（工程热物理专业论文）配煤煤灰内矿物质转变过程与熔融特性规律研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着我国电力工业的发展，配煤的应用越来越广泛，随之而来的对配煤特性 的研究变得重要，其中配煤煤灰熔融特性是研究的重要内容之一 配煤虽是一个简单的机械混合过程，其灰熔点变化趋势很复杂，与算术平均 值相差甚远，也不表现出线性关系，有时混煤的灰熔点比两种单煤都低，有时则 比两种单一煤都高。这种现象用煤灰化学组成变化对煤灰熔融特性的影响规律难 以解释，必须对煤中矿物质的组成及变化进行研究。不同煤种混合后，煤中矿物 质组成及含量发生变化，在加热过程中，矿物质本身及矿物质之间要发生化学反 应而生成新的矿物质，同时矿物质之间还可能发生低温共熔现象，从而使混煤的 灰熔融特性发生变化。过去国内外对单一煤种的矿物质行为的研究较为重视，在 配煤熔融特性及结渣特性方面的研究则不深入，仅从化学组成变化的影响方面进 行过研究，从矿物学角度对配煤煤灰熔融机理进行研究较少。 本文在总结前人煤灰熔融特性研究的基础上，对配煤煤灰烙融特性进行研究。 选择了两种具有代表性熔融特性并且应用广泛的的平朔和神木煤样，利用热天平 对配煤灰样进行t g - d s c 试验，来了解煤灰熔融在t g d s c 曲线上的表现特征， 并对8 0 0 温度状况下制得的灰样进行x - 射线衍射物相分析，以此来了解灰样内 的矿物组分随着配比系数的改变而发生的变化规律；并进一步研究配煤灰样在加 热过程中的矿物质行为转变过程，配煤对煤灰内矿物质组成的影响，并分析灰样 内矿物组成的差异对灰样熔融特性的影响规律，为今后的配煤工作提供一定的指 导。 关键词：配煤煤灰熔融特性矿物转化热分析x r d 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fe l e e l r i cp o w e ri n d u s t r yi no u rc o u n t l y , t h eu t i l i t yo f b l e n d i n g - c o a li sm o r ep o p u l a r , t h es t u d ya b o u tb l e n d i n g c o a lc h a r a c t e r i s t i e sb e c o m e s m o r ei m p o r t a n tt h a nb e f o r e ，t h es t u d ya b o u tf u s i o nc h a r a c t e r i s t i co f b l e n d i n gc o a li st h e i m p o r t a n to n eo f t h e m a l t h o u g hc o a lb l e n d i n gi so n l yas i m p l em e c h a n i c a lc o m p o s i t i n gp r o c e s s ，i t s c o a l a s hc h a n g i n gt e n d e n c yi sv e r yc o m p l e x b e i n gv e r yd i f f e r e n tf r o mm e a nv a l u ea n d r e p r e s e n t i n gn ol i n e a rr e l a t i o n , s o m et i m e st h ef u s i o np o i n to fb l e n d i n gc o a li sl o w e r t h a na n yo fs i n g l ec o a l s b u ts o m et i m e si ti so p p o s i t e 佻sk i n do fp h e n o m e n o ni s d i m e u l tt oe x p l a i nw i t ht h ei n f l u e n tr u l ea b o u tc o m p o s i t i o na l t e r a t i o no fc o a l - a s ht oi t s f u s i n gc h a r a c t e r i s t i c ，s ow es h o u l ds t u d yt h ec o m p o s i t i o na n da l t e r a t i o no fm i n e r a l si n c o a l nd i f f e r e n tk i n d so fc o a l sw e r eb l e n d e d , t h ec o m p o s i t i o na n dc o n t e n to f m i n e r a l si nb l e n d i n gc o a lc h a n g e ，i nt h eh e a t i n g - p r o c e s s ，c h e m i c a lr e a c t i o n sa r e o c c u r