爐管外壁灰垢層的研究
汪琦1，汪萍2
（1．上海熱油爐設計開發中心 上海 200042；2．常州新區能源設備有限公司 江蘇常州 213032）
摘 要：介紹了灰垢的種類和灰粒的沉積，對灰垢層的組成及結構進行了探討，研究了管壁表面灰垢層對傳熱的影響，分析了熱力計算中常用的熱阻和熱有效系數，給出了管壁溫度的計算公式，闡述了灰垢層的結構模型，最后介紹了積灰的清掃方法。
關鍵詞：爐管外壁；灰垢層；傳熱；熱力計算；管壁溫度；積灰清掃
一、前言
在實際運行中，爐內受熱管外側總是覆蓋有積灰層的。顯然，在其他條件一樣時，積灰管的金屬壁溫比清潔管的金屬壁溫低。但是，積灰管的溫度分析究竟有何種變化，仍是一個有實際意義的問題。
在爐膛傳計算中，管壁表面溫度是未知的。在過去的一些計算中，有的認為管壁表面溫度相對于火焰的平均溫度是很小的，故將其忽略；有的則取管壁表面溫度等于介質的溫度。實際上，在管子外壁積有灰垢，由于其導熱系數很小，一般小于0.1kcal/m.h℃；因此，即使灰垢層很薄，例如0.5mm，也會在灰垢層內造成很大的溫度差，可使管子外壁灰垢層的表面溫度達到900～1000℃之間，從而使輻射傳熱大大降低。
因此，受熱管表面的污染狀況對爐膛傳熱有很大的影響。簡單地將管壁表面溫度忽略或等于介質的溫度，僅能適用于燃燒氣體燃料的清潔表面的情況。在燃燒固體或液體燃料時，這樣假定顯然是不合適的。
二、灰垢的種類和灰粒的沉積
“垢”是燃料燃燒后殘留下來不可燃的組分。主要為Na、K、V、Mg等金屬的固體鹽類?！盎摇笔侨剂现械目扇冀M分——碳元素在燃燒不完全的情況下殘留下來的微粒?！盎摇庇址譃椤凹殶熁摇焙汀按譄熁摇眱煞N?！凹殶熁摇笔怯捎谌紵煌耆傻奈慈继剂?，其粒徑很小，通常在1μm上下，但活性很強，容易在傳熱面上吸附?！按譄熁摇眲t是由于殘碳形成的，它的形狀近似球形，粒徑大致為10～200μm左右，這種粗煙氣常常成為吸附硫酸的“核子”，在煙氣溫度接近露點的區域形成白雪的灰垢層，厚度有時達到數毫米。
灰粒的沉積可分為慣性沉積和邊界層沉積。慣性沉積是煙氣中的固體顆粒與管壁表面相互碰撞時，部分顆粒由于慣性力的作用而沉積下來?；伊５某练e量隨時間而變化，符合指數規律。開始時灰分沉積很快，但不久就達到平衡狀態。因為在灰垢繼續沉積的同時，在煙氣流的作用和大灰粒的撞擊下又減少了灰分的沉積。
慣性沉積的機理是煙氣氣流纏過管子流動時，由于流動方向的變化，在管子背面形成旋渦。在此旋渦部位灰粒沉積的可能性最大，因為旋渦區帶入的是細小的易于粘附的微粒，而不是大的灰粒。管子迎面處被大灰粒沖擊，灰垢不容易沉積下來。管子的間距對慣性積灰量影響最大，其次是煙氣的流速，隨著煙氣流速的增加，流體動能增大，粗大灰粒破壞灰垢沉積的作用也加強。
邊界層沉積是煙氣流過管束時，緊貼管壁外表面存在著一層薄薄的速度分界層，當灰垢粒子進入這一邊界層后動能大大降低，就會在管表面上沉積下來。另外，流過管束的煙氣把它的熱量交給管束，沿著管外壁的邊界層，煙氣溫度也是迅速下降的。
灰垢粒子進入邊界層后隨著溫度的下降粒子間的粘聚力增強，也容易沉積到管表面上。由于存在邊界層沉積，導致在某些煙氣流速高的地方仍有積灰，并且對于很小的灰粒（直徑1～3um）也會在管表面（尤其是低溫的管表面）上沉積下來。
三、灰垢層
固體燃料的燃燒，由于煤中含有各種礦物雜質，新爐投入運行一段時間后，就會在表面上形成一層灰垢層，其化學成分主要為SiO2、AL2O3、Fe2O3、MgO、CaO、SO3、Na2O、K2O等，其中堿金屬的氧化物Na2O、K2O是在燃料燃燒時形成揮發氣體后又凝結在管壁上的。在爐膛中不同位置輻射受熱面的灰垢層厚度和成分略有不同，溫度高的地區灰垢層厚些，但堿金屬氧化物含量較少。
