（工程热物理专业论文）侏罗纪煤的结渣特性、配煤及应用试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 y5 3 7 5 9 8 摘要 积灰结渣一直是困扰电站锅炉安全、经济、高效运行的严重问题，造成锅炉结 渣的因素主要有煤质、锅炉设计、运行三方面的因素，其中最主要的是煤质因素。 近几年，我国电力生产快速发展；燃煤火电机组容量越来越大，随着大量侏罗纪煤 田的开发，以及侏罗纪煤低灰、低硫、中高发热量的优点，这些侏罗纪煤必将越来 越多地应用于电站锅炉中。如何解决这些低灰熔点煤种在电站锅炉上的积灰结渣问 题也随之出现，本文的目的就是要通过对侏罗纪煤的结渣特性研究，解决它们造成 的锅炉积灰、结渣问题。 本文研究的主要内容如下： 1 、首先是对国内外结渣研究现状的综述：主要包括结渣机理、煤灰成分对结渣 的影响、对锅炉结渣的预测、预测方法的局限性。 2 、针对神木、大同侏罗纪煤的强结渣特性，采用平朔、朔州煤分别对它们进行 配煤，并通过沉降炉对配煤的结渣特性试验研究，提出了一种预测结渣的新方法： 沉降炉结渣指数预测法。 3 、采用先进的x 衍射仪对神木一平朔配煤的灰渣进行物相定量分析，结合沉 降炉结渣特性试验，研究灰渣中矿物质对结渣的影响，获得了许多有价值的成果。 4 、通过对神木、大同侏罗纪煤的配煤与其它煤种在实际电站锅炉上的热态对比 试验，检验了这两种配煤的使用效果，并对沉降炉结渣指数预测结渣的方法进行了 校验。 关键词：煤灰锅炉结渣配煤矿物质燃烧三元相图灰熔点 浙江火学硕士学位论文 a b s t r a c t a s hd e p o s i t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a tc a u s es e r i o u sp r o b l e m s d u r i n gt h eo p e r a t i o no fu t i l i t yb o i l e r se c o n o m i c a l l y , s a f e l ya n de f f i c i e n t l y t h ef a c t o r s c a u s e df o u l i n ga n ds l a g g i n gi n c l u d ec o a lq u a l i t y , b o i l e rd e s i g na n db o i l e ro p e r a t i o n ，b u t c o a lq u a l i t yi st h em o s ti m p o r t a n t 。o n e i nr e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i c i t y p r o d u c ei nc h i n a ，m o r ea n d m o r ec o a lf i r e du t i l i t yb o i l e r sw e r ep u ti n t ou s e a tt h es a m e t i m e ，al a r g e ra m o u n to fj u r a s s i cc o a lf i e l d sw e r ed e p l o r e d ，t h e s el o wa s hm e l t i n gc o a l s h a v et h ev i r t u e so fl o w s u l f u r , l o wa s ha n dm i d d l i n g h i g hh e a tv a l u ew i l lb e m o r eu s e da s t h e r m a lc o a l s s ot h ea s hd e p o s i t i o ni s s u ew i l lb em o r ed i f f i c u l tt h a nb e f o r e t oe a s ea s h d e p o s i t i o ni s s u eo f j u r a s s i c c o a lf i r e du s e di nb o i l e ri st h em o s t i m p o r t a n t i n t e n t i o no f t h i s t h e s i s m a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 a tf i r s t ，i t sas u m m a r yo ft h er e s e a r c hr e s u l t so nf o u l i n ga n ds l a g g i n g ，i n c l u d i n g s l a g g i n gm e c h a n i s m ，s l a g g i n ga f f e c t