r i n gi nm i n e r a l sa n db e t w e e nd i f f e r e n tm i n e r a l s ，a tt h es a m et i m e ，l o wt e m p e r a t u r e e u t c c t i cp h e n o m e n o nm a yb eo c c u r r i n gb e t w e e nd i f f e r e n tk i n d so fm i n e r a l s i nt h e r e s u l to ft h e m ，t h ef u s i o nc h a r a c t e ro fb l e n d i n gc o a lc h a n g e s i nt h ep a s t ，t h em i n e r a l s b e h a v i o r so fs i n g l ec o a lh a v eb e e ns t u d i e dp r o f o u n d l yi nw o r l d b u tt h es t u d yi nf u s i n g a n ds l a gc h a r a c t c r i s t i co fb l e n d i n gc o a li ss t i l lv e r yf e w ，c e r t a i ns t u d i e sh a v eb e e n p r o c e e d e df r o m 协ea s p e c to fc h e m i c a lc o n s t i t u t i o na l t e r a t i o n , b u tt h ef u s i n gm e c h a n i c s o f b l e n d i n gc o a l a s hi ss t u d i e dv e r yl i t t l ef r o mm i n e r a l s i nt h i sp a p e r , w es t u d i e dt h ef u s i n gc h a r a c t e ro fb l e n d i n gc o a lo nt h eb a s i so f p r e v i o u ss t u d y 孔ep a p e rc h o o s et h ep i n g s h u oc o a la n ds h e n m uc o a lt os t u d y , t h i st w o k i n d so fc o a lh a v es p e c i a lf u s i n gc h a r a c t e d s t i e sa n dh a v eb e e nu s e dw i d e l y t g - d s c t e s t i n g o fb l e n d i n gc o a l a s h e si s p r o c e e d e dt os t u d yt h er e p r e s e n t i n g f e a t u r eo f c o a l - a s h e sf u s i o no nc n r v e s t h e nx r dt e s t i n go fc o a l - a s hi sp r o c e e d e dt os t u d yt h e a l t e r n a t i n gr u l eo fm i n e r a l sc o m p o s i t i o na c c o r d i n gt om i x t u r er a t i o ，t h e nt h em i n e r a l b e h a v i o r so fb l e n d i n gc o a l a s h e si nh e a t i n gp r o c e s sa n dt h ei n f l u e n c eo fc o a lb l e n d i n g t om i n e r a lc o m p o s i t i o ni na s h e sa r cs t u d i e d , a n da n a l y s i st h ei n f l u e n tr u l ea b o u t d i f f e r e n c eo fm i n e r a lc o m p o s i t i o nt oa s hf u s i n gc h a r a c t e r i s t i c ，g i v i n gc u r t a i n s u p e r v i s i o nf o rc o a lb l e n d i n gi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c o a lb l e n d i n g c o a l - a s hf u s i o nc h a r a c t e r i s t i qm i n e r a la l t e r a t i o n t h e r m a la n a l y s i sx r d 学号：2 芝垒芝星 星乡 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘婆盘鲎或其他教育机 一一 ，构的学位或证书而使用过的材料。