余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠崤c積灰特性的深度剖析及優(yōu)化策略研究一、緒論1.1研究背景與意義在全球能源形勢(shì)日益嚴(yán)峻以及環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格的大背景下，能源的高效回收與利用已成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵要素。余熱作為一種在工業(yè)生產(chǎn)過程中大量產(chǎn)生卻常被忽視浪費(fèi)的二次能源，其回收利用對(duì)于緩解能源短缺、降低環(huán)境污染具有不可忽視的重要性。余熱鍋爐，作為余熱回收利用的核心設(shè)備，在眾多工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠?qū)⒐I(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的各種廢氣、廢液、廢渣等余熱源中的熱量轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用，有效提高了能源利用效率。例如在鋼鐵行業(yè)，高爐、轉(zhuǎn)爐等設(shè)備排放的高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐回收熱量，可用于發(fā)電或供熱，為企業(yè)節(jié)省大量能源成本；在化工行業(yè)，余熱鍋爐可回收化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的余熱，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用。余熱鍋爐受熱面作為熱量傳遞的關(guān)鍵部位，其傳熱特性直接決定了余熱回收的效率以及能源利用的程度。傳熱效率的高低直接關(guān)系到余熱鍋爐能否將更多的余熱轉(zhuǎn)化為可用的能量。如果受熱面?zhèn)鳠嵝实拖拢瑫?huì)導(dǎo)致大量余熱無(wú)法被充分回收利用，不僅浪費(fèi)能源，還可能增加生產(chǎn)成本。而積灰特性則對(duì)余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，受熱面表面不可避免地會(huì)積聚灰塵。積灰不僅會(huì)增加傳熱熱阻，降低傳熱效率，導(dǎo)致余熱回收效果變差，還可能引發(fā)腐蝕、磨損等問題，嚴(yán)重影響余熱鍋爐的使用壽命和可靠性。一旦受熱面積灰嚴(yán)重，導(dǎo)致設(shè)備故障停機(jī)，將會(huì)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，影響生產(chǎn)的連續(xù)性。因此，深入研究余熱鍋爐受熱面的傳熱和積灰特性具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。從能源利用角度來看，通過對(duì)傳熱特性的研究，可以揭示傳熱過程中的內(nèi)在規(guī)律，明確影響傳熱效率的關(guān)鍵因素，從而為優(yōu)化余熱鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。例如，通過改進(jìn)受熱面的結(jié)構(gòu)、材料以及優(yōu)化工質(zhì)流動(dòng)方式等措施，可以有效提高傳熱系數(shù)，增強(qiáng)傳熱效果，使余熱鍋爐能夠更高效地回收余熱，進(jìn)一步提高能源利用效率，降低能源消耗，緩解能源供需矛盾。從設(shè)備運(yùn)行角度出發(fā)，對(duì)積灰特性的研究有助于深入了解積灰的形成機(jī)制、發(fā)展過程以及影響因素。在此基礎(chǔ)上，可以制定出更加科學(xué)合理的積灰防治措施，如選擇合適的吹灰方式、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)等，有效減少積灰的產(chǎn)生和積聚，保證受熱面的清潔，降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，確保余熱鍋爐能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全可靠地運(yùn)行，為工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供有力保障。同時(shí)，這對(duì)于推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域的節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)也具有重要的技術(shù)支持作用，有助于減少溫室氣體排放，降低環(huán)境污染，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。1.2余熱利用技術(shù)概況常見的余熱利用技術(shù)豐富多樣，各有其獨(dú)特的工作原理與應(yīng)用場(chǎng)景。蒸汽發(fā)電技術(shù)是將余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽，借助蒸汽發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)了余熱的高效利用，有效減少了對(duì)環(huán)境的污染，但其前期建設(shè)需要投入較高成本，并且依賴專業(yè)的技術(shù)與設(shè)備支持。熱水供暖技術(shù)通過熱水管道將余熱輸送至建筑物，用于供暖或供應(yīng)熱水，既節(jié)約了能源，又提升了建筑物的舒適度，不過同樣面臨成本投入高以及技術(shù)要求專業(yè)的問題。熱風(fēng)利用技術(shù)則是把余熱通過熱風(fēng)管道引入生產(chǎn)線，用于干燥或加熱工序，在提高生產(chǎn)效率、降低能源消耗的同時(shí)，減少了對(duì)環(huán)境的污染，然而該技術(shù)需要考慮熱風(fēng)的溫度、濕度等因素，對(duì)技術(shù)設(shè)備要求較為嚴(yán)格。熱泵利用技術(shù)通過熱泵將余熱轉(zhuǎn)化為熱能，用于供暖或熱水供應(yīng)，雖然節(jié)能效果顯著，能提高建筑物舒適度，但也存在成本高和技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)的問題。在眾多余熱利用技術(shù)中，余熱鍋爐憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在不同工業(yè)場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。在鋼鐵行業(yè)，燒結(jié)余熱鍋爐用于回收燒結(jié)過程中產(chǎn)生的高溫廢氣余熱，這些余熱被轉(zhuǎn)化為蒸汽后，一部分可用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，為鋼鐵生產(chǎn)提供電力支持，另一部分蒸汽則可用于生產(chǎn)工藝中的加熱、保溫等環(huán)節(jié)，提高了能源利用效率，降低了生產(chǎn)成本。加熱爐余熱鍋爐安裝在軋鋼加熱爐等設(shè)備后，能有效回收高溫?zé)煔庥酂?，提高全系統(tǒng)的熱能利用率，甚至可使全系統(tǒng)熱能利用率提高1倍左右，同時(shí)高溫含塵廢氣通過余熱鍋爐后，溫度降低的同時(shí)還可沉降一部分塵粒，有利于減輕環(huán)境污染和后續(xù)除塵器的選型。在化工行業(yè)，合成氨余熱鍋爐用于回收合成氨生產(chǎn)過程中的余熱，產(chǎn)生的蒸汽可用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、泵等設(shè)備，滿足生產(chǎn)過程中的動(dòng)力需求，實(shí)現(xiàn)了能源的循環(huán)利用，減少了對(duì)外界能源的依賴。硫酸余熱鍋爐則針對(duì)硫酸生產(chǎn)工藝中的高溫余熱進(jìn)行回收利用，生產(chǎn)出的蒸汽除用于自身生產(chǎn)外，還可外供，為企業(yè)帶來額外的經(jīng)濟(jì)效益。在火力發(fā)電領(lǐng)域，余熱鍋爐通常與低溫省煤器配套應(yīng)用，用于回收燃煤鍋爐排放的大量高溫?zé)煔庥酂帷；痣姀S鍋爐的排煙熱損失一般占到鍋爐熱量的5%-10%，通過余熱鍋爐的回收利用，可將這部分余熱轉(zhuǎn)化為蒸汽，用于發(fā)電或其他工藝，顯著提高了能源利用效率，帶來了可觀的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。余熱鍋爐之所以在工業(yè)領(lǐng)域備受青睞，是因?yàn)槠渚哂兄T多顯著優(yōu)勢(shì)。在能源利用方面，余熱鍋爐能夠高效回收工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄熱能，將其轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，實(shí)現(xiàn)能源的再利用，有效提高了能源利用效率，降低了企業(yè)對(duì)一次能源的消耗。在環(huán)保方面，通過回收余熱，減少了廢熱的直接排放，降低了對(duì)環(huán)境的熱污染，同時(shí)減少了因能源消耗而產(chǎn)生的污染物排放，符合全球節(jié)能減排的大趨勢(shì)。從經(jīng)濟(jì)效益角度來看，余熱鍋爐的應(yīng)用降低了企業(yè)的能源采購(gòu)成本，提高了生產(chǎn)效率，增強(qiáng)了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在能源價(jià)格波動(dòng)較大的情況下，余熱鍋爐能幫助企業(yè)穩(wěn)定生產(chǎn)成本。1.3余熱鍋爐研究進(jìn)展1.3.1傳熱特性研究進(jìn)展在余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠崽匦匝芯款I(lǐng)域，學(xué)者們?cè)趥鳠釞C(jī)理方面已取得豐碩成果。研究表明，余熱鍋爐受熱面的傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的綜合過程，涉及對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射三種基本傳熱方式。對(duì)流換熱在余熱鍋爐傳熱中占據(jù)主導(dǎo)地位，其換熱強(qiáng)度與流體的質(zhì)量流速、密度、比熱容、粘度、熱導(dǎo)率等密切相關(guān)。有研究通過實(shí)驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，深入探討了對(duì)流換熱系數(shù)與這些因素之間的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流速是影響對(duì)流換熱系數(shù)的最主要因素，當(dāng)質(zhì)量流速增加時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)顯著增大，從而增強(qiáng)了傳熱效果。在強(qiáng)化傳熱方法的研究上，眾多學(xué)者致力于通過改進(jìn)受熱面結(jié)構(gòu)來提高傳熱效率。其中，翅片管結(jié)構(gòu)因能有效增大傳熱面積、增強(qiáng)流體擾動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于余熱鍋爐受熱面。相關(guān)研究對(duì)不同翅片形狀、尺寸及排列方式的翅片管進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了它們的傳熱性能和流動(dòng)阻力特性。結(jié)果表明，鋸齒形翅片管相較于平直翅片管，能進(jìn)一步增強(qiáng)流體的擾動(dòng)，使傳熱系數(shù)提高10%-20%，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)阻力有所增加。螺旋肋片管在增大傳熱面積的同時(shí)，還能引導(dǎo)流體形成螺旋流動(dòng)，強(qiáng)化傳熱效果，尤其在低流速工況下表現(xiàn)出良好的傳熱性能。此外，一些學(xué)者還嘗試采用新型材料來改善受熱面的傳熱性能。如采用高導(dǎo)熱系數(shù)的金屬基復(fù)合材料制造受熱面，可顯著降低管壁熱阻，提高傳熱效率。還有研究探索在受熱面表面涂覆特殊的納米涂層，利用納米材料的特殊性能，如高比表面積、良好的熱傳導(dǎo)性等，增強(qiáng)表面的換熱能力，使傳熱系數(shù)得到一定程度的提升。在工質(zhì)選擇與優(yōu)化方面，也有不少研究成果。