e db ya s hc o m p o s i t i o n ，m e t h o d so fp r e d i c t i o nb o i l e r s l a g g i n g ，a n ds h o r t a g e o f t h e s em e t h o d so f p r e d i c t i o nb o i l e r s l a g g i n g 2 a i m i n g a ts t r o n gs l a g g i n g p r o b l e m o fs h e n m ua n dd a t o n gj u r a s s i cc o a l s ，b l e n d i n g w i t hp i n g s h u oa n ds h u o z h o uc o a l si no r d e rt oa l l e v i a t ej u r a s s i cc o a l ss t r o n gs l a g g i n g p r o b l e m w i t ht h ec o m b u s t i o nt e s to fb l e n d e dc o a l so fs l a g g i n gc h a r a c t e r i s t i co fd r o p f u r n a c e ，an e wm e t h o do fp r e d i c t i o n b o i l e r s l a g g i n g n a m e dd r o pf u r n a c e s l a g g i n g e x p o n e n tp r e d i c t i o nw a sp u t f o r w a r d 3 i nt h i s p a p e r , t h ea d v a n c e dx r a y d i f f r a c t o m e t e rw a su s e dt oc a r r i e do u t q u a n t i t a t i v ea n a l y s e sm i n e r a lm a t t e ri nb l e n d e dc o a l s ，c o m b i n i n gw i t hc o m b u s t i o nt e s to f d r o pf h r n a c e ，i n f l u e n c eo f m i n e r a l m a t t e ro n s l a g g i n gc h a r a c t e r i s t i cw a s s t u d i e da n d l a r g e r a m o u n to f v a l u a b l ea c h i e v e m e n t sw e r eo b t a l n e d 4 a tl a s t ，d e p e n d e dw i t ht h ec o m b u s t i o nt e s to nt h ep o w e r p l a n tb o i l e ro f s h e n m u a n d d a t o n gb l e n d e dc o a l si nc o n t r a s t 、衍t ho t h e rc o a l s i tw a sc h e c k e db yb l e n d e dc o a l s a c t u a la p p l i c a t i o nr e s u l t sa n dt h en e w p r e d i c t i o nb o i l e rs l a g g i n g k e y w o r d ：c o a la s h b o i l e rs l a g g i n gb l e n d e dc o a lm i n e r a lm a t t e rc o m b u s t i o n t e r n a r yd i a g r a m a s hf u s i o n p o i n t 1 1 浙江大学预十学位论文 第一章绪论 第一节我国煤炭在能源结构中的地位 在2 1 世纪前5 0 年内，世界能源的发展趋势仍将以化石燃料为主。随着石油、 天然气资源的同渐短缺和洁净煤技术的进一步发展，煤炭的重要性和地位逐渐提升。 根据我国资源状况和煤炭在能源生产及消费结构中的比例，以煤炭为主体的能源结 构在相当长一段时间内不会改变。我国能源资源的基本特点是富煤、贫油、少气， 这就决定了煤炭在一次能源中的重要地位。据介绍，我国煤炭资源总量为5 6 万亿 吨，其中已探明储量为1 万亿吨，占世界总储量的1 1 ，而石油仅占2 4 ，天然 气仅占1 2 。建国以来，煤炭在全国一次能源生产和消费中的比例长期占7 0 以 上。据有关部门预测，到2 0 0 5 年，全国一次能源生产量为1 2 3 亿吨标准煤，其中 煤炭为7 8 5 亿吨标准煤( 折合l l 亿吨原煤) ，仍占6 3 8 。