（热能工程专业论文）基于神经网络的煤灰结渣特性的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 煤灰的结渣特性主要取决于煤灰中各化学成分的百分比含量，同时也取决于各 物质的熔点温度。而煤灰中各化学成分含量与煤灰熔点也有一定联系，进而可以估 计煤灰熔融特性。本文应用b p 神经网络中的不同算法，来研究煤灰各组分含量与 煤灰熔融特性之间的关系。通过对1 7 0 组数据，应用神经网络进行分析，预测煤灰 熔点温度，以初步分析b p 神经网络各种算法的特点，以及在研究本文内容时的适 用性，并通过改变主要参数进行试验，以提高b p 神经网络预测煤灰熔融特性的精 度。通过分析预测误差离散点，分析研究影响煤灰熔融特性的主要因素及相关程度。 关键词：煤灰成分，熔融温度，结渣特性，b p 神经网络 a bs t r a c t a s hs l a g g i n gc h a r a c t e r i s t i c sn o to n l yd e p e n d sm a i n l yo nt h ep e r c e n t a g eo fa s h c o n t e n ti nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，b u ta l s od e p e n d so nt h em e l t i n gp o i n tt e m p e r a t u r e o ft h em a t e r i a l b u ti nt h ea s hv a r i o u sc h e m i c a lc o m p o s i t i o nc o n t e n ta n dt h ea s hm e l t i n g p o i n ta l s oh a v ec e r t a i nr e l a t i o n ，t h e nm a ye s t i m a t et h ea s hf u s i n gc h a r a c t e r i s t i c t h i s a r t i c l ea p p l i e sb pn e u r a ln e t w o r kt or e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e n sa s hv a r i o u s c o m p o n e n t s c o n t e n ta n da s hm e l t i n g c h a r a c t e r i s t i c t h r o u g h t o17 0 g r o u p s o f d a t a ，a p p l y i n g n e u r a ln e t w o r kt ot h e a n a l y s i s a n d f o r e c a s t i n g t h ea s h m e l t i n g t e m p e r a t u r e ，t h e s ep r o m u l g a t e se a c ha l g o r i t h mo fb pn e u r a ln e t w o r k sc h a r a c t e r i s t i ca s w e l la st h ea d v a n t a g e si nr e s e a r c h i n go ft h i sa r t i c l e sc o n t e n t c a r r y i n go nt h ee x p e r i m e n t w h e nc h a n g i n gt h em a i np a r a m e t e r , t o i n c r e a s e i n gt h ep r e c i s i o no ft h eb pn e u r a l n e t w o r k sf o r e c a s t i n gc h a r a c t e r i s t i c o nt h ee n d ，t h ea r t i c l et h r o u g ha n a l y s i sf o r e c a s te r r o r s p o t ，p r o m u l g a t i n gt h ep r i m a r yf a c t o ro fi n f l u e n c i n gm e l t i n gc h a r a c t e r i s t i c c u iz h e n h u a ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f f a nq u a n g u i k e yw o r d s ：a s hc o m p o s i t i o n ，m e l t i n gt e m p e r a t u r e ，s l a g g i n gp r o p e r t y ，b pn e u r a l n e t w o r k 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 煤灰的结渣特性主要取决于煤灰中各化学成分的百分比含量，同时也取决于各 物质的熔点温度。