PDF《涂层对燃用准东煤锅炉受热面沾污特性的影响》

? 文章编号:1007 ? 6735(2019)01 ?

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06 DOI: 10.

13255/j.cnki.jusst.2019.01.005 涂层对燃用准东煤锅炉受热面沾污特性的影响 何????翔1,2 ,????施鸿飞

1 ,????马达夫 1,2 (1.?上海发电设备成套设计研究院有限责任公司?上海?200240;

2.?上海理工大学?能源与动力工程学院?上海?200093) 摘要:新疆准东煤的强沾污结渣特性严重制约和影响了锅炉的安全稳定运行,采用锅炉受热面表 面涂层是降低准东煤沾污的有效手段之一.为此,在一维沉降炉试验台上重点研究了烟气温度、 涂层材料对受热面管沾污、传热特性的影响规律.研究结果表明:涂层可减缓准东煤灰在受热面 表面上的沾污速率,减低灰污阻力系数.实验采用涂层 A、涂层 B 和光管相比,750?℃ 时,其沾 污系数分别降低 19.6% 和7.1%;

850?℃ 时,其沾污系数分别降低 24.73% 和10.22%;

950?℃ 时, 其沾污系数分别降低 21.84% 和34.29%.通过对沾污层灰样的分析测试,涂层材料对沾污层组份 无明显影响,表明涂层对减缓沾污的效果以物理作用为主. 关键词:准东煤;

涂层;

传热特性;

沾污特性 中图分类号:TK?224?文献标志码:A Influence of Coating Heating Surface on Fouling Characteristics of Zhundong Coal Fired Boiler HE Xiang 1,2 , SHI Hongfei

1 , MA Dafu 1,2 (1. Shanghai Power Equipment Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200240, China;

2. School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China) Abstract: The?strong?fouling?and?slagging?characteristics?of?Xinjiang?Zhundong?coal?restrict?and?affect the?safe?and?stable?operation?of?boilers?seriously.?The?coating?technology?utilized?in?the?heating?surface of?boilers?is?one?of?the?effective?ways?to?reduce?the?contamination?of?the?heating?surface?of?Zhundong coal. ?The ?effects ?of ?flue ?gas ?temperature ?and ?coating ?materials ?on ?the ?heat ?transfer ?and ?fouling characteristics?of?the?heating?surface?in?a?one-dimension?furnace?were?investigated.?The?results?show that ?the ?coating ?can ?reduce ?the ?contamination ?rate ?of ?the ?heating ?surface ?and ?debase ?the ?fouling resistance?coefficient.?Under?the?experimental?conditions,?compared?with?the?un-coated?tube?at?750?℃, contamination?factors?of?the?coated?tube?A?and?B?descend?by?19.6%?and?7.1%?respectively;

?and?those?at 850?℃?are?24.73%?and?10.22%;

?at?950?℃?are?21.84%?and?34.29%.Through?the?analysis?on?the?test?of?ash contamination?layer,?coating?materials?have?no?obvious?effect?on?the?contamination?layer?components.?It is?shown?that?the?coating?technology?for?retarding?fouling?contamination?is?based?on?the?physical?action. Keywords: Zhundong coal;

coating;

heat transfer characteristic;

fouling characteristic 上 ?海 ?理 ?工 ?大 ?学 ?学 ?报 第?41?卷?????第?1?期J.?University?of?Shanghai?for?Science?and?Technology Vol.?41????No.?1????2019 收稿日期:2017?11?03 基金项目:国家科技支撑课题资助项目(2015BAA04B01);

