（动力机械及工程专业论文）燃煤锅炉卫燃带结渣机理及结渣临界温度的实验研究.pdf

摘要 目前，我国燃煤电厂大多采用低质煤燃烧。为确保煤粉在炉内稳燃，除采用 高效燃烧器、细化煤粉等技术外，国内外燃煤电厂纷纷采用了卫燃带技术。但炉 内敷设卫燃带后，使锅炉达到稳燃的同时，亦容易造成了卫燃带表面的结渣。为 减少卫燃带表面结渣对锅炉造成危害，优化耐火材料设计，须弄清煤灰卫燃带材 料的结渣机理及界定出结渣临界温度。为此，作者提出了在高温加热炉内用静态 煅烧实验法研究煤灰中的典型成分变化对煤灰在卫燃带材料上结渣的影响规律， 并提出了煤灰耐火材料板结渣临界温度的测定方法。 本文针对燃煤电厂广泛采用的典型卫燃带材料碳化硅质和高铝质( 高铬高 铝与低铬低铝质) ，就湖南周边电厂燃用的典型煤种煤灰进行成分渐变配比，开展 了煤灰耐火材料板的结渣机理及结渣临界温度的研究。内容分为：煤灰主要成分 渐变配比试样的制备；成分渐变对灰熔融特性的影响规律；成分渐变对煤灰耐火 材料板结渣机理的影响；典型煤灰典型耐火材料板结渣临界温度的测定。 文中先选用了向云贵煤灰添加s i 0 2 及向冰水江岩页煤灰添加c a o 、f e 2 0 3 、 m g o 进行典型成分渐变灰样的制备，再测试出成分渐变试样的灰熔特性，之后在 高温加热炉内进行了该渐变灰样的静态结渣实验。通过灰熔特性实验研究、煤灰 耐火材料的外观形貌及x r d 分析表明：原煤种灰样添加典型成分后，灰渣灰熔特 征温度均呈先降后升趋势；c a o 的助熔效果最为明显，其对煤灰耐火材料结渣影 响也最为突出；同一典型成分渐变时，灰样在三种不同耐火材料的侵蚀规律表现 一致；燃用云贵煤与冷水江岩页煤时，s i c 耐火材料板较高铝质耐火材料抗渣性 好： 另外，本文还基于静态结渣实验与结渣强度振动实验，定义了结渣临界温度 的概念，并将线性回归拟合计算方法引入到结渣临界温度计算中来，分别得出了 冷水江煤、晋东南煤、沪洲煤在三种不同耐火材料的结渣临界温度。这一结果， 将为锅炉燃用此类煤种或相似煤种时卫燃带的选材、炉温的控制提供有力的参考 依据。 关键词：卫燃带；锅炉；结渣；临界温度； a b s t r a c t a tp r e s e n t ，m a n yp c f i r e db o i l e r si np o w e rp l a n t si nc h i n a h a v ef i r i n gl o wr a n k c o a l s f o ri m p r o v i n gs t a b l ec o m b u s t i o no fp u l v e r i z e d c o a li nm ef u m a c e ，b e s l d e s a d o p t i n gh i 曲一e 位c i e n c yb u m e ra n dm i c m p u l v e r i z e dc o a l ，h e a t - i n s u l a t l n gr e 打a c t o r y 1 a i do nm m a c ew a t e 刑a l li sa d o p t e da l m o s tb yp c f i r e db o i l e r si np o w e rp l a n t s a t h o m ea n da b r o a d a l m o u g hr e a c h i n gs t a b l ec o m b u s t i o na d o p t e dr e f r a c t o 吼i tw i l l l e a d t 0t h es l a g g i n go nt h er e f r a c t o r y 1 no r d e rt ou n d e r s t a n dt h em e c h a l l l s mo tc o a l a s h d e p o s i t i o no nr e f i r a c t o r ya n dd e 6 n eac r i t i c a l s lg g i n gt e m p e r a t l l r et or e d u c eh a mo l s lg 画n gf o rp c f i r e db o i l e r sa n dr e 丘a c t o r yo p t i m i z a t i o n ，an e w s t a t i cs i n t e n n gm e t h o d u s e dt 0i n v e s t i g a _ t e p r o c e s so fs l a g 舀n ga n d an e wm e 也o do ft h ed e t e 恤l n a t l o no t c r i t i c a lt e m p e r a t l l r ew e r ep r o p o s e d i nt h i sp a p e r t h ee x p 耐m e n t s0 fc o a la s h r