与我一l 一工作的j j 忐对本研究所做酌任何贞献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：乏i7 毛签字日期：2 彬占年r 月衫日学位论文作者签名：炙i f 。毛签字日期：2 彬6 年r 月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘茎 自关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝鋈盘鲎可以将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j j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 列岛 签字日期：卯饵s - 月尹曰 导师签名： 签字日期：。6 年歹月27 日 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 1 1 1 中国能源状况特点 第一章绪论 表1 1 世界主要国家2 0 0 4 年一次能源消费量【1 1 ( 单位：m t o e ) 随着经济的发展，我国对能源的需求越来越大，能源供应已成为制约国民经 济发展的重要因素。上图是b p 2 0 0 5 年度世界能源统计数据；世界主要国家2 0 0 4 年 一次能源消费量。 从中可以看到，在中国一次能源消费总量中，煤炭计5 5 7 亿t o e ，占总量的6 9 ，原油消费量3 0 9 亿t o e ，占能源消费总量的2 2 - 3 ，天然气消费量3 5 1 0 万t o e ， 占能源消费总量的2 5 ，核能消费量1 1 3 0 万t o e ，占能源消费总量的0 8 ，水电消 费量为7 4 2 0 万t o e ，占能源消费总量的5 4 与世界能源消费结构相比，中国是世界煤炭消费量最多的国家，占世界煤炭 消费总量的3 4 4 ，在一次能源中的消费比例远高于世界平均水平。原油消费总量 浙江大学硕士学位论文 位居世界第二，占世界原油消费总量的8 2 ，但在一次能源中的消费比例为2 2 2 ，低于世界平均水平近1 5 个百分点。天然气消费量较低，在一次能源消费中的 比例不到3 ，远低于世界平均水平。核能消费量较少，在一次能源消费中的比例 也低于世界平均水平。 1 1 2 煤炭在我国能源消费中的重要地位 化石能源是中国的主要能源，约占中国目前能源消费总量的9 3 。在化石能 资源中，按探明可开采储量比较，中国煤炭储量占世界第3 位，石油占第1 1 位， 天然气占第2 1 位。中国煤炭、石油和天然气的可采储量见表1 2 。煤炭是中国最 丰富的化石能源，在化石燃料资源中占有绝对优势，按同等发热量计算，是石油 和天然气总和的1 2 倍【“。这就决定了我国以煤炭为主要能源的格局在短期内不会 改变。表1 3 是中国从1 9 8 0 2 0 0 2 年一次能源消费结构状况，从中也可以看出， 尽管从1 9 9 8 年开始煤炭消费所占比重有所减少，但仍占有了一次能源消费总量的 6 5 以上，煤炭在我国的国民经济中占有重要的地位。 表1 2 中国化石能源探明可采储量 表1 3 中国近几年一次能源消费结构 2 浙江大学硕士学位论文 1 1 3 煤炭在我国电力工业中的重要地位 电力工业是国民经济发展中最重要的基础能源产业，是国民经济的第一基础 产业，是关系国计民生的基础产业，是世界各国经济发展战略中的优先发展重点。 作为一种先进的生产力和基础产业，电力行业对促进国民经济的发展和社会进步 起到重要作用。与社会经济和社会发展有着十分密切的关系，它不仅是关系国家 经济安全的战略大问题，而且与人们的日常生活、社会稳定密切相关。 一目前，火力发电占总发电量的8 0 左右，而火电中燃煤发电又占9 0 以上这 种状况直到下世纪中叶都难以有重大改变。火力发电用煤约占原煤消耗的三分之 一，据预测到2 0 0 5 年火电耗煤量将占6 0 的煤炭产量 2 - 3 】。 表1 4 2 0 0 4 年我国电力生产状况 2 0 0 4 年国务院批准了国家发改委依据“十五”电力发展规划提出的1 3 个电 站项目，这些项日发电装机规模共1 1 8 8 万千瓦，其中火电站就占9 个，占装机容 量的8 0 ，火电站的建设是2 0 0 5 、2 0 0 6 年发电站建设的主要部分。预计“十一五” 期间，虽然受到环保压力和煤炭供求紧张的影响，火电投产会有所放缓，但国家 批准投建的发电机组仍将主要是火电机组。受各方面条件的限制以及国家电力未 来的发展规划，可以看到中国未来很长一段时期仍将以燃煤发电为主。 1 1 4 动力配煤的重要意义 近年来，我国电力工业发展迅速，以煤为燃料的火力发电机组增加较快。我 国的绝大部分电力来源于煤炭发电，而且在以后很长时间内，煤电为主的格局不 会改变。 独立火电厂和单机容量的提高是一种趋势，与之配套锅炉的燃煤量相应都很 大。