而煤灰中各化学成分含量与煤灰熔点也有一定联系，进而可以估 计煤灰熔融特性。本文应用b p 神经网络中的不同算法，来研究煤灰各组分含量与 煤灰熔融特性之间的关系。通过对1 7 0 组数据，应用神经网络进行分析，预测煤灰 熔点温度，以初步分析b p 神经网络各种算法的特点，以及在研究本文内容时的适 用性，并通过改变主要参数进行试验，以提高b p 神经网络预测煤灰熔融特性的精 度。通过分析预测误差离散点，分析研究影响煤灰熔融特性的主要因素及相关程度。 关键词：煤灰成分，熔融温度，结渣特性，b p 神经网络 a bs t r a c t a s hs l a g g i n gc h a r a c t e r i s t i c sn o to n l yd e p e n d sm a i n l yo nt h ep e r c e n t a g eo fa s h c o n t e n ti nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，b u ta l s od e p e n d so nt h em e l t i n gp o i n tt e m p e r a t u r e o ft h em a t e r i a l b u ti nt h ea s hv a r i o u sc h e m i c a lc o m p o s i t i o nc o n t e n ta n dt h ea s hm e l t i n g p o i n ta l s oh a v ec e r t a i nr e l a t i o n ，t h e nm a ye s t i m a t et h ea s hf u s i n gc h a r a c t e r i s t i c t h i s a r t i c l ea p p l i e sb pn e u r a ln e t w o r kt or e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n sb e t w e e n sa s hv a r i o u s c o m p o n e n t s c o n t e n ta n da s hm e l t i n g c h a r a c t e r i s t i c t h r o u g h t o17 0 g r o u p s o f d a t a ，a p p l y i n g n e u r a ln e t w o r kt ot h e a n a l y s i s a n d f o r e c a s t i n g t h ea s h m e l t i n g t e m p e r a t u r e ，t h e s ep r o m u l g a t e se a c ha l g o r i t h mo fb pn e u r a ln e t w o r k sc h a r a c t e r i s t i ca s w e l la st h ea d v a n t a g e si nr e s e a r c h i n go ft h i sa r t i c l e sc o n t e n t c a r r y i n go nt h ee x p e r i m e n t w h e nc h a n g i n gt h em a i np a r a m e t e r , t o i n c r e a s e i n gt h ep r e c i s i o no ft h eb pn e u r a l n e t w o r k sf o r e c a s t i n gc h a r a c t e r i s t i c o nt h ee n d ，t h ea r t i c l et h r o u g ha n a l