专家预测，在本世纪前 3 0 年内，煤炭在我国一次能源构成中仍将占主体地位。目前，世界石油价格居高不 下，煤炭的成本优势更加明显。 煤粉燃烧是电厂锅炉和部分工业获取能源的主要方式。对能源的大量需求推动 了能源建设的迅速发展，尤其是近两个五年计划期间大量的大型电站建设进一步推 动了我国煤炭资源的开发利用。 以下表1 1 是我国2 0 0 0 年电力生产和能源的状况“1 。 表1 12 0 0 0 年我国电力生产和畿源状况 项目2 0 0 0年增长率( ) 发电装机容量( 万千瓦) 3 1 9 3 2 0 96 8 8 其中：火电 2 3 7 5 4 0 2 76 3 1 水电7 9 3 5 2 2 8 7 5 核电 2 l o 0 00 0 0 发电量( 亿千瓦)1 3 6 8 4 8 41 0 8 9 其中：火电1 1 0 7 9 3 6 1 0 2 7 水电2 4 3 1 3 4 1 4 1 9 核电 1 6 7 3 71 2 8 4 发电标准煤量( 万吨) 3 9 7 8 9 3 78 8 9 其中：原煤5 2 8 1 0 。4 59 1 0 燃油 1 0 4 l5 6一9 6 0 燃气( 万m 3 )1 5 3 8 1 6 31 9 1 8 电力消费能源d i 一次能源的比重( ) 4 1 7 21 6 5 电能在终端能源消费中的比重( ) 1 1 2 02 7 6 屯煤炭占煤炭产量的比重( ) 6 08 52 1 2 9 浙江大学硕士学位论文 从表1 ，l 中可以看出，燃煤机组是我国电力生产的主要力量，而电能在一次性 能源中占掘较大比例。 我国煤炭资源广，种类繁多，煤炭燃烧及其他使用特性相差很大。由于各种因 素的影响，电站锅炉常常不得不更换使用煤种及燃用配煤，而多数动力配煤又比较 混乱，造成实际运行机组的使用煤种常常偏离设计煤种，引起锅炉炉膛大幅结渣， 直接威胁着锅炉的安全性和可靠性。因此，根据我国的燥质情况，深入研究煤的着 火稳定性、燃尽特性、积灰结渣、磨损腐蚀、污染排放，对我国这样一个以煤为主 的能源大国，具有十分重要的战略和现实意义。 对煤的着火稳定性、燃尽特性，我国许多学者都进行过大量细致的研究。但对 于积灰结渣在内的煤中矿物质转化，还缺乏对这种现象进行系统、深入的研究。我 国低灰熔点煤碳储量丰富，据煤炭资源普查结果显示，我国低灰熔点煤占煤炭总量 的三分之一左右“1 ，这些低获熔点的煤绝大多数是侏罗纪煤，在使用它们的电站锅 炉中，无论是进口锅炉还是国产锅炉，积灰结渣都是影响锅炉正常生产十分棘手的 问题，因此有必要加强对侏罗纪煤的煤质特性研究，形成一整套行之有效的手段来 合理地利用这些低灰熔点煤种。 第二节侏罗纪煤的主要特点及在电站锅炉的应用 一、侏罗纪煤的主要特点3 “4 我国聚煤时期很多，但具有工业意义的含煤时代主要有华北地区的石炭二叠纪 ( c - p ) 、南方的晚二叠纪( p 2 ) ，北方的早中侏罗纪( 3 - ) 和白垩纪( t ) ，此外南方 与东北的第三纪( r ) 也具有一定意义。 我国烟煤比较重要的成煤期是石炭二叠纪和侏罗纪，其中侏罗纪时期是最重要 的成煤时代，其含煤建造的分布面积也最广。侏罗纪煤主要分布在鄂尔多斯盆地、 哈密一吐鲁番盆地及山西大同煤田、河南义马煤田、山东枋子煤田，多数为烟煤。 这个时期的煤主要有以下一些特点： ( 1 ) 除东北矿区外，煤的次分普遍较低，一般为5 - - 2 0 左右； ( 2 ) 煤中的硫分除个别矿区外，绝大多数平均在1 s 以下； ( 3 ) 煤的粘结性普遍较低； ( 4 ) 煤灰熔点普遍较低。 侏罗纪煤在我国储量极大，神木煤田和大同煤田是最著名的两个大型煤田，下 面就对这两个煤f ：f = | 的情况作一个简单介绍。 浙江大学倾士学位论文 1 、神木煤田 神府一东胜煤田是8 0 年代以来探明开发的特大型煤田，被誉为世界七大煤田之 一。神木煤罔含煤面积近9 万平方公里，累计探明储量2 3 0 0 亿吨以上。该煤田以煤 层稳定、埋藏浅、煤中含有害杂质极低、以特低灰、特低硫、特低磷、中高发热量 而闻名。近年来，由于世界各国对环境污染问题同趋重视，低污染、高发热量的优 质神木煤得到了各用煤大户的特别青睐。 神木矿区的煤绝大多数是煤质稳定的优质侏罗纪煤。它们的灰份a 、，基本上小于 1 0 ，挥发份v 。，在3 0 以上、全水分m 。在8 左右，发热量q 。一般超过5 5 0 0 k c a l k g ，含硫量s 。，。普遍小于0 3 ，是良好的动力用煤。但是神木煤的灰熔点普 遍较低，s t 常常低于1 2 0 0 ，而且d t 、s t 、f t 的温度间隔非常近，煤的结渣特性 比较强。 2 、大同煤田 大同煤田是我国著名的大煤田，储有侏罗纪煤5 7 亿吨，石炭纪煤2 7 3 亿吨，大 同矿务局是我国最大的煤炭生产、出口基地，年产煤炭3 0 0 0 万吨以上，主要生产侏 罗纪煤，石炭纪煤尚未大规模开发生产。 大同侏罗纪煤以低灰、低硫、中高发热量而闻名于海内外，它们的原煤灰份a 。