如陕西渭河发电厂的装机容量1 2 0 w ，其年用煤量达4 6 0 万t ，这样，单一矿 井的煤炭数量很难满足要求。另外，电站锅炉一般都是根据预备要烧煤种的燃烧 热值、灰分、挥发分等煤质指标设计的，而实际运行后，煤种煤质往往会发生变 动，而且有的煤炭质量如硫分、挥发分和灰的熔融性等主要煤质指标也难以达到 发电用煤粉锅炉机组的设计要求，引起锅炉运行不稳定、着火困难、燃尽率低， 灭火放炮、积灰结渣、超温爆管等一系列问题。 我国动力锅炉以煤烟型为主，大气污染中2 3 以上烟尘，9 0 以上的s 0 2 来自 浙江大学硕士学位论文 燃煤。鉴于s 0 2 污染已到了越来越严重的地步，我国政府自1 9 9 0 年以来就采取 了一系列措施。1 9 9 7 年1 月国务院批准了酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划分 方案，明确规定禁止在大中城市城区及近郊区新建燃煤火电厂，新建改造燃煤含 硫量大于1 的电厂，必须建设脱硫设施，但脱硫设施投资费用巨大。 中国动力用煤占煤炭消费量的8 5 以上，动力用煤目前最大的问题是燃烧效 率低、污染严重。因此，提高动力用煤的利用效率和减少环境污染，是中国实施 可持续发展战略的当务之急。解决动力用煤的高效洁净问题，既要采用先进高效 的燃烧技术和装备，又要提高动力煤本身的质量。而动力配煤可以较好的解决上 边两个问题，实现煤质互补，提高燃煤质量，减少环境污染，取得较好的经济、 社会和环境效益。 1 2 课题的提出 我国近年来，由于电站用煤品种多变，劣质煤的大量使用，锅炉结渣情况日 益突出，而且随着我国电力工业的迅速发展，大电网、大电站和大机组日益增多， 机组耗煤量急剧增加，往往使一些电厂( 尤其新建电厂) 不得不燃用混煤。对我国电 站调查表明，有相当数量的锅炉存在不同程度的结渣。由此，不仅造成了经济上 的损失，也加剧了我国电力不足的矛盾。 哈尔滨电站设备成套研究所对全国的4 2 8 个主力火电厂的基本情况进行调查 时，发现很多电厂燃烧非设计煤种或混煤；近几年，掺烧现象一直在加剧，目前， 绝大部分电厂很难燃用设计煤种，而是掺烧各种各样的煤。由于混煤能给电厂更 大的煤种选择余地，能容许操作系统对电厂参数进行更好的控制，可以为适应不 断变化的操作进行最低限度的翻新改造，通过配煤来改变煤质状况不失为一种有 效改变燃煤结渣特性的方法。因此，在今后的相当长时间内不得不使用大量的不 能满足煤质要求及环保要求的劣质煤的情况下，混煤的应用将更为广泛。 有专家学者研究发现，混煤虽是一个简单的机械混合过程，但其燃烧特性并 不是组分煤种的简单迭加。不同单一煤种的组成及特性不同，掺烧时不同煤质的 颗粒在燃烧过程中相互影响、相互制约，使得混煤的煤质特性比单一煤种更加复 杂，难以简单地由掺混比例预知其特性。例如，煤燃烧国家重点实验室研究发现， 不同煤种混合后，其灰熔点变化趋势很复杂，与算术平均值相差甚远，也不表现 出线性关系，有时混煤的灰熔点比单一煤种都低，有时则比单一煤种都高。这种 现象用煤灰化学组成变化对煤灰熔融特性的影响规律难以解释，必须对煤中矿物 质的组成及变化进行研究。不同煤种混合后，煤中矿物质组成及含量发生变化， 在加热过程中，矿物质本身及矿物质之间要发生化学反应而生成新的矿物质，同 时矿物质之间还可能发生低温共熔现象，从而使混煤的灰熔融特性发生变化这 些变化与煤中矿物质的组成及加热行为密切相关。 过去国内外对单一煤种的矿物质行为研究较为重视，在混煤熔融特性及结渣 4 浙江大学硕士学位论文 特性方面的研究则不深入，仅从化学组成变化的影响方面进行过研究，未从矿物 学角度对其机理进行研究。针对上述情况，从矿物学角度对混煤燃烧过程中煤灰 熔融特性及结渣机理进行研究具有重要意义，为经济合理燃用混煤提供科学依据， 这对于燃煤锅炉设计与电厂运行具有一定的指导意义。本文对结渣的内在因素； 煤灰的熔融特性进行研究，找到煤灰熔融的矿物组成因素，将有助于弄清混煤的 结渣机理；并通过配煤来实现控制煤灰内矿物质组成，来最终控制煤灰熔融特性 的目的，为电站锅炉安全、经济、清洁运行提供科学依据。 1 3 国内外研究现状 一 锅炉受热面结渣是一极为复杂的理化过程，影响因素很多，不仅牵扯到炉内 气氛及温度状况，操作水平，最重要的是和煤的潜在结渣性，即与煤中矿物结构、 组成、转变等因素有关。国外虽研究多年，但至今尚未能达到准确的科学性，依 据仍然是经验。国内近几年在一些单位开展的研究，还不能满足锅炉设计人员和 运行人员的迫切需要。因此，为了迸一步向锅炉设计、运行和添加剂等方面提供 实用的认识，消除或减轻受热面结渣，提高锅炉可用率、经济性和安全性，节约 能源，加强煤灰熔融机理的研究是很有必要和很有现实意义的。 煤灰是一种极为复杂的无机混合物，通常都是以氧化物的形式来表示煤灰的 组成。化学分析结果表明，煤灰由s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、c a o 、m g o ，n a 2 0 、k 2 0 、 n 0 2 和s 0 3 等氧化物构成。其中，s i 0 2 、a 1 2 0 3 和锄m 为酸性氧化物，而f e z 0 3 、 c a o 、m g o 、n a 2 0 和k 2 0 为碱性氧化物。