在重油燃燒中，由于重油內也含有少量的礦物雜質，經過一段時間的運行，同樣形成灰垢層。即使是煤氣爐，由于空氣中的灰塵也會使管壁積灰，不過灰垢層較薄，熱阻較小。實際上，在所在的爐子中，均有積灰問題存在，而表面灰垢層的厚度、成分、狀態則與燃料種類和燃燒方法等許多因素有關，存在很大的差別。
灰垢層的形成同火炬中氣體和固體彌散相與管壁表面相互作用有關。堿金屬的硫酸鹽、氯化物和氫氧化物會由于氣相凝結在管壁表面上?；鹁婀腆w彌散相中主要是飛灰粒子。最細微的粒子通過擴散（分子擴散、紊流擴散和布朗運動）轉移到邊界層里。比較大的粒子也可直接隨爐內煙氣流轉移進去，生成沉積層的可能性同氣體和粒子與管壁表面相互間直接作用的條件有關，而這決定于表面的吸附性質。例如，當粒子處于軟化和熔化狀態（硫酸鹽和氧化鐵含量較高時特別容易熔化以及邊界層內進行凝結過程和堿金屬化合物蒸汽直接凝結到飛灰粒子上時，發生沉積的可能性就增大了。
故污染層在很大程度上是由爐內過程空氣動力特性、爐膛溫度的特性、燃料的物理化學性質、以及粒子和管壁的粘附性所決定的。管壁表面的粗糙度可使沉積過程加劇。根據爐內過程進行的具體條件和燃料的種類，熱電泳現象和飛灰粒子與管壁間的靜電現象在污染層生成過程中可以起一定作用。沉積層的厚度會趨于穩定。這是因為一方面有新的沉積生成，另一方面又受到帶塵氣流各種振動、溫度脈動以及重力的作用而使沉積層受到破壞。
灰垢層沿其厚度來看，通常是不均勻的，是由幾個具有不同化學成分和結構的層所組成。與管壁金屬表面直接接觸的是非常薄的內部底層，它是由于粘附以及同管子金屬的化學反應而生成的非常牢固的覆蓋層——琺瑯形的，這個底層具有較高的氧化鐵和堿金屬氧化物含量。
一些研究者認為，灰垢層異常低的導熱性就是與這一層的存在有關。在這一層的外面通常是灰沉積本身形成的緊密的第一層，它是由最細的灰粒子組成的，并含有相當數量的氧化鈣、氧化鐵和硫化鐵以及鉀和氯的化合物。不很緊密的外層沉積物比起前一層來，堿金屬氧化物的含量較高而氧化鐵的含量較低。這一層是在沾污管壁表面溫度比較高的情況下形成的，而且含有很粗的灰粒子。
沉積層一般分為粘結性沉積和疏松性沉積兩種，通常粘結性沉積是在燃燒褐煤和某些煙煤時形成的，其內含有相當數量的氧化鐵。這種沉積層的厚度在爐膛下部最大，朝向爐膛出口煙窗方面逐漸減薄。疏松性沉積是在燃燒無煙煤屑、貧煤及重油時形成。這種沉積的厚度通常在爐膛的出口處要比強烈燃燒區大些。
生成的沉積物和性質與灰的化學成分（堿金屬氧化物的含量）和它的粘度——溫度特性以及爐內過程的溫度水平有關。隨著熱負荷的增大，粘結性沉積層的厚度增大，疏松沉積層的厚度減小。
四、管壁表面灰垢層對傳熱的影響
由于管壁表面的積灰，導致了熱阻的增加，使爐子的排煙溫度升高，熱效率下降；并減少了煙氣流面積，使煙氣流升高，煙氣流動阻力增加；而在尾部低溫受熱面，積灰后的管壁更易吸附煙氣中所含的硫酸蒸汽，加劇露點腐蝕。下面討論積灰對傳熱的影響。
灰垢層內能量的傳遞是依靠兩種物理機理實現的，即分子導熱和輻射。通過分子導熱傳遞熱量不僅沿沉積層的固體骨架進行，也會通過粒子間的氣體層傳遞。能量的輻射傳遞主要是在粒子間的氣體窄隙內進行的。隨著灰垢層溫度的增高，輻射傳遞份額的相對作用明顯地增大。
