（环境工程专业论文）准格尔煤灰性质对电收尘影响机理的实验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 针对准格尔煤飞灰含铝量高、电除尘效率低的实际情况，系统的研究了准格尔 煤灰的物化特性，主要包括粒度、密度、薪附性、吸湿性、比电阻 ( 包括实验室比 电阻和现场比电阻) 化学成分和矿物成分， 并详细分析了它们与电除尘特性的关系。 通过大量实验， 确定了配制不同铝含量灰样的方法， 煤粉掺烧高岭土或a 1 2 0 3 纯剂， 利用 h f酸处理飞灰是较为行之有效的方法，并利用上述三种方法配制不同铝含量 的灰样，深入研究了a 1 2 0 3 含量和存在形态对飞灰比电阻的影响。另外，对 s 0 3 烟 气调质对电除尘特性的影响进行了分析， 并结合燃烧的相关理论知识， 分析了a 1 2 0 3 对飞灰形成过程的影响。 关键词:飞灰，电除尘器，比电阻，物理特性，化学特性 abs tract a g a i n s t t h e f a c t s t h a t h i g h a l u m i n a , l o w e f f e c t i v e e l e c t r i c d u s t p r e c i p i t a t i o n o f p o w e r p l a n t fl y a s h f i r e d z h u n g e e r c o a l , t h e p h y s i c o c h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s w h i c h i n c l u d e p a rt i c l e s i z e , d e n s i ty, a d h e s i v n e s s , h y g r o s c o p i c , r e s i s t i v i t y ( i n c l u d i n g l a b o r a t o ry a n d f i e l d r e s i s t i v i ty ) , c h e m i c a l a n d m i n e r a l c o m p o s i t i o n o f z h u n g e e r c o a l a s h w e r e s t u d i e d i n t h e p r e s e n t p a p e r , a n d a l s o t h e r e l a t i o n o f t h o s e c h a r a c t e r i s t i c s w i t h e l e c t r i c d u s t p r e c i p i t a t i o n p e r f o r m a n c e w a s a n a l y z e d i n d e t a i l . a c c o r d i n g t o l a r g e q u a n t i ty e x p e r i m e n t s , w e d e t e r m i n e d f e a s i b l e a n d e f f e c t i v e m e t h o d f o r p r e p a r i n g d i ff e r e n t a l u m i n a c o n t e n t a s h , i n c i n e r a t i n g t h e m i x t u r e o f c o a l p o w d e r a n d k a o l i n c l a y o r f i n e a l u m i n a r e a g e n t , a n d t r e a t i n g c o a l a s h w i t h h y d r o fl u o r i c a c i d , t h e p r e s e n t p a p e r p r o f o u n d l y s t u d i e d t h e i n fl u e n c e t o r e s i s t i v i ty o f t h e c o n t e n t a n d o c c u r r e n c e f o r m u l a o f a l u m i n a i n fl y a s h , b y p r e p a r i n g d i f f e r e n t a l u m i n a c o n t e n t a s h w i t h t h e f o r e g r o u n d m e t h o d s . b e s i d e s , r e f e r e n c i n g c o h e r e n t c o m b u s t i o n t h e o ry , t h e i n fl u e n