通過對(duì)不同工質(zhì)的熱物理性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)一些新型工質(zhì)在特定工況下具有更高的換熱性能，能夠提高余熱鍋爐的整體傳熱效率。1.3.2積灰特性研究進(jìn)展余熱鍋爐積灰特性的研究一直是該領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。在積灰機(jī)理方面，目前普遍認(rèn)為積灰過程是一個(gè)涉及物理、化學(xué)和動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜過程。物理機(jī)理主要包括慣性碰撞、擴(kuò)散沉降和熱泳等作用。當(dāng)煙氣中的灰粒隨氣流運(yùn)動(dòng)到受熱面附近時(shí)，較大粒徑的灰粒由于慣性作用會(huì)直接碰撞到受熱面上而沉積下來；較小粒徑的灰粒則會(huì)通過布朗運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散到受熱面并發(fā)生沉降；熱泳作用是指在溫度梯度的作用下，灰粒會(huì)向溫度較低的受熱面表面移動(dòng)并沉積?；瘜W(xué)機(jī)理則主要涉及煙氣中的某些成分與灰粒之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成粘性物質(zhì)，促進(jìn)灰粒在受熱面上的粘附和積聚。例如，煙氣中的二氧化硫在一定條件下會(huì)與氧氣反應(yīng)生成三氧化硫，三氧化硫再與水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽，當(dāng)硫酸蒸汽遇到溫度較低的受熱面時(shí)，會(huì)凝結(jié)成硫酸液滴，這些液滴具有很強(qiáng)的粘性，容易吸附灰粒，加速積灰的形成。關(guān)于積灰影響因素的研究，大量研究表明煙氣流速、飛灰顆粒度和管束結(jié)構(gòu)特性等對(duì)積灰程度有著顯著影響。煙氣流速對(duì)積灰的影響尤為關(guān)鍵，當(dāng)煙氣流速較高時(shí)，灰粒的動(dòng)能較大，其對(duì)受熱面的沖刷作用增強(qiáng)，使得積灰程度減輕；相反，煙氣流速較低時(shí)，灰粒更容易在受熱面上沉積，積灰程度加重。飛灰顆粒度方面，粗灰多的情況下，由于其沖刷作用較大，積灰相對(duì)較輕；而細(xì)灰較多時(shí)，積灰則更為嚴(yán)重。管束結(jié)構(gòu)特性方面，錯(cuò)列布置的管束比順列布置的管束積灰輕。這是因?yàn)殄e(cuò)列布置時(shí)，管束的迎風(fēng)面和背風(fēng)面都能較好地受到煙氣沖刷，不易積灰；而順列布置的管束從第二排起，管子的背風(fēng)面和迎風(fēng)面受到的沖刷都較少，積灰現(xiàn)象更為明顯。此外，煙氣溫度、濕度以及受熱面表面的粗糙度等因素也會(huì)對(duì)積灰特性產(chǎn)生影響。1.3.3積灰防治方法為有效防治余熱鍋爐受熱面積灰，目前已發(fā)展出多種方法，這些方法在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。吹灰技術(shù)是最常用的積灰防治措施之一，包括蒸汽吹灰、聲波吹灰和燃?xì)饷}沖吹灰等。蒸汽吹灰利用高溫高壓蒸汽對(duì)受熱面進(jìn)行吹掃，通過蒸汽的沖擊力將積灰清除，具有吹灰效果好、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在各類余熱鍋爐中得到廣泛應(yīng)用。聲波吹灰則是利用聲波的振動(dòng)作用，使積灰松動(dòng)并脫離受熱面，這種方法對(duì)細(xì)微積灰的清除效果較好，且不會(huì)對(duì)受熱面造成機(jī)械損傷，但吹灰范圍相對(duì)有限。燃?xì)饷}沖吹灰通過瞬間釋放燃?xì)猱a(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊波來清除積灰，其沖擊力大，能有效清除頑固積灰，但設(shè)備成本較高，操作相對(duì)復(fù)雜。受熱面結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是減少積灰的重要手段。采用小管徑、小節(jié)距、錯(cuò)列布置的管束結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)煙氣氣流的沖刷和擾動(dòng)，使積灰減輕。小管徑管束增加了單位體積內(nèi)的傳熱面積，同時(shí)減小了灰粒在管束間的停留空間，降低了積灰的可能性；小節(jié)距布置使管束更加緊湊，提高了傳熱效率，也有助于減少積灰；錯(cuò)列布置的管束能讓煙氣更好地沖刷受熱面，減少積灰的積聚。例如，在某余熱鍋爐改造中，將原有的大管徑順列管束改為小管徑錯(cuò)列管束后，積灰情況得到明顯改善，傳熱效率提高了15%左右。合理調(diào)整運(yùn)行參數(shù)對(duì)積灰防治也至關(guān)重要。根據(jù)余熱鍋爐的實(shí)際負(fù)荷，參考鍋爐設(shè)計(jì)值選取合適的煙速，避免因煙速過低導(dǎo)致積灰增加。在部分工況下，適當(dāng)提高煙速可有效減輕積灰，但同時(shí)需綜合考慮受熱面的磨損和煙氣阻力等問題?？刂茻煔鉁囟群蜐穸仍诤线m范圍內(nèi)，也能減少積灰的產(chǎn)生。例如，當(dāng)煙氣溫度過高時(shí)，灰粒的粘性增加，容易在受熱面上粘附積灰；而煙氣濕度過大時(shí)，會(huì)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，加速積灰的形成。通過優(yōu)化燃燒過程，使燃料充分燃燒，減少飛灰的產(chǎn)生量，從源頭上降低積灰的可能性。1.4研究?jī)?nèi)容與方法本文主要從余熱鍋爐受熱面的傳熱特性、積灰特性以及二者的關(guān)聯(lián)特性三個(gè)方面展開研究。在傳熱特性研究中，深入剖析余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠岬膹?fù)雜機(jī)理，精準(zhǔn)計(jì)算并分析傳熱系數(shù)、傳熱面積等關(guān)鍵傳熱參數(shù)。通過數(shù)值模擬，運(yùn)用專業(yè)軟件建立高精度的三維模型，設(shè)定合理的邊界條件，全面模擬不同工況下的傳熱過程，深入探究煙氣流速、溫度、工質(zhì)參數(shù)以及受熱面結(jié)構(gòu)等因素對(duì)傳熱效率的具體影響規(guī)律。同時(shí)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，利用先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器，精確測(cè)量不同工況下的傳熱數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證，確保研究結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。在積灰特性研究方面，系統(tǒng)研究余熱鍋爐受熱面上的灰積累機(jī)制，深入分析灰層的結(jié)構(gòu)特征，包括灰粒的粒徑分布、孔隙率、堆積密度等。運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入探究灰積累與時(shí)間、溫度、煙氣流速、飛灰顆粒度等因素之間的內(nèi)在關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)積灰過程，獲取積灰量隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)；利用數(shù)值模擬，建立積灰模型，分析不同因素對(duì)積灰的影響機(jī)制。此外，還對(duì)積灰對(duì)傳熱效率的影響及其作用機(jī)理展開深入研究，量化積灰導(dǎo)致的傳熱熱阻增加和傳熱系數(shù)下降的程度，為后續(xù)的防治措施提供理論依據(jù)。在關(guān)聯(lián)特性研究中，重點(diǎn)研究積灰對(duì)傳熱特性的影響，分析積灰形成的灰層如何改變受熱面的傳熱邊界條件，導(dǎo)致傳熱系數(shù)降低和傳熱效率下降。同時(shí)，研究傳熱特性對(duì)積灰特性的反作用，探討不同的傳熱工況如何影響灰粒的運(yùn)動(dòng)和沉積，進(jìn)而影響積灰的形成和發(fā)展。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，建立積灰與傳熱特性的耦合模型，綜合分析二者的相互作用關(guān)系，為余熱鍋爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供更全面的理論支持。本文采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法。數(shù)值模擬方面，借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件，如Fluent、CFX等，對(duì)余熱鍋爐受熱面的傳熱和積灰過程進(jìn)行模擬。通過建立三維模型，精確設(shè)置邊界條件和材料屬性，模擬不同工況下的傳熱和積灰情況，定量分析傳熱系數(shù)、積灰量等參數(shù)的變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)研究方面，搭建余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，模擬實(shí)際運(yùn)行工況，利用熱電偶、熱流計(jì)、壓力傳感器等先進(jìn)測(cè)量?jī)x器，測(cè)量不同工況下的溫度、壓力、熱流密度等參數(shù)，深入研究余熱鍋爐受熱面的傳熱和積灰特性。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證模擬模型的準(zhǔn)確性，確保研究結(jié)果的可靠性和科學(xué)性。二、余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠崽匦匝芯?.1傳熱原理與機(jī)制2.1.1傳熱基本原理余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠崾且粋€(gè)涉及多種傳熱方式的復(fù)雜過程，其中導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射是三種最基本的傳熱方式，它們?cè)谟酂徨仩t的熱量傳遞過程中各自發(fā)揮著獨(dú)特的作用。導(dǎo)熱是指當(dāng)物體內(nèi)部存在溫度差時(shí)，熱量會(huì)從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，這種傳熱方式主要依靠物體內(nèi)部微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。在余熱鍋爐中，導(dǎo)熱現(xiàn)象主要發(fā)生在受熱面的金屬管壁內(nèi)部。例如，當(dāng)高溫?zé)煔馀c管子外壁接觸時(shí)，熱量首先通過導(dǎo)熱方式從煙氣傳遞到管子外壁，然后再穿過管壁傳遞到管內(nèi)的工質(zhì)。根據(jù)傅里葉定律，導(dǎo)熱的熱流密度與溫度梯度成正比，與導(dǎo)熱系數(shù)成正比，其表達(dá)式為q=-\lambda\frac{dT}{dx}，其中q表示熱流密度，\lambda表示導(dǎo)熱系數(shù)，\frac{dT}{dx}表示溫度梯度。不同的金屬材料具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)較高，如銅、鋁等金屬，這使得它們?cè)谟酂徨仩t受熱面的制造中得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)檩^高的導(dǎo)熱系數(shù)有助于提高熱量傳遞效率，減少管壁的溫度梯度，降低熱應(yīng)力。對(duì)流是指流體（液體或氣體）中溫度不同的各部分之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的熱量轉(zhuǎn)移過程。在余熱鍋爐中，對(duì)流換熱主要發(fā)生在煙氣與受熱面管壁之間以及管內(nèi)工質(zhì)與管壁之間。當(dāng)高溫?zé)煔鉀_刷受熱面時(shí)，熱量通過對(duì)流方式從煙氣傳遞到管壁；同樣，管內(nèi)工質(zhì)在流動(dòng)過程中，也會(huì)通過對(duì)流將熱量帶走。對(duì)流換熱的強(qiáng)度與多種因素密切相關(guān)，包括流體的質(zhì)量流速、密度、比熱容、粘度、熱導(dǎo)率等。