對灰垢層內能量傳遞起主要影響的沉積層的結構，可用其微孔性局部地表示其特性。它決定于粒子的尺寸、形狀及其相互位置，這樣，灰垢層的結構就決定于氣體微孔的尺寸和形狀、以及固體骨架本身的結構。
固相導熱主要取決于骨架的結構和其內氧化鐵的含量。氧化鐵份額增加，伴隨著灰垢層密度增大，導致其熱阻減小和導熱量增大。氣體夾層數量增多和粒子間微孔增大對熱阻和導熱性影響與上述相反?；夜笇觾饶芰康妮椛鋫鬟f取決于氣隙和微孔的尺寸及形狀，也像導熱傳遞熱量一樣，主要決定于沉積層的結構。除上述因素外，引起導熱性降低的附加熱阻也與沿灰垢層厚度方向沉積物的化學成分和其他性質斷續變化有關。
根據Raask的研究[1]，爐膛內的飛灰粒子中，特別是大尺寸灰粒中，經常觀察到是空心球形，稱其為新生球。它是由于被灰粒子吸附的二氧化碳和氮氣膨脹時形成的。管壁上的沉積物中存在這種粒子，也是導致灰垢層的導熱性異常低的原因之一。
根據文獻[2]的研究成果，管壁灰垢層的黑度與溫度及灰垢的狀態有強烈的關系，如圖1所示。
對疏松的顆粒狀沉積，在運行的初期，壁溫為320℃時，ab=0.85，隨著積灰增加，當壁溫增加到100℃時，ab降到0.58。當溫度增加到1120℃時，ab迅速增加到0.75，此時管壁上的灰垢同時發生燒結和熔化。當熔化的灰垢冷卻成固體狀態時，其黑度緩慢地增加，當溫度冷卻到316℃時，ab=0.87。在溫度為1050℃時，其過程是不可逆的。對導熱系數的測定也得出，當沉積灰垢熔化時，其導熱系數有明顯的增加。
根據測定的結果，在其他條件相同時，顆粒狀沉積的傳熱將比清潔管降低30%，而熔化的沉積物則又可使吸熱量恢復約2/3。當管壁表面灰垢層厚度超過0.2mm時，對管壁黑度就發生明顯的影響。
文獻[3]表明了在管壁上兩種型式的沉積物——疏松灰和熔化灰的熱阻隨溫度的變化，由圖2可以看到，疏松沉積物比熔化沉積物具有較高的熱阻值。而在溫度小于800K的范圍內，疏松沉積物的黑度略高于熔化沉積物；在溫度大于800K的范圍內，熔化沉積物的黑度則明顯高得多。
由此可見，在管壁上沉積灰垢對傳熱的影響有兩個方面，一是由于管壁黑度下降使系統黑度降低而使受熱面的吸熱減少；再就是由于管壁灰垢層的外壁溫度增加而使輻射傳熱減少。當沉積的灰垢熔化時，由于黑度和導熱系數增加，可使吸熱量有所增加。
根據Mulcahy等人的研究，當部分熔化的沉積物達到最大厚度10mm時，由于沉積物污染而使傳熱比清潔管降低約40%，爐膛出口煙溫升高約330℃。當存在很薄的一層約0.5mm沉積物時，這在正常情況下只要運行幾個小時就能達到的厚度，將使傳熱降低約7%，爐膛出口煙溫升高約60℃。
管壁表面上灰垢層的導熱性及其熱阻可在很寬的范圍內變化，這與受熱面在爐膛內位置、燃料種類和燃燒工況條件有關?；页练e物的導熱系數在數值上可以同高溫下二氧化碳和空氣的導熱系數相近，在很多情況下甚至比它們還低。沉積層的導熱系數隨沉積層溫度和其內氧化鐵含量的增高而增大。
管壁表面的黑度也是對爐內換熱有很大影響的重要因素。它與灰垢層物質的化學成分、灰垢層結構以及表面和微觀粗糙度有關，而沉積物的化學組成，特別是其中氧化鐵含量對黑度值有明顯的影響。管壁灰垢層的總黑度還隨其溫度而變化。
由于人們對灰垢層產生的物理機理研究還很不充分，所以，管壁表面灰垢層對傳熱的影響目前還是一個非常復雜的問題。
五、灰垢層的熱阻和受熱面的熱有效系數
由于尚缺乏爐內系統的有關數據資料，目前采用兩個辦法來考慮灰垢層的影響；采用灰垢層的熱阻ε及受熱面的熱有效系數ψ。
通過灰垢層導熱的基本傳熱方程：