c e s o f t h e s 0 3 fl u e g a s c o n d i t i o n i n g t a k i n g t o e s p p e r f o r m a n c e a n d a l u m i n a t a k i n g t o fl y a s h f o r m a t i o n w e r e a n a l y z e d . l i u j i n r o n g ( e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y p r o f . y u a n y o n g t a o k e y wo r d s : fl y a s h , e l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o r , r e s i s t i v i ty, p h y s i c a l c h a r a c t e r , c h e mi c a l c h a r a c t e r . 幽罗口口 厂, 1 4 月 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 准格尔煤灰性质对电收尘过程影响机 理的实验研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件: 学校可以 采用影印、 缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅; 学校可以 学术交流为 目的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名:导师签名: 日期: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章 引 言 1 . 1课题研究的背景和意义 准格尔旗境内煤炭资源丰富，已探明储量5 4 4 亿吨， 远景储量 1 0 0 0 亿吨， 而且 具有分布广、储量大、煤质好、地质构造简单、埋藏浅、煤层厚、低瓦斯、易开采 等优点。境内的准格尔煤田南北长6 5 公里，东西平均宽2 1 公里，煤层厚度平均为 3 2 .0 8 米，探明地质储量2 6 8 亿吨，露天煤层厚度达2 0 多米，是中国最大的露天煤 矿 1 ,2 9 1 。准格尔煤田东临黄河， 有丰富的水利资源， 从储量、 煤质、 外运条件考虑， 准格尔煤田可以建成年产原煤 4 0 0 0万吨甚至规模更大的特大型动力煤基地。随着 1 9 9 9 年国家 “ 八五”期间重点建设项目准格尔项目一期工程顺利完工并投入生产， 2 0 0 0 年国家西部大开发战略的提出，在 2 0 0 3年准格尔旗政府又提出了建设 “ 大煤 炭、大煤电、大煤化、大载能”的工业发展战略， 2 0 0 4 年准格尔旗的煤炭产量达到 6 0 0 0 万吨，预计到2 0 1 0 年，煤炭产量将达到 1 亿吨，年转化原煤 3 0 0 0 万吨，准格 尔旗将会成为全国重要的煤炭生产基地4 ,5 ,6 1 准格尔煤属于低硫、特低磷、高灰熔点、较高挥发份和高发热量的长焰煤，应 用基低位发热量为4 0 0 0 - 5 6 0 0 大卡/ 千克， 是优质动力和化工用煤， 有 “ 绿色煤炭” 之美称， 销量以每年 1 5 0 - 2 0 0万吨的速度递增1 5 1 。 准格尔煤主要用于电力及化工企 业，在内蒙古地区己投入运行的以准格尔燃煤作为设计煤种的大型电站有:国华准 格尔电厂 2 x 3 3 0 mw工程、 丰泰电厂2 x 2 0 0 mw工程、 呼和浩特电厂 2 x 5 0 mw工程、 大唐托克托电厂一二期4 x 6 0 0 m w工程。目前正在兴建和计划兴建的以准格尔燃煤 作为设计煤种的大型电站有:北京国际电力投资公司岱海发电厂 2 x 6 0 0 mw、大唐 公司托克托电厂三期 4 x 6 0 0 mw、北国投丰镇电厂三期 2 x 6 0 0 mw、华润集团 6 x 6 0 0 mw、内蒙古电力集团公司黑岱沟 2 x 6 0 0 m w、中国华电集团十二连城 4 x 6 0 0 m w和呼和浩特金桥2 x 3 0 0 m w供热机组等众多工程项目 7 1 。 另外大准、 大秦 铁路沿线的岱海电 厂( 规划规模2 4 0 0 m w) ，以及坑口电厂3 2 0 0 m w 8 1 等都是燃用准 格尔煤，南方部分电厂也在燃用准格尔煤。可见燃用准格尔煤的电厂是相当多的， 而且今后将会更多。 上述己投产燃用神华准格尔煤的电厂存在一个共同的问题是静电除尘器的效 率普遍很难达到设计值 7 ,9 , 1 0 1 。 通过对飞灰化学成分的分析， 其中5 1 0 2 和a 1 2 0 3 总的 含量较高，在 8 5 - 9 0 % 之间，甚至超过 9 0 %，而 k , n a的含量较低，而且飞灰的比 电阻较高， 在电除尘器的运行条件下比电阻超过1 0 1 1 n - c m， 属于电除尘器难收集的 飞灰。