣量大,但仍會出現局部區域的熾熱焦碳和揮發分得不到氧量而出現局部還原性氣氛。當煤粉爐煙氣含氧量低于3%時,由于局部缺氧,將會使CO含量急劇增加。 保持適當的過??諝庀禂?,合理使用一、二次風。若一次風太大,火焰上升得很高,甚至直射后墻,會促使高溫結焦。若二次風使用得當,火焰中心下移,延長了煙氣路線,可使爐膛出口溫度降低50至80℃。爐膛出口過??諝庀禂低扑]值為:鏈條爐1.2~1.35,拋煤爐1.4,往復式推動爐排爐1.3,煤粉爐1.2~1.25,沸騰爐1.05~1.1。

4) 應用各種運行措施控制爐內溫度水平。

爐內溫度水平高將使煤中一些易揮發堿性氧化物汽化或升華(1400度以上),使堿金屬化合物在受熱面上凝結(1000~1100度)。堿金屬直接凝結在受熱面上會形成致密的強黏結性灰??稍诔跏蓟覍又行纬僧a生低熔點復合硫酸鹽反應的條件,還會使含有堿性化合物的積灰外表層黏結性增強,加速積灰過程的發展。煤灰呈熔化或半熔化狀態,熔融灰會直接黏在受熱面上,產生嚴重結焦。

5) 要有合適的煤粉細度和厚度

煤粉粗,火炬拖長,粗粉因慣性作用會直接沖刷受熱面。再則,粗煤粉燃燒溫度比煙溫高許多,熔化比例高,沖墻后容易引起結焦。但是,煤粉太細也會帶來問題,一是電耗高,制粉出力受到影響,二是爐膛出口煙溫升高,易引起結焦。給煤要均勻,在負荷變化較大或煤種變化時,應及時調整煤層厚度。如鏈條爐燃用結焦性強的煙煤(灰分小),煤層厚度為80~120mm,爐排取快速,送風量較小。燃用結焦性較差的煙煤(灰分大),煤層厚度100~140℃,爐排取中速,送風量較大。

6)防止鍋爐超負荷運行

超負荷運行會引起結焦。超負荷時就要較大幅度調大風量,提高送引風和二次風風速及煙速,增加過??諝饬?。這種強化燃燒的結果使火焰偏高,煙氣里攜帶大量熔融狀態的煤粒煤灰粘結在爐膛出口捕渣管上,此處平均溫度很快高于灰熔點,形成結焦。例如,某廠一臺SHL型10t/h鏈條爐,在燃用一種結焦性較強的煤種時,由于鍋爐負荷不同而引起燃燒工況及熱效率的變化。防止超負荷運行要從給煤量、給水量、送引風量和控制調整燃燒工況來進行。

7)堵漏風

爐膛漏風,破壞了正常燃燒工況,造成火焰的充滿度和攪拌混合情況惡化,火焰中心升高或偏斜,會加速結焦的形成。解決的辦法是減少漏風量,使爐膛出口負壓不致過大(鏈條爐為10~15Pa,煤粉爐為15~30Pa)。鍋爐各部位的漏風系數應控制在:爐膛0.1,爐排0.15,過熱器0.05,省煤器0.1,空氣預熱器0.1,除塵器0.05。

8) 適當提高一次風速可以減輕燃燒器附近的結焦。

提高一次風速可推遲煤粉的著火,可使著火點離燃燒器更遠,火焰高溫區也相應推移到爐膛中心,可以避免噴口附近結焦。 提高一次風速還可以增加一次風射流的剛性,減少由于射流兩側靜壓作用而產生的偏轉,避免一次風直接沖刷壁面而產生結焦。 注意一次風速的提高受煤粉著火條件的限制。

9) 摻燒不同煤種。

煤種摻燒能在一定程度上綜合所摻煤種的灰焦特性。低灰熔點煤灰分仍在受熱面上沉積,但高熔點固態灰對受熱面有一定的沖刷作用,使沉積量降低。 混合摻燒不同煤種,合理掌握煤塊粒度及煤粉細度,特別是混燒結焦性強和結焦性差的煙煤,是預防結焦、提高鍋爐熱效率的好辦法。 對于干煤應適當摻水,對于含硫化鐵粘結性強的煤應及時打焦清渣,對于灰分大的煤應適當增加清爐次數,對于管群、煙管或煙室的堵灰應及時清理。

化學除焦是根本途徑

根據國內外不同電廠鍋爐結焦的情況分析,專家們得出一致結論:不管你的鍋爐如何設計,運行上如何精心調整,世界上沒有一臺燃煤鍋爐能徹底堵絕鍋爐結焦這一難題!根據科技發展的現狀,燃燒中配合化學除焦,應該是目前較好的唯一途徑。

中科能源清垢除焦添加劑用于清除鍋爐受熱面及煙道上所形成的各種結垢及結焦,通過高溫分解產物與焦、垢進行物理化學作用,使腐蝕性極強的硫酸鹽、亞硝酸鹽及氧化物渣形成低共熔點混合物,使得頑固焦、垢疏松并脫落。從而延長鍋爐的檢修期及設備使用壽命,降低工人勞動強度。

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