， 基本上小于1 5 ，发热量q 。，一般超过5 5 0 0k c a l k g ，含硫量s 。，小于1 ，是 良好的动力用煤。但如同其它侏罗纪煤一样，大同煤的灰熔点较低，具有较强的结 渣性。 二、侏罗纪煤在电站锅炉的应用及产生的结渣危害 侏罗纪煤低灰、低硫、低磷、中高发热量的优良品质使其成为我国电站锅炉的 主要用煤之一，特别是近些年来随着大量侏罗纪煤的开采和越来越便利的运输条件， 侏罗纪煤在电站锅炉的应用越来越广泛。但是这类低灰熔点、强结渣性的煤造成的 锅炉积灰、结渣问题也是十分严重的，炉膛内一旦结渣，如果不采取相应措施，渣 块会越积越厚，越积越大，产生这样一些问题5 1 ： ( 1 ) 阻碍了锅炉受热面的传热能力，导致炉内火焰中心后移，使炉膛出口烟温相 应提高。 ( 2 ) 使总传热阻力增大，引起锅炉无法维持满负荷下运行，从而使炉膛出口烟温 进一步提高，灰渣更容易粘在受热面，形成恶性循环，导致发生一系列锅炉 恶性事故。 ( 3 ) 水冷壁灰渣在高温烟气作用下，会与管壁发生复杂化学反应，形成高温腐蚀。 ( 4 ) 结渣严重时，大块焦渣可能会卡在出渣口使锅炉无法正常出渣或从炉膛上部 掉下，直接砸坏冷灰斗，引起设备损坏及人员伤亡。 浙江大学硕士学位论文 第三节导致锅炉结渣的因素 导致锅炉结渣的因素主要有这样三方面“ 1 、锅炉煤质方面的原因 燃煤对锅炉结渣的影响主要体现在以下方面： ( 1 ) 煤质特性方面因素：主要体现在煤灰熔点、灰成分、灰渣在高温中的熔 融特性、粘结强度、灰渣矿物组成等等； ( 2 ) 煤粉的细度； ( 3 ) 煤中矿物分布的情况。 2 、锅炉设计方面的原因 锅炉设计方面对炉膛结渣影响最大的几个因素是： ( 1 ) 炉膛出口烟温 ( 2 ) 炉膛断面及容积热负荷 ( 3 ) 燃烧器的设计、布置情况 3 、锅炉运行方面的原因 锅炉运行工况的好坏对炉膛的结渣也有很大影响，主要体现在以下方面 ( 1 ) 过量空气系数 ( 2 ) 燃烧器配风状况 ( 3 ) 锅炉热负荷 ( 4 ) 吹灰装置投运状况 第四节本文研究的目的和内容 随着我国电力工业的高速发展，大电网、大电站和大机组日益增多，机组耗煤 量急剧上升，使得一些电厂锅炉不得不经常更换煤种，因此产生了许多问题，炉膛 结渣就是其中比较严重的问题之一，特别是近些年随着大量侏罗纪煤田的逐步开发 和应用，电站锅炉炉膛结渣问题更加突出。结渣影响了锅炉运行的安全性、经济性 和锅炉的可用率，因此研究并掌握各种动力用煤的结渣特性，准确预测煤的结渣倾 向，为锅炉运行和设计提供可靠的技术依据，是实现电厂安全运行的一条重要途径。 燃用侏罗纪煤是引起许多大型电站锅炉结渣最主要的原因，本文研究的主要目 浙江大学顿十学位论文 的就是针对我省大型电站锅炉燃用侏罗纪煤出现的结渣问题，利用配煤改善它们的 结渣特性， 研究的主要内容是通过三元相图的指导，对神木、大同侏罗纪煤进行配煤，利 用沉降炉系统对配煤进行着火、燃尽、结渣特性研究，结合x 衍射对灰渣中矿物质 的定量分析结果，研究这些矿物质在高温中的行为及对结渣产生的影响作用；利用 创立的沉降炉结渣指数法预测煤种在实际锅炉上的结渣特性，并通过配煤在实际锅 炉上的热态试验，检验配煤的使用效果和沉降炉结渣指数预测法的准确性。 参考文献 1 国家1 4 ：l 力公司战略研究与规划部 2 0 0 0 年电力 ：业统计资料汇编2 0 0 1 2 李河名煤的无机物组分地球化学( 杨起编煤地质学进展) 科学出版社，1 9 8 7 3 千熙曾朱榔如王杰中国煤田的形成与分布科学出版社1 9 9 2 4 杨国荣浅议中国神木煤煤质特征及工业利媚方向，煤化工1 9 9 4 ，1 1 5 徐通模金安定温龙锅炉燃烧设备西安交通大学出版社1 9 9 0 6 r w b o r i o a a l e v a s s e u r , o k c h o wa n dl s m i e m i e c a s hd e p o s i t i o n ：ab o i l e rm a n u f a c t u r e r s p r e s p e c t i v e 、e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o nc o n f e r e c e “i n o r g a n i ct r a n s f o r m a t i o n sa n da s hd e p o s i t i o n d u r i n g c o m b u s i o n e d i t e db ys ab e n s o n m a r c h 】o 一1 5 】9 9 1f l o r i d a 7 尹鹤龄徐明后袁建伟燃煤锅炉炉内结渣的原因分析及解决措施，湖北电力，1 9 9 5 ，2 8r i c h a r deb a r r e t t 锅炉设计中的防结渣积灰问题，热力发电译丛，1 9 9 1 5 9 于红丁德庆刘永江电站燃煤锅炉防止炉瞠结渣的探讨，锅炉制造，2 0 0 0 ，5 1 0 杨二喜电站锅炉设计与运行中防j r 炉内结渣的措施，锅炉压力容器安全技术，2 0 0 0 ，2 5 浙江大学硕士学位论文 第二章锅炉结渣综述 第一节对锅炉结渣的研究现状1 结渣是燃煤锅炉炉膛中比较普遍的现象，从历史上看，对它的研究早在二十世 纪五、六十年代就开始了，中东石油发生危机后，煤成为发电主要燃料，对沾污结 渣的研究也开始逐渐得到各国研究机构的重视，许多著名的公司，如f o s t e rw h e e l e r 、 c e c o n o c o 公司都竞相建立了专门的结渣试验炉，也得出了许多有实际意义的经验 和结论。 