e f r a c t o 巧b o a r dw e r ec a m e do u t a s r e s p e c tt os i c - b a s e da n dh i 9 1 1 c o r u n d u m - b a s e dr e 仃a c t o r i e sa n da s h e s o fc o a ls 锄p i e d 丘o md i f 衔e n tp o w e rp l a n t si nh u n 觚p r 0 v i n c ew h i c ha d d e dm a j o rc o m p o s l t l o f l s o t c o a l t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e d u r e si n c l u d e ：t h ea s hs 锄p l eo f 莎a d i e n tr a t l oo fm a j o r c o m p o n e n t sp r e p a r a t i o n ；t h el a wo f e 行e c to nm e c h a n i s mo fc o a la s ho nr e f r a c t o r yf o r 盯a d i e n t r a t i oo fm a j o rc o m p o n e n t s ； c o m p o s i t i o ng r a d i e n t o ft h ea s hm e l t l n g c h a r a c t e r i s t i c so ft h el a w ；t h ed e t e 珊i n a t i o no fc r i t i c a l t 锄p e r a t u r ef o rt y p l c a l 鹊h ， t y p i c a lr e 行a c t o r y f i r s t ，t h es i 0 2w a sa d d e dt ot h ey u n g u ic o a la s ha n dc a o 、f e 2 0 3 、m g o w e r e a d d e dt ol e n g s h u i j i a n gc o a la s ht om a k ei n t o 铲a d i e n tt y p i c a lc o i n p o n e n t s ，t e s t o u t m e l t i n gg r a d i e n tc h a u r a c t e r i s t i c so ft h es a m p l e a n dt h e n ，s t a t i cs i n t e n n ge x p e n m e n t s w e r ec a r r yo u ti nh e a t i n gf u r n a c e t h e 觚a l y s i ss h o w e d t h a ta s hm e l t i n gc h a r a c t e n s t l c s d e c r e a s ej e i r s ta i l dt h e ni n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft y p i c a lc o n t e n ta d d e d ；n l en u x i n g a c t i o no fc a ow a sp r e f ；e r a b l yw e l l ；t h ee r o s i o n 九l l er e p r e s e n t st h ec o n f o m l t y t o rc o a l a s hl a i dd i f f e r e n tr e 仃a c t o r i e s ；s i c b a s e dr e 行a c t o r y h a sb e t t e rs t r o n g e rs l a g g m g r e s i s t a n c et h a nh i 9 1 1 a l 啪i n ab a s e dr e f r a c t o r y t ob u m i n gy u n - g u ic o a l a n d l e n g s h u i j i a n gc o a l ，a n d s oo n b e s i d e s ，t h ec o n c 印to fac r i t i c a lt e m p e r a t u r e ， w h i c 血 i n t r o d u c e dl i n e a rf i t m e t h o d ，w a sp r o p o s e db a s e d o ns t a t i cs i n t e r i n ge x p 丽m e n t t 1 l e 嘶t i c a l t e m p e r a t l l r e w e f eq i b t a i n e dr e s p e c t i v e l yf o rc o a lo fl e n g s h u i j i a n g ，j i n 。