有人计算过，要想通过电除尘器收集准格尔煤燃煤飞灰，并达到预期的除尘 效率， 必须大幅度地增加除尘器截面积、 大大降低烟气流速、比收尘面积要足够大， 华北电力大学硕士学位论文 从常规的5 0 - 8 0 m 2 / m 3 / s 增加到1 2 0 m 2 / m 3 / s ， 甚至超过1 3 0 m 2 / m 3 / s l i ， 显然这将大大 增加设备的投资费用。 本课题通过对准格尔煤飞灰物化特性的研究，从飞灰的角度找出不利于电除尘 器运行的因素，为收集准格尔煤飞灰效率低的电除尘器的改造提供帮助，也可以为 寻求更有效的收集准格尔煤飞灰的途径提供参考.另外，解决了准格尔煤飞灰收集 难的问题，不仅可以使电厂的粉尘排放达到国家要求的标准，而且可以更好的促进 准格尔煤炭工业的发展。 1 . 2国内外的研究现状 准格尔煤飞灰的特点是:硅铝含量高，钾钠含量低，比电阻高。国外还没有硅 铝含量如此高，而钾钠含量如此低的燃煤飞灰的相关报道，国外对于具有相似特点 燃煤飞灰的研究很少，相关的文献也没有查到.而国内对于电除尘器收集准格尔煤 飞灰效率低的原因还没有一个确切的结论，有的认为是铝含量高导致飞灰比电阻高 1 7 1 ，从而使得电除尘器除尘效率低;也有人认为是飞灰中钾、钠的含量太低，粉尘 荷电性和导电性差，粉尘不易在电场内荷电，影响了电除尘器的收尘效果;还有人 认为是准格尔煤飞灰粒径细n 2 1 、 密度小，易产生二次扬尘导致了电除尘效率低，有 关资料介绍，准格尔煤燃煤飞灰中含量极高的二氧化硅和三氧化二铝属空隙率较大 的物质，由于三氧化二铝高含量的煤灰极细，比重较轻，又具有一定粘性，振打清 灰困难， 对静电除尘器振打后控制二次扬尘不利 1 t . 总之， 对电除尘器收集准格尔 煤飞灰难的原因没有一致的定论，有的分析也未见有充分翔实的实验数据为支持， 只是从某一方面去推断电除尘器收集准格尔煤飞灰效率低的原因。比如，认为飞灰 中铝含量高导致比电阻增高和飞灰密度减小，但是，铝含量对比电阻的影响到底是 什么样的程度， 或者说， 铝含量的高低与飞灰比电阻大小之间是一种什么样的关系， 没有详细的实验研究。而且对准格尔煤飞灰的研究只是从飞灰化学成分的角度去考 虑，而对于其矿物成分却没有进行有关研究，而矿物成分是煤灰实际组成的真实反 映。 针对燃用准格尔煤所遇到的电除尘器效率低的问题，一些电厂通过对电除尘器 本体的改造来提高收尘效率，改变极间间距、增加电场数、增大收尘面积、改变供 电方式等，但效果均不理想。例如:国华准格尔电厂在选用电除尘器时充分考虑了 准格尔煤飞灰的特殊性，将除尘器的电场数由原初步设计的四电场增加到五电场， 同时大大增加了有效截面积和总有效收尘面积。即使如此，经调查了解国华准格尔 电厂2 x 3 o o mw机组投运半年多的除尘器运行情况，除尘器仍达不到设计除尘效率 n n 。另外， 在燃用准格尔煤的丰泰电厂也遇到同样的情况. 有的电厂甚至准备用布 袋除尘器或采用 “ 静电十 布袋”的除尘方式来收集，但是用布袋除尘器收集准格尔 华北电力大学硕士学位论文 煤飞灰效果如何，目前尚未有工程实例可以借鉴。 1 . 3课题研究的主要内容 通过分析准格尔煤飞灰的物理化学特性，并根据这些物理化学特性与电除尘器 除尘性能之间的关系，找出导致电除尘器效率低的原因。并从矿物成分的角度对准 格尔煤灰进行分析， 分析其矿物成分与其它煤灰之间的区别。 从化学成分方面分析， 准格尔煤灰与其它煤灰最明显的差别是，a 1 2 0 3 含量远远高于其它煤灰，而且 s i 0 2 和a 1 2 0 3 的含量之和高达 9 0 %，因此，考虑到准格尔煤灰如此高的a 1 2 0 3 含量，设 法改变煤灰中 a 1 2 0 3 的量，分析 a 1 2 0 3 对煤灰性质特别是比电阻的影响。通过煤的 燃烧过程，根据煤燃烧以及矿物成分转化的相关知识，从理论上分析 a 1 2 0 3 对准格 尔煤灰形成过程的影响。 1 )准格尔煤灰的粒度分布特征。利用 b a c h o粒径分析仪分析两种准格尔煤灰 ( 一种煤灰没有经过 s 0 3 烟气调质，另一种是经过 s 0 3 烟气调质后的灰) 的粒度分布特征，并与国内其它煤灰的粒度分布情况进行比较，分析其粒 径分布特征。另外，进一步分析 s 0 3 烟气调质对准格尔煤灰的粒度分布产 生的影响。 2 )准格尔煤灰的密度分析。通过实验测定准格尔煤灰的真密度和堆积密度， 并根据真密度和堆积密度计算其孔隙率，分析准格尔煤灰的密度特征及其 对电除尘器除尘性能的影响. 3 )准格尔煤灰的 堆积角. 根据g b / t 1 6 9 1 3 . 5 -1 9 9 7 1 1 3 粉尘安息角 ( 堆积角) 的测定原理，自行设计简易堆积角测定装置，并利用此装置测定准格尔煤 灰和其它煤种灰的堆积角，对测定的数据进行分析，并通过煤灰堆积角的 大小，推断其粘附性的好坏。 4 )准格尔煤灰浸润性分析. 根据g b / t 1 6 9 1 3 . 8 -1 9 9 7 粉尘浸润性测定的原理， 自行设计简易浸润性测定装置，并利用此装置测定准格尔煤灰和其它几种 煤种灰的浸润性，分析准格尔煤灰浸润性的好坏，并分析煤灰浸润性与煤 灰的粒径和主要化学成分之间的关系。 