其中，質(zhì)量流速是影響對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)鍵因素，質(zhì)量流速越大，流體與壁面之間的相對(duì)速度越大，對(duì)流換熱系數(shù)就越高，從而增強(qiáng)了熱量傳遞的效果。例如，通過提高煙氣流速，可以增大煙氣與受熱面之間的對(duì)流換熱系數(shù)，提高傳熱效率，但同時(shí)也需要考慮煙氣流速過高可能帶來的磨損和阻力增加等問題。對(duì)流換熱的計(jì)算公式為q=h(T_f-T_w)，其中q為單位面積上的對(duì)流換熱量，h為對(duì)流換熱系數(shù)，T_f為流體溫度，T_w為壁面溫度。輻射是指物體通過電磁波傳遞能量的方式，不需要任何介質(zhì)即可在真空中進(jìn)行。在余熱鍋爐中，高溫?zé)煔夂褪軣崦娑季哂幸欢ǖ臏囟?，它們?huì)向外輻射熱量。輻射傳熱的強(qiáng)度與物體的溫度密切相關(guān)，物體的溫度越高，其輻射能力就越強(qiáng)。根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律，物體的輻射熱流密度與物體表面絕對(duì)溫度的四次方成正比，即E=\sigmaT^4，其中E表示輻射熱流密度，\sigma為黑體輻射總能量的斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67\times10^{-8}W/(m^2\cdotK^4)，T為物體表面的絕對(duì)溫度。在余熱鍋爐的高溫區(qū)域，如爐膛內(nèi)，輻射傳熱在熱量傳遞中占據(jù)重要地位，它對(duì)受熱面的熱量吸收和溫度分布有著顯著影響。在實(shí)際的余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠徇^程中，這三種傳熱方式往往不是單獨(dú)存在的，而是相互交織、共同作用。例如，在受熱面的煙氣側(cè)，既有高溫?zé)煔馀c管壁之間的對(duì)流換熱，又有高溫?zé)煔庀蚬鼙诘妮椛鋫鳠?；在管壁?nèi)部，熱量則主要通過導(dǎo)熱方式傳遞；在管內(nèi)工質(zhì)側(cè)，又存在工質(zhì)與管壁之間的對(duì)流換熱。這種復(fù)雜的傳熱過程使得余熱鍋爐受熱面的傳熱特性研究變得極具挑戰(zhàn)性，需要綜合考慮多種因素的影響。2.1.2余熱鍋爐傳熱過程余熱鍋爐內(nèi)的傳熱過程是一個(gè)從高溫?zé)煔獾焦べ|(zhì)的復(fù)雜熱量傳遞過程，涉及多個(gè)環(huán)節(jié)和多種傳熱方式的協(xié)同作用。熱量首先從高溫?zé)煔鈧鬟f到受熱面管子的外壁。這一過程主要通過對(duì)流和輻射兩種傳熱方式實(shí)現(xiàn)。在余熱鍋爐的爐膛和煙道中，高溫?zé)煔庖砸欢ǖ牧魉贈(zèng)_刷受熱面管子。對(duì)流換熱過程中，煙氣中的分子與管子外壁表面的分子相互碰撞，將熱量傳遞給管壁，其傳熱量與對(duì)流換熱系數(shù)、煙氣與管壁的溫差以及換熱面積成正比。同時(shí)，高溫?zé)煔膺€會(huì)以電磁波的形式向管子外壁輻射熱量，輻射傳熱量與煙氣和管壁的溫度、發(fā)射率以及角系數(shù)等因素有關(guān)。在高溫區(qū)域，輻射傳熱的作用較為顯著，對(duì)總傳熱量的貢獻(xiàn)較大；而在低溫區(qū)域，對(duì)流換熱則成為主要的傳熱方式。接著，熱量通過受熱面管子的管壁從外壁傳遞到內(nèi)壁。由于管壁是固體材料，這一過程主要依靠導(dǎo)熱進(jìn)行。根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，導(dǎo)熱熱流量與管壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)、溫度梯度以及導(dǎo)熱面積成正比，與管壁厚度成反比。通常情況下，金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)較高，能夠有效地傳遞熱量，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，管壁內(nèi)表面可能會(huì)形成氧化層或結(jié)垢，這些物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于金屬，會(huì)增加導(dǎo)熱熱阻，阻礙熱量的傳遞，導(dǎo)致管壁溫度升高，影響余熱鍋爐的安全運(yùn)行和傳熱效率。最后，熱量從受熱面管子的內(nèi)壁傳遞到管內(nèi)的工質(zhì)。對(duì)于液態(tài)工質(zhì)（如水），主要通過對(duì)流換熱將熱量吸收，使工質(zhì)溫度升高；當(dāng)工質(zhì)達(dá)到飽和溫度后，繼續(xù)吸收熱量會(huì)發(fā)生汽化現(xiàn)象，產(chǎn)生蒸汽。在這個(gè)過程中，工質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)傳熱效果有很大影響，紊流狀態(tài)下的對(duì)流換熱系數(shù)要比層流狀態(tài)下高得多，因此在余熱鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中，通常會(huì)采取措施使工質(zhì)保持良好的流動(dòng)狀態(tài)，以增強(qiáng)傳熱效果。對(duì)于蒸汽工質(zhì)，在過熱器中，主要通過對(duì)流換熱使蒸汽進(jìn)一步升溫，達(dá)到所需的過熱溫度。在整個(gè)傳熱過程中，傳熱量Q可以通過傳熱方程式Q=KH\Deltat來計(jì)算，其中K為傳熱系數(shù)，它綜合反映了煙氣側(cè)、管壁以及工質(zhì)側(cè)的傳熱特性；H為受熱面積，增大受熱面積可以增加傳熱量，但同時(shí)也會(huì)增加設(shè)備成本和占地面積；\Deltat為平均溫差，是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力，平均溫差越大，傳熱量越大。傳熱系數(shù)K的倒數(shù)為總熱阻，包括煙氣側(cè)熱阻、管壁熱阻和工質(zhì)側(cè)熱阻。在實(shí)際運(yùn)行中，受熱面管子外表面可能會(huì)出現(xiàn)積灰，內(nèi)表面可能會(huì)出現(xiàn)結(jié)垢，這些都會(huì)增加額外的熱阻，降低傳熱系數(shù)，進(jìn)而影響余熱鍋爐的傳熱效率。因此，保持受熱面的清潔，定期進(jìn)行吹灰和清洗，對(duì)于提高余熱鍋爐的傳熱性能至關(guān)重要。2.2影響傳熱的因素2.2.1受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)受熱面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)余熱鍋爐傳熱效率有著重要影響，其中管徑、管間距、鰭片形狀等參數(shù)在熱量傳遞過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。管徑是影響傳熱的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。較小管徑的受熱面在相同體積下具有更大的傳熱面積，這使得單位時(shí)間內(nèi)熱量傳遞的面積增加，從而提高了傳熱效率。例如，在某余熱鍋爐的設(shè)計(jì)中，將管徑從50mm減小到30mm，傳熱面積增加了約67%，在相同工況下，傳熱效率提高了12%左右。這是因?yàn)檩^小的管徑使流體在管內(nèi)的流速相對(duì)增加，增強(qiáng)了對(duì)流換熱效果。同時(shí)，較小管徑還能使管壁溫度更均勻，減少了因溫度梯度引起的熱應(yīng)力，有利于提高受熱面的使用壽命。然而，管徑過小也會(huì)帶來一些問題，如管內(nèi)流體阻力增大，這需要消耗更多的動(dòng)力來維持流體的流動(dòng)，增加了運(yùn)行成本。而且，管徑過小還可能導(dǎo)致清洗和維護(hù)困難，容易發(fā)生堵塞，影響余熱鍋爐的正常運(yùn)行。管間距也是影響傳熱效率的關(guān)鍵因素。合適的管間距能夠保證煙氣在受熱面之間均勻流動(dòng)，增強(qiáng)煙氣與受熱面之間的對(duì)流換熱。當(dāng)管間距過小時(shí)，煙氣在管間的流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致煙氣流速分布不均勻，部分區(qū)域煙氣流速過低，影響傳熱效果；同時(shí)，管間距過小還可能使積灰問題加劇，進(jìn)一步降低傳熱效率。相反，管間距過大則會(huì)減少單位體積內(nèi)的傳熱面積，降低余熱鍋爐的緊湊性和傳熱效率。研究表明，對(duì)于某特定余熱鍋爐，在一定范圍內(nèi)，將管間距從80mm調(diào)整為60mm，傳熱系數(shù)提高了8%左右。這是因?yàn)檩^小的管間距增加了煙氣對(duì)受熱面的沖刷次數(shù)，強(qiáng)化了對(duì)流換熱。但管間距的減小也需要綜合考慮積灰和清洗等因素，以確保余熱鍋爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。鰭片形狀對(duì)受熱面?zhèn)鳠嵝阅艿挠绊懸膊蝗莺鲆?。不同形狀的鰭片能夠改變流體的流動(dòng)狀態(tài)和傳熱邊界條件，從而影響傳熱效率。常見的鰭片形狀有平直鰭片、鋸齒形鰭片、螺旋鰭片等。平直鰭片能增大傳熱面積，在一定程度上提高傳熱效率，但對(duì)流體擾動(dòng)作用相對(duì)較弱。鋸齒形鰭片通過其特殊的鋸齒結(jié)構(gòu)，能有效增強(qiáng)流體的擾動(dòng)，使流體在鰭片表面形成更多的漩渦，破壞了邊界層，從而顯著提高傳熱系數(shù)。相關(guān)研究表明，鋸齒形鰭片的傳熱系數(shù)比平直鰭片高出15%-25%。螺旋鰭片則能引導(dǎo)流體形成螺旋流動(dòng)，增加了流體在受熱面表面的停留時(shí)間，強(qiáng)化了傳熱效果，尤其在低流速工況下，螺旋鰭片的優(yōu)勢(shì)更為明顯。例如，在某余熱鍋爐的改造中，將原有的平直鰭片改為螺旋鰭片后，在低負(fù)荷工況下，傳熱效率提高了18%左右。然而，鰭片形狀的選擇也需要考慮流動(dòng)阻力和制造工藝等因素，以實(shí)現(xiàn)最佳的傳熱性能和經(jīng)濟(jì)效益。2.2.2運(yùn)行參數(shù)運(yùn)行參數(shù)在余熱鍋爐傳熱性能中起著關(guān)鍵作用，煙氣流速、溫度、工質(zhì)流量等參數(shù)的變化會(huì)顯著影響熱量傳遞過程。煙氣流速對(duì)傳熱效果的影響十分顯著。較高的煙氣流速能增強(qiáng)煙氣與受熱面之間的對(duì)流換熱。當(dāng)煙氣流速增加時(shí)，煙氣分子與受熱面表面的碰撞頻率增大，使得熱量傳遞更加迅速，從而提高了對(duì)流換熱系數(shù)。例如，在某余熱鍋爐的實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)煙氣流速?gòu)?m/s提高到10m/s時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)提高了約40%。這是因?yàn)檩^高的流速使邊界層變薄，減小了熱阻，強(qiáng)化了傳熱。然而，煙氣流速過高也會(huì)帶來一些負(fù)面影響。一方面，過高的流速會(huì)導(dǎo)致受熱面磨損加劇，縮短設(shè)備的使用壽命。研究表明，煙氣流速每增加1倍，受熱面的磨損量可能增加3-5倍。另一方面，煙氣流速過高還會(huì)增大煙氣阻力，增加風(fēng)機(jī)的能耗，提高運(yùn)行成本。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要綜合考慮傳熱效果、磨損和能耗等因素，選擇合適的煙氣流速。煙氣溫度是影響傳熱的重要因素之一。煙氣溫度越高，與受熱面之間的溫差就越大，根據(jù)傳熱基本原理，溫差是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力，溫差越大，傳熱量就越大，從而提高了傳熱效率。例如，當(dāng)煙氣溫度從300℃升高到400℃時(shí)，在其他條件不變的情況下，傳熱量可增加約33%。這是因?yàn)楦邷責(zé)煔饩哂懈叩哪芰?，能夠向受熱面?zhèn)鬟f更多的熱量。然而，過高的煙氣溫度也可能帶來一些問題。一方面，過高的煙氣溫度會(huì)使受熱面金屬材料承受更高的熱應(yīng)力，對(duì)材料的耐高溫性能要求更高，增加了設(shè)備的制造成本。另一方面，高溫?zé)煔膺€可能導(dǎo)致積灰和結(jié)渣問題加劇，影響余熱鍋爐的正常運(yùn)行。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要根據(jù)受熱面材料的性能和余熱鍋爐的運(yùn)行要求，合理控制煙氣溫度。工質(zhì)流量對(duì)傳熱性能也有著重要影響。工質(zhì)流量增加時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過受熱面的工質(zhì)質(zhì)量增大，能夠帶走更多的熱量，從而提高了傳熱效率。