d o n g n i n ga n dl u 。z h o u ， w h i c hw i l lp r o v i d ep o w e r m l r e f e r e n c ef o rs e l e c t i n gr e 仃a c t o r ) ra i l dc o n t f o l l i n gf u m a c e l i t e m p e r a t u r ew h e nb u m t h e s ec o a l so rs i m i l a rc h a r a c t e n s t i cc o a l s k e yw o r d s ：h e a t i n s u l a t i n gr e f r a c t o r y ；b o i l e r ；s l a g g i n g ；c t i c a ls l g g i n gt e m p e r a t u r e l i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 矗】而众 日期：哆年歹月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 三1 序泵 日期：矽口夕年厂月，夕日 导师签名：觞9 孝涉日期：哗，月日 第一章绪论 1 1 我国煤炭地位及其利用情况 能源是人类经济发展、生活水平提高、文明进步的基础。中国是仅次于美国 的世界上第二大能源消费国，占世界平均消费的1 0 强。其中7 6 是煤，1 1 是石 油，天然气是3 ，其它非常规能源为1 0 。在未来的1 0 2 0 年里，中国的经济仍 将保持较高的平稳增长势态，对能源需求的增长不可避免。因而，以煤炭为主体 的能源结构在2 0 年内将不会发生根本的改变。这就决定了煤炭在一次能源中的重 要地位。 我国煤炭资源广，种类繁多。在全国己发现煤炭资源中，褐煤占1 2 6 8 ，低 变质烟煤( 长焰煤、不粘煤、弱粘煤) 占4 2 4 5 ，中变质烟煤( 气煤、肥煤、焦 煤、瘦煤) 占2 7 5 8 ，贫煤、无烟煤占1 7 2 8 。煤炭的用途十分广泛，可以根据 其使用目的总结为两大主要用途：( 1 ) 动力煤，( 2 ) 炼焦煤。其中，发电用煤约占 总煤量的1 3 以上。近年来，国家经济飞速发展，电力需求不断提高，燃煤电厂 担当着十分重要的角色。随着煤价不断上涨，为追求企业效益，火力发电厂大多 燃用低质煤或混煤。据统计，目前燃煤电厂年消耗劣质煤近2 0m t ，约占开采劣质 煤总量的2 5 。 由于劣质煤化学活性差，在锅炉中燃烧不稳定，常致使锅炉设备磨损、焦渣 现象加重、除灰量大等。到2 0 0 5 年底，火力发电机组装机容量已突破3 7 亿k w ， 解决劣质煤的利用问题将对燃煤锅炉运行的安全与经济性有着非常重要的意义。 1 2 低质煤对燃煤锅炉的影响 低质煤水分高，灰份大，发热量低，挥发分低，着火点高等，所以其煤着 火困难，且燃烧不稳定。燃烧锅炉燃用低质煤时，不仅会影响锅炉安全运行， 还是降低锅炉效力。 燃用低挥发分煤时，炉内温度较较低，煤粉难以着炎。为了确保燃烧稳定， 常需投油辅燃，这必将增加燃油消费，经济性受影响。煤粉不能很好燃烬，必将 增加燃烧不完全损失增加、排烟损失增加，锅炉出力下降。另外，原煤的挥发分 低，可磨性系数下降，制粉系统的回粉率升高；出力下降，导致制粉耗电大幅上 升，制粉系统运行时间增加或磨煤机投入台数增加，吸风机耗电也大幅攀升，锅 炉侧厂用电率升高；除灰系统由于灰水浓度大而造成灰泵出力不足，严重威胁设 备安全； 河津电厂自2 0 0 0 年投产以来，燃煤偏离设计，该厂2 0 0 2 年1 2 月降负荷2 次，2 0 0 3 年共降负荷或带不起负荷10 次，影响厂用电率升高总计0 31 左右， 锅炉投油助燃2 0 0 2 年1 次，2 0 0 3 年2 次，2 0 0 4 年4 次。以上这些情况都说 明燃用低质煤使锅炉运行安全性，经济性降低。 1 3 低质煤稳燃技术的应用 低质煤的稳燃问题一直困扰锅炉大幅度低负荷调峰运行。为改善锅炉稳燃性 能，提高锅炉燃烧效率及运行安全，减小有害气体对环境的危害，目前已经开发 了多种燃烧技术。 1 3 1 燃烧器稳燃技术 为保证锅炉燃用低质煤时正常运行，目前已开发出了多种高效稳燃的燃烧 器。从近3 0 年发展历程来看。燃烧器稳燃燃技术主要经历两大主流技术：强化回 流型煤粉稳燃技术与浓淡分离型煤粉稳燃技术【2 习1 ( 1 ) 强化回流型煤粉稳燃技术 强化回流的原理是利用粘性流体绕流受阻时背后产生稳定的回流区，由于高 温烟气回至负压区与煤粉颗粒进行对流热交换，使得煤粉着火提早，燃烧效率提高， 达到节约能源的目的。据此原理，先后出现了钝体燃烧器，火焰稳定船式直流煤粉 燃烧器，一次风折边型夹心风燃烧器、燃烧器等等。 