5 )准格尔煤灰的 化学成分。 采用火力发电 厂燃料试验方法11 4 1 关于化学成分分 析的常量法，对准格尔煤灰的化学成分进行测定，并分析化学成分随电除 尘器电场变化的分布规律，利用 b a c h o粒度分析仪，对三种准格尔煤灰进 行粒径分级， 分成粒径为: 4 2 . 7 1 x m 的煤灰，分别测定其化学成分， 分析化学成分随飞灰s t o k e s 径的变化规律，从 而可以推测未被电除尘器捕集的煤灰化学成分情况。 6 )准格尔煤灰的矿物成分分析。对准格尔煤灰和其它煤种灰进行x射线衍射 华北电力大学硕士学位论文 实验，定性测定煤灰中的晶体矿物成分，分析准格尔煤灰与其它煤种灰在 矿物成分方面的差异。 7 )准格尔煤灰比电阻特性的研究。 利用 b d l飞灰比电阻现场测定仪对燃用准格 尔煤的准格尔电场2 # 炉电除尘器入口( a侧) 烟道内的飞灰比电阻进行现场测 定，用 d r -11 型高压粉尘比电阻实验台，测定从电除尘器采集的准格尔煤灰 的比电阻， 对其进行分析。并对采集到的s 0 3 烟气调质前后的飞灰比电阻 进行 测定， 分析s 0 3 烟气调 质对准格尔煤灰比电阻的影响。 8 )寻找改变煤灰中a 1 2 0 3 含量的有效方法。 准格尔煤灰中含有较高的a 1 2 0 3 ， 设法 改变灰中a 1 2 伪的含量，从而分析a 1 2 0 3 对准格尔煤灰特性， 特别是比电阻特 性的影响。 主要通过以 下几种途径改变煤灰中a 12 仇的含量:煤灰的密度、 燃 煤的 粒 径、 h c l 浸 取煤 灰 15 ,16 ,1 7 , h 1 酸处 理 煤灵1 8 ,19 ,2 0 ,1 、 准 格尔煤 掺加a 12 0 3 和准格尔煤掺加高岭土后用马弗炉在 1 2 0 0 下缎烧得到不同 a 1 z o 3 含量的煤 灰，从中找到有效改变煤灰中a 1 2 0 3 含量的 方法。 9 ) a 1 2 0 3 含量改变后的煤灰比电阻分析。 通过利用8 ) 中找到的改变灰中a 1 2 0 3 含 量的有效方法， 制得不同a 1 2 0 3 含量的煤灰， 测定其比电阻的大小， 并分析a 1 2 0 3 对煤灰比电阻的影响。 1 0 ) a 12 0 3 对飞灰形成过程的 特性影响。通过分析煤的燃烧过程，利用燃烧的相关 理论知识，并结合矿物成分的转化过程，从理论上分析 a 1 2 0 3 对飞灰的形成过 程的影响。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 飞灰的形成机理及其影响电收尘的飞灰性质 2 . 1飞灰的形成机理 燃煤是我国电力工业的主要能源，煤中无机组分是燃煤飞灰的主要物质来源， 研究煤粉颗粒中矿物分布特征及其在燃烧过程中的变化与粉煤灰的形成机理和矿 物组成，对于分析飞灰的物理化学特性及提高火电厂电除尘效率有着重要的意义。 煤灰实际上是粘土矿物在高温下缎烧的产物，煤中矿物质的多少决定了煤灰的多 少，混入煤中的矿物质越多，煤的灰分就越大，一般来说，煤的灰分产率低于煤中 矿物质的含量，煤粉燃烧过程中，煤中的矿物质发生一系列分解、化合等变化，其 中的矿物质和金属氧化物就形成了十分复杂的煤灰， 煤灰一般以s i o 2 为主， 其次为 a 1 2 0 3 , f e 2 0 3 , c a o 等， 而m g o , k 2 0 , n a 2 o , t i 0 2 等含量较少2 1 ,2 2 ,2 3 1 。 当然， 这 也有例外，例如本文研究的准格尔煤灰就是如此，它的主要化学成分也是 s i 仇 和 人 1 2 0 3 ，但是，不同于其它煤种灰的是， a 1 2 0 3 的含量大于s i 仇。煤灰的组成以氧化 物的形态来表示，并不意味着煤灰中就有这种氧化物，实际上它们是以硅酸盐、硅 铝酸盐、硫酸盐、氧化物和少量碳酸盐、磷酸盐以及其它化合物等多种形态的化合 物混合组成的，如s 0 3 就是如此，实际上煤灰中并不存在s 仇 2 4 1 2 . 1 . 1烬煤的矿物成分及其转化过程 嫌煤的灰质与组成地壳岩石圈的三大岩石种类，即沉积岩、岩浆岩和变质岩有 共同的属性，迄今，已发现煤中有 4 0 - 5 0种矿物质，然而主要的部分是粘上、硫化 物、碳酸盐、石英等，灰质中以构成粘土的页岩和高岭土两类组分所占份额最大。 煤中矿物质通常以三种形态存在， 分别称为固有矿物质、 夹杂矿物质和外来矿物质。 固有矿物质指的是与煤基体有机结合的各种矿物质。尽管在成煤过程中渗透水的离 子交换作用会使形成煤块的植物细胞中的无机元素一部分被置换掉，但一般认为固 有矿物质主要来源于这些无机元素。大部分煤中固有矿物质占矿物质总量的 5 % - 2 0 %，一般的物理选矿方法不能将固有矿物质从煤中除去。夹杂矿物质以分散 的微小体形式存在，这种矿物质是在成煤过程中与基体相结合的。通常情况下，煤 中矿物质的6 0 % - 8 0 %以夹杂矿物质的形式存在。 外来矿物质指的是煤开采过程中混 入的土块或岩石块。