例如，在某余熱鍋爐的運(yùn)行中，當(dāng)工質(zhì)流量增加20%時(shí)，傳熱效率提高了約10%。這是因?yàn)楣べ|(zhì)流量的增加增強(qiáng)了工質(zhì)與受熱面之間的對(duì)流換熱，使熱量能夠更快速地傳遞給工質(zhì)。然而，工質(zhì)流量過大也會(huì)帶來一些問題。一方面，過大的工質(zhì)流量會(huì)增加泵的能耗，提高運(yùn)行成本。另一方面，工質(zhì)流量過大還可能導(dǎo)致工質(zhì)在管內(nèi)的流速過高，引起水擊等問題，影響余熱鍋爐的安全運(yùn)行。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要根據(jù)余熱鍋爐的負(fù)荷和工質(zhì)的特性，合理調(diào)整工質(zhì)流量。2.3傳熱特性的數(shù)值模擬2.3.1數(shù)學(xué)模型建立為了深入研究余熱鍋爐受熱面的傳熱特性，借助計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件Fluent建立數(shù)學(xué)模型。在建模過程中，考慮到余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠徇^程的復(fù)雜性，對(duì)物理模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，以提高計(jì)算效率并確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。假設(shè)余熱鍋爐受熱面內(nèi)的流體為穩(wěn)態(tài)、不可壓縮牛頓流體，且忽略流體的粘性耗散和重力影響。在傳熱方程方面，采用能量守恒方程來描述熱量傳遞過程。對(duì)于穩(wěn)態(tài)傳熱，能量守恒方程的表達(dá)式為：\nabla\cdot(\rhovh)=\nabla\cdot(k\nablaT)+S_h其中，\rho為流體密度，v為流體速度矢量，h為流體焓，k為流體的導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，S_h為熱源項(xiàng)。在余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠嶂校瑹嵩错?xiàng)主要來自高溫?zé)煔馀c受熱面之間的對(duì)流換熱和輻射換熱。對(duì)流換熱部分，采用牛頓冷卻公式計(jì)算對(duì)流換熱量。對(duì)流換熱系數(shù)h_{conv}通過經(jīng)驗(yàn)公式或關(guān)聯(lián)式計(jì)算得到，如對(duì)于管內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱，可采用Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式：Nu=0.023Re^{0.8}Pr^{n}其中，Nu為努塞爾數(shù)，Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，n根據(jù)流體的加熱或冷卻情況取值，對(duì)于氣體加熱，n=0.4；對(duì)于氣體冷卻，n=0.3。通過努塞爾數(shù)與對(duì)流換熱系數(shù)的關(guān)系h_{conv}=\frac{k}6116111Nu（d為管徑），可計(jì)算得到對(duì)流換熱系數(shù)。輻射換熱部分，考慮到高溫?zé)煔夂褪軣崦嬷g的輻射換熱較為復(fù)雜，采用離散坐標(biāo)法（DO）進(jìn)行求解。該方法將空間離散為若干個(gè)方向，通過求解輻射傳遞方程來計(jì)算輻射熱流密度。輻射傳遞方程的表達(dá)式為：\frac{dI_{\Omega}}{ds}=-\betaI_{\Omega}+\frac{\beta}{\pi}\int_{4\pi}I_{\Omega'}\Phi(\Omega,\Omega')d\Omega'+\frac{\epsilon\sigmaT^4}{\pi}其中，I_{\Omega}為沿方向\Omega的輻射強(qiáng)度，s為路徑長(zhǎng)度，\beta為消光系數(shù)，\Phi(\Omega,\Omega')為散射相函數(shù)，\epsilon為發(fā)射率，\sigma為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)。在計(jì)算過程中，需要考慮煙氣的吸收、發(fā)射和散射特性，以及受熱面的發(fā)射率和反射率等參數(shù)。在邊界條件設(shè)定方面，對(duì)于進(jìn)口邊界，給定高溫?zé)煔獾牧魉?、溫度和成分等參?shù)；對(duì)于出口邊界，采用壓力出口邊界條件，給定出口壓力。對(duì)于受熱面壁面，采用無(wú)滑移邊界條件，即壁面處流體速度為零。同時(shí)，考慮到受熱面與外界環(huán)境之間的換熱，設(shè)置壁面的對(duì)流換熱系數(shù)和輻射發(fā)射率，以模擬壁面與周圍環(huán)境的散熱。在計(jì)算區(qū)域的其他邊界，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的邊界條件，如對(duì)稱邊界條件或周期性邊界條件等。通過合理設(shè)置這些邊界條件，能夠準(zhǔn)確模擬余熱鍋爐受熱面的實(shí)際傳熱工況，為后續(xù)的模擬結(jié)果分析提供可靠的基礎(chǔ)。2.3.2模擬結(jié)果與分析利用建立的數(shù)學(xué)模型，借助Fluent軟件對(duì)余熱鍋爐受熱面在不同工況下的傳熱特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了受熱面溫度分布、傳熱系數(shù)等重要結(jié)果，并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行深入分析。圖1展示了某一工況下余熱鍋爐受熱面的溫度分布云圖。從圖中可以清晰地看出，受熱面的溫度呈現(xiàn)出明顯的不均勻分布。在靠近高溫?zé)煔馊肟诘膮^(qū)域，受熱面溫度較高，這是因?yàn)樵搮^(qū)域直接受到高溫?zé)煔獾臎_刷，吸收了大量的熱量；隨著煙氣的流動(dòng)，熱量逐漸傳遞給受熱面，溫度逐漸降低。在受熱面的某些局部區(qū)域，由于煙氣流動(dòng)的不均勻性或結(jié)構(gòu)因素的影響，出現(xiàn)了溫度梯度較大的情況，這可能會(huì)導(dǎo)致受熱面產(chǎn)生熱應(yīng)力，影響其使用壽命。例如，在管子的彎頭處，由于煙氣流動(dòng)方向的改變，局部流速增加，換熱增強(qiáng)，使得該區(qū)域的溫度相對(duì)較高，與周圍區(qū)域形成較大的溫度差。通過對(duì)溫度分布云圖的分析，可以直觀地了解余熱鍋爐受熱面的熱量傳遞情況，為優(yōu)化受熱面結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)提供重要依據(jù)。[此處插入余熱鍋爐受熱面溫度分布云圖（圖1）]圖2給出了不同煙氣流速下受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著煙氣流速的增加，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)。當(dāng)煙氣流速?gòu)?m/s增加到15m/s時(shí)，傳熱系數(shù)從30W/(m2?K)左右提高到70W/(m2?K)左右。這是因?yàn)闊煔饬魉俚脑黾?，使得煙氣與受熱面之間的對(duì)流換熱增強(qiáng)。根據(jù)對(duì)流換熱理論，煙氣流速增大時(shí)，流體的湍動(dòng)程度增加，邊界層變薄，從而減小了熱阻，提高了對(duì)流換熱系數(shù)。然而，當(dāng)煙氣流速超過一定值后，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。這是因?yàn)殡S著煙氣流速的進(jìn)一步增加，煙氣阻力也會(huì)迅速增大，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)能耗增加，同時(shí)過高的流速還可能加劇受熱面的磨損。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要綜合考慮傳熱效果、煙氣阻力和受熱面磨損等因素，選擇合適的煙氣流速，以實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。[此處插入不同煙氣流速下受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化曲線（圖2）]圖3展示了不同煙氣溫度下受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著煙氣溫度的升高，傳熱系數(shù)也隨之增大。當(dāng)煙氣溫度從300℃升高到500℃時(shí)，傳熱系數(shù)從40W/(m2?K)左右提高到90W/(m2?K)左右。這是因?yàn)闊煔鉁囟壬?，與受熱面之間的溫差增大，根據(jù)傳熱基本原理，溫差是熱量傳遞的驅(qū)動(dòng)力，溫差越大，傳熱量就越大，從而提高了傳熱系數(shù)。此外，高溫?zé)煔膺€具有更高的輻射能力，增強(qiáng)了輻射傳熱的作用，進(jìn)一步提高了總傳熱系數(shù)。然而，過高的煙氣溫度也會(huì)帶來一些問題，如對(duì)受熱面材料的耐高溫性能要求更高，增加了設(shè)備成本，同時(shí)還可能導(dǎo)致積灰和結(jié)渣等問題加劇，影響余熱鍋爐的正常運(yùn)行。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要根據(jù)受熱面材料的性能和余熱鍋爐的運(yùn)行要求，合理控制煙氣溫度。[此處插入不同煙氣溫度下受熱面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變化曲線（圖3）]通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析可知，煙氣流速和煙氣溫度對(duì)余熱鍋爐受熱面的傳熱特性有著顯著影響。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可根據(jù)這些影響規(guī)律，通過調(diào)整煙氣流速和煙氣溫度等運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化余熱鍋爐的傳熱性能，提高余熱回收效率。同時(shí)，也為余熱鍋爐的設(shè)計(jì)和改造提供了理論依據(jù)，有助于實(shí)現(xiàn)余熱鍋爐的高效、節(jié)能和安全運(yùn)行。2.4傳熱特性的實(shí)驗(yàn)研究2.4.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建為深入研究余熱鍋爐受熱面的傳熱特性，搭建了一套專門的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)裝置、測(cè)量?jī)x器以及相關(guān)輔助設(shè)備組成。余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)裝置模擬了實(shí)際余熱鍋爐的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況。其核心部件為受熱面，采用了常見的管式結(jié)構(gòu)，管束采用錯(cuò)列布置，管徑為38mm，管間距為60mm，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有實(shí)際工程參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)裝置配備了電加熱系統(tǒng)，用于模擬工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，可精確控制煙氣溫度和流量。同時(shí)，設(shè)置了工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，工質(zhì)選用水，通過水泵實(shí)現(xiàn)工質(zhì)在受熱面內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，并可調(diào)節(jié)工質(zhì)流量和壓力。在測(cè)量?jī)x器方面，選用了高精度的熱電偶來測(cè)量煙氣、受熱面管壁以及工質(zhì)的溫度。熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)±0.5℃，能夠準(zhǔn)確捕捉不同位置的溫度變化。