人们对此技术已作了较深入的研究马毓义劣质煤钝体稳燃器中国专利： c n 8 5 1 0 0 8 2 4 1 9 8 5 0 4 一0 1 。j m b e e r 及a b h e d l e y 等研究了回流烟气对无烟 煤煤粉及燃烧系统的影响，发现回流量大于2 0 时对燃烧产生积极的影响。b e e r 在一维炉的实验中发现，引入回流烟气后，无烟煤粉的火焰传播速度增加3 倍。 e f f e n b e r g e r 亦对此进行了验证。e s s e n h i g h 与c s a b a 运用计算结果说明了回流烟 气使火焰传播速度提高1 0 倍以上。 ( 2 ) 浓淡分离型煤粉稳燃技术 目前，国内大多数燃用劣质煤的锅炉采用了浓淡分离型煤粉稳燃技术浓淡 燃烧器采用煤粉浓缩装置将一次风煤分成两股，浓侧含粉比为8 0 一9 0 ，淡侧为 1 0 2 0 。浓侧因风量降低，致使着火热降低，煤粉着火提前。煤粉浓度相对增加 也加速煤粉的热解，同时也提高了燃烧黑度与辐射吸热量，促进了着火。 但也存在以下问题：浓淡燃烧为非化学当量燃烧，对配风的要求很高，易 导致燃烧后期混合不良，使未燃尽损失增大；易导致锅炉浓侧水冷壁管的高温 腐蚀；浓侧的还原性气氛易引发炉膛结渣。 1 3 2 超细煤粉燃烧技术 许多学者对超细煤粉特性作的大量研究表明：煤粉超细化后，其着火点下降， 着火提前，煤粉更易于燃尽，且燃尽温度下降。因为煤粉的细化、超细化，会使 2 得颗粒的比表面积大大增加，从而更加有利于挥发份析出与煤颗粒的非均相着火。 随着全球污染问题的日益加重，n o x 排放控制问题已引起世界各国普遍关注。 m 。n a k a m u r a 等人在日本c h u b u 电站的单机容量为7 0 0 m w 机组上进行超细化煤 粉燃烧试验中发现：相比常规煤粉，燃用超细化煤粉燃料可提高燃尽率及减少n o x 气体生成量。金晶哺j 通过计算与实验发现n o x 还原率可上到7 0 。 超细化煤粉燃烧技术具有稳燃、燃烧效率高、低n o x 污染等优点。因此，采 用超细化煤粉燃烧技术对解决目前火电厂低负荷稳燃、减少n o x 生成量以及提高 燃煤燃烧效益等问题具有重大的理论意义和工程应用价值。 1 3 3 汽化小油枪燃烧技术 汽化小油枪是利用高速空气流实现燃油雾化燃烧，以提供煤粉着火区所需的 局部高温、高热源着火条件，保证煤粉出口的着火稳燃要求，形成一种稳定的 热源，从而实现整个炉膛煤粉稳燃的高效稳燃装置。将其布置在一次风口处，可 使得燃油发热量全部用于煤粉气流的升温着火。 煤粉中的挥发份在较低的截面热负荷下易造成析出不稳定，使得着火初期发 生脉动性燃烧，随着时间的延续，使燃烧恶化。汽化小油枪的投入，为煤粉燃烧 提供了较为稳定、充足的可燃气体，消除了燃烧脉动现象。在更低负荷需要投油 稳燃时，通过气化小油枪的燃烧热，保证了煤粉出口的着火稳燃要求，形成局部 稳定的热源，从而实现整个炉膛煤粉稳燃要求的良性燃烧循环。 迄今为止，汽化小油枪燃烧技术已在全国多台锅炉得到应用。工程应用表明： 汽化小油枪燃烧技术是一种节能并实现低负荷稳燃的有效节能手段。因其改造工 作量小和安全可靠等优点，是目前稳燃负荷在7 5 左右又需要调峰的电站锅炉煤 粉燃烧器技术改造的理想选择。 1 3 4 提高煤粉气流初温 煤粉着火温度所需要热量除来自炉膛辐射热与气粉对流所获热外，还有部分来 自于入炉前其自身热量。因此，提高煤粉气流初温，是减少煤粉气流的着火热， 并提高炉内温度水平，使着火提前的较好途径。提高煤粉气流初温的直接办法是 提高热风温度。 1 3 5 卫燃带稳燃技术 切圆燃烧锅炉中，煤粉气流吸热量2 0 左右来自燃烧器出口区域以外的燃烧 产物辐射热，而8 0 则来自燃烧器出口区域燃烧产物的对流换换热。因此，该区 域火焰温度水平决定着煤粉着火的稳定性。火焰温度高。越有利于煤粉气流的稳定 燃烧；反之亦然。 卫燃带作为一种敷设在水冷壁管表面的一种耐火隔热层【1 2 j 4 】高炉内气温，实 3 现稳定燃烧。使用卫燃带后，很大程度地阻隔了燃烧器区域燃烧产物放热，从而使 燃烧器区域( 包括其出口区域) 的火焰温度水平得到较大提高；同时，由于着火距离 相对提前，燃烧器出口区域火焰温度得到进一步提高。实践表明，煤粉射流的初始 流量不变，使用卫燃带前后，该区域火焰温度平均每升高1 0 ，煤粉气流从燃烧器区 域以对流方式吸收的热量分别增加约o 8 3 。可见，卫燃带技术使燃烧器出口区火 焰温度水平有很大提高。 在实际中，煤粉气流卷吸的燃烧产物总量随其射流行程的增加而增加。因敷设 卫燃带后着火距离提前，煤粉气流着火前卷吸的燃烧产物总量减少，使得卷吸的 燃烧产物量减少，而燃烧产物的质量有了很大提高，即燃烧器出口区域火焰温度水 平有了大幅度提高。 综上分析可见，卫燃带技术能够有效起到稳燃作用的关键得益于燃烧器出口 区域火焰温度水平的较大幅度提高。 ( 1 ) 卫燃带优点 卫燃带作为一种有效的耐火层，在冶金、陶瓷等多领域已经得到很大的推广。 燃煤锅炉中应用卫燃带后，可以大大改善低质燃料的着火稳燃性能，提高燃烧效 斟1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 1 。 