高温烟气结焦积灰对余热锅炉传热效率的影响及应对策略

在化工行业的高温生产工况中，余热锅炉作为能源回收的核心设备，其传热效率直接关系到企业的能耗成本与生产安全性。然而，高温烟气中的结焦积灰问题犹如一颗 “隐形炸弹”，不仅会导致传热效率大幅衰减，还可能引发设备故障与生产中断。深入解析这一问题的成因、影响及应对措施，对保障化工装置稳定运行具有重要意义。

一、结焦积灰的形成机制与核心诱因

高温烟气结焦积灰是烟气中固态颗粒物与熔融杂质在受热面沉积的复杂过程，其形成与烟气特性、设备结构及运行参数密切相关。在化工生产中，高温烟气通常含有煤矸石、重油燃烧残留物、催化剂粉末等成分，其中的钠、钾、钙等碱金属化合物在 800℃以上高温下易发生熔融，形成黏性灰粒，一旦接触温度较低的受热面（如省煤器、过热器管壁），便会迅速附着并固化，形成坚硬的焦块，即 “结焦”。而粒径较小的飞灰颗粒则会随烟气流动，在流速较低的区域（如烟气转弯处、管束间隙）因重力或涡流作用沉积，形成疏松的灰层，即 “积灰”。

从运行条件来看，三大因素加剧了结焦积灰的风险：一是烟气温度波动过大，当局部温度超过灰分熔融点（通常在 1000-1200℃）时，灰粒黏性骤增，结焦速率呈指数级上升；二是烟气流速分布不均，在管束间距过小或导流结构不合理的区域，流速下降导致颗粒沉降概率增加；三是烟气成分复杂，化工生产中常见的硫氧化物、氯元素等会与灰分发生化学反应，生成低熔点复合盐，进一步加速结焦层的形成。

二、对传热效率的多重负面影响

结焦积灰对余热锅炉传热效率的破坏具有 “双重打击” 特性。一方面，结焦层与积灰层本身是热导率极低的物质（结焦层热导率约 0.1-0.3W/(m・K)，积灰层仅 0.05-0.1W/(m・K)，远低于金属管壁的 40-50W/(m・K)），会在受热面形成顽固的热阻屏障。数据显示，当受热面结焦厚度达到 5mm 时，传热效率可下降 15%-20%；若积灰层厚度超过 10mm，热阻将增加 3-5 倍，导致排烟温度升高 30-50℃，余热回收量减少 20% 以上。

另一方面，结焦积灰的不均匀分布会引发局部传热失衡。在结焦严重区域，热量无法及时传递给工质，管壁温度异常升高，可能超过材料许用温度，引发金属蠕变或氧化剥落；而在积灰堆积处，烟气流通截面缩小，流速增加导致磨损加剧，形成 “结焦 - 过热 - 磨损” 的恶性循环。某煤化工企业案例显示，因高温烟气结焦积灰未及时处理，余热锅炉传热效率在 3 个月内从 85% 降至 62%，被迫停机清焦，直接经济损失超百万元。

三、系统性防控与治理策略

解决高温烟气结焦积灰问题需构建 “预防 - 监测 - 清除” 三位一体的管控体系。在预防层面，应从源头优化烟气特性：通过调整燃烧工况（如控制过剩空气系数、降低局部高温区）减少灰分熔融；在烟气中添加高岭土等吸附剂，吸附碱金属离子，提高灰分熔融点；优化受热面设计，采用膜式壁或螺旋翅片管，减少积灰死角，同时保证烟气流速均匀（推荐流速 3-8m/s），降低颗粒沉积概率。

监测技术的应用是及时发现问题的关键。可采用红外热成像仪实时监测管壁温度分布，当局部温度异常升高 20℃以上时，提示可能存在结焦；安装差压变送器监测烟气通道阻力变化，阻力增幅超过 15% 时，表明积灰严重；对于大型余热锅炉，可引入人工智能算法，结合历史运行数据与实时参数，预测结焦积灰趋势，提前制定干预措施。

在清除环节，需根据结焦积灰的性质选择适配方案：对疏松积灰，采用声波清灰或蒸汽吹灰，利用高频振动或高速气流剥离灰层；对坚硬结焦，可采用脉冲燃气吹灰，通过瞬间高温高压气流冲击焦块，或采用机械清焦（如伸缩式刮板），配合在线水冲洗（需控制温差，避免管壁开裂）。对于结焦积灰频发区域，可采用 “在线监测 + 定点清灰” 模式，如在过热器区域安装自动旋转吹灰器，每 2-4 小时启动一次，将积灰控制在厚度 5mm 以内。

高温烟气结焦积灰对余热锅炉传热效率的影响，本质上是能源回收与设备安全的双重挑战。在化工行业节能降耗与绿色发展的背景下，通过技术优化与精细化管理，将结焦积灰控制在合理范围，不仅能提升余热锅炉运行效率（保守估计可使传热效率维持在 80% 以上），还能延长设备寿命，降低维护成本。未来，随着高温合金材料、智能清灰装备及数字孪生技术的发展，余热锅炉结焦积灰的治理将向 “精准预测、高效清除、零停机维护” 方向迈进，为化工行业的低碳转型提供坚实保障。