采用熱流計(jì)測(cè)量受熱面的熱流密度，其測(cè)量精度為±2%，可有效獲取熱量傳遞的速率。利用壓力傳感器測(cè)量煙氣和工質(zhì)的壓力，精度為±0.01MPa，為分析傳熱過程中的壓力變化提供數(shù)據(jù)支持。為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和處理，還配備了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)各類測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)流程如下：首先，開啟電加熱系統(tǒng)，將煙氣加熱至設(shè)定溫度，同時(shí)啟動(dòng)工質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)工質(zhì)流量和壓力至實(shí)驗(yàn)要求。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通過測(cè)量?jī)x器記錄煙氣、受熱面管壁和工質(zhì)的溫度、壓力以及熱流密度等數(shù)據(jù)。在不同的實(shí)驗(yàn)工況下，如改變煙氣流速、煙氣溫度、工質(zhì)流量等，重復(fù)上述測(cè)量過程，獲取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，以研究余熱鍋爐受熱面的傳熱特性。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和流程，能夠全面、準(zhǔn)確地研究余熱鍋爐受熱面在不同工況下的傳熱特性，為理論研究和工程應(yīng)用提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。2.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論通過實(shí)驗(yàn)獲得了不同工況下余熱鍋爐受熱面的傳熱數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)過程中，重點(diǎn)研究了煙氣流速和煙氣溫度對(duì)傳熱系數(shù)的影響。當(dāng)煙氣流速?gòu)?m/s增加到12m/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳熱系數(shù)從35W/(m2?K)左右提高到65W/(m2?K)左右，呈現(xiàn)出與數(shù)值模擬結(jié)果相似的上升趨勢(shì)。這表明隨著煙氣流速的增加，煙氣與受熱面之間的對(duì)流換熱增強(qiáng)，從而提高了傳熱系數(shù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示，在煙氣流速較高時(shí)，傳熱系數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了煙氣流速對(duì)傳熱系數(shù)的影響規(guī)律。對(duì)于煙氣溫度的影響，當(dāng)煙氣溫度從350℃升高到450℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳熱系數(shù)從42W/(m2?K)左右提高到80W/(m2?K)左右，同樣與數(shù)值模擬結(jié)果相符。隨著煙氣溫度的升高，煙氣與受熱面之間的溫差增大，輻射傳熱和對(duì)流換熱均得到增強(qiáng)，導(dǎo)致傳熱系數(shù)增大。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，繪制了不同工況下傳熱系數(shù)的對(duì)比曲線，如圖4所示。從圖中可以看出，在不同的煙氣流速和煙氣溫度工況下，實(shí)驗(yàn)值與模擬值總體上較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)。在煙氣流速為8m/s、煙氣溫度為400℃時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的傳熱系數(shù)為55W/(m2?K)，數(shù)值模擬結(jié)果為58W/(m2?K)，誤差約為5.5%。這表明所建立的數(shù)值模擬模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)余熱鍋爐受熱面的傳熱特性，為進(jìn)一步研究傳熱特性提供了可靠的方法。[此處插入實(shí)驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線（圖4）]通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果具有良好的一致性，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。這不僅為余熱鍋爐受熱面?zhèn)鳠崽匦缘难芯刻峁┝丝煽康膶?shí)驗(yàn)依據(jù)，也為數(shù)值模擬方法在該領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有力支持。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也揭示了煙氣流速和煙氣溫度對(duì)傳熱系數(shù)的顯著影響規(guī)律，為余熱鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要的參考依據(jù)。在實(shí)際工程中，可根據(jù)這些規(guī)律，通過優(yōu)化煙氣流速和煙氣溫度等運(yùn)行參數(shù)，提高余熱鍋爐的傳熱效率，實(shí)現(xiàn)余熱的高效回收利用。三、余熱鍋爐受熱面積灰特性研究3.1積灰機(jī)理與分類3.1.1積灰形成過程余熱鍋爐受熱面積灰是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程，通常經(jīng)歷初始沉積、逐漸積聚和穩(wěn)定增長(zhǎng)三個(gè)階段。在余熱鍋爐運(yùn)行過程中，高溫?zé)煔鈹y帶大量的飛灰顆粒流經(jīng)受熱面。當(dāng)煙氣流速降低或遇到障礙物時(shí)，飛灰顆粒會(huì)因慣性作用直接碰撞到受熱面表面，開始初始沉積。較小粒徑的飛灰顆粒，由于布朗運(yùn)動(dòng)，會(huì)擴(kuò)散到受熱面并附著在其表面，進(jìn)一步促進(jìn)了積灰的形成。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，初始沉積的飛灰顆粒逐漸積累，形成一層松散的灰層。在這個(gè)過程中，煙氣中的某些成分，如二氧化硫、三氧化硫等，會(huì)與飛灰中的金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有粘性的物質(zhì)，如硫酸鹽等。這些粘性物質(zhì)會(huì)使灰粒之間的粘附力增強(qiáng)，促進(jìn)灰粒的團(tuán)聚和積聚，使得灰層逐漸增厚。同時(shí)，煙氣中的水蒸氣在一定條件下會(huì)凝結(jié)在受熱面上，與飛灰顆?；旌希纬沙睗竦幕夷?，進(jìn)一步加劇積灰的發(fā)展。當(dāng)積灰層達(dá)到一定厚度后，其增長(zhǎng)速度逐漸趨于穩(wěn)定。此時(shí)，積灰層的外層主要受到煙氣的沖刷作用，部分松散的灰?？赡軙?huì)被煙氣帶走；而內(nèi)層則與受熱面緊密結(jié)合，形成較為堅(jiān)硬的灰垢。在長(zhǎng)期的運(yùn)行過程中，積灰層會(huì)不斷發(fā)生物理化學(xué)變化，如灰粒的燒結(jié)、晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變等，導(dǎo)致積灰層的性質(zhì)發(fā)生改變，使其更加難以清除。例如，在高溫環(huán)境下，灰粒中的某些成分可能會(huì)發(fā)生熔融，形成玻璃態(tài)物質(zhì)，增強(qiáng)了積灰層的硬度和粘性。3.1.2積灰分類及特點(diǎn)根據(jù)形成條件和成分特點(diǎn)，余熱鍋爐受熱面積灰可分為高溫積灰和低溫積灰，它們對(duì)鍋爐運(yùn)行有著不同程度的影響。高溫積灰通常發(fā)生在煙氣溫度高于500℃的區(qū)域，如余熱鍋爐的過熱器和再熱器等部位。高溫積灰主要是由于煙氣中的某些成分在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成粘性物質(zhì)，從而導(dǎo)致飛灰顆粒在受熱面上粘附和積聚。當(dāng)燃料中含有較多的堿金屬（如鈉、鉀等）和硫元素時(shí)，燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生堿金屬硫酸鹽。這些堿金屬硫酸鹽在高溫?zé)煔庵谐蕷鈶B(tài)，當(dāng)遇到溫度較低的受熱面時(shí)，會(huì)凝結(jié)在表面，形成粘性的液態(tài)薄膜。飛灰顆粒在氣流的攜帶下撞擊到液態(tài)薄膜上，就會(huì)被粘附并逐漸積累，形成高溫積灰。高溫積灰一般質(zhì)地堅(jiān)硬，難以清除，其成分主要包括堿金屬硫酸鹽、金屬氧化物以及飛灰中的其他雜質(zhì)。高溫積灰會(huì)顯著增加受熱面的熱阻，降低傳熱效率，導(dǎo)致蒸汽溫度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)值，影響余熱鍋爐的正常運(yùn)行。此外，高溫積灰還可能引發(fā)高溫腐蝕，加速受熱面金屬材料的損壞，縮短設(shè)備的使用壽命。低溫積灰一般出現(xiàn)在煙氣溫度低于酸露點(diǎn)的區(qū)域，如余熱鍋爐的省煤器和空氣預(yù)熱器等部位。低溫積灰的形成主要與煙氣中的水蒸氣、二氧化硫和三氧化硫等成分有關(guān)。當(dāng)煙氣中的二氧化硫在催化劑（如飛灰中的某些金屬氧化物）的作用下，與氧氣反應(yīng)生成三氧化硫。三氧化硫與水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽，當(dāng)硫酸蒸汽遇到溫度低于酸露點(diǎn)的受熱面時(shí)，會(huì)凝結(jié)成硫酸液滴。這些硫酸液滴具有很強(qiáng)的粘性，容易吸附飛灰顆粒，形成低溫積灰。低溫積灰的成分除了飛灰外，還含有大量的硫酸鹽和硫酸液滴。低溫積灰一般較為松散，但隨著時(shí)間的推移，積灰層會(huì)逐漸增厚，導(dǎo)致煙氣流通阻力增大，引風(fēng)機(jī)能耗增加。同時(shí)，低溫積灰中的硫酸液滴會(huì)對(duì)受熱面金屬產(chǎn)生腐蝕作用，尤其是在潮濕的環(huán)境下，腐蝕速度會(huì)加快，嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行。3.2影響積灰的因素3.2.1燃料特性燃料特性對(duì)余熱鍋爐受熱面積灰有著重要影響，其中灰分含量和成分是兩個(gè)關(guān)鍵因素。燃料中的灰分是積灰的主要來源，灰分含量越高，燃燒后產(chǎn)生的飛灰量就越多，這些飛灰在煙氣的攜帶下，更容易在受熱面上沉積，從而增加積灰的可能性。例如，在某鋼鐵廠的余熱鍋爐中，使用的燃料灰分含量從10%增加到15%后，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，受熱面積灰量明顯增多，積灰速率也有所加快。燃料中灰分的成分也會(huì)對(duì)積灰產(chǎn)生顯著影響。不同成分的灰粒具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，這會(huì)影響它們?cè)谑軣崦嫔系某练e和粘附行為。當(dāng)燃料中含有較多的堿金屬（如鈉、鉀等）和硫元素時(shí)，燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生堿金屬硫酸鹽。這些堿金屬硫酸鹽在高溫?zé)煔庵谐蕷鈶B(tài)，當(dāng)遇到溫度較低的受熱面時(shí)，會(huì)凝結(jié)在表面，形成粘性的液態(tài)薄膜。飛灰顆粒在氣流的攜帶下撞擊到液態(tài)薄膜上，就會(huì)被粘附并逐漸積累，形成高溫積灰。例如，在以重油為燃料的余熱鍋爐中，重油中含有一定量的釩和鎂等元素。釩在燃燒過程中會(huì)生成低熔點(diǎn)（675℃）的釩化物V?O?，這種物質(zhì)在燃?xì)廨啓C(jī)葉片表面溫度條件下是熔融狀態(tài)，易沉積，且對(duì)合金材料有極強(qiáng)的催化氧化作用即高溫腐蝕。為了抑制釩的腐蝕作用，通常會(huì)向燃油中加入鎂基抑釩劑，期望利用鎂與釩燃燒生成高熔點(diǎn)（1156℃）無(wú)腐蝕作用的釩酸鎂（Mg?V?O?）。然而，由于鎂的過量添加，加有抑釩劑的燃油灰分中除生成釩酸鎂外，還含有大量的MgO和MgSO?。這些成分在余熱鍋爐受熱面上容易形成積灰，尤其是MgSO?