石门电厂3 0 0 m w 机组的1 0 2 5 t l l 煤粉炉用混煤燃烧，偏离了设计煤种，虽然 采用了具有高稳燃性能的双通道自稳式w r 型燃烧器，但因炉内火焰温度偏低， 四角燃烧区平均温度仅为1 1 9 1 ，致使低稳燃负荷只能达到2 1 0 m w 。而之后在燃 烧器区域的四周炉墙上敷设了7 5 m 2 卫燃带后，在不投油稳燃负荷降至1 6 0 1 8 0 m w 。实践说明，卫燃带可有利于燃煤锅炉变煤种、变负荷运行。 ( 2 ) 卫燃带存在的问题 卫燃带可提高燃烧区域温度，增强对入炉煤粉的热辐射，从而确保煤粉入炉 后着火稳燃。但是，敷设卫燃带后所引发的问题也很多。具体表现为以下方面： 炉内结渣 锅炉在运行时，卫燃带受热面温度会较敷设前水冷壁温度高几百摄氏度。当 液态煤灰到达其表面时仍未凝固，则会于形成液态渣【1 5 j7 1 。近年来，许多国内外 的电力企业纷纷改烧低质煤以寻求更大的经济效益，这必然会使锅炉结渣变得更 为严重。锅炉结渣会破坏正常燃烧工况，减少锅炉出力，破坏正常水循环，造成 爆管事故，严重时还会使炉膛出口堵塞而被迫停炉，极大地影响锅炉的安全性和 经济性。据统计，中国由于结渣而降低出力和热效率分别为2 0 和2 5 n o x 生成量 敷设卫燃带后，会使炉内四角产生局部高温，使得n o x 的生成量会增多，对 环境影响变重。如何解决这一问题，就须从燃嘴布置及输送风煤方式上进行必要 的调整。f r a n kk 1 u g e r 等在控制炉膛壁温的条件下对空气分级燃烧进行的实验研究 4 表明：只要空气分级合理，并维持足够高的炉膛壁温，能够获得较低的n o x 生成 及较高的燃烧效率 煤质 锅炉燃煤多采用设计煤种，但因为多经济效益考虑，燃用煤种可能发生变化。 而煤质的变化，必然会对其在卫燃带表面结渣产生影响。只有再通过试验摸索， 才可能找到更理想的抗结渣材质以适应于新煤种。更新煤种与更换卫燃带材质， 也意味着对卫燃带面积重新进行调整。 敷设面积 燃用低质煤的电站煤粉炉大多采用卫燃带技术稳燃。卫燃带的敷设面积受限 于煤质，燃质不稳定，则会因面积过大导致炉内严重结渣或因面积偏小而使稳燃 效果不理想。因此若变更煤质，则需要重卫卫燃带的敷设面积进行计算，重新要投 入一定的工作量。 综上所述，目前主要从输粉质量、新型燃烧器的研究与开发、炉体增设热阻 烧等方面着手解决锅炉煤种变化及变负荷引起的问题，从而实现稳燃，提高燃烧 效率。但是，煤粉颗粒细度受磨煤出力与磨煤电耗的影响不可能任意提高；锅炉 热负荷设计很大程度上依靠经验性，而且只针对单煤种进行设计，受煤种的限制； 浓淡燃烧器具有较强的低负荷稳燃能力，但因容易引起炉内结渣、水冷壁的高温 腐蚀及较高的飞灰含炭量；烟气回流型燃烧器的稳燃能力受到了回流烟气量与烟 气温度的限制；在炉内燃烧器区域敷设耐火隔热层的绝热燃烧几乎用于所有燃用 低挥发分劣质煤的锅炉，是实现稳定、高效燃烧最有效、最简捷的方法。目前传 统卫燃带材料( 碳化硅质、刚玉质等) 虽已在锅炉、水泥炉窑炉衬等高温环境中 有比较广泛的应用【1 7 1 ，但国内针对锅炉卫燃带材料上结渣机理的研究还刚刚开始， 因此，通过研究煤质特性、锅炉运行条件、耐火材料特性等对卫燃带表面结渣的 影响，从而为卫燃带的优化设计和应用提供指导，在卫燃带材料上达到不结渣( 或 微结渣) 的效果，显得尤为重要。 1 4 锅炉受热面结渣机理 早在6 0 年代初，美国、英国、西德和澳大 利亚就开始对煤灰的结渣机理进行了探究，但并 没有统一的论断。目前国内外比较认同的观点 是：燃煤锅炉的炉内结渣是复杂的物理化学过程 【1 8 抛】主要有三个过程：( 1 ) 灰粒在燃烧中形态变化 过程；( 2 ) 灰粒向水冷壁或卫燃带受热面输送过 程；( 3 ) 灰渣在受热面上的粘结长大过程。 ( 1 ) 煤灰是由煤中所含的原生矿物质、次生 5 霪 -_ _ 由一 层 o o 。 炉艟中心 n o _ t 。韧括沉积层 ：。 - - 。j _ 缓 j _ - - x - - _ _ 水冷壁表面结渣机理示 矿物质、外来矿物经过燃烧反应后对应生成的灰分组成。煤狄在燃烧过程中须经 过一系列的物理化学变化，它包括矿物质的挥发、冷凝、粘接、爆裂等。因为煤 中所含矿物质的存在形态不同，对应灰分在燃烧过程中的形态变化也不同。对于 原生灰分，与煤中有机物相联系的n a 离子、k 离子及其氧化物在高温下挥发成气 态。而与煤有机体相连的c a 离子和m g 离子，当煤燃烧，煤颗粒表面边界层中的 含氧量足够低时，也会导致c a 和m g 的挥发，在低氧量时则会生成1 ，l 的小颗粒。 挥发态的n a 、c a 、k 一方面在残留灰粒表面发生非均相的冷凝，生成低熔点灰粒 相【2 3 1 ：另一方面，也发生均相成核凝结，生成o 0 2 o 5 ，z 灰尘微粒。对于离散分 布在煤中的次生灰分，在煤粒燃烧过程中，随着碳的消耗，离散的灰粒发、生积聚( 核 缩过程) 。或者碳燃烧时发生破裂，灰粒也跟着破碎，形成不同尺寸的灰粒。