国内许多著名的研究机构和高等院校也从事结渣方面的研究，比较著名的单位 有西安热工研究院、清华大学、华中科技大学、浙江大学等等。 从总的方面看，锅炉结渣是一个非常复杂的现象，它不但和燃料的性质有关， 而且还受锅炉结构、燃烧、运行方式等多种因素的影响，因此想要对它进行精确的 分析存在很大的困难。目前对锅炉结渣的研究并没有取得突破性的进展，研究仍然 停留在对煤的灰熔点、灰成分方面的研究，虽然也采用了诸如x 衍射仪、扫描电镜 等高科技精密仪器和电脑辅助结渣研究，预测方法越来越复杂，采用了诸如神经网 络等流行的结渣预测方式，然而这些方法的立足点仍然是建立在传统的煤灰成分、 坎熔点测试分析上，因此预测结渣方法的分辨率并没有得到有效提高。 第二节锅炉结渣的生成机理 结渣是指由烟气中夹带的溶化或部分溶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。研究结渣必须提及另一个与其密切相关又不尽相同的 概念：沾污。所谓沾污，也称沾灰或积灰，是指温度低于灰熔点的灰粒在受热面上 的沉积，分为高温沾污和低温沾污两类，前者是指沉积物形成的温度处于灰粒的变 形温度下的某一范围内，主要发生在屏式过热器、对流过热器受热面上；后者是指 沉积物形成的温度低于酸露点的管壁表面上，主要发生在低温省煤器、空气预热器 上。结渣的过程基本上可以分为这样殴个阶段2 1 t 3 t 1 、灰粒向水冷壁的输运过程： 由燃料燃烧后生成的细小飞灰颗粒以及灰渣中的某些活性成分，选择性沉积或 熔融性沉积成初始层，这是炉膛结渣的重要环节。 狄粒的输运过程主要有三类：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。 浙江大学硕：k 学位论文 对小于lpm 的灰粒和气相灰份的输运，主要是这样三种扩散输运：菲克扩散； 小粒子的布朗扩散；湍流漩涡扩散。 对于l l o “f i 的灰粒，热迁移是最重要的输运机理。热迁移是由于炉内温度梯 度的存在而使小粒子从高温区域向低温区域运动，它是造成狄份沉积的重要因素。 对大于1 0ui n 的灰粒，惯性力是组成灰粒向水冷壁面运输的重要因素。当含灰 气流转向时，具有较大惯性动量的灰粒会离开气流而撞击到水冷壁面。 馁性矬 孵随f 礁 馨克扩敞 图2 1 不同尺寸灰渣输运机理 2 、灰渣在水冷壁管的粘结： 随着初始沉积层厚度的增加，其表面温度升高，粘聚力和粘附力也增强，使其 能迅速捕捉飞灰形成固态沉积物，从而形成固态沉积层。 灰粒的粘结与这样一些因素有关： ( 1 ) 水冷壁管表面的温度； ( 2 ) 初始灰渣层和管壁的热和化学兼容性； ( 3 ) 熔融粒的表面张力。 3 、灰渣沉积层的结聚长大： 当固态沉积层达到一定的厚度后，其表面温度较高，因此，一方面捕捉飞灰， 一方面形成半熔态沉积物，从而形成半熔态沉积物层。 由于灰粒的形成祝理和输运机理不同，灰渣在水冷壁管上沉积存在二个不同的 过程，一个是初始沉积层的形成过程，这个沉积层是厚度o 2 一o 5 r m - n 的化学活性高 的薄灰层，由尺寸小于5um 的灰颗粒组成。对于结渣倾向大的煤种，初始沉积层主 要由挥发的扶组分在水冷壁管上冷凝而形成；对结渣倾向小的煤种初始沉积层主 要由挥发的灰组分冷凝和微小颖粒的热迁移沉积共同作用而形成。初始沉积层具有 良好的绝热性能，它的形成会使水冷壁管外表面温度升高。另一个沉积过程是较大 的狄粒在惯性力作用下冲积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，使渣层厚度迅速增加。 浙江大学硕j ：学位论卫 4 、渣层在水冷璧管的最终形成： 随着沉积层厚度不断增加，积灰层表面的温度不断升高，最终使扶粒呈熔融态， 从而形成熔态沉积物层。煤粉燃烧过程中灰渣形成及沉积机理示意图见图2 2 。 n 小采鞋 一莅壬囊4 图2 2 燃烧过程灰渣形成机理及沉积机理 第三节煤灰成分对结渣的影响及系统相图 煤的结渣特性与煤灰成分有极大的关系，因此搞清煤灰成分中各氧化物对结渣 的影响是重要的。从大量的灰渣物相分析情况看，煤灰成分对结渣的影响常常体现 在两种、三种甚至多种氧化物综合的影响上，因此我们要对煤灰中几种含量较高、 对结渣影响较大的氧化物之间形成的二元、三元系统进行分析，着重对二元s i 0 2 a 1 2 0 3 、c a 0 a l 。0 、c a d s i 0 2 系统、三元c o s i 0 2 一a l z 0 3 系统进行分析。 