这种矿物质一般占 矿物质总量的5 % -2 0 %。大部分外来矿物质 会在煤的预处理或制粉过程中被除去。即使通过了磨煤机，外来矿物质颗粒的粒径 也会比煤中夹杂矿物质和固有矿物质的粒径大的多。因此，绝大部分外来矿物质将 属于炉底灰渣，而不会对飞灰中烟气的形成起主要作用。表 2 - 1 2 5 ,2 6 是煤中主要的 矿物质和各自近似的化学式。 华北电力大学硕士学位论文 表2 - 1 燃煤的主要矿物成分 类别典型矿物质矿物质的近似化学式 页岩 钾云母石 钠云母石 高岭土粘土 k 2 0. 3 a 1 2 0 3 一 6 s i o 2 . 2 h 2 0 na 2 o - 3 a 1 2 0 3 - 6 s i o 2 2 h 2 0 ( mg , c a ) o - a1 2 0 3 - 5 s i 0 2 - n h 2 0 高岭土高岭土 a 1 2 0 3 2 s i o 2 2 h 2 0或 a 1 2 0 3 2 s i 0 2 . 4 h 2 0 碳酸盐 石灰石 白云石 铁白云石 菱铁矿 c a c 0 3 c a c 0 3 - m9 c o 3 2 c a c o 3 mg c o 3 - f e c o 3 f e c o 3 硫化物黄铁矿、白铁矿 f e s 2 石英s i 0 2 氛化物na cl , kcl 煤 燃 烧 一 般 要 经 历4 个 阶 段 2 7 ,2 8 1 . 1 )干燥、吸热、温度升高、水分被蒸发; 2 )挥发分析出及燃烧，水分蒸发完后煤继续升温，挥发分随之不断析出，当 温度达到着火温度时，逸出的挥发分在颗粒表面开始燃烧; 3 )焦炭嫩烧，挥发分析出后形成焦炭，焦炭表面进一步升温，开始燃烧: 4 ) 燃尽。 煤在一定温度下，所含有的可燃物完全燃尽，同时矿物质发生一系列分解、化 合等复杂反应，遗留下来的残留物就是灰分。 煤中 所含有的元素多达6 0 多种， 其中含量的较多的有: s i , a l , f e , c a , m g , n a , k , s , t i , p 等，这些元素在煤中主要以盐、氧化物的形态存在。煤中的矿物 质概括起来可以分为硅酸盐和非硅酸盐两大类，大多数煤中矿物质杂质以硅酸盐为 主，在煤粉燃烧过程中，这两类矿物杂质可能发生的物理、化学变化如下12 9 ,3 0 1 1 )硅酸盐颗粒变形、球化、熔融: 2 ) s i 0 2 的挥发， 5 0 0 时脱水变形: a 1 2 0 3 . 2 s i 0 2 - h 2 0 - a 1 2 0 3 2 s i o 2 + h 2 o( 偏 高岭土) ，至 9 0 0 时，这种偏高岭土继续存在，当高于 9 0 0 时，它将分 解成无定型的a 1 2 0 3 , s i o 2 ，至 1 0 0 0 时，这种形态的 a 1 2 0 3 和 s i 0 2 将变 成新的矿物质莫来石: 3 a 1 2 0 3 + 2 s i 0 2 y 3 a 1 2 0 3 2 s i o 2 ， 当升温至 1 2 0 0 1c 以 后，莫来石的形成基本完成，其熔融温度为 1 8 1 0 1c，是高温灰中的主要矿 物相。另外，当温度高于5 0 0 时，一部分无定型的a 1 2 0 3 , s i 0 2 会与少量 c a , mg , k , n a 等形成长石类矿物质，如钙长石( c a ( a l 2 s i 2 0 8 ) ) 、黄长石 ( 2 c a o - a l 2 0 3 - s i o 2 ) 、钾长石( ( k -n a ) a l s i 3 0 8 ) 等，但它们均不稳定，在 华北电力大学硕士学位论文 9 0 0 - 1 2 0 0 时发生变化，温度高于 1 3 0 0 时则全部熔融和消失。 石英是煤灰中的主要矿物质之一，当温度大于 1 2 0 0 时，它的含量有所下降， 至1 5 0 0 时基本消失，这是因其与灰中的其它矿物杂质的f e , c a , mg , k , n a 等 形成玻璃体所致。当温度高于 1 0 2 0 时，也会有部分的石英转化为磷石英，但温度 高于 1 4 0 0 时，磷石英亦将熔融为玻璃体。 3 )非硅酸盐矿物质发生的变化12 9 1 . 硫酸盐:c a s 0 4 - c a o+ s 0 3 t ( 1 1 8 0 下反应) mg s 0 4 - + m9 0+ s 0 3 t 0 1 2 4 下反应) f e 2 ( s o 4 ) 3 一f e 2 0 3 + 3 s o 3 t ( 4 8 0 下反应) n a s o 4 ( 液) *n a s 0 4 ( 气)( 8 8 4 1c 下熔化) 碳酸盐:c a c 0 3 m g c o 3 、c a o+ m g o + 2 c o 2 t ( 7 4 0 - 8 0 0 0下反应) c a c 0 3 一c a o+ c 0 2 t ( 7 1 0 - 9 5 0 0下反应) 氛化物: n a c l +( k , n a ) a l ( s i 0 3 ) 2 n a a l ( s i 0 3 ) 2 + k c i t 2 n a c l +s i 0 2 +h 2 o一 n a 2 s i o 3 +2 h c i t 2 . 