对于 外在灰分，有些灰粒在燃烧过程中熔化，粘结在一起形成较大的灰粒，而有些灰 粒随着碳粒在熔化过程中的爆破，形成尺寸较小的残留飞灰。 ( 2 ) 灰粒向水冷壁或卫燃带受热面输送机理主要包含三个：l 。挥发性灰的气 相扩散；2 。热迁移3 。惯性迁移。对小于l 加的灰粒的气相灰分，其迁移方式 主要为：费克扩散、布朗扩散及湍流旋涡扩散。对于1 1 0 m 的灰粒，因受温度 梯度存在的影响，热迁移是其主要的输送机理。而对大于1 0 聊的灰粒，受炉内气 流影响较大，其撞击受热面的概率取决于灰粒的惯性动量、灰粒所受阻力、灰粒 在气流中的位置。 ( 3 ) 受热面结渣经历了初始沉积层( 内层) 、中层与外层三个过程。初始沉积 层是厚度约o 。2 o 。5 m 聊为化学活性高的薄灰层，主要是由挥发分灰组分的冷凝 及微小颗粒的热迁移共同作用而形成。它具有矿物质选择性与富集现象，碱金属 类和碱土金属灰硫酸盐含量较高。初始层具有良好的绝热性能；中间层主要由低 熔点物质组成；而外层无矿物质选择性，主要取决于灰粒的惯性沉积。 1 5 结渣的影响因素及评判方法 1 5 1 影响因素 炉内结渣是一个动态的物理化学过程【2 4 2 6 1 。影响因素较多。其中有来自煤 质特性、锅炉设计特性参数、设备运行管理等主动方面的因素等【2 7 。3 1 1 。 1 煤灰的矿物组成特性 煤灰的矿物组成是锅炉结渣的内因，具体表现在狄的熔融特性和灰渣流动特 性上。一般认为，煤中的n a 、k 、c a 、f e 等碱性金属或碱性矿物质，含量大时， 灰熔点低，容易提高结渣程度；煤中的s i o ：、a l ：0 。含量大时，灰熔点高，就不 易结渣。电站动力用煤的灰熔点一般在1 4 0 0 “1 6 0 0 ，但近年来，煤价不但上升， 许多电力企业为追求效益，纷纷燃用低质煤或进行不同煤种的搀烧，这就使得有 些电厂用煤的灰熔点低于1 1 0 0 ，燃用这类煤则会更容易出现结渣现象。 6 2 受热面的物化特性 受热面的表面粗糙度越高，熔融灰粒的润湿性越好，灰粒与受热面的咬合粘 附力越强，此外，较高的表面温度也会有助于加强这种物理咬合。受热面材质的 化学性质是影响煤灰结渣的一大因素，如果其化学性与熔融灰煤越相近，则两者 的化学兼容性越强，煤灰对受热面的动态侵蚀就会越严重。所以，选择受热面材 质时应该尽量避免二者化学性兼容。 3 锅炉的设计、安装及运行 锅炉结构设置、燃烧器布黄等对锅炉的结渣有直接影响。辐射受热面布置较 小，水冷壁管间距过大，吸热量小；锅炉超负荷运行，造成炉膛热负荷过高；炉 膛出口烟温选得太高；风煤配比不当致使出现还原性气氛等，这些都是导致结渣 频繁发生的原因。 4 炉内热力工况与环境气氛 电站锅炉炉内温度约为1 4 0 0 16 0 0 之间，煤粒燃烧时其本身温度要比炉内 温度高2 0 0 3 0 0 ，故煤灰在炉膛中心几乎全部为液态。液态灰粒向受热面的输 送过程是一个温降过程，因此，炉内热力工况必然影响煤灰冲撞受热面时的形态， 进而影响灰粒被受热面捕捉的概率。研究结果表明，炉内温度增加，结渣程度将 随指数规律增长。 炉内的还原性气氛对结渣也起着重要影响。它能将高熔点矿物质还原来低熔 点物质( 如f e 。0 。还原为f e o ) ，并与s i o ：形成熔点更低的共晶体，使得煤灰更易 于结渣。 5 清渣打渣 ： 清渣打渣不及时，会使受热面热阻变大，提高了受热面的表面温度。同时增 大了煤灰与明火的混合机率，更加导师焦渣的形成。 1 5 2 煤灰结渣特性的评判 目前，国内外评判和预测燃煤结渣性能的方法有很多，但归纳起来可分为两个 方面：单指标评判方法和多指标综合评判方法【3 2 。3 8 】。 2 3 1 单一指标评判方法 所谓单一指标评判方法即只根据某一种指标来粗略评判锅炉结渣倾向。结渣 的评判指标很多，主要分为煤质与锅炉运行两方面。煤质方面包括常规指标与非 常规指标。常规指标有软化温度s t 、铝比、酸比和硅比：非常规指标有重力筛分、 磁力分析、相图、热显微镜等。锅炉运行方面指标有锅炉燃烧器结构、流场、出 口烟温、切圆直径、过量空气系数、锅炉负荷比等。 单一指标法简单，容易从一个角度对煤种很快作出结渣评判与预测，为许多 7 电站采用。近年来，其得到了很大的改进，但因其可靠性不高，很难准确对实际 燃烧中情况做出判断，在一定程度上限制了它的发展。美国e p r i 曾调研了各种结 渣指数的分辨情况，调研结果表明，没有任何一项单一的指标可以完全j 下确预报 结渣倾向，评判可靠性只有7 0 左右。 2 3 2 多指标综合评判方法 多指标综合评判方法是将多个指标综合起来，并结合模糊数学、模式识别和 人工神经网络等达到预测煤结渣特性的方法。煤灰在受热面结渣的影响因素错综 复杂，很难用精确的方法测量来得到。用多指标综合评判方法可兼顾到不同的因 素对结渣特性的影响，评判的准确性比单一指标判别法要高。 1 模糊数学 早在上个世纪8 0 年代，孙亦碌等人便运用模糊数学4 9 。5 4 1 结渣性并编写了结渣 评判程序；进入9 0 年代，邱建荣等人将煤灰成分及灰熔点作为模糊综合评判的因 素集，并将灰色聚类理论引入到燃煤结渣评判中。