酸性氧化物具有提高煤灰熔融温度的作 用，其含量越多，熔融温度就越高；相反，碱性氧化物却有降低煤灰熔融温度的 作用，其含量越多，熔融温度就越低 4 - s j 。而且环境气氛对煤灰的熔融特性具有非 常的影响，煤灰在氧化性气氛下熔点较高，在还原性气氛下熔点较低【6 】。酸性与 碱性氧化物的相互匹配与比例增减，煤灰熔融的还原或氧化气氛等因素，常引起 熔融温度的复杂变化与不同的熔融规律性。 采用v o r f e s l 6 1 的“离子势”观点可以很好地解释碱性氧化物的助熔机理。由于 酸性氧化物中酸性离子具有高的离子势( 离子化合价，离子半径) ，碱性离子的离子 势较低，离子势高的酸性阳离子易与氧结合形成复杂离子或多聚物，丽碱性阳离 子则为氧的给予体。能够终止多聚物集聚，降低其黏度，表现出助熔效果。 v a s s i l e v 和k u n i h r o 【t j 对世界各地的4 3 种高温灰样( 8 1 5 c ： ：1 0 c ，灰化l h ) 进行了 研究，指出在氧化气氛中，使灰熔点提高的氧化物排序为：t i o z a j 2 0 3 s i 0 2 k 2 0 ； 使灰熔点降低的氧化物排序为：s 0 3 c a o m g o f e 2 0 3 _ n a 2 0 。 刘新兵和陈茺【8 l 对我国主要煤灰进行了研究，指出碱金属氧化物以游离形式 存在时能显著降低煤灰熔点，但多数煤灰中的k 2 0 是以伊利石的组成部分而存在， 伊利石在受热熔化时无k 2 0 析出，故对煤灰的助熔作用大大减小；当煤灰中碱性 氧化物的质量分数为4 0 5 0 时，煤灰中酸性与碱性氧化物间发生固相反应， 浙江大学硕士学位论文 生成低熔点共熔体，可使灰熔点最低；质量分数小于4 0 时，灰熔点随酸性氧化 物含量的增加而提高；质量分数大于5 0 时，灰熔点随碱性氧化物含量的增加而 提高，但对应关系较差。 国内外许多学者经过大量的研究，提出了许多基于灰成分来预测灰熔点的方 法：姚星一和王文森 9 】根据我国煤的特点，提出了双温度坐标法计算灰熔点； w i n e g a r t e r 和r h o l d e s 【1 0 1 利用大量的美国煤样分析数据，通过回归分析得到预测灰 熔点的不同方程式；g r a y i l l 研究了新西兰煤灰的组成和灰熔点的关系：平户端惠 7 和二宫善彦【1 2 1 根据煤灰中主要化学成分a 1 2 0 3 、s i 0 2 、f e 2 0 3 和c a o 与灰熔点的关 系，建立了能较准确预测煤灰熔点的多元回归方程。 随着许多先进的测试仪器的出现，人们进一步研究了矿物形态对煤灰熔融性 的影响。煤灰的矿物组成实质上主要是由各种酸性和碱性氧化物以不同的比例相 结合而成。这些矿物组成对煤灰熔融性的影响可通过考察煤灰在受热过程中的行 为，用x 射线衍射法、差热分析法、热重分析法、m o s s b a u e r 谱仪法、扫描电镜法、 高温显微镜观察法等来确定。 u n u m a 等【l3 】指出：煤灰熔融温度的显著差别取决于石英、高岭石和长石的相 对含量，随着高岭石含量增加，煤灰熔融温度逐渐提高；对高岭石含量相同的煤 灰而言，熔融温度随长石含量的增加而降低。 川井隆夫和柴田次进1 1 4 】也得出类似的结论，还指出硬石膏( c a s 0 4 ) 的存在会降 低高岭石的熔融温度，这主要是因为硬石膏和高岭石发生反应形成低温共熔混合 物。 v a s s i l e v 和k u n i l a i r o 【1 5 1 指出：煤中主要结晶矿物( 质量分数 5 ) 是石英、高岭石、 伊利石、长石、方解石、黄铁矿和石膏；次要矿物( 质量分数为l 5 ) 是方石英、 蒙脱石、赤铁矿、菱铁矿、白云石、氯化物和重晶石等。通常，富含石英、高岭 石、伊利石的煤，其灰熔融温度较高；而蒙脱石、斜长石、方解石、菱铁矿和石膏 含量高的煤，其灰熔融温度较低。为此，煤灰中的矿物可分为耐熔矿物( 主要为石 英、偏高岭石、莫来石和金红石) 和助熔矿物( 主要为石膏、酸性斜长石、硅酸钙和 赤铁矿) 两大类，其质量分数在2 0 5 5 变化时对煤灰熔融温度成线性递增( 或递 降) 关系，而后迅速变缓。 李帆和邱建荣等人f 1 6 - l g 对混煤煤灰在加热过程中的矿物质行为进行研究，发 现不同煤种混合后煤灰熔融特性发生较大变化，灰熔融特性温度与混合比不成线 性规律变化，甚至在某种情况下，混煤煤灰内的矿物质发生低温共融现象，使之 灰熔点比两原单煤的灰熔点还要低。 1 4 本文的主要工作内容 从上述研究状况可以看出，迄今为止国内外还很少人从矿物学角度对混煤的 熔融特性进行过深入研究。特别是在我国，煤灰行为的矿物学研究作为1 - 1 边缘 6 浙江大学硕士学位论文 学科还未被全面系统地研究，因此本文将以此为重点展开系统深入的研究。 首先第一部分对锅炉结渣的研究现状进行综述，阐述结渣的机理及危害：总 结了至今较常用的锅炉结渣的预测方法，但由于结渣影响因素的复杂性，每种预 测方法又都存在其局限性；动力配煤由于不同组分的相互影响，相互作用，致使 其结渣特性更加的复杂。 其次第二部分对煤灰熔融特性的研究现状进行总结。包括以下几部分：灰熔 融特性的测定方法；每种元素组成及其存在形式；煤的化学成分及其与煤灰熔融 特性的关系，煤灰中的矿物质组成及其与熔融特性关系，以及添加剂对煤灰熔融 特性的影响；并指出了配煤煤灰熔融特性的一些特征。 