国家电力投资集团课题资助项目(2015-227-XJN-KJ-X) 第一作者:何翔(1982?),男,博士研究生.研究方向:电站锅炉燃烧调整.E-mail:seanjastyt@163.com 新疆准东地区是我国煤炭资源富集的区域, 储备着我国目前最大的整装煤田,煤资源预测储 量多达 3?900 亿t,已探明煤炭资源储量 2?136 亿t. 准东煤储量巨大,具有开采成本低、反应活性 强、容易燃尽等特点 [1] .与我国其他已知动力用煤 相比,由于准东煤灰中 Na2O,CaO 的质量分数分 别达到 4%~10% 和20%~40%,由此导致锅炉沾 污、结渣严重,影响了准东煤锅炉的安全稳定运 行[2] .由于准东煤燃烧过程中 Na,K 等的升华、 冷凝,致使锅炉受热面表面易形成致密的沾污底 层,从而快速粘附和捕捉烟气中的飞灰颗粒,导 致准东煤锅炉受热面沾污速率明显高于常规动力 用煤,这也是准东煤发生严重沾污、结渣的主要 因素[3] . 另外,在烟温850~1?050?℃ 条件下,Na,K,Ca 等元素易与灰中的 Si,Al 等发生低温 熔融现象,生成 Na2SO4,CaSO4,Na?Al?Si 等低 温共熔体,致使沾污、结渣层采用吹灰装置难以 清除,从而引起炉膛受热面结渣和沾污堵塞,严 重影响机组的安全运行 [4-5] .炉膛内部受热面的沾 污及积灰是结渣和高温腐蚀等问题的前奏,也是 影响炉膛内正常燃烧组织的重要因素.近些年, 国内众多科研院所和企业对如何高效利用准东煤 展开了大量研究工作.针对煤中碱金属含量过高 而带来严重结渣的问题,采取各种措施加以解 决,主要包括锅炉设计和运行参数优化、使用添 加剂、燃料预处理及掺烧弱结渣煤种等方法 [6-7] . 这对减缓准东煤炉膛结渣、高温受热面沾污虽然 有一定的效果,但要实现锅炉全烧准东煤仍存在 一定的困难. 随着国内外涂层技术的发展,一部分学者认 为可以用涂层来保护受热面.如强学才等 [8] 对高温 受热面防磨涂层进行了试验研究;

王进卿等 [9] 在水 冷壁和屏式过热器区域受热面喷涂复合陶瓷涂 层,锅炉实际运行一年后,发现涂层防结渣效果 明显;

陈华等 [10] 对电站锅炉过热器

3 种常用钢进 行喷涂性能研究,发现涂层能有效隔离腐蚀介 质,防止基体氧化和腐蚀;

王树群等 [11] 在锅炉受 热面上喷涂高 Ni-Cr 合金材料,并通过高温条件下 热腐蚀试验和热震试验,说明高 Ni-Cr 材料具有良 好性能.为此,本文在两段加热式一维沉降炉试 验台上模拟实际锅炉炉内燃烧工况,通过对比研 究典型准东煤燃烧过程煤灰在 T91 管(基材)以及 带由不同涂层(涂层 A 和涂层 B)T91 管上的沾 污、传热特性的变化,进一步分析不同涂层材料 对减缓准东煤沾污特性的影响规律.

1 试验工况及方法 1.1 试验系统及试验方法 试验系统示意图如图

1 所示.试验系统主要 包括沉降炉主体、给煤机、空压机及进气系统、 温控箱及加热系统、T91 沾污试验管(以下简称试 验管)、排烟系统.一维沉降炉为电加热炉,电压 380?V,功率 30?kW,炉膛高度 2?000?mm,炉膛内 径150?mm.试验管上下两侧分别对沉降炉水平打 孔,使用热电偶测量烟气在横掠试验管前后的温 度.试验管内埋有热电偶以测量空气在换热前后 的温度变化,另外,在试验管进口装有质量流量 计,用以测量空气流量,通过计算试验管空气热 焓随时间的变化,从而推算出煤灰在试验管表面 的沾污行为对管子传热特性的影响规律.采用自 行设计的小型螺杆式给粉机进行给煤,给粉量为 5?g/min,煤粉细度均为 R90=30%.燃烧所需空气由 空压机经流量计与送风管路从炉膛顶部送入,试 验管内的冷却空气经流量计及送气管路送入试验 管段. ? ? ? 图1试验系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of the test system ? ? 试验管为 T91 光管、涂层管 A 和涂层管 B, 将试验管段水平放置于沉降炉非恒温区域内,调 节试验管段内冷却空气流量大小,避免沾污管在 壁温过高时产生氧化皮现象.烟道温度分别控制 在750?,850,950?℃,待烟道温度稳定后,使用 热电偶分别测量试验管段(T91 管、涂层管 A、涂 层管 B)前后烟温及试验管内空气进、出口温度. 测量完毕后,立即取出沾污管对灰样进行拍照, 第?1?期何????翔,等:涂层对燃用准东煤锅炉受热面沾污特性的影响