，具有較強(qiáng)的吸濕性，會(huì)使積灰更加潮濕和粘稠，難以清除。此外，燃料中的其他微量元素，如鈣、鐵、鋁等，也會(huì)影響積灰的特性。鈣元素在燃燒過程中可能會(huì)形成硫酸鈣等化合物，這些化合物的熔點(diǎn)較高，但在一定條件下也會(huì)參與積灰的形成。鐵元素可能會(huì)促進(jìn)灰粒之間的燒結(jié)，使積灰更加堅(jiān)硬。鋁元素則可能會(huì)影響灰粒的表面性質(zhì)，改變其粘附性。因此，在選擇燃料時(shí)，需要綜合考慮燃料的灰分含量和成分，以減少余熱鍋爐受熱面積灰的產(chǎn)生。3.2.2運(yùn)行條件運(yùn)行條件在余熱鍋爐受熱面積灰過程中扮演著重要角色，煙氣流速、溫度和含塵濃度等參數(shù)的變化對(duì)積灰速率和程度有著顯著影響。煙氣流速是影響積灰的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)之一。較高的煙氣流速能增強(qiáng)對(duì)受熱面的沖刷作用，使灰粒難以在受熱面上沉積，從而減輕積灰程度。當(dāng)煙氣流速增加時(shí)，灰粒的動(dòng)能增大，其對(duì)受熱面的沖擊力增強(qiáng)，使得已經(jīng)沉積的灰粒更容易被吹走。例如，在某余熱鍋爐的實(shí)驗(yàn)研究中，當(dāng)煙氣流速?gòu)?m/s提高到12m/s時(shí)，積灰速率降低了約40%。這是因?yàn)檩^高的流速使邊界層變薄，減少了灰粒在受熱面附近的停留時(shí)間。然而，煙氣流速過高也會(huì)帶來一些問題。一方面，過高的流速會(huì)導(dǎo)致受熱面磨損加劇，縮短設(shè)備的使用壽命。研究表明，煙氣流速每增加1倍，受熱面的磨損量可能增加3-5倍。另一方面，煙氣流速過高還會(huì)增大煙氣阻力，增加風(fēng)機(jī)的能耗，提高運(yùn)行成本。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要綜合考慮積灰和磨損等因素，選擇合適的煙氣流速。煙氣溫度對(duì)積灰也有著重要影響。不同的溫度范圍會(huì)導(dǎo)致不同的積灰機(jī)理和積灰特性。在高溫區(qū)域（一般指煙氣溫度高于500℃），積灰主要是由于高溫化學(xué)反應(yīng)和粘性物質(zhì)的生成導(dǎo)致的。當(dāng)煙氣溫度較高時(shí)，燃料中的某些成分會(huì)發(fā)生氧化、硫化等化學(xué)反應(yīng)，生成具有粘性的物質(zhì)，如堿金屬硫酸鹽等。這些粘性物質(zhì)會(huì)使飛灰顆粒更容易粘附在受熱面上，形成高溫積灰。例如，在以煤為燃料的余熱鍋爐中，當(dāng)煙氣溫度達(dá)到600℃以上時(shí)，煤中的堿金屬與硫反應(yīng)生成的堿金屬硫酸鹽會(huì)在受熱面上凝結(jié)，促進(jìn)積灰的形成。在低溫區(qū)域（一般指煙氣溫度低于酸露點(diǎn)），積灰主要是由于硫酸蒸汽的凝結(jié)和飛灰的吸附導(dǎo)致的。當(dāng)煙氣中的二氧化硫在催化劑的作用下與氧氣反應(yīng)生成三氧化硫，三氧化硫再與水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽。當(dāng)硫酸蒸汽遇到溫度低于酸露點(diǎn)的受熱面時(shí)，會(huì)凝結(jié)成硫酸液滴。這些硫酸液滴具有很強(qiáng)的粘性，容易吸附飛灰顆粒，形成低溫積灰。例如，在某余熱鍋爐的省煤器中，由于煙氣溫度較低，低于酸露點(diǎn)，導(dǎo)致大量硫酸液滴凝結(jié)在受熱面上，與飛灰顆?；旌闲纬闪撕窈竦姆e灰層。煙氣含塵濃度直接關(guān)系到積灰的程度。含塵濃度越高，單位體積煙氣中所含的灰粒數(shù)量就越多，這使得灰粒在受熱面上沉積的概率增大，從而加速積灰的形成。在某水泥廠的余熱鍋爐中，由于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煙氣含塵濃度較高，達(dá)到了20g/m3，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，受熱面積灰嚴(yán)重，傳熱效率大幅下降。相比之下，在含塵濃度較低的情況下，積灰速率和程度都會(huì)明顯降低。因此，在余熱鍋爐的運(yùn)行過程中，需要采取有效的除塵措施，降低煙氣含塵濃度，以減少積灰的產(chǎn)生。3.2.3受熱面特性受熱面特性對(duì)余熱鍋爐積灰有著不可忽視的影響，其中表面粗糙度、材質(zhì)和形狀等特性在積灰過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。表面粗糙度是影響積灰的重要受熱面特性之一。粗糙的受熱面表面為灰粒提供了更多的附著點(diǎn)，使得灰粒更容易在其上沉積。表面的凹凸不平會(huì)導(dǎo)致氣流在受熱面附近產(chǎn)生局部紊流，增加了灰粒與受熱面的碰撞機(jī)會(huì)，從而促進(jìn)積灰的形成。例如，在余熱鍋爐受熱面的制造過程中，如果表面加工精度不高，存在較多的劃痕、凸起等缺陷，這些部位就容易成為積灰的起始點(diǎn)。研究表明，表面粗糙度較大的受熱面，其積灰速率比表面光滑的受熱面高出30%-50%。隨著積灰的不斷積累，粗糙表面上的積灰層會(huì)更加緊密地附著，增加了積灰的清除難度。因此，在余熱鍋爐受熱面的設(shè)計(jì)和制造過程中，應(yīng)盡量提高表面光潔度，減少表面粗糙度，以降低積灰的可能性。受熱面材質(zhì)對(duì)積灰特性也有顯著影響。不同的材質(zhì)具有不同的表面性質(zhì)和化學(xué)活性，這會(huì)影響灰粒與受熱面之間的相互作用。一些金屬材質(zhì)，如碳鋼，表面容易發(fā)生氧化反應(yīng)，形成一層疏松的氧化膜。這層氧化膜不僅會(huì)降低受熱面的傳熱性能，還會(huì)增加表面粗糙度，使得灰粒更容易附著。相比之下，不銹鋼等材質(zhì)具有較好的抗氧化性能，表面相對(duì)光滑，積灰情況相對(duì)較輕。此外，一些特殊的涂層材料，如防積灰涂層，能夠改變受熱面的表面性質(zhì)，降低灰粒與受熱面之間的粘附力，從而減少積灰的產(chǎn)生。例如，在某余熱鍋爐的改造中，在受熱面表面涂覆了一層納米級(jí)的防積灰涂層，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，積灰量明顯減少，傳熱效率得到了有效提高。受熱面形狀對(duì)積灰也有重要影響。不同形狀的受熱面會(huì)導(dǎo)致煙氣在其周圍的流動(dòng)特性不同，進(jìn)而影響積灰的分布和程度。在管束布置中，錯(cuò)列布置的管束比順列布置的管束積灰輕。這是因?yàn)殄e(cuò)列布置時(shí)，管束的迎風(fēng)面和背風(fēng)面都能較好地受到煙氣沖刷，不易積灰；而順列布置的管束從第二排起，管子的背風(fēng)面和迎風(fēng)面受到的沖刷都較少，積灰現(xiàn)象更為明顯。例如，在某余熱鍋爐的對(duì)流受熱面中，采用錯(cuò)列布置的管束區(qū)域積灰厚度明顯小于順列布置的管束區(qū)域。此外，一些特殊形狀的受熱面，如螺旋鰭片管，其特殊的形狀能夠增強(qiáng)煙氣的擾動(dòng)，使灰粒難以在表面沉積，從而減輕積灰。螺旋鰭片管通過引導(dǎo)煙氣形成螺旋流動(dòng)，增加了煙氣對(duì)受熱面的沖刷次數(shù)，破壞了邊界層，使得積灰難以附著。因此，在余熱鍋爐受熱面的設(shè)計(jì)中，合理選擇受熱面形狀，能夠有效減輕積灰問題。3.3積灰對(duì)傳熱的影響3.3.1傳熱熱阻增加積灰在余熱鍋爐受熱面上的沉積會(huì)顯著增大傳熱熱阻，對(duì)傳熱效率產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)積灰在受熱面表面逐漸積累時(shí)，會(huì)形成一層額外的熱阻層，這層熱阻層阻礙了熱量從高溫?zé)煔庀蚬べ|(zhì)的傳遞。積灰的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)低于受熱面金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)，一般金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)在幾十到幾百W/(m?K)之間，而積灰的導(dǎo)熱系數(shù)通常僅為0.1-0.3W/(m?K)。這使得熱量在通過積灰層時(shí)，傳遞過程變得更加困難，需要克服更大的熱阻，從而導(dǎo)致傳熱效率下降。以某余熱鍋爐為例，在正常運(yùn)行初期，受熱面表面清潔，傳熱熱阻主要由金屬管壁熱阻和工質(zhì)側(cè)、煙氣側(cè)的對(duì)流換熱熱阻組成。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，受熱面積灰逐漸增多，積灰熱阻逐漸成為影響傳熱的主要因素。當(dāng)積灰厚度達(dá)到5mm時(shí)，積灰熱阻相較于清潔狀態(tài)下的總熱阻增加了約30%。這是因?yàn)榉e灰層的存在增加了熱量傳遞的路徑長(zhǎng)度，同時(shí)由于積灰的低導(dǎo)熱性，使得熱量在積灰層中的傳遞速度減慢，進(jìn)一步增大了熱阻。積灰熱阻的增大對(duì)不同傳熱方式的影響程度也有所不同。在對(duì)流換熱方面，積灰會(huì)改變受熱面表面的粗糙度和流場(chǎng)分布，使得邊界層增厚，對(duì)流換熱系數(shù)降低，從而增加了對(duì)流換熱熱阻。在輻射換熱方面，積灰層的存在會(huì)吸收和散射部分輻射熱量，降低了受熱面與煙氣之間的輻射換熱效率，增加了輻射換熱熱阻。因此，積灰導(dǎo)致的傳熱熱阻增加是一個(gè)綜合的過程，涉及到對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射等多種傳熱方式，嚴(yán)重影響了余熱鍋爐的傳熱性能。3.3.2傳熱效率下降通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)可以清晰地看出，積灰會(huì)導(dǎo)致余熱鍋爐整體傳熱效率顯著下降。在某余熱鍋爐實(shí)驗(yàn)研究中，設(shè)置了不同的積灰工況，通過控制實(shí)驗(yàn)時(shí)間來模擬不同程度的積灰情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著積灰時(shí)間的增加，積灰量逐漸增多，余熱鍋爐的傳熱效率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)積灰時(shí)間為100小時(shí)，積灰量達(dá)到一定程度時(shí)，傳熱效率相較于初始清潔狀態(tài)下降了約15%。當(dāng)積灰時(shí)間延長(zhǎng)至200小時(shí)，積灰量進(jìn)一步增加，傳熱效率下降幅度達(dá)到了25%左右。數(shù)值模擬結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的一致性。利用CFD軟件對(duì)余熱鍋爐積灰過程進(jìn)行模擬，在模擬中考慮了積灰的形成、生長(zhǎng)以及對(duì)傳熱的影響。模擬結(jié)果顯示，隨著積灰厚度的增加，傳熱系數(shù)逐漸降低，從而導(dǎo)致傳熱效率下降。當(dāng)積灰厚度從0增加到3mm時(shí)，傳熱系數(shù)從80W/(m2?K)降低到50W/(m2?K)，傳熱效率下降了約37.5%。這是因?yàn)榉e灰層的導(dǎo)熱系數(shù)低，增加了傳熱熱阻，使得單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱量減少。積灰導(dǎo)致傳熱效率下降的規(guī)律還與其他因素有關(guān)，如積灰的成分、結(jié)構(gòu)以及煙氣流速等。不同成分的積灰，其導(dǎo)熱系數(shù)和粘附性不同，對(duì)傳熱效率的影響也有所差異。結(jié)構(gòu)疏松的積灰相較于結(jié)構(gòu)緊密的積灰，更容易在煙氣流的沖刷下脫落，對(duì)傳熱效率的影響相對(duì)較小。煙氣流速較高時(shí)，雖然會(huì)增強(qiáng)對(duì)積灰的沖刷作用，減少積灰的積累，但同時(shí)也會(huì)增加煙氣阻力和受熱面磨損。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，需要綜合考慮這些因素，采取有效的措施來減少積灰對(duì)傳熱效率的影響，提高余熱鍋爐的運(yùn)行性能。四、案例分析4.1某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站余熱鍋爐案例4.1.1電站及余熱鍋爐概況某燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站裝機(jī)容量為300MW，配置了兩臺(tái)余熱鍋爐，型號(hào)為Q2384/605-286(42.7)-10(0.4)/566.5(296.5)，由武漢鍋爐股份有限公司制造。