一、一元系统单一氧化物对结渣的影响“， 煤灰中含量较高的氧化物主要有s i 0 2 、a t 2 0 3 、c a o 、f e ：晚，另外还有少量的 m g o 、k ：o 、n a 扣、t i 0 ：、s o 。下面就这几种氧化物对结渣的影确分别进行讨论。 1 、s i 对灰熔点、结渣影晌 灰渣中的s i o ：主要来自煤中的石英，它是一种酸性氧化物，纯s i o ：的熔点有三 个，不同的加热方式可以使s l 0 。转变方式和熔点各不相同。5 7 3 以下的s i 0 ：是稳 定的p 一石英，一石英加热至5 7 3 睁决速转变成a 一石英，n 一石英在5 7 3 - - 8 7 0 稳定存在，如果过热则至1 6 0 0 熔融，或者到1 2 0 0 一1 3 5 09 c 转变为介稳一方石 英；如果在8 7 0 。c 时对a 一石英缓慢加热并有矿化溶剂存在，则a 一石英转变成。 一鳞石英，它在8 7 0 一1 4 7 0 稳定存在，过热则变化到1 6 7 04 c 熔融。q 一方石英在 1 4 7 0 一1 7 1 3 稳定存在，在1 7 1 3 时熔融。石英熔体冷却时，因石英熔体的粘度大， 浙江大学硕士学位论文 因此很容易生成石英玻璃态。 s i 0 ：含量与煤灰熔点d t 、f t 的关系见图2 3 ，煤灰中s i 0 ：含量越高，d t 、f t 呈 缓慢上升的趋势，但当到了一定的含量以后，随着sj 0 ：的上升会使渣中产生越来越 多的无定型玻璃体s i 0 。，促使灰分提前软化、蠕动。 图2 3s i 0 2 与d t 、f t 的关系 2 、a i ：o 。对灰熔点、结渣影响 煤灰中的a 1 2 0 3 主要来自于煤中的高岭土，它是一种两性氧化物，纯a 1 2 0 3 的熔 点是2 0 4 5 6 c 。a 1 2 0 3 的含量对灰熔点有极大的影响作用，a 1 2 0 3 的含量高于1 5 ，煤 灰熔点d t 明显升高；a 1 2 0 3 的含量高于3 6 ，无论煤灰中其它成分如何，煤灰熔点 d t 始终高于1 5 0 0 。c 。a 1 2 0 3 与灰熔点d t 的关系见图2 4 。 图2 4a 1 2 0 3 与d t 的关系 圈2 5 c a o 与d t 的关系 3 、0 a 0 对灰熔点、结渣影响 煤狄中的c a 0 主要来自于煤中的石灰石、白云石，它是一种碱性氧化物，纯c a 0 的熔点高达2 5 7 0 c ，然而c a 0 是煤中导致结渣的一个重要原因，高温下c a 0 会与煤 坎中其它物质发生反应生成低熔点共熔体，导致煤灰熔点下降。 煤灰中的c a 0 含量低于3 0 ，煤灰中c a 0 含量越高，煤灰熔点越低、越容易结 渣。煤扶中c a 0 的含量超过3 0 - - 3 5 ，煤灰中c a 0 含量越高，煤灰熔点也会随着上 升，c a 0 含量与灰熔点d t 的关系见图2 5 。 多銎 瓣一勰一 渐江大学硕士学位论文 4 、氧化铁对结渣影响 氧化铁主要有f e o 、f e ，0 和f e ，0 ，灰渣中以单一氧化物形式存在的是f e 0 。和 f e 。0 ，它们来自于煤中的黄铁矿( f e s ：) 和碳酸铁( f e c o ，) 或者以杂质的形式存在 于方解石和白云石中，较少的是以扇石( f e m g ：a 1 s i ：0 一) 、角扇石( c a f e s i 。0 ：) 、赤铁 矿( f e 。0 ) 等其它形式出现。 到达管壁的化合物决定所形成的沉积物类型，下面反应说明这点： f es 2 ( c ) 一f e s ( 1 ) + s 晚( g )( 2 一1 ) f e c o 。( c ) 一f e o ( c ，1 ) + c o ：( g )( 2 2 ) 式中c 为结晶物，g 为气体，1 为液体。 以上反应式表明，黄铁矿首先氧化成磁黄铁矿和s o ：，反应产物融化成球形，由 于它具有较低的阻力系数和较大的密度，因此在本身的动量推动下到达炉墙上，f e s 和已经粘积在炉墙上的积灰发生以下一些反应： f es ( 1 ) 十f e ：0 ；( c ，1 ) 一2 f e o ( 1 ) + l 20 ：( g )( 2 3 ) ( 融化温度1 3 7 7 ) 2 f e s ( 1 ) + s i o 。( c ，1 ) 一f e s i o t ( c ，1 ) + c o ：( g )( 2 - 4 ) ( 融化温度1 1 4 7 ) 反应式( 2 3 ) 形成的f e 0 的密度比f es 大，融化温度也高，尽管f e o 会在火 焰中融化，但根据积灰的火焰侧表面温度，它很可能在炉墙上达到热平衡后凝固， 形成结渣。 x 衍射分析表明，一次沉积物的结晶相基本上是f e 。如。含铁多的沉积物线形膨 胀系数和碳铁接近，这使它们能牢固依附于管壁上的原因。 5 、s 0 。对结渣影响 煤灰中的s o ；来自于煤中的硫化物，研究表明，s 0 ；在形成结渣过程中起着重要 作用，由于硫分的存在，会使碱金属在对流烟道中凝析出来。