y s i sf o r e c a s te r r o r s p o t ，p r o m u l g a t i n gt h ep r i m a r yf a c t o ro fi n f l u e n c i n gm e l t i n gc h a r a c t e r i s t i c c u iz h e n h u a ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f f a nq u a n g u i k e yw o r d s ：a s hc o m p o s i t i o n ，m e l t i n gt e m p e r a t u r e ，s l a g g i n gp r o p e r t y ，b pn e u r a l n e t w o r k 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于神经网络的煤灰结渣特性的研 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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雌日期：z 巡 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) 日期：趔 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究结渣的意义 1 1 1 结渣的含义 第一章绪论 结渣是在锅炉内烟气侧受热面出现的严重影响锅炉正常运行的故障现象。结渣 主要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。结渣主要以粘稠或熔融的沉淀物形式出现在辐射受热面上，如水冷壁、 水排管、防渣管、过热器管排等。川 1 1 2 结渣的危害性 ( 1 ) 结渣会降低炉内受热面的传热能力，一般沾污数小时后水冷壁的传热能力会 降低3 0 - - 6 0 ，使得炉内火焰中心后移、炉膛出口烟温相应提高、会使得省煤器 和空气预热器堵塞、传热恶化，从而提高排烟温度，降低锅炉运行经济性。 ( 2 ) 在传热作用减弱的情况下，为了维持同样的蒸发量，就需要消耗更多的燃料， 使送引风机负荷增高，厂用电增大，由于通风设备容量有限，加之结渣情况下容易 发生烟气通道的局部堵塞，可能因引风量不足，燃烧室内产生正压，甚至限制锅炉 出力。 ( 3 ) 由于炉膛出口烟温提高，导致过热蒸汽温度过高，这不仅危害过热器，还会 导致汽轮机事故。另外，还使飞灰粘结在对流和屏式过热器上，引起过热器沾污和 腐蚀。 ( 4 ) 由于总的传热阻力增大，使锅炉可能无法维持在满负荷下运行，只好增加投 煤量，引起炉膛出口烟温进一步提高，使灰渣更容易粘在受热面上，形成恶性循环， 导致发生一系列锅炉恶性事故。 ( 5 ) 在高温烟气作用下，粘结在水冷壁或高温过热器上的灰渣会与管壁发生化学 反应，形成高温腐蚀。 ( 6 ) 燃烧室上部结渣掉落时，可能砸坏冷灰斗水冷壁管，也可能使冷灰斗出口逐 渐堵塞，以致不能维持运行。 ( 7 ) 喷燃器出口处，可能因结渣而影响煤粉气流的正常喷射，甚至喷v l 被焦渣堵 住：或因焦渣影响引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器。 ( 8 ) 结渣以后，为了维持锅炉出力，增加入炉燃料量而通风不足时，燃烧不易完 全，一些可燃物可能被带到对流受热面，在烟道角落堆积起来继续燃烧，发生“烟 1 华北电力大学硕士学位论文 道再燃烧”现象，造成破坏性的后果。【2 4 j 1 1 3 研究结渣的意义 我国电力工业已步入“大电网、大机组、高电压、高自动化”的发展新阶段， 煤粉锅炉在发电厂中的数量巨大，然而无论在大机组还是小机组的运行中，许多燃 煤锅炉不同程度的存在炉膛结渣问题，以致造成锅炉损坏、经济效益滑坡、有些甚 至引发重大事故，因此，治理锅炉结渣是刻不容缓的任务。【5 】 1 2 研究的对象以及理论与实践依据 1 2 1 研究的对象 固态排渣锅炉燃烧时炉膛内出现的煤灰结渣问题严重影响锅炉运行的热效率 与安全性。结渣是一个非常复杂的物理、化学过程，结渣的程度与性质主要取决于 煤灰的成分，同时又于灰分含量、燃烧方式、炉膛结构和运行工况等有关。 本文主要研究煤灰成分和煤灰熔融温度对煤灰结渣特性的影响，为了达到更高 的精度，选取分辨率较高的综合判别方法进行研究。【l 8 】 1 2 2 研究的理论及实践依据 煤灰是一种极为复杂的无机混合物，煤灰主要成分为硅、铝、铁、钙、镁、钾、 钠、钛、锰、硫和磷等元素的氧化物及其盐类。