第三部分对配煤的熔融特性进行试验研究，利用热天平对配煤灰样进行t g - d g c 试验分析，对煤灰熔融特性在t g - d s c 曲线上的表现特征进行研究，并验证用 热分析方法研究煤灰熔融特性的可行性，并对8 0 0 ( 2 温度状况下制得的灰样进行x 射线衍射物相分析，以此来了解灰样内的矿物组分随着配比的改变而发生的变化 规律。 第四部分对在一系列实验温度点下所制得的配煤灰样进行x 射线衍射物相分 析，对煤灰在加热过程中矿物质的转变过程进行研究，分析不同熔融特性的煤灰 内矿物质的组成特征，并最终对配煤对煤灰的熔融特性的影响规律进行分析 1 5 本章小结 本章首先介绍了我国能源和电力工业的现状以及今后的发展趋势，讨论了动 力配煤在我国电力工业中的重要意义，以及指出了配煤应用中的一个有待解决的 重要问题：配煤结渣特性的机理研究，然后对目前的关于煤灰熔融特性的研究状 进行总结，在本章的最后，介绍了本文所进行工作的主要研究内容。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 【i 】周庆凡，朱又红等从世界能源统计数据看中国能源现状，中国石化石油勘探 开发研究院，北京中国能源第2 7 卷第1 1 期，2 0 0 5 年1 1 月 【2 】2 0 0 5 - 2 0 0 6 年中国电力行业分析及投资咨询报告深圳市万瑞信息咨询有限公 司 【3 】2 0 0 6 年中国火力发电行业分析及投资咨询报告j 中国投资咨询网 一-一 【4 】王泉清，曾蒲军叨煤化工，1 9 9 7 2 0 ( 2 ) ：3 2 3 6 f 5 】姚星一f j 】燃料化学学报，1 9 6 5 ，6 ( 2 ) ：1 5 1 - 1 6 1 【6 1 张德祥，王朝臣。不同气氛下煤灰熔融性的研究煤炭科学技术 j 】，1 9 9 6 ， 2 4 ( 9 ) ：1 8 - 2 0 1 7 jv o r r e s k s 叨t r a n s a s m ej e n g p o w e r , 1 9 7 9 ，1 0 1 ：4 9 7 5 0 3 【8 】v a s s i l e vsv k u n i h i r ok 叨f u e lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , 1 9 9 5 ，4 5 ( 1 ) ：4 - 2 7 【9 】刘新兵，陈茺川煤化工，1 9 9 5 ，( 2 ) ：4 8 5 2 【1 0 】姚星一，王文森明燃料学报，1 9 5 9 ，4 ( 3 ) ：2 1 6 - 2 2 3 【1 1 w i n e g a r t n e r e c ，r h o l d e s bt 【刀t r a n s a s m ej e n g p o w e r , 1 9 7 5 ，9 7 ( 3 ) ：3 9 5 - 4 0 1 1 2 g r a yvr 明f u e l ，1 9 8 7 ，6 6 ( 9 ) ：1 2 3 0 1 2 3 9 【1 3 】平户端惠t 二宫善彦册燃料协会志，1 9 8 8 ，6 8 ( 5 ) ：3 9 3 - 4 0 1 【1 4 u n u r n ah ，t a k e d as ，t s u r u et ，e ta 1 阴f u e k l 9 8 6 ，6 5 ( 1 1 ) ：1 5 0 5 1 5 1 0 【1 5 】川井隆夫，柴田次进阴水曜会志，1 9 8 5 ，3 0 ( 5 ) ：3 2 5 3 3 2 【1 6 】李帆，邱建荣等混煤煤灰在加热过程中矿物质行为研究叨燃料化学学报， 1 9 9 7 ，2 5 ( 5 ) ：4 0 0 - 4 0 3 【1 7 】李帆，邱建荣，郑楚光煤中矿物质对灰熔融温度影响的三元相图分析阴华中 理工大学学报，1 9 9 6 ，2 4 ( 1 0 ) ：9 6 9 9 【18 】高福烨，李帆煤的高温灰在加热过程中的行为研究叨燃料化学学报，1 9 8 9 ，1 7 ( 2 ) ：1 7 5 1 8 2 【19 】李帆，邱建荣，郑楚光等混煤煤灰中矿物行为对煤灰熔融特性的影响田华 中理工大学学报，1 9 9 7 ，2 5 ( 9 ) ：4 1 4 3 浙江大学硕士学位论文 第二章锅炉结渣及动力配煤 近年来，随着电力工业的高速发展，燃煤电厂中，锅炉受热面上因结渣所产、 生的运行问题日趋严重。炉膛水冷壁和过热器上的灰渣沉积严重威胁锅炉的安全 运行，是造成锅炉非正常停炉的一个重要因素；而且因受热面结渣所产生的热阻 也是降低锅炉设备热经济性的一个重要原因。锅炉的结渣己给燃煤电厂造成了巨 大的经济损失和能源浪费，因此，通过研究掌握结渣的生成机理，影响因素，一建 一 立准确的预测模型进行预测；设计锅炉，选择合理的受热面布置方式及结构特性 使结渣的程度减轻，或选择适当的处理方式除掉已结成的渣，从而使锅炉正常运 行。这些方面的研究，近十几年来已受到国内外研究者及工程界的高度重视。 2 1 锅炉结渣的研究现状 炉内结渣是一种非常复杂的现象，美、英、西德和澳大利亚等国早在6 0 年代 初期就对其形成机理作了大量研究工作，但至今尚无定论。近年来国外着重发展 和总结出许多结渣经验判别指标，直接提供工程上应用。