式（1）中q為單位爐壁面積的輻射傳熱量、σo是斯蒂芬-波爾茲曼常數，其值為4.88×10-8kcal/m?h?k4，ak為爐內系統黑度，Thy、Tb和Tgb分別是火焰的平均溫度、爐管灰壁表面溫度和爐管金屬外壁溫度，λ和δ分別是灰垢層導熱系數和厚度。
管子外表面的灰垢層的厚度與灰垢層的導熱系數的比值，即ε=δ/λ稱為灰垢層的熱阻。其大小與燃料種類、煙氣速度、管子的直徑及布置方式、灰粒的大小和組成、是否吹灰及吹灰方式等有關。ε值列于表1中。
在蘇聯《鍋爐機組熱力計算標準方法》[4]中采用傳熱面的熱有效系數Ψ 來間接考慮受熱面污染對傳熱的影響。熱有效系數的定義為：
Ψ=積灰管的傳熱系數k值/潔凈管的傳熱系數k值
也可用下式表示：
Ψ=（qt-qf）/qt=q/qt （2）
其中qt是火焰投射到爐壁的投射輻射，qf為爐壁對火焰的反輻射。
受熱面的熱有效系數的值可由試驗得出，見表2。
Ψ值愈大，表示爐壁受熱面的吸熱能力愈大。Ψ值的大小決定于爐壁對火焰的反輻射，它是由爐壁的本身輻射和反輻射所組成。隨著受熱面外壁污垢層的增加，壁面溫度迅速升高，使壁面的本身輻射增加；同時，隨著溫度的增加，污垢層的黑度減小，使爐壁的反射輻射增加，因而使爐壁對火焰的反輻射增大，而使熱有效系數降低。因此，爐壁的吸熱能力主要取決于管壁積灰變臟的程度，管壁愈臟，則其吸熱能力愈小。
熱有效系數等于：
Ψ = χξ （3）
其中x為角系數，由幾何方法確定；ξ為污染系數，可表示出受熱面的相對污染程度。污染系數的定義可用下式表示：
ξ=受熱面吸收的熱量/投射到受熱面的熱量
污染系數的值見表3所示。
根據kirchhoff定律，沉積灰的單色黑度在數值上等于它的單色吸收率；但由于受熱面污垢層的輻射光譜具有選擇性，不能作為灰體處理，其總吸收率不等于總黑度。根據沾污層投入輻射和自身輻射的光譜特性，這些污垢層的總吸收率按其數值通常高于總黑度值，但是兩者之間的關系有時由于沉積物結構和化學成分的變化會遭到破壞。只有在熱力學平衡的局部條件下才能說兩者之間的值相等。
此時，自然可認為沉積層總吸收率在數值上等于其總黑度。當然這樣假定大大簡化了計算，但是此時在最后的結果中要帶來一定的誤差?？捎捎谌狈Σ煌剂霞叭紵绞降某练e灰的單色黑度值的可靠實驗數據，同時也為了簡化計算方法，故將受熱面上的灰垢層作為“灰性近似”模型。表4是灰壁表面的吸收率ab。
六 、積灰管的金屬壁溫
利用式（1）可以求得爐壁灰壁表面溫度：
Tb=Tgb+εq （4）
也可按下式確定：
Tb=Tcp+（ε+1/a2）q （5）
其中Tcp為介質平均溫度，a2是管壁對于內部介質的放熱系數。
文獻[5]研究了積灰層對爐內受熱管溫度分布不均勻性影響。文章的理論分析部分導出了問題的基本方程式，采用有限差值法借助于電子計算機進行了求解。文章的實驗部分介紹了用內部水冷的厚壁瓷管來實現熱阻與有積灰層鋼管壁的熱阻相當的條件的方法。
實驗在投入熱流密度為5.17×104kcal/m2條件下進行。S/d的范圍為1.2～2.2。理論和實驗和結果表明：s/d越大，灰壁外側溫度越趨于均勻。積灰層的熱阻越大，則灰壁外側溫度越趨于不均勻?；冶谕鈧鹊谋跍仉S投入熱流密度，積灰層熱阻及煙氣溫度的增加而增高，但與s/d無關。
七、灰垢層的結構模型
文獻[6]中把灰垢層的結構模型看作為兩個理想結構的疊加，即垂直于能流方向、位于受熱面上，厚度為δ＇T的平行板系統、板間有相同間距δ′T的結構（稱為第一類結構，其熱阻值最大）和平行于能流方面，垂直于吸熱面，厚度為δ″T，板間距為δ″T的平行平板系統的結構（稱為第二類結構，其熱阻值最?。┑幕ハ喁B加?；夜笇铀锌赡艿臒嶙柚当厝皇窃谏鲜鰞深惤Y構具有的范圍以內。