冯宝安等人针对常规指标评判 燃煤结渣特性准确率不高的特点，提出采用常规结渣指标的模糊综合评判方法， 建立了从因素集到评判集的模糊映射并导出模糊关系矩阵，通过合理选取权重集 及隶属函数之后，使得评判结果更与实际贴近。本世纪初，曹欣玉等人提出采用 模糊划分矩阵的第二类模糊聚类分析方法来划分结渣等级标准和聚类中心，然后 用最小广义距离来判断混煤的结渣倾向，该方法具有较强的客观准确性。此外， 杨圣春提出了分别适合于预测单一煤种和混煤的模糊评判模型c s m1 和c s m 2 ； 许志华则针对有关模糊判别法和灰色聚法中所出现的缺欠，对其进行了补正，并 讨论了补正后引起的计算量增大的问题。 2 模式识别 模式识别方法分为直接方法和间接方法，而间接方法在电站用得相对多些。 模式识别方法应用于燃煤结渣预测和评判所经历的时间不长，涉及此种方法的文 献资料较少。 3 人工神经网络 人工神经网络是一种延模人脑功能的新型信息处理系统。在上世纪末，钱诗 智等人采用b p 网络对煤灰结渣性能进行评判；后来肖隽等人对b p 算法进行了改 进，引入了共扼梯度和自适应学习速率，建立了煤灰结渣诊断网络；谷俊杰等人 将粗集理论与模糊神经网络结合起来，先用粗集理论提取规则经验，再将此规则 应用于模糊b p 网络的建模，建立了基于粗集理论的4 层模糊神经网络。随着人工 神经网络应用于结渣评判越来越趋于成熟，其评判与预测的可靠性也将会越来越 高。 1 6 卫燃带 1 6 1 卫燃带发展现状 卫燃带是敷设在炉体受热面的一层耐火隔热层，它能起到提高炉温，实现炉内 稳然的作用。目前，在国内外的电力、冶金、建材、石化、机械加工等行业已得到 很大的应用。中国经验不断腾飞，电力、冶金、建材等诸多行业保持着稳步发展。 但能源紧缺是目前制约经济发展的一大因素因此，走节能高效路子是一种必要 因此从未来发展来看，卫然带耐火材料的需求仍将很大。 近几十年来，世界科学与技术的高速发展令人瞩目，先进耐火材料的制备技术 也随之日新月异，耐火材料的性能也有了极大的提高。新型耐火材料的研究与应 用对于高温工业发发展将有极大的价值意义。 新一代优质、高效耐火材料应具备以下特点：更长寿，无污染，功能化，主要体 现为以下方面： 1 新型高性能的复合原料的开发。s i a i o n 是由s i 、a i 、o 、n 组成的化合物， 是s i 3 n 4 中的元素经置换而形成的一大类固溶体的总称。s i a l o n 材料具有很高的常 温和高温强度，优异的常温和高温化学稳定性，很强的耐磨性，良好的热稳定性和 不高的密度，在石油、化工、冶金、汽车和宇航等领域都有广泛的应用前景。例如， 它既可以用来制造轴承、切削刀具、耐腐蚀泵、机械密封部件、燃气轮机叶片和 火箭喷嘴等，又可以用作碳化硅、刚玉等耐火材料的结合剂。 2 无污染、功能化耐火材料增多。近些年来，耐火材料发展不断提高，有 些产品不只具有耐高温能力，还发展了诸如透气、防堵塞、净化钢水等功能 a 1 2 0 3 c o r d i a l l y ，( m a c ) 滑板在一些钢厂使用，取得满意的效果：例如，它们在首都 钢铁集团公司三炼钢厂9 0 t 钢包上使用，可连续使用6 炉次，最近开发出的低碳 o a 1 2 0 3 s i a l o n ( a s c ) 和s i a l o n 结合刚玉( s b a ) 滑板具有较高的高温强度和较好的抗 热震性，在连铸洁净钢方面会有很好的应用前景，经试用已取得较好的效果。 3 不定形材料已进入高温领域并取得良好效果。不定形材料已广泛用于温 度高达16 0 0 一l7 0 0 ，并且( 或者) 存在熔渣( 或碱) 的化学侵蚀和冲刷、高温 钢水的冲击、急剧的热震等恶劣使用部位。我国高炉出铁沟用a 1 2 0 3 s i c c 浇注料 和钢包包衬用a 1 2 0 3 m 9 0 浇注料的理化性能优异，前者炉役寿命大于1 5 万t 铁水通 过量；后者寿命大于1 0 0 炉次，最高超过2 5 0 炉次【5 5 】 1 6 2 卫燃带材料研究进展 在高温工业的发展和技术进步的促进下，我国耐火材料工业迅速发展，耐火 材料产量已多年居世界第一。卫燃带作用一种敷设在受热面表层的耐火材料，其研 9 究己取得了新的进展。 在国外，乌克兰国家耐火材料研究院以球面刚玉为原料，采用半干压法制成了各种 形状与规格的轻质耐火隔热材料5 6 5 7 】为o 4 1 3 c i n 3 ，作业温度可达1 8 0 0 ，6 0 0 时的平均导热系数为1 2 8 1 7 8 w m k ，1 7 0 0 以下无残余收缩；日本学者【”j 用热压煅 烧工艺将莫来石与铝箔制成一种抗脆性断裂的高性能耐火隔热材料，这种基质板材的抗 折强度和断裂韧性分别为3 3 0 4 2 0 m p a 和5 2 5 9 m p a m 1 2 ，基本解决了一般耐火材 料的脆性问题。 在国内，洛阳耐火材料研究院与耐火材料厂成功开发出了基于氧化铝空心球的耐火 隔热材料制品【5 9 石1 】材料厂以a 1 2 0 3 为主要原料开发出了f c 系列耐火隔热材料制品，抗 热震性好，安全工作温度为1 5 0 0 ，1 0 0 0 空冷时可达2 0 次以上； 新技术应用也不断地渗透到耐火材料制造工艺上。