国内在这方面也有不少 研究。综合分析国内外关于炉内结渣的研究工作，大致分3 个方面，即根据煤灰物 理特性( 煤灰的熔点温度，灰渣粘度、烧结温度、渣形特征) 对炉内结渣的研究、根 据煤灰的成份特性( 灰中碱金属氧化物含量、硅比g 、铁钙比( f e 2 0 3 c a 0 ) ；碱酸 比( b a ) 、沾污指数r f ( r f = a b - n a 2 0 ) ) 对炉内结渣的研究和炉内结渣的综合研究 【1 1 。 2 2 锅炉结渣的生成机理及其危害 2 2 1 结渣的生成机理 锅炉结渣是个很复杂的物理化学过程，它涉及煤的燃烧、炉内传热，传质、 煤的潜在结渣倾向、煤灰粒子在炉内运动以及煤灰与管壁间的粘附等复杂过程， 至今还没有能定量描述结渣过程的数学模型。根据研究结果，可以从下面一些过 程来探讨结渣机理。 ； 结渣是指由烟气中夹带的熔化或部分熔化的颗粒碰撞在炉墙、水冷壁或管子 上被冷却凝固而形成的沉积物。在煤粉燃烧过程中，烟气中夹带的熔化或半熔化 的颗粒碰到受热面上，凝结下来，并在受热面上不断生长、积累，形成结渣。结 渣过程主要是煤中的矿物质在燃烧过程中形态的变化和输运作用的结果。 2 2 1 1 煤灰在燃烧过程中形态变化 煤中的矿物成分是指存在于煤中的无机物，也包括存在于煤的有机化合物中 的无机元素。通常，煤的无机物可分3 类口】：原生矿物质、次生矿物质和外来矿物 质。原生矿物质主要来源予形成煤的植物的生长过程；次生矿物质是指在成煤过 9 浙江大学硕士学位论文 程中，混入煤中的泥沙所带入的矿物质；外来矿物质是指开采及运输过程中混入 的矿物杂质。通常炉内结渣是由煤中的外来矿物质和次生矿物质在燃烧过程中的 选择性沉积造成的。 三种灰分在煤中的存在形态不同，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钙和镁离子，当煤燃烧，煤颗粒表面边界层中的含氧量足够 低时，也会导致钙和镁的挥发。但是挥发性的钙和镁一旦到达氧化性气氛中( 含氧 量约为3 ) 便会迅速氧化生成小于l g m 的小颗粒。挥发态的钠、钙、钾一方面在残 留灰粒表面发生非均相的冷凝，生成低熔点灰粒相；另一方面，也发生均相成核 凝结，生成0 0 2 9 m o 5 岫灰尘微粒。 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，粘接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。 由于飞灰在炉内的生成机理不同，使得飞灰颗粒尺寸里双峰形分布，第一个 峰值在i p m 左右，第二个峰值位于l o v m 1 2 肛m 。第一个峰值是由于挥发性灰的冷 凝。第二个峰值是灰分积聚和碎裂后的残留飞灰。在绝大多数情况下，残留飞灰 的尺寸上限为单个煤颗粒的尺寸，尺寸下限为煤颗粒中单个灰粒的尺寸。 2 212 灰粒向水冷壁的输运过程 灰颗粒向水冷壁面输运是结渣的重要环节。灰颗粒的输运机理主要有三类： 第一类为挥发性灰的气相扩散，第二类为热迁移，第三类为惯性迁移。对于尺寸 小于l p a n 颗粒和气相灰分，费克扩散、小粒子的布朗扩散和湍流旋涡扩散是重要 的输运机理。 麓培 图2 1 结渣机理示意图 对于小于1 0 胂1 的颗粒，热迁移是一种重要的输运机理。热迁移是由于炉内温 l o 浙江大学硕士学位论文 度梯度的存在而使小粒子从高温区向低温区运动。研究表明热迁移是造成灰分沉 积的重要因素之一 对于大于1 0 v m 的灰粒，惯性力是造成灰粒向水冷壁面输运的重要因素。当含 灰气流转向时，具有较大惯性动量的灰粒离开气流而撞击到水冷壁面。灰粒撞击 到水冷壁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 以及气流速度。在典型的煤粉锅炉中，气流速为1 0 m s 2 5 m s 时，直径为5 u m 1 0 t m 灰粒就有脱离气流冲击水冷壁面的可能性。 2 2 1 3 灰渣在管壁上的粘接和结聚长大 由于灰粒的形成机理及输运机理不同，灰渣在管壁上的沉积存在两个不同的 过程：一个为初始沉积层的形成过程，初始沉积层为厚度0 2 m m 0 5 r a m 的化学 活性高的薄灰层，它是由尺寸小于5 l a m 的灰颗粒所组成。对于具有潜在结渣倾向 的煤，初始沉积层主要是由挥发性灰组分在水冷壁上冷凝而形成。对于潜在结渣 倾向小的煤；初始沉积层由挥发性灰组分的冷凝和微小颗粒的热迁移沉积共同作 用而形成。初始沉积层中碱金属类和碱土金属类硫酸盐含量较高，这些微小的颗 粒由范德瓦尔力和静电力保持在管壁上，并与管壁金属反应生成低熔点化合物， 强化了微小颗粒与壁面的连接。初始沉积层具有良好的绝热性能，它的形成使管 壁外表面温度升高。另一个沉积过程为较大灰粒在惯性力作用下冲击到管壁的初 始沉积层上，当初始沉积层具有粘性时，它捕获惯性力输运的灰颗粒，并使渣层 厚度迅速增加。由于初始沉积层主要是由挥发性灰组分的冷凝及微小颗粒的热迁 移而引起，因而从工程角度考虑，很难防止初始沉积层的形成，不过好在初始沉 积层的厚度较薄。它并不会对锅炉的安全运行构成威胁。造成炉内结渣迅速增加， 并对锅炉安全运行构成威胁的主要因素是惯性沉积。 