低硫煤中析出的碱金 属趋向于在飞灰粒子的外表面上凝析，在对流烟道中形成粘性的铝硅酸盐并产生烧 结的沉积物。而高硫煤中析出的碱金属却趋向于形成复杂的铝或铁的碱金属类硫酸 赫，它们的熔点只有8 1 0 - - 9 7 7 | 。c 左右。后一种情况下，s o ，与钠钾的氧化物或氢氯化 物发生反应生成低熔点的硫酸盐，这些易融的成分为干的飞灰在对流管束上的粘附 提供了条件。 6 、k 2 0 、n a ：0 碱金属对结渣影响 k 。o 、n a ：0 碱金属氧化物对煤灰的沉积起着重要的作用，如果煤灰中含较多的碱 金属氧化物，便易产生积灰，特别是当煤中含硫也高时，积灰、结渣特别严重。 1 0 浙江_ 人学碗士学位论文 7 、m g o 、t i 0 。对结渣影响 绝大多数的烟煤中m g o 、t i 0 ：含量较低，一般都不超过2 ，它们对结渣的影响 极小，一般情况下可以不予考虑。 二、二元系统对结渣的影响及相图“1 “” 1 、s ；o ：一a l ，0 。二元系统对结渣的影响及相图 s i 0 2 - - a 1 2 0 s 系统是二元系统中最重要的系统，对煤灰熔点和结渣有很大影响，。 s i 0 2 - - a 1 2 0 3 系统对煤灰结渣特性的影响可以从s i 0 2 a 1 2 0 3 、s i 0 2 + a 1 2 0 3 对灰熔点 d t 的影响看出，见图2 , 6 、图2 7 ，s i 0 2 一a 1 2 0 3 系统的相图见图2 8 。 图2 6s i 0 2 a 1 2 0 3 与d t 的关系 s 1 0 ，4 - a ! o i ( ) 图2 7s i 0 2 + a 1 2 0 3 含量与d t 的关系 幽2 8s i 0 2 一a 1 2 0 3 二元系统相图 从图2 6 中看出，随着s i 0 2 a h 0 3 比值的增加，灰熔点逐渐下降，这主要是因 为s i 0 2 、a 1 2 0 3 与其它矿物质反应形成了低熔点的共熔体。 从图2 7 中看出，随羞s i 0 2 + a 1 2 0 3 含量升高，灰熔点上升。 从图2 8 中s i 晚一 j ：o j 系统相图可以看出，这个系统比较简单，只有一个相平 衡点，温度大约在1 5 8 7 i o 4 c 左右，是这个系统唯一一个不一致熔融化合物莫 来石( 在实验室密封条件下，纯莫来石是一致熔融化合物) 和方石英形成的共熔点。 莫来石晶体呈柱状、针状，无色或淡紫色，硬度6 ，熔点1 8 5 0 。c ，能和a 1 。0 形 成圃溶体，它是灰渣中常见的、含量较高的化合物，它对碱性熔渣、还原剂、氧化 渐扛大学硕j ：学位论文 剂作用的抵抗性都比较好h 1 ，性质稳定，因此它的含量高低对煤的结渣特性有比较 显著的影响，灰渣中含莫来石越高，煤灰熔点越高。 灰渣中的莫来石主要来自于煤中的高岭土( a 1 2 0 5 2 s i 0 2 2 h ：d ) ，炉内温度大 约在5 0 0 。c 左右，高岭土失水偏转成偏高岭石，炉内温度大约在9 0 0 1 0 0 0 。c 左右， 偏高岭石分解成无定型玻璃态的s i 0 2 和a 1 2 0 3 ，当炉内温度高于1 0 0 0 。c ，无定型的 s i 0 2 和a t 2 0 3 形成莫来石。在1 3 0 0 c 左右，莫来石的形成基本完成。莫来石生成的 反应式如下： a 1 2 0 3 2 s i 0 2 - 2 h ：0 塑b a l 2 0 3 2 s i 0 2 + 2 h ：0 ( 2 5 ) a 1 2 0 3 2 s i 0 2 型坚斗a 1 2 0 3 + 2 s 1 0 2 ( 无定型) ( 2 - - 6 ) 3 a 1 2 0 3 + 2 s i 0 2 坐型_ 3 a 1 2 0 3 2 s i 0 2 ( 莫来石) ( 2 - - 7 ) 2 、c a o s i 0 。二元系统对结渣的影响及相图 幽2 9c a 0 - - s i o z 系统相图 c a o s i 0 ，系统相图见图2 9 ，该系统比较复杂，因为该系统中形成了多种硅酸 钙类化合物( 图中竖线) ，同时还普遍具有多晶转变现象( 图中横线) 。 陔系统有四种化合物：c s 、c ：，s ：、c 。s 、c ，s 。相图可分为三个分系统：s i 0 。c s 低共熔点系统：c s c ：s 不一致熔( c s - ) 系统；c 。s c a o 不一致熔( c ：，s ) 系统。 e a o s i o 。系统相平衡点及可能形成共熔体的特性见表2 ，i 。 表2 1c a d s jd 2 系统可能形成的低共熔体相点 相点相平衡关系 濡度( ) ca 一鳞石英+ a c s = l 1 4 3 6 f c s + c s ：= l1 4 6 0 ka 一s + c ：s = l 2 0 5 0 浙江入学硕士学位论文 从相图中看出，c a o s i 0 ：系统的四个化合物中c s 熔点1 5 4 4 。c 、c ：；s 。熔点1 4 6 4 。c 、 c 。s 熔点2 1 3 0 c 、c 。s 熔点2 0 5 0 。