在锅炉燃烧中，可根据灰成分来比 较准确的估算煤灰熔融性和流动性。对于灰的结渣性能来说，灰的熔融特性也是应 特别予以关注的，煤灰没有固定的熔化温度，仅有一个熔化范围，在锅炉设计中， 大多采用软化温度作为灰的熔点。 煤燃烧时无机物质发生了复杂的转化，虽然在煤灰组成与结渣性之间并无明确 的关系，但实践中发现，灰渣中的某些化学元素能大大强化结渣现象，这些元素是 硫、钙、氯和钠。其中个别的由于熔点低，在低温下已熔化和蒸发，然后冷凝在温 度较低的炉膛壁上，形成结渣的原生层。说明煤灰的结渣特性不仅取决于煤灰中的 各种化学成分的含量，同时也在一定程度上取决于各物质自身的熔点温度。近年来 各国所发展并得到了广泛应用的判别指标，大致可分为灰熔融性、灰成分和灰黏度 三种类型。灰熔融性判别指标包括初始变形温度、软化温度和熔点结渣指数。灰成 分判别指标主要有硅铝比、酸碱比、硅比等。此外，美国学者又提出了灰黏度类型 指数，在以上诸多指标中，针对我国燃煤和电厂锅炉运行情况，以灰的软化温度、 碱酸比、硅比和硅铝比四种指标为判别结渣的依据较适合于我国煤种，有较高的分 辨率。【3 0 】 2 华北电力大学硕士学位论文 1 3 国内外文献综述 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，大致分为三个方面，即根据煤灰物理特 性对炉内结渣的研究，根据煤灰的成分特性对炉内结渣的研究和炉内结渣的综合研 究。除了灰成分、灰熔点、灰黏度、灰成分偏析( 即重力筛分法) 和灰釉质表面张 力( 或粒径) 等单一的结渣指数以及由单一结渣指数外，加权平均构成的综合指数 也用于判别煤灰的结渣程度。近年来，又开发出许多研究结渣特性的特种方法，如 运用统计理论、模式识别、模糊数学理论或神经网络理论等方法对结渣特性进行综 合评判。u o 1 3 1 主要煤灰结渣特性指标 1 3 1 1 煤灰的熔融温度指标 在结渣指标中，最基本，最容易被人们所接受的是灰熔点指标。煤灰熔融温度 是根据煤灰试样在加热过程中形状变化来确定的，各国测定方法不同，其特征温度 的含义也不尽相同，其中a s t m ( 美国材料试验协会) 标准应用较广泛，在a s t m ( 美国材料试验协会) 标准中，观察4 个温度：开始变形温度，软化温度，流动温 度和半球温度。这方面的结渣指标主要有：熔融温度结渣指数，软化温度和热工研 究院的初始变形温度。【1 1 】 1 3 1 2 煤灰成分结渣指标 现行的灰成分是以组成灰的各元素最高价氧化物质量百分数给出的 s i 0 2 + 舢2 0 3 + f e 2 0 3 + c a o + m g o + n a 2 0 + k 2 0 + t i 0 2 + p 2 0 5 + s 0 3 = 1 0 0 ( 1 - 1 ) 由于灰的氧化物组成不同，或在某种条件下，某种或某几种氧化物含量的变化 将改变化合物的构成，而对煤灰整体熔点、黏度产生不同影响，基于这点，建立了 灰成分结渣指标。主要有：碱酸比，硫结渣指标，当量氧化铁，硅比，硅铝比，钙 铁比，铁、白云石比，碱金属总量和造渣指数。u 2 1 1 3 1 3 煤灰黏度结渣指标 从煤灰黏度特性得出结渣指标有两种，一种为指定一个黏度时的温度值：另一 种为指定黏度区域时的温度值，以反应煤灰长、短渣特性。 3 。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 1 4 灰熔点与灰成分等的综合指标 美国电力协会确定了煤的收到基灰分、碱酸比及还原性气氛中测定的灰软化温 度的综合判别线图。哈尔滨锅炉厂研究所采用灰成分、灰熔点综合指数r 来判断煤 的结渣趋势( 普华中心的综合判别指标) 。美国伯太尔一哥伦布实验室与美国电力 研究所调查了美国与加拿大的1 3 0 台锅炉( 烟煤及褐煤锅炉) 的结渣情况，将实际 炉内结渣程度分为3 个等级，检验了碱酸比、硫结渣指标、硅比、煤灰软化温度及 灰熔融温度等5 种指标的准确性，各指标的准确度仅在5 2 一6 9 之间。热工研究 院在1 9 8 5 年对运行的2 4 个电厂的6 0 台锅炉结渣情况进行了调查以初始变形温度 及熔融温度指标、硫结渣指标、硅比、硅铝比、铁钙比等六个指标检验其准确性。 1 3 2 主要煤灰结渣特性预测方法 1 3 2 1 根据煤灰特性的预测方法 根据煤灰特性的预测方法主要包括：根据灰渣单一成分含量进行预测，根据煤 灰成分综合比值进行预测，根据灰熔点温度进行预测，根据灰渣黏度特性进行预测， 根据煤灰烧结强度进行预测，根据渣型特征来进行预测，根据煤灰单一特性进行预 测。 