由惯性输送的灰粒在初始沉积层上的粘接除了与初始层的性质有关外，还与 撞击灰粒的温度水平有关。当撞击灰粒的温度很高，当呈熔融状液态时，很容易 发生粘接，使结渣过程加剧。认为在水冷壁面的灰层处于熔化状态或者炉内飞灰 在迁移到水冷壁面时本身处于熔化状态时，水冷壁发生结渣。 2 2 14 结渣的影响因素 一 根据结渣机理，控制炉内结渣过程的主要因素，可以概括为：( 1 ) 煤潜在的结 渣性；( 2 ) 灰粒惯性输运过程；( 3 ) 炉内温度水平及分布【z 】。 2 2 1 4 1 煤的潜在结渣性 煤潜在的结渣性与煤灰的组分、存在形态、熔化特征温度和粘温特性等因素 有关 3 1 。煤灰主要由s i 0 2 、a h 0 3 、f e 2 0 3 、c a o 、n a 2 0 、k 2 0 、m g o 、t i 0 2 、p 2 0 5 、 s 0 3 等成分组成，煤灰的成分与煤灰的熔化特征温度和粘温特性之间存在着统计关 联。影响炉内结渣的因素有三个，因此仅根据煤潜在的结渣性来评估锅炉炉内是 否会发生结渣，其准确性必然是有限的。如果要提高判断炉内结渣的准确性，则 浙江大学硕士学位论文 判断模型中应包括炉内温度及炉内空气动力结构等参数。 2 2 1 4 2 灰粒的惯性输运 在三种灰粒输运机理中，扩散和热迁移主要是对初始沉积层的形成起作用。 对具有潜在结渣倾向的煤，初始沉积层主要由挥发性灰冷凝而形成，具有较低熔 点的碱金属和碱土金属硫酸盐，呈液态容易捕捉飞灰。对潜在结渣倾向小的煤， 初始沉积层有一部分是由小颗粒的热迁移而产生，对惯性撞击灰的捕获能力较小。 由于初始沉积层对锅炉的安全运行不构成影响，并且控制初始沉积层几乎是不可 能的，因此，要控制锅炉的结渣，就要避免煤灰粒子向水冷壁惯性撞击。 2 2 1 4 3 炉内温度及其分布 由于熔化的灰粒碰到水冷壁时极易发生粘附，从而导致结渣。在煤灰熔点一 定的情况下，炉内温度水平及其分布就成为是否发生结渣的重要因素。煤灰粒子 的冷却过程取决于炉内总体温度水平及水冷壁附近温度水平，当炉内温度较低时， 煤粒呈熔化或软化状态的概率较少另一方面，当炉内温度水平较高，而水冷壁 附近温度较低，且温度分布较平缓时，煤灰粒子在碰撞水冷壁前可以得到较好的 冷却。温度降低，与水冷壁碰撞时，被捕捉的概率降低。温度对炉内结渣具有非 常重要的影响，研究结果表明，温度增高，结渣程度将按指数规律增长。 霾 ： l簇描抑 蔓 j 眨_ ：j 二j ： 术砖壁 ，； 缓 f j ：o ： t 十心 图2 2 水冷壁附近温度分布及灰渣冷却示意图 水冷壁附近的温度分布除与炉膛中心温度、水冷壁吸热热流有关外，还与水 冷壁表面的清洁程度有关。当水冷壁表面附有灰渣时，表面温度迅速增高。这不 仅有可能使灰渣表面具有粘性，捕捉飞灰，而且还降低了惯性输运灰粒的冷却程 度，因而灰渣的积聚具有自加剧性，即一旦发生结渣，其程度将会越来越严重， 直到外层灰渣因熔化而发生自流。 2 2 2 锅炉结渣的危害 我国电站锅炉以燃煤为主，而动力用煤质量偏劣，含灰量和含硫量等均较高， 容易使受热面沾污、积灰、腐蚀和磨损。当煤在炉膛燃烧时，煤中含有的矿物质 就转化为灰，煤灰会沉积在锅炉的各种受热面上，影响锅炉的正常运行。结渣的 浙江大学硕士学位论文 危害很大，轻则会弱化传热，导致锅炉热效率降低和n o x 排放量增加等；重则会 导致机组降负荷运行或停炉，甚至发生其它更为严重的恶性事故。具体地讲，表 现在以下几个方面： ( 1 ) 降低炉内受热面的传热能力。灰污在受热面上沉积后，因其导热系数很低，故 热阻很大，一般污染数小时后水冷壁传热能力会降低3 0 6 0 间。结渣引起炉 内火焰中心向后推移，炉膛出口烟温相应升高，排烟热损失增大。因沾污造成排 烟温度升高会使锅炉效率降低l 2 ，影响运行经济性。估计，美国每年因锅 炉受热面沾污而带来的各种经济损失总和达2 0 1 0 0 亿美元。 ( 2 ) 由于炉膛出口烟温升高，导致过热汽温偏高。这不仅危害过热器，还会导致汽 轮机事故。此外，飞灰易粘附在对流和屏式过热器上，日 起过热器沾污和腐蚀。 ( 3 ) 引起高温腐蚀。在高温烟气的作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会 与管肇发生复杂的化学反应，形成高温腐蚀，使管壁厚度由外向内减薄。通常情 况下水冷擘管年腐蚀最为0 8 2 2 。5 r a m ，但如果燃煤含硫鼍大或设计、运行不当， 腐蚀速度可以达到5 m m a 。 ( 4 ) 在喷燃器出1 3 处，可能会凶结渣而影响煤粉气流的正常喷射，甚至喷1 ：3 被焦渣 堵住。另外，焦渣易引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器。 ( 5 ) 由于传热阻力增大，可能会使锅炉无法维持满负衙运行，只得增加投煤寰，引 起炉膛出口烟温进一步升高，使得灰渣更易粘附在受热面上，从而形成恶性循环， 并诱发一系列恶性锅炉事故，如过热器、省煤器管束的堵灰、爆管，出渣系统堵 死等。 ( 6 ) 燃烧室上部大块渣掉落时，会砸坏水冷壁管和冷灰斗，有可能使冷灰斗出口发 生堵塞，造成炉膛灭火，甚至人身伤亡。 ( 7 ) 在传热减弱情况下，为维持锅炉出力需消耗更多燃料，使引、送风机负荷增加， 因此引起电耗增加。并且由于通