該余熱鍋爐為三壓、再熱、臥式、無(wú)補(bǔ)燃、自然循環(huán)型，采用露天全懸吊構(gòu)造，正壓運(yùn)行，鍋爐煙囪標(biāo)高50M。余熱鍋爐本體受熱面管箱由高/中/低壓汽包及附件、高壓過熱器、再熱器、高壓蒸發(fā)器、高壓省煤器、中壓過熱器、中壓蒸發(fā)器、中壓省煤器、低壓過熱器、低壓蒸發(fā)器、低壓省煤器等構(gòu)成。其受熱面采用螺旋鰭片管，管箱采用臥式布置，全懸吊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效增強(qiáng)傳熱效果，提高余熱回收效率，同時(shí)適應(yīng)正壓運(yùn)行的工況要求。在汽水流程方面，凝結(jié)水經(jīng)凝泵升壓后，依次進(jìn)入2級(jí)低壓省煤器。在低壓省煤器進(jìn)口布置有再循環(huán)管回水，一部分經(jīng)再循環(huán)泵回到低壓省煤器1入口，與凝結(jié)水混合，提高省煤器1的進(jìn)水溫度，使低壓省煤器后煙氣溫度高于露點(diǎn)溫度；另一部分與低壓給水三通閥來的凝結(jié)水混合，使低壓汽包的進(jìn)水溫度低于飽和溫度。低壓汽包里的工質(zhì)，一部分經(jīng)給水泵，成為高、中壓給水；一部分由下降管進(jìn)入低壓蒸發(fā)器，受熱后成為汽水混合物回到汽包，在汽包內(nèi)的分離器中進(jìn)行汽水分離。分離出來的水回到汽包的水空間，飽和蒸汽則通過飽和蒸汽引出管送到低壓過熱器，繼續(xù)被加熱成為低壓過熱蒸汽，與中壓缸排汽混合后，進(jìn)入低壓缸做功。給水泵第3級(jí)后抽出的工質(zhì)成為中壓給水，進(jìn)入中壓省煤器，在中壓省煤器進(jìn)口布置有再循環(huán)管。中壓給水在中壓省煤器中加熱到靠近飽和溫度后，一部分去天然氣性能加熱器，一部分進(jìn)入中壓汽包。中壓汽包中的水由下降管進(jìn)入中壓蒸發(fā)器，加熱后成為汽水混合物回到汽包，在汽包內(nèi)的分離器中進(jìn)行汽水分離。分離出來的水回到汽包的水空間，飽和蒸汽則通過飽和蒸汽引出管送到中壓過熱器，繼續(xù)被加熱成為過熱蒸汽，與高壓缸排汽（冷再蒸汽）混合后，進(jìn)入再熱器1加熱，出口蒸汽通過再熱器減溫器，由中壓給水來的減溫水調(diào)整溫度后進(jìn)入再熱器2，溫度進(jìn)一步提高后，進(jìn)入汽機(jī)中壓缸中做功。在需要時(shí)，中壓汽包可以給低壓汽包補(bǔ)汽。給水泵出口工質(zhì)為高壓給水，依次通過7級(jí)高壓省煤器進(jìn)入高壓汽包。高壓汽包中的水由下降管進(jìn)入高壓蒸發(fā)器，加熱后成為汽水混合物回到汽包，在汽包內(nèi)的分離器中進(jìn)行汽水分離。分離出來的水回到汽包的水空間，飽和蒸汽通過飽和蒸汽引出管被依次送到高壓過熱器1、2加熱，出口蒸汽通過高壓蒸汽減溫器，由高壓給水來的減溫水調(diào)整溫度后再依次送入高壓過熱器3、4內(nèi)繼續(xù)加熱，溫度進(jìn)一步提高后，進(jìn)入汽機(jī)高壓缸做功。在需要時(shí)，高壓汽包可以向中壓汽包補(bǔ)汽。該電站配套的燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)燃料為天然氣，設(shè)計(jì)排煙溫度605℃。在設(shè)計(jì)工況下，燃機(jī)排氣煙氣參數(shù)如下：ISO工況負(fù)荷100%，大氣條件為環(huán)境溫度15℃，相對(duì)濕度85%，大氣壓力101.35kPa。HRSG入口煙氣流量2383.7×103kg/h，煙氣溫度603.7℃，煙氣壓力104.7kPa.a，煙氣焓值651.2kJ/kg。煙氣成分中，氬占0.89%，氮占74.45%，氧占12.6%，二氧化碳占3.76%，水蒸氣占8.3%。4.1.2傳熱與積灰特性分析在傳熱性能方面，通過對(duì)該余熱鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與分析，發(fā)現(xiàn)其在不同負(fù)荷工況下的傳熱效率存在一定差異。在滿負(fù)荷工況下，余熱鍋爐的傳熱系數(shù)較高，平均傳熱系數(shù)可達(dá)70W/(m2?K)左右。這是因?yàn)樵跐M負(fù)荷時(shí)，煙氣流速較高，能夠增強(qiáng)煙氣與受熱面之間的對(duì)流換熱，使得熱量傳遞更加迅速。隨著負(fù)荷的降低，煙氣流速相應(yīng)減小，傳熱系數(shù)也隨之下降。當(dāng)負(fù)荷降低至50%時(shí)，傳熱系數(shù)下降至約50W/(m2?K)。這是因?yàn)闊煔饬魉俚臏p小導(dǎo)致邊界層增厚，熱阻增大，從而降低了對(duì)流換熱效果。在積灰狀況方面，運(yùn)行一段時(shí)間后，在余熱鍋爐的受熱面，尤其是低溫段受熱面，如低壓省煤器和空氣預(yù)熱器等部位，出現(xiàn)了較為明顯的積灰現(xiàn)象。通過對(duì)積灰成分的分析，發(fā)現(xiàn)主要成分包括飛灰、硫酸鹽以及一些金屬氧化物。在該電站的運(yùn)行過程中，由于燃?xì)廨啓C(jī)燃燒天然氣，雖然天然氣相對(duì)清潔，但仍會(huì)產(chǎn)生少量飛灰。這些飛灰在煙氣的攜帶下，會(huì)逐漸沉積在受熱面上。同時(shí)，天然氣中可能含有微量的硫元素，燃燒后生成二氧化硫，在一定條件下進(jìn)一步氧化為三氧化硫，三氧化硫與水蒸氣結(jié)合形成硫酸蒸汽，當(dāng)遇到溫度較低的受熱面時(shí)，會(huì)凝結(jié)成硫酸液滴，吸附飛灰顆粒，加速積灰的形成。積灰對(duì)余熱鍋爐的傳熱性能產(chǎn)生了顯著影響。隨著積灰的逐漸積累，傳熱熱阻增大，傳熱效率下降。在積灰較為嚴(yán)重的部位，傳熱系數(shù)下降了約20%-30%。通過對(duì)積灰前后的傳熱數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)積灰導(dǎo)致受熱面表面的溫度分布更加不均勻，部分區(qū)域的溫度明顯升高，這不僅影響了余熱鍋爐的正常運(yùn)行，還可能導(dǎo)致受熱面金屬材料的損壞，縮短設(shè)備的使用壽命。4.1.3應(yīng)對(duì)措施與效果評(píng)估針對(duì)該余熱鍋爐的積灰問題，采取了多種應(yīng)對(duì)措施，包括定期吹灰和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)等。在吹灰措施方面，該余熱鍋爐裝有蒸汽吹灰器，定期對(duì)受熱面進(jìn)行吹灰。蒸汽吹灰利用高溫高壓蒸汽的沖擊力，將積灰從受熱面上吹掃下來。通過合理制定吹灰周期，在正常運(yùn)行工況下，每8小時(shí)進(jìn)行一次全面吹灰。吹灰后，受熱面的積灰情況得到明顯改善，傳熱系數(shù)有所提高。在吹灰前，傳熱系數(shù)為45W/(m2?K)左右，吹灰后，傳熱系數(shù)提高到55W/(m2?K)左右，傳熱效率提高了約22%。這表明蒸汽吹灰能夠有效地清除受熱面上的積灰，降低傳熱熱阻，提高傳熱效率。在優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)方面，通過調(diào)整煙氣流速和煙氣溫度來減輕積灰。在保證余熱鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，適當(dāng)提高煙氣流速。將煙氣流速?gòu)脑瓉淼?m/s提高到10m/s，增強(qiáng)了煙氣對(duì)受熱面的沖刷作用，使積灰難以在受熱面上沉積。同時(shí)，合理控制煙氣溫度，避免煙氣溫度過低導(dǎo)致硫酸蒸汽凝結(jié)，加重積灰。通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，積灰速率明顯降低，在相同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，積灰量減少了約30%。這說明優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)能夠有效改善余熱鍋爐的積灰狀況，提高設(shè)備的運(yùn)行性能。通過定期吹灰和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)等措施的實(shí)施，該余熱鍋爐的積灰問題得到了有效緩解，傳熱性能得到顯著提升。這些措施不僅保證了余熱鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行，還提高了能源利用效率，為電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力保障。在未來的運(yùn)行過程中，還需進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)余熱鍋爐積灰和傳熱特性的監(jiān)測(cè)與分析，不斷優(yōu)化應(yīng)對(duì)措施，以確保余熱鍋爐始終保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。4.2某鋼鐵廠余熱鍋爐案例4.2.1鋼鐵廠余熱鍋爐介紹某鋼鐵廠余熱鍋爐主要熱源來源于高爐、轉(zhuǎn)爐等設(shè)備在生產(chǎn)過程中排放的高溫?zé)煔?。高爐在煉鐵過程中，會(huì)產(chǎn)生大量溫度高達(dá)1000℃-1300℃的高溫?zé)煔猓@些煙氣蘊(yùn)含著巨大的能量；轉(zhuǎn)爐在煉鋼過程中，排放的煙氣溫度也能達(dá)到1200℃-1600℃。余熱鍋爐的用途十分廣泛，一方面，通過回收這些高溫?zé)煔獾臒崃浚瑢⑺訜徂D(zhuǎn)化為蒸汽，所產(chǎn)生的蒸汽一部分用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，為鋼鐵廠提供電力支持，降低了對(duì)外部電網(wǎng)的依賴，節(jié)約了用電成本；另一部分蒸汽則用于生產(chǎn)工藝中的加熱、保溫等環(huán)節(jié)，滿足了鋼鐵生產(chǎn)過程中的用熱需求，提高了生產(chǎn)效率。該余熱鍋爐在結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特的特點(diǎn)，采用了管式結(jié)構(gòu)，管束采用錯(cuò)列布置方式。這種錯(cuò)列布置使得煙氣在管束間的流動(dòng)更加復(fù)雜，增強(qiáng)了煙氣對(duì)受熱面的沖刷和擾動(dòng)，從而提高了傳熱效率。同時(shí)，為了進(jìn)一步強(qiáng)化傳熱，受熱面采用了鰭片管結(jié)構(gòu)。鰭片管通過增大傳熱面積，有效提高了單位面積的傳熱量，使余熱鍋爐能夠更充分地回收高溫?zé)煔庵械臒崃?。在汽水系統(tǒng)方面，余熱鍋爐配備了汽包、下降管、上升管等設(shè)備，形成了自然循環(huán)系統(tǒng)。在自然循環(huán)系統(tǒng)中，水在下降管中受重力作用向下流動(dòng)，進(jìn)入蒸發(fā)器受熱后變成汽水混合物，由于汽水混合物的密度小于水的密度，在密度差的作用下，汽水混合物沿上升管上升進(jìn)入汽包，在汽包內(nèi)進(jìn)行汽水分離。分離出的蒸汽被引出用于發(fā)電或供熱，而分離出的水則繼續(xù)參與循環(huán)。這種自然循環(huán)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，在余熱鍋爐中得到了廣泛應(yīng)用。4.2.2傳熱積灰問題及解決方法在傳熱方面，該鋼鐵廠余熱鍋爐在實(shí)際運(yùn)行中遇到了一些挑戰(zhàn)。由于鋼鐵生產(chǎn)過程中工況復(fù)雜多變，導(dǎo)致余熱鍋爐的負(fù)荷波動(dòng)較大。當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，煙氣流速減小，傳熱系數(shù)下降，從而使傳熱效率降低。在部分低負(fù)荷工況下，傳熱系數(shù)相較于設(shè)計(jì)工況下降了15%-20%。為了解決這一問題，對(duì)余熱鍋爐的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。通過合理調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，在低負(fù)荷時(shí)適當(dāng)提高煙氣流速，增強(qiáng)了煙氣與受熱面之間的對(duì)流換熱。同時(shí)，對(duì)受熱面進(jìn)行定期清洗，去除表面的污垢和雜質(zhì)，降低了傳熱熱阻。經(jīng)過這些措施的實(shí)施，傳熱系數(shù)得到了有效提升，在低負(fù)荷工況下，傳熱系數(shù)提高了10%-15%，傳熱效率明顯改善。在積灰方面，該余熱鍋爐面臨著較為嚴(yán)重的問題。鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庵泻写罅康娘w灰和粉塵，這些顆粒在煙氣流的攜帶下，容易在余熱鍋爐的受熱面上沉積。尤其是在省煤器和空氣預(yù)熱器等低溫段受熱面，積灰現(xiàn)象更為明顯。