1 . 2 飞灰的形成过程 煤灰是由在炉内高温状态下未发生碰撞或发生碰撞后聚积的，尺寸为 的 颗粒组成的. 煤灰 形成的 机理的 研究中， k c .f l a g e n 2 9 模型 最有影响， 0 - 2 0 0 w m 如图 2 - 1 所示， 该模型描述了煤加热逸出挥发分和碳燃烧的全过程。煤灰的形成大致可分为 三个阶段: 妞姐飞灰 ( 碗 让e ra : 崖拉 ;二已 丽t o 图2 - 1燃煤飞灰的形成过程模型 1 )煤粉在姗烧开始时 的缝隙间不断逸出 其中气化温度低的挥发分首先自矿物质与固定碳连接 形成多孔性碳粒，此时的煤灰颗粒状态基本保持原煤 华北电力大学硕士学位论文 粉的不规则碎屑状，由于其多孔性，比表面积较大; 2 )伴随着多孔性碳粒中有机质完全嫩烧和温度的升高，其中的矿物质开始脱 水、分解、氧化变成无机氧化物，此时的煤灰颗粒变成多孔性玻璃体，尽 管其形态大体上仍维持与多孔碳粒相同，但比表面积明显小于多孔碳粒; 3 )随着燃烧的进行，多孔玻璃体逐步熔融，收缩而成颗粒，孔隙率不断降低， 圆度不断提高，粒径不断变小，最终由多孔玻璃体变为密度较高、粒径较 小的密实球体，颗粒比表面积下降为最小。不同粒径和密度的灰粒具有显 著的化学和矿物学方面的特征差别，小颗粒一般比大颗粒更具玻璃性和化 学活性 。 最后形成的煤灰( 其中 8 0 - 9 0 %为飞灰，1 0 - 2 0 % 为炉底灰) 是外观相似、颗粒较 细而不均匀的复杂多变的多相物质。 2 . 1 . 3飞灰的组成 煤灰由极细小的颗粒组成，大部分为玻璃体，少量为结晶体及未燃碳，煤灰的 物理化学特性随煤种、煤粉细度、嫩烧方式、燃烧条件以及锅炉负荷等的不同而不 同。煤灰中的矿物质与母煤中的矿物质有关，一般煤粉中含有硅酸盐、氧化硅、黄 铁矿、碳酸盐、硫酸盐及抓化物等矿物质，其中主要是铝硅酸盐类的粘土质矿物和 氧化硅，煤粉燃烧过程中，这些矿物发生物理、化学变化，形成煤灰中的各种矿物 和玻璃体。 由于煤粉颗粒的化学成分并不完全一致，因此燃烧过程中形成的煤灰在排出后 的冷却过程中形成不同的物相，比如s i 0 2 和a 1 2 0 3 含量较高的煤灰玻璃体在冷却过 程中逐步析出石英和莫来石， 氧化铁含量较高的煤灰则析出赤铁矿和磁铁矿。 另外， 煤灰中晶体矿物的含量与其冷却速度有关。一般来说，冷却速度较快时，玻璃体含 量较多，反之，玻璃体容易析晶。由此可见，从物相上讲，煤灰是晶体矿物和非晶 体矿物的混合物1 3 11 ， 其矿物组成的波动范围变化较大， 煤灰中的晶体矿物主要有石 英、莫来石、磁铁矿、赤铁矿、无水石膏等。其中莫来石在煤灰冷却过程中形成的 微小针状晶体，实际上并不单独存在，而是猫附在玻璃微珠的表面，或在微珠的玻 璃体中形成网状骨架;硫酸盐矿物有的以粒状形态存在于煤灰中，有的也是附着在 微珠的表面:另有一些矿物则夹杂于粉屑之中，主要是赤铁矿和磁铁矿。从矿物的 组成比例来看， 一般是玻璃体占优势， 其中玻璃体含量占5 0 %以上， 结晶矿物较少， 如果煤粉燃烧不完全，煤灰中则含有大量炭粒。 通过对煤灰进行岩相鉴定发现，玻璃体是主要物相，煤灰中的玻璃体含量一般 在7 0 %以上，其次是石英、氧化铁、炭粒、硫酸盐等，这几种矿物在低钙煤灰中占 绝大多数，煤灰的主要矿物组分如下(2 5 ,3 2 1 1 )密实玻璃体。占煤灰量的5 0 - 8 0 %.颗粒粒径一般在 0 . 2 - 2 5 0 1 t m，在玻璃体 -9- 华北电力大学硕士学位论文 基质中以及颗粒表面可能有石英和莫来石的微晶，表面还可能有微晶状的 硫酸盐; 2 )海绵状玻璃体( 多孔玻璃体) 。这种矿物占煤灰量的1 0 - 3 0 %， 它是未能熔融 成珠状而形成的不规则的多孔玻璃颗粒，颗粒粒径比密实玻璃体大，也有 部分较细的碎屑; 3 )石英。占煤灰量的 1 - 1 0 %，大部分存在于玻璃基质中，也有部分单独的晶 体s i 0 2 颗粒; 4 )氧化铁。占煤灰量的 3 - 2 5 %,氧化铁这种矿物大部分熔融在玻璃体中，玻 璃体中氧化铁含量越多，其颜色越深，部分氧化铁以磁铁矿、赤铁矿的形 式单独存在; 5 )硫酸盐。占煤灰量的 1 - 4 %，这中矿物主要是钙和碱金属的硫酸盐化合物， 粒径为。 . 1 - 0 .3 1 x m ，部分以粉状分散于煤灰中，部分豁附与玻璃体表面。 6 )炭粒。占煤灰量的 1 - 2 0 %，未燃尽的炭粒，一般情况下为不规则的多孔颗 粒 。 如果是高钙煤灰， c a o晶体也是煤灰的主要矿物组分. 我国现在排放的大部分 低钙煤灰中， 密实玻璃珠的含量较低， 往往只有 5 0 %左右， 海绵状玻璃体含量较多， 炭粒含量有时高达2 0 %以上，氧化铁含量不高，而莫来石含量偏高，其他矿物组分 的波动也较大。 煤灰的颗粒组成及形成条件和特征(3 2 ,3 3 1 1 ) 球状颗粒。这种颗粒由硅铝玻璃体组成，呈圆球状，表面一般比较光滑， 但光滑的程度不同，有的圆球表面有微小的s i o 2 和莫来石析晶。