經過灰垢層的換熱方程：
式（6）中T3π和Tct分別是灰垢層外表面溫度和管壁金屬表面溫度，F是每類結構中垂直于能流方向的表面積，R3π為灰垢層的熱阻，可由下式確定：
其中m、1-m分別為第一、二類結構的分量系數；n′、n″分別是第一、二類結構中固體層和氣體層的數目；λ′T、λ″T分別是第一、二類結構中固體層的導熱系數；λ′Γ、λ″Γ 分別是第一、二類結構中氣體層的導熱系數；δ3π為灰垢層的厚度。
灰垢層的導熱系數為：
對于第一類和第二類結構，輻射能量傳遞條件可以假想地把它們看作為不透明或局部透明的屏板系統[7]。
八、管外壁積灰的清掃方法
吹灰器是目前應用最為廣泛的方法，吹灰器的產品現已定型化，吹灰郊果也不錯；但吹灰器只安裝在爐壁上的若干個點上，它對所有爐管的清掃作用不可能完全相同，即使對同一根爐管的不同部位也不會相等。另外，已經積滿灰的臟管子要想通過吹灰器吹掃干凈是很困難的。
因此，在停工大修期間采用水沖洗的方法，同時使用鋼絲刷、紗布刷掉爐管外壁上的浮灰，可以徹底解決除灰問題。不過經過一段時間后，管子表面會重新積上一些灰，清洗所取得的效果將逐漸降低。
為了在運行中保持爐管表面潔凈，美國阿莫科公司近年來發展了在線水沖洗技術。方法是在對流室側壁設清掃孔若干個，需清洗時臨時打開孔蓋，將清洗器伸入爐子對流室內沖洗。清洗器由快速開關閥，管子和噴咀組成。清洗用7kg/cm2（表）的水，要注意控制好水量，以噴入的水經對流管束后能完全蒸發為適度，以免過度影響爐管和爐襯。今后隨著節能要求的不斷提高，將會開發出越來越多的清灰新技術。
參考文獻：
[1]Raask E. Cenospheres in pulverised-fuel ash, J .Inst.Fuel, 1968,Vol.41,339-344.
[2]Mulcahy M.F.R Boow J, Goard P,R.C, Fireside deposite and their effect on heat transfer in a pulverized-fuel-fired boiler, J. Inst.Fuel,1966,Sep,385-398.
[3]Singer J.G.[Ed] Combustion fossil power systems, Cmbustion, Engineering, Inc, USA, 1981,992.
[4][蘇]鍋爐機組熱力計算標準方法 (第二版),北京鍋爐廠譯[M].機械工業出版社,1976年.
[5]Geller Z.I. and koval′sky E.V, International Journal of Heat and Mass Transfer, 1966, Vol, 9,533.
[6]A. Γ.布洛赫著,賈鴻祥等譯.鍋爐爐內換熱[M].西安交通大學出版社,1988年.
[7]王致均等.鍋爐爐內過程[M].科學技術文獻出版社重慶分社,1980年.
作者簡介：
汪琦，碩士，高級工程師，長期從事于熱載體加熱技術、新能源技術、節能減排技術、熱油爐、熱風爐、熱水爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、焚燒爐、生物質氣化爐的研究設計開發工作。
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