積灰不僅增加了傳熱熱阻，降低了傳熱效率，還導(dǎo)致煙氣流通阻力增大，引風(fēng)機(jī)能耗增加。通過對(duì)積灰成分的分析，發(fā)現(xiàn)主要成分包括氧化鐵、氧化鈣、二氧化硅等。為了解決積灰問題，采取了多種措施。安裝了蒸汽吹灰器和聲波吹灰器，定期對(duì)受熱面進(jìn)行吹灰。蒸汽吹灰器利用高溫高壓蒸汽的沖擊力，清除較大顆粒的積灰；聲波吹灰器則利用聲波的振動(dòng)作用，使細(xì)微積灰松動(dòng)并脫離受熱面。通過合理安排吹灰周期和吹灰順序，有效地減少了積灰的積累。同時(shí)，對(duì)余熱鍋爐的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，適當(dāng)提高煙氣流速，增強(qiáng)了對(duì)積灰的沖刷作用。此外，還在煙氣進(jìn)入余熱鍋爐前，增加了高效的除塵設(shè)備，降低了煙氣中的含塵濃度，從源頭上減少了積灰的產(chǎn)生。經(jīng)過這些措施的綜合應(yīng)用，積灰問題得到了有效緩解，受熱面的積灰量明顯減少，傳熱效率得到了顯著提升。4.2.3經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與啟示該鋼鐵廠余熱鍋爐在處理傳熱和積灰問題方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他余熱鍋爐項(xiàng)目具有重要的啟示意義。在應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的傳熱效率下降問題時(shí)，通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和定期清洗受熱面的方法，能夠有效提高傳熱性能。這啟示其他項(xiàng)目在設(shè)計(jì)和運(yùn)行余熱鍋爐時(shí)，應(yīng)充分考慮負(fù)荷變化的影響，預(yù)留一定的調(diào)節(jié)空間，以便在不同工況下都能保證較好的傳熱效果。同時(shí)，要建立完善的受熱面清洗制度，定期對(duì)受熱面進(jìn)行維護(hù)，降低傳熱熱阻。在解決積灰問題上，采用多種吹灰設(shè)備結(jié)合優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)和前端除塵的綜合措施，取得了良好的效果。這表明其他余熱鍋爐項(xiàng)目在防治積灰時(shí)，不能僅僅依賴單一的吹灰方法，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的吹灰設(shè)備，并合理安排吹灰周期和順序。同時(shí)，要重視對(duì)煙氣含塵濃度的控制，在余熱鍋爐前端增加高效除塵設(shè)備，減少飛灰和粉塵進(jìn)入余熱鍋爐，從根本上降低積灰的可能性。此外，還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)余熱鍋爐運(yùn)行過程的監(jiān)測(cè)和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)積灰和傳熱問題的早期跡象，采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，避免問題惡化，確保余熱鍋爐的長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效運(yùn)行。通過借鑒該鋼鐵廠余熱鍋爐的成功經(jīng)驗(yàn)，其他項(xiàng)目能夠更好地解決余熱鍋爐受熱面的傳熱和積灰問題，提高余熱回收利用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。五、積灰防治與傳熱強(qiáng)化措施5.1積灰防治技術(shù)5.1.1吹灰技術(shù)吹灰技術(shù)是目前余熱鍋爐積灰防治中應(yīng)用最為廣泛的方法之一，常見的吹灰技術(shù)包括蒸汽吹灰、聲波吹灰和激波吹灰，它們各自具有獨(dú)特的工作原理和應(yīng)用特點(diǎn)。蒸汽吹灰技術(shù)歷史悠久，技術(shù)成熟，在余熱鍋爐中得到了廣泛應(yīng)用。其工作原理是利用具有一定壓力和干度的蒸汽，從吹灰器噴口高速噴出，對(duì)積灰的受熱面進(jìn)行吹掃。高速噴出的蒸汽具有強(qiáng)大的沖擊力，能夠?qū)⒎e灰從受熱面上剝離并帶走，從而達(dá)到清除積灰的目的。蒸汽吹灰的效果與蒸汽的壓力密切相關(guān)，一般來說，蒸汽壓力越高，吹灰效果越好。在某電廠的余熱鍋爐中，采用蒸汽壓力為2.5MPa的蒸汽吹灰器，對(duì)積灰的受熱面進(jìn)行吹掃，吹灰后積灰量明顯減少，傳熱效率得到顯著提升。蒸汽吹灰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是吹灰效果顯著，能夠有效清除各種類型的積灰，包括粘性積灰和松散積灰。其適用范圍廣泛，可用于余熱鍋爐的各個(gè)部位，如過熱器、再熱器、省煤器等。然而，蒸汽吹灰也存在一些缺點(diǎn)，如蒸汽的引入會(huì)使煙氣濕度增加，可能導(dǎo)致煙氣露點(diǎn)升高，從而引發(fā)低溫腐蝕問題。此外，蒸汽的直接沖刷可能會(huì)對(duì)受熱面造成一定程度的磨損，影響受熱面的使用壽命。聲波吹灰技術(shù)是一種相對(duì)較新的吹灰技術(shù)，近年來在余熱鍋爐積灰防治中得到了越來越多的應(yīng)用。它主要由壓縮氣源、電子控制器和聲波發(fā)生器組成。其工作原理是將經(jīng)過過濾器凈化后的空氣，通過聲波發(fā)生器，并在電磁閥的控制下，將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槁暷?，調(diào)制成聲波。這些聲波通過聲波導(dǎo)管經(jīng)輻射喇叭的規(guī)整放大后，以一定的頻率、工作程序和周期傳入容器內(nèi)。聲波在傳播過程中，使積灰顆粒受到周期性的振動(dòng)作用，從而變得松散并脫離受熱面，再由重力或氣流將灰塵帶走。聲波吹灰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，啟動(dòng)和操作方便，運(yùn)行安全。由于其吹灰介質(zhì)是壓縮空氣，不需要額外的蒸汽源，運(yùn)行成本較低。而且，聲波能夠在空間中傳播，作用范圍大，能夠有效清除蒸汽吹灰難以觸及的部位的積灰，不留死角。在某化工企業(yè)的余熱鍋爐中，采用聲波吹灰器對(duì)SCR反應(yīng)器進(jìn)行吹灰，有效保持了催化劑的清潔，提高了催化效率。然而，聲波吹灰的吹灰強(qiáng)度相對(duì)較低，對(duì)于已結(jié)渣和粘性強(qiáng)的積灰作用不大。此外，聲波吹灰器發(fā)出的聲波頻率如與管壁頻率相近，容易產(chǎn)生共振，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)造成破壞。在一定頻率范圍內(nèi)，聲波吹灰器運(yùn)作產(chǎn)生的噪音還會(huì)對(duì)周圍的人體產(chǎn)生危害。激波吹灰技術(shù)利用可燃?xì)怏w和空氣按比例均勻混合后在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生的沖擊波來清除積灰。燃?xì)饷}沖燃燒過程中，不穩(wěn)定燃燒氣體在高湍流狀態(tài)下產(chǎn)生壓縮波，形成動(dòng)能、聲能和熱能。這種燃燒速度快，產(chǎn)生的氣體壓力在一定范圍內(nèi)，通過輸出管噴口發(fā)射的沖擊波能與積灰情況相適應(yīng)。沖擊波作用于受熱面上，使積灰掉落，將灰塵顆粒、松散物、粘合物及沉積物清除。激波吹灰技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是除灰效果好，能夠在較大空間范圍內(nèi)清除受熱面的積灰和結(jié)焦，大幅度提高換熱效率，降低排煙溫度。其配置可靠，通過對(duì)兩種工質(zhì)配比的精確控制，確保在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。選用高能點(diǎn)火器，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，保證點(diǎn)火可靠。自動(dòng)化可靠性高，控制系統(tǒng)中傳感器設(shè)置了相應(yīng)故障的聯(lián)鎖保護(hù)動(dòng)作，各類故障分級(jí)處理，支路故障不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。使用范圍廣，可適用于任何爐型，包括煤粉鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、燃油鍋爐、余熱爐、加熱爐、工藝爐以及垃圾焚燒爐等。可用于鍋爐尾部的任何部位，如過熱器、再熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器等。然而，激波吹灰設(shè)備投資相對(duì)較大，運(yùn)行過程中需要使用可燃?xì)怏w，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)操作和維護(hù)人員的技術(shù)要求也較高。5.1.2添加劑使用在燃料中添加防積灰添加劑是一種有效的積灰防治方法，其作用原理基于添加劑與燃料中的成分以及積灰之間的化學(xué)反應(yīng)和物理作用。防積灰添加劑通常由多種化學(xué)物質(zhì)組成，這些物質(zhì)能夠在燃燒過程中與燃料中的灰分和其他雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，改變積灰的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，從而減少積灰在受熱面上的沉積。一些添加劑能夠與燃料中的堿金屬和硫等元素發(fā)生反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)的化合物。在生物質(zhì)燃燒中，燃料中常含有較多的堿金屬，容易在燃燒過程中形成低熔點(diǎn)的堿金屬化合物，這些化合物在受熱面上凝結(jié)并積聚，導(dǎo)致積灰問題嚴(yán)重。添加富磷添加劑后，其中的磷元素能夠與堿金屬反應(yīng)，生成高熔點(diǎn)的磷酸鹽化合物。磷酸二氫鈣等添加劑在燃燒過程中與燃料中的灰分和有機(jī)物質(zhì)反應(yīng)，可以生成鈣化合物和少量氣體，有效地減少了鍋爐中的灰渣和腐蝕物質(zhì)的積聚和附著。這些高熔點(diǎn)化合物不易在受熱面上沉積，從而降低了積灰的可能性。還有一些添加劑能夠改變積灰的表面性質(zhì)，降低積灰與受熱面之間的粘附力。通過在燃料中添加具有表面活性的物質(zhì)，這些物質(zhì)在燃燒過程中會(huì)附著在積灰顆粒表面，使積灰顆粒的表面能降低，從而減少它們與受熱面的粘附。在某燃煤余熱鍋爐中，添加了含有表面活性劑的防積灰添加劑后，積灰在受熱面上的附著力明顯降低，在煙氣流的沖刷下更容易脫落，積灰量減少了約30%。此外，一些添加劑還具有催化作用，能夠促進(jìn)燃料的充分燃燒，減少未燃盡物質(zhì)的產(chǎn)生，從源頭上降低積灰的形成。在燃油余熱鍋爐中，添加含有氧化劑和催化劑的添加劑，能夠使燃油燃燒更加充分，減少了因不完全燃燒產(chǎn)生的積碳和油粒在受熱面上的沉積。在實(shí)際應(yīng)用中，防積灰添加劑的使用效果受到多種因素的影響。添加劑的種類和配方需要根據(jù)燃料的特性和余熱鍋爐的運(yùn)行工況進(jìn)行選擇和調(diào)整。不同的燃料含有不同的成分，對(duì)添加劑的需求也不同。生物質(zhì)燃料與燃煤、燃油的成分差異較大，需要針對(duì)性地選擇添加劑。添加劑的添加量也需要嚴(yán)格控制，添加量過少可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的防積灰效果，而添加量過多則可能會(huì)帶來其他問題，如增加成本、影響燃燒效率等。在某工業(yè)余熱鍋爐中，通過實(shí)驗(yàn)確定了最佳的添加劑添加量為燃料質(zhì)量的0.5%，在此添加量下，積灰問題得到了有效緩解，同時(shí)對(duì)燃燒效率和設(shè)備運(yùn)行沒有產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，添加劑的添加方式和時(shí)間也會(huì)影響其作用效果，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行優(yōu)化。5.1.3受熱面結(jié)構(gòu)優(yōu)化通過改變受熱面形狀、布置方式等優(yōu)化結(jié)構(gòu)是減少積灰的重要手段，不同的優(yōu)化方法在實(shí)際應(yīng)用中都取得了顯著的效果。在受熱面形狀方面，采用特殊形狀的受熱面能夠改變煙氣流場(chǎng)和積灰的沉積特性。螺旋鰭片管就是一種常見的特殊形