其形成机 理是:若煤粉颗粒经过高温区的时间较长，在较高的锻烧温度下，煤粉颗 粒很容易形成熔融体， 或者温度虽然不是很高， 而颗粒中含高熔点物质少， 含低熔点的物质相对较多时，也很容易形成熔融体，所以该熔体具有较低 的私度和较大的表面张力，在表面张力的作用下，熔融液滴很容易形成球 形。若该液滴迅速冷却，即形成球状玻璃体，如果在玻璃体形成过程中， 有 c 0 2 , n : 等生成而没有逸出，就会形成空心玻璃体，因此，在这些球状 颗粒中有空心的，有光滑的，有连生的颗粒。 2 )不规则多孔玻璃体( 多孔炭粒，硅铝多孔玻璃体) 。多孔玻璃体粒径较粗， 但也有较细的碎屑，它的形成机理是:由于锻烧温度比形成球形玻璃体的 温度低，或者是煤粉经过高温区时间较短，或者是煤颗粒中高熔点物质较 多，而较低熔点物质相对较少，虽然锻烧温度较高，仍不能使煤粉颗粒完 全熔融，所以该熔体具有较高的乳度和较少的表面张力，不易形成圆球形 颗粒，但由于燃煤中的炭在燃烧过程中，燃气的形成和逸出使该液滴的体 积急剧膨胀并形成多孔，该熔体迅速冷却，形成多孔玻璃体。在形成过程 . ，- 华北电力大学硕士学位论文 中，若有一部分气体逸出，则此多孔玻璃体具有开放性孔穴，表面呈蜂窝 状结构，用扫描电子显微镜可观察出它的形貌。若有一部分气体逸出，但 仍包裹于颗粒之中，则此多孔玻璃体具有封闭性孔穴，内部呈蜂窝状结构。 多孔玻璃体具有较大的内比表面积，其表面戮附着很多细小的密实玻璃微 珠和部分晶体矿物，这些颗粒较大，粒径多在几十至几百微米。 我国火电厂煤灰的主要氧化物组成为: s i o 2 , a 1 2 0 3 , f e 2 0 3 , c a o , na2o, k 2 0 , m g o , t i 0 2 , m n o , p 2 0 5 , s 0 3 等， 其中s i 0 2 , a 1 2 0 3 , t i 0 2 来自 粘土、 页岩， f e 2 0 3 主要来自 黄铁矿， m g o , c a o来自 与其相应的 碳酸盐和硫酸盐。 总之，煤灰是结晶体、玻璃体及少量未燃碳组成的一种复杂结构的混合体，三 者的比例随煤燃烧技术的不同而不同。其中结晶体包括石英、莫来石、赤铁矿、磁 铁矿等，玻璃体包括光滑的球体形玻璃体粒子、形状不规则的孔隙少的小颗粒、疏 松多孔且形状不规则的玻璃球等， 未燃碳多呈疏松多孔状 3 3 1 . 煤灰中虽然有不少结 晶的矿物，然而大量的成分还是非晶态的玻璃体。长期研究表明，这些结晶矿物在 正常温度下往往是惰性的，而非晶态的玻璃体具有化学活性。仔细分析煤灰的玻璃 体的存在形态发现，铝硅酸盐是作为基质存在的，在玻璃基质内分散着微晶状或针 状的晶体物质，这些微晶状物质主要是石英，针状晶体物质是莫来石，有的大颗粒 微 珠 表 面 上 粘 有 一 些 粒 径 为。 . 1 - 0 .3 g m的 硫 酸 盐 3 2 1 2 . 2影响电收尘过程的飞灰性质 电除尘器之所以能将粉尘从烟气流中分离并高效的捕集下来，主要依赖于三个 过程3 4 ,3 5 1 1 )进入电除尘器的粉尘颗粒快速、充分荷电; 2 )荷电的粉尘颗粒获得足够大的驱进力并快速移向收尘极板; 3 )捕集到的粉尘颗粒从收尘极板上落入灰斗。 根据电除尘器捕集粉尘的三个过程，我们可以看出影响电除尘器性能的因素很 多，大体归纳一下包括以下三方面: 1 )烟气性质。烟气性质包括烟气种类、温度、压力、湿度、含尘浓度、烟气 量以及烟气流速等。 2 )粉尘特性。粉尘的性质主要是粉尘的物理特性、化学成分和物相结构，如 粉尘的粒径分布、密度、比电阻、分散度、吸湿性和猫附性等。 3 )设备状况。电除尘器的极配形式、电场划分情况、振打清灰方式及振打制 度、气流分布均匀程度和电气控制特性等。 4 )操作条件。包括操作电压、比电流、电极清灰效果、漏风及二次扬尘等。 上述因素可以单独起作用，也可以相互影响，一般情况下，电除尘器效率的高 华北电力大学硕士学位论文 低是多种因素的共同作用决定。其对除尘效率的影响如图2 - 2 1 6 所示: 烟气 性质 粉尘 性质 排耕骼侃 图2 - 2影响电除尘器性能的主要因素关系 从图2 - 2 可以看出，粉尘的性质对电除尘器的除尘效率有着非常重要的影响， 特别是粉尘的比电阻，是影响电除尘器除尘效率的重要因素，而且粉尘比电阻不仅 仅是由自身性质决定，还受烟气的性质和供电状态的影响。我们研究准格尔煤灰的 性质对电除尘器性能影响，主要考虑煤灰的粒度、密度、比电阻、化学成分以及吸 湿性和粘附性等。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 准格尔煤飞灰的物化特性实验分析 通过前面的叙述我们知道，煤灰的物理化学性质对电除尘器的除尘效率有非常 大的影响，因此这一章着重分析准格尔煤灰的粒度分布、密度、粘附性、浸润性以 及矿物组成和化学成分特性。 3 . 1准格尔煤灰的粒度分布特征 3 . 1 . 1飞灰粒度实验方法 用 b a c h o 离心式粉尘分级仪，按照如下步骤测定煤灰的粒径分布。 