目前陶瓷可拆式耐火材料【6 3 侧 成功应用于云浮电厂2 号炉上【6 5 】现了耐火材料敷设面积的可调性，提高了炉内温度的控 制，实现煤粉稳燃；改进的陶瓷蜂窝式材料，能适应大多数加热炉控制水平低、燃烧状况 恶劣的实际条件，蓄热量增大1 2 一1 5 倍，换向同期比挤出式蜂窝体提高1 2 1 5 倍，使 用寿命大幅提高。 1 6 3 材料分类 耐火材料在高温工作区使用较多，如此要求其必须具有良好的组织结构、抗热 性能和使用性能，即具有较高的耐火度、荷重软化温度、抗热震性和抗化学侵蚀等 性能，才能满足高温工作的需要。耐火材料的品种繁多，分类方法多种多样，常见 以下几种 ( 1 ) 按矿物组成分类 按矿物组成分类可以较好地反映出耐火材料的性质、结构及特征，是目前应用 最广泛的分类方法。耐火材料按化学矿物组成可分为8 类：硅质制品、硅酸铝制品、 镁纸制品、白玉石制品、铬质制品、碳质制品、锆质制品、特殊制品。 ( 2 ) 按化学特征分类 耐火材料按化学特征可分为3 类 酸性耐火材料。酸性耐火材料是以二氧化硅为主要成分的耐火材料，主要 指硅砖和锆英石砖；酸性耐火材料能耐酸性熔渣侵蚀。 中性耐火材料。中性耐火材料主要指以a 1 2 0 3 、c r 2 0 3 和碳为主要成分的耐 火材料，如刚玉转、高铝砖、碳砖等。其特征是对酸性渣和碱性渣都具有抗侵蚀 能力。 碱性耐火材料。碱性耐火材料主要是指以氧化镁氧化钙为主要成分的耐火 材料，包括镁砖、镁铝砖、白云石砖等。碱性耐火材料对碱性渣油较强的抗侵蚀 能力。 l o 耐火材料的性能分为结构性能、热学性能、力学性能以及使用性能。耐火材 料的结构性能包括气孔率、吸水率、透气度、气孔孔径分布、体积密度、真密度 等【4 8 ，4 9 1 ，它们是评价耐火材料质量的重要指标。 耐火材料的热学性能包括比热容、热导率、热膨胀性等。它们是衡量制品 能否适应具体热过程需要的依据。耐火材料的热学性能与其制造所用的原料、工 艺，化学成分、晶体结构、纤维结构都密切相关。 耐火材料的力学性能是指耐火材料在外力作用下，抵抗形变和破坏的能 力。耐火材料在使用和运输过程中会受到各种外界作用力如压缩力、拉伸力、剪 切力、摩擦力或撞击力的作用而变形甚至损坏。 耐火材料的使用性能是指耐火材料在高温下使用时具有的性能。包括耐火 度、荷重软化温度、抗渣性、抗氧化性等。 锅炉卫燃带应用环境恶劣，炉膛温度高、温度变化大，且烟气有腐蚀性、材 料表面粗糙，极易粘附煤灰，造成卫燃带材料表面结渣乃至侵蚀。因此，对锅炉 卫燃带材质的技术要求是：耐高温、耐磨蚀、低热导、低密度、具有较高高温强 度、表面抗结渣，而抗结渣性能为最重要的指标。 1 7 本文研究内容 国内外学者己对结渣的现状、预防等方面做了大量工作，但因结渣形成过程 较复杂，使得对结渣形成的机理及其预防还没有十分成熟的理论。所以，本课题 决定从卫燃带入手，希望对配备煤灰渐变试样，研究渐变成分对煤灰在卫燃带表 面结渣机理及临界温度的影响规律，找到一种对应于某煤样具有不粘煤灰潜力的 新型卫燃带耐火材料去解决锅炉稳燃与结渣的问题。这对于优化卫燃带耐火材料 具有很大的现实意义。 2 1 实验依据 第二章试验依据及方案 卫燃带在许多燃煤电厂已得到广泛应用。但因其物化性质与水冷壁管表面的 结渣有很大不同，致使煤灰结渣发生很大改变。目前，国内外许多学者在硅酸盐领 域对氧化与非氧化性耐火材料的结渣机理、抗渣性能进行了研究和分析 2 3 ，2 4 ， 4 9 5 3 】对煤灰在耐火材料表面的结渣的研究目前国内外不是很多。本文根据目标常 用的卫燃带材质，分别制备了三种耐火材料板。并选用长沙周边电厂常用煤种制 备灰样，研究灰中成分及成分渐变对结渣的影响，。 本文共进行了两部分实验，分别是成分渐变试样灰熔点实验和试样在耐火材 料表面结渣机理研究实验。通过灰熔点测量及对结渣机理的分析，为电厂卫燃带耐 火材料选型和防结渣提供理论依据。 2 2 煤样选取及样品制备 2 2 1 煤样选取 湖南周边的煤碳多属挥发分高，发热量较低的褐煤，劣质烟煤。本文通过选 取湖南长沙周边电厂用煤作为基煤进行实验。 2 2 2 样品制备 先将煤块放入长沙仪器仪表厂生产的f n l 0 1 2 a 型鼓风干燥箱中在7 0 8 0 温 度下干燥至恒重，去掉外在水分。然后将将其g j 1 i 型密封式化验制样粉碎机上磨 碎后，再将过2 0 0 目筛的煤粉收拾在棕色瓶内，贴上标签，放置于干燥阴凉处保 存备用。 2 2 3 煤样分析 燃煤锅炉主要是利用煤粉中的热能，因此了解煤样的工业分析组成与元素分 析组成有助于设备的燃烧技术和传热研究。 ( 1 ) 煤样工业分析组成 工业分析组成是用工业分析的方法得到的规范化组成。该组成可以给出燃料 ( 特别是固体燃料) 中可燃成分和不可燃成分的含量。工业分析组成包括水分、 灰分、挥发份和固定碳四种成分。工业分析组成并不是燃料的初始组成，而是在 一定条件下，用加热的方法将燃料极为复杂的成分加以热解和转化得到的。工业 分析是动力燃料成分分析的一个重要项目。实验煤样的工业分析结果见表2 1 。 1 2 ( 2 ) 煤样元素分析组成 元素分析组