c ，应该说这个系统的四个化合物和三个共融体的温 度都比较高，对煤灰熔点和结渣特性不会造成太大影响。 3 、c a 0 a f 籼二元系统相图及对结渣的影响 图2 1 0c a 卜a 1 。0 s 二元系统报图 c a 卜a 1 。0 二元系统相图见图2 1 0 ，从相图中可以看出，系统有五个化合物， 一致熔融化合物c 。a - 、c a 、c a ，、熔点分别是1 3 9 2 。c 、1 6 0 2 。c 、1 7 6 2 。c ，不一致熔融 化合物c ：；a 、c 儿，熔点分别是1 5 3 9 0 c 、1 8 3 0 0 c 。c ：a 和c a 形成1 3 6 0 。c 的低共熔体。 三、三元系统对结渣的影响及相图“。” 烟煤煤扶中含量最高的几种氧化物是s i o ：、a 1 。0 t 、c a o 和f e 。0 ，而铁离子具有 较强的极化能力，容易和氧结合形成氧化物，并削弱硅酸盐熔体中s i o 键的结合， 不易形成富铁的硅酸盐矿物，而形成氧化铁矿物的析晶“，因此对多数烟煤来说可 以利用s i o 。一a l ：0 广_ t a o 三元系统相图对煤灰成分进行分析结渣分析，相图见图 2 u 。 从图2 1 1 上可见，s i o 厂a 1 如r c a o 三元系统有十个二元化合物，其中有六个 为一致熔融化合物：c 。s ( 熔点2 1 3 0 。c ) 、c s ( 熔点1 5 4 4 ) 、c a ( 熔点1 6 0 0 c ) 、c a 。 ( 熔点1 7 6 2 。c ) 、c ，。a - ( 熔点1 7 6 2 。c ) 、a ：；s ：( 熔点1 8 8 0 ) ；四个不一致熔融化合物 c ：；s ( 熔点2 1 5 0 ) 、c ：，s 。( 熔点1 4 6 4 ) 、c a ( 熔点1 5 3 9 ) 、c 扎( 熔点1 8 3 0 ) 。 二个三元一致熔融化合物：钙长石c a s ：( 熔点1 5 5 3 c ) 和钙黄长石e 盛s ( 熔点 1 5 8 4 。c ) 。其中钙长石是灰渣中最常见的、含量较高的化合物，它的含量高低对煤灰 熔点影响非常大，钙长石含量越高，煤的灰熔点就越低，煤越容易结渣。由于煤灰 中含c a o 量很少超过3 0 ，对比s i o 广a 1 如：广_ a o 三元系统相图可以知道，扶渣中 形成钙黄长石的可能性很小。 浙江r 人学硕士学位论文 三个纯组分：c a o ( 熔点2 5 7 0 ) 、a 1 ：o ，( 熔点2 0 4 5 ) 、s i ：0 ( 熔点1 7 2 3 ) 。 本系统有1 5 个化合物，因此相图中有1 5 个相应初晶区，其中1 1 个一致熔融化 合物在它的初晶区之内，4 个不一致熔融化合物的组成点在它的初晶区之外。 另外，在c a 0 一s i ：0 系统还有一个液相分层区，由于a l ：0 ，的加入，使液相分层 区的浓度变化非常迅速，到a 1 。0 的含量3 0 时，分层结束。 把1 5 个化合物的组成连接起来，可以得到1 5 个副三角形。在任一三角形内的 物质组成点，其最终析晶的组成为这个副三角形的三个顶点所代表的组分。 在8 0 0 以前煤灰中矿物质主要是发生高岭石失水偏转成偏高岭石、白云石、 方解石的分解反应等，矿物质之间基本上没有反应。因此，我们可以将煤灰成分作 为灰渣中矿物质的起始反应点，利用s i o ：a 1 ：o 广_ c a o 三元系统相图对煤灰熔融特 性进行预测，有利于对结渣趋势的预测。 图2 1 1s i 一a 1 ：o ，c a 0 三元系统相图 四、配煤结渣性能及影响因素“1 目前我国电厂锅炉绝大多数都或多或少燃用配煤，因此对配煤结渣特性的研究 是一个重要课题，影响配煤结渣性能的因素主要有这样一些： 1 、配煤灰熔点的变化 不同煤种混合后，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，有时配煤的灰熔点比两种单煤都低，有时则比两种单煤都高。这种变 化与所用的两种单煤的特性及混合比关系较大，煤种差别越大，混合后变化越大。 主要原因是不同煤种混合后，由于矿物质的组成、含量发生变化以及它们之间的相 4 淅江大学碗j j 学位论文 互影响、相互制约，使不同的煤中矿物质发生化学反应，从而改变了配煤的狄熔融 特性。同时，不同煤种混合后煤灰还可能生成共熔体，也使配煤的灰熔融温度发生 变化。 配煤灰熔点的改变是导致结渣状况改变的主要原因，对配煤灰熔点的变化情况 可以用煤灰的三元系统相图进行分析。 2 、配煤灰渣粘度的变化 配煤粘度对结渣的影响主要体现在受热面结渣强度方面，灰渣粘度越大，结渣 特性越强。 3 、煤中矿物质的离析 煤中矿物质一些成分在煤粉颗粒中的含量多少和偏析，会对配煤的结渣趋向产 生影响，如黄铁矿偏析严重的煤结渣较严重。 4 、配煤在炉内燃烧的结渣状况 不同煤种混合后，尤其是性能差异较大的煤混合后，两组分煤种的燃烧并不是 同步进行的，由于高挥发分煤的大量消耗氧造成低挥发分燃料的燃尽发生在炉膛出 口附近及炉墙附近，甚至粘附到受热面上继续进行，这样就会使灰分未固化前就接 触到受