1 )准确称取l o g 粉尘， 在粉尘分级仪上插入最小颗粒极限的最大隔距片n o 1 8 , 并拧紧。 2 )把称好的粉尘倒在金属筛网上，开动分级的电动机，当电动机达到全速后 自动开启振导器。 3 )调节垂直遮板， 使粉尘薄薄地以每分钟1 - 2 g 的 速度进入漏斗，待粉尘进入 完毕后切断振导器和电机电源。 4 )搬开给料器，用三角扳手松开挡环，取出风扇叶轮，收集叶轮下储尘容器 内和粘附于叶轮边缘的粉尘，然后称重. 5 )对4 ) 中收集的粉尘按上述步骤换用下一小号隔距片进行分级， 然后收集储 尘容器和叶轮边缘的粉尘称重，重复操作直至所有隔距片都用过一遍。 6 )根据每次收集到的粉尘重量和开始称取的粉尘重，分析所测灰样的粒度分 布情况。 3 . 1 . 2准格尔煤灰的粒径分布实验结果及分析 利用 b a c h o 粒度分析仪测定两种准格尔煤灰a和 b分电场以及全灰的粒径， 其 中a是未经s 0 3 烟气调质的煤灰，而灰样b经过s 仇烟气调质，实验数据如表3 - 1 所示，分电场灰的筛上累计分布如图3 - 1 和3 - 2 所示。 表 3 - 1准格尔煤灰 a和 b的粒径分布 粒径 ( g m ) 准格尔煤灰a的分电场和全灰累计分布率 ( %) e s p1e s p 2es p 3es p 4e s p 5 全灰 1 全灰 2 29 5 . 38 9 . 38 5 . 77 5 . 8 7 09 3 . 89 4 . 4 58 37 1 . 36 3 . 84 7 . 24 2 . 88 0 . 2 8 1 . 0 1 06 6 . 85 34 2 . 93 0 . 92 3 6 3 . 56 4 . 4 1 55 541 . 93 1 2 1 . 31 4 . 55 1 . 95 2 . 7 华北电力大学硕士学位论文 2 04 63 3 . 72 3 . 51 5 . 11 04 3 . 14 3 . 8 2 53 9 . 62 71 8 . 51 1 . 77 . 13 6 . 73 7 . 4 3 03 4 . 22 4 . 11 4 . 89 . 45 . 33 1 . 83 2 . 4 3 53 02 0 . 91 27 . 54 . 22 7 . 82 8 . 3 4 02 6 . 31 81 0 . 26 . 13 . 22 4 . 32 4 . 8 4 52 3 . 51 5 . 58 . 75 . 12 . 721 . 62 2 . 1 5 02 1 . 61 3 . 87 . 54 . 32 . 31 9 . 82 0 . 2 5 51 9 . 51 2 . 56 . 53 . 81 . 91 7 . 81 8 . 2 6 01 7 . 81 1 . 35 . 73 . 61 . 61 6 . 31 6 . 6 中位径 1 7 . 51 1 . 37 . 95 . 23 . 91 5 . 81 6 . 5 针 亿r . 二 、 准格尔似液 灰b的步3 电场和崖 全 灰累计分 布率 ( %) ， 谧 目、尸月 “ ， es p1es p 2es p 3e s p 4e s p 5全灰 1 全灰2 29 8 . 49 4 . 58 9 . 58 5 . 58 39 7 . 49 7 . 8 59 07 8 . 26 8 . 15 5 . 94 9 . 78 7 . 18 7 . 9 1 07 3 . 25 7 . 84 5 . 23 0 . 52 36 9 . 57 0 . 4 1 55 9 . 84 7 . 23 1 . 91 8 . 51 2 . 15 6 . 55 7 . 4 2 04 93 62 3 . 81 1 . 66 . 94 5 . 84 6 . 6 2 54 0 . 72 9 . 21 8 . 17 . 74 . 33 7 . 93 8 . 6 3 03 3 . 72 4 . 31 4 . 25 . 62 . 83 1 . 33 2 . 6 3 52 9 . 62 0 . 71 1 . 54 . 21 . 92 7 . 42 7 . 9 4 02 6 . 51 7 . 59 . 531 . 32 4 . 32 4 . 9 4 52 3 . 61 57 . 82 . 40 . 92 1 . 52 2 . 1 5 02 1 . 71 3 . 16 . 61 . 90 . 71 9 . 72 0 . 2 5 51 9 . 81 1 . 55 . 61 . 50 . 5 51 7 . 91 8 . 3 6 01 81 0 . 34 . 81 . 20 . 41 6 . 21 6 . 7 中位径 1 9 . 51 2 . 68 . 65 . 94 . 91 7 . 71 8 . 3 100 厂 匡esp3we -s - 2 叮一派交又子 宁 巴 台下 不丫 卞 加 r - 一 今 一 烤坟卜心枯、 叹 一 卜 一犷 一 士 一 卜 世 弓 . 1. 1 曦一;、 屯 汉 . 、 心、 、 ; ; ; ; 1 40r - - 一于 一弓 一 二 一 价受尺.民又气咕、哎一 亡 一 卜 寸