31 冷却后收集积灰并密封保存,试验中每个工况进 行8?h. 1.2 煤质特性 本文试验中使用新疆准东地区五彩湾煤,该 煤种具有典型的准东煤特征,与国内典型烟煤和 褐煤相比,五彩湾煤全水分高,灰分偏低,发热 量介于烟煤和褐煤之间,且煤灰中碱、碱土金属 含量相对较高 [12] ,基本煤质资料见表

1 和表 2. ? ? ? 表1煤基本测试分析 Tab.1 Basic test and analysis of coal 工业分析 war/% 元素分析 war?/% 发热量/(kJ・kg ?1 ) 煤灰熔融性/℃ M A V FC C H O N S Qnet.ad 变形温度 (DT) 软化温度 (ST) 半球温度 (HT) 流化温度 (FT) 25.01 3.34 31.12 54.43 61.06 2.89 6.97 0.45 0.28 20?167.07 1?329 1?388 1?410 1?420 ? ? ? ? ? 表2煤灰基本测试分析 Tab.2 Component of ash Na2O K2O CaO Fe2O3 MgO Al2O3 SiO2 SO3 TiO2 P2O5 7.78 0.24 28.24 3.33 16.32 5.61 8.41

28 0.29 0.03 ? ?

2 试验结果及讨论 2.1 涂层对传热特性影响分析 试验管水平放置在一维炉非恒温段的燃尽 段.实际电站锅炉炉膛内辐射换热区域温度高达 1?500~1?600?℃,本文试验中试验管段处于炉内燃 尽段,烟气最高温度仅为 950?℃,且试验所用 一维炉炉内空间较小,小容量锅炉辐射能力较 弱,所以传热计算忽略辐射传热带来的影响 [13] . 根据传热学原理,炉膛与试验管的传热形式可简 化为交叉流传热进行计算.试验过程中温度均由铠装热电偶测得.根据 可得 出传热总能量为 式中:cp 为空气质量比定压热容;

qm 为空气质量 流量;

为试验管上方烟气温度;

为试验管下 方烟气温度;

为试验管进口水温;

为试验管 出口水温. 交叉流传热计算的传热方程式为 式中:K为传热系数;

?A 为管子的传热面积;

为进出口温度布置成逆流时的对 数平均温差,其中 Δtmax,Δtmin 分别代表 与 两者中大者和小者;

ψ 是小于

1 的修正系 数,取决于两个无量纲参数 P 及R,其定义为 .根据《传热学》一次交 叉流两种流体都不混合时的 ψ 值图可得,修正系 数ψ取值为

1 [14] .为确保试验计算数据准确,并对 整个系统的热平衡进行校核计算,污垢热阻为 式中:k 为带污垢传热表面的传热系数;

k0 为洁净 传热面的传热系数 [15] . 沾污前、后的传热系数如图

2 所示,沾污后 在3个温度平均值的传热系数中,涂层管 A 和涂 层管 B 较光管传热系数低(0.7,0.523?W/(m

2 ・K)). 这是由于管外涂层在传热过程中相当于一层热 阻,对传热产生不利影响.但由于涂层成分不 同,涂层管 B 传热系数略大于涂层管 A,说明涂 层管 B 涂层的传热性能优于涂层管 A 涂层.沾污 后T91 管........