1 3 2 2 根据多项指标的综合预测方法 上述介绍的采用煤灰特性预测结渣指标，虽然其使用方便，并在实践中得到了 广泛的应用，取得了较好的效果，但它们存在很大的局限性，且预测正确性低，其 原因主要是因为煤的灰熔点、灰成分和灰黏度指标不能完全反映煤灰在结渣过程中 的物理化学变化，以及煤灰的结渣除了和煤的潜在结渣倾向有关还与锅炉结构形式 运行工况及炉内空气动力工况有关。为了克服单一结渣指标分辨率低的缺陷，发展 了综合判别法，主要包括：煤灰结渣倾向的模糊判别方法，p t s q 综合判别法，多 项指标加权平均法，基于模糊神经网络的煤灰结渣预测，等等。【9 j 1 3 3 煤灰成分与煤灰熔融特性的关系 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，酸性氧化物具有提高煤灰熔融特性温度的作用，其含量越 多，熔融温度就越高；相反，碱性氧化物具有降低煤灰熔融温度的作用，其含量越 多，熔融温度就越低。酸性与碱性氧化物的相互匹配与比例增减，煤灰熔融时的还 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规律性。【1 4 】 v a s s i l e v 和k u n i h i r o 1 6 】对世界各地的4 3 神高温灰样( 8 1 5 土1 0 ，灰化l 小时) 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 ， a 1 ，o ， s i 0 2 k 2 0 ；使灰熔点降低的氧化物排序为：s o ， c a o m g o f e ，o 、 n a ，o 。 4 华北电力大学硕士学位论文 这与刘新兵与陈茺对我国主要煤灰样本的研究结果一致，他们认为，碱金属氧化物 以游离形式存在时能显著降低煤灰熔融温度，但多数煤灰中的k ，o 是作为伊利石的 组成部分而存在的，而伊利石受热直到熔化仍无k ，o 析出，故对煤灰的助熔作用大 大减小。这也说明元素的矿物形态对煤灰熔融性的重要影响。此外，他们还认为煤 灰中碱性氧化物含量( 即b 指数) 在4 0 - 5 0 时，由于灰的熔点共晶体的形成，使熔 融温度最低；当b 5 0 时，灰熔融温度随着碱性氧化物含量的增加而提高，但对应关系较差。 黄干钧【4 6 】等提出以煤灰碱酸比与硅铝比的乘积r w 作为动力用煤的结渣指数， r h 越大，说明在燃烧中就越倾向于形成易熔的玻璃体硅铝酸盐，导致结渣越严重。 初步验证表明：r h 判别煤灰的结渣程度有较高的准确性。 1 3 4 矿物质对煤灰结渣性的影响 随着科学技术的发展和先进的测试仪器的出现，人们进一步研究了矿物质组成 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煤灰组分以不同的比例 相结合而成。在加热过程中，煤灰中除各矿物组分熔融外，矿物组分间会发生反应 形成无机成分；各矿物组分间还会发生低温共熔现象，从而会影响灰的熔融特性。 这些矿物组成对煤灰熔融性的影响可以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、热重力分析法和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。 川井隆夫和柴田次迸1 37 】研究了粘土矿物对煤灰熔融特性的影响，发现年老煤中 的矿物质以高岭石为主，其煤灰熔融温度比年轻的煤高：高岭石的含量与煤灰熔融 特性有很好的相关性；硬石膏的存在会降低高岭石的熔融温度。u n u m a 等人也得出 类似的结论：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 着高岭石含量的增加，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。 v a s s i l e v 2 0 j 在研究各种煤灰化学成分对煤灰熔融性的影响的同时，也研究了各 种矿物成分对煤灰熔融性的影响。他指出：煤中主要结晶矿物是石英、高岭石、伊 利石、长石、方解石、黄铁矿和石膏，次要矿物是方石英、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，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灰熔融温度较低。 1 3 5 煤灰熔融性与相平衡物质之间的关系 在理论上，由相平衡关系能得到煤灰完全成为液体时的最低温度( 液化温度) 、 煤灰完全为固体时的最高温度( 固化温度) ，以及在中间温度时的固相和液相的组 华北电力大学硕士学位论文 成。k a l m a n o v i t c h t 2 4 1 等最先提出基于c a o f e o a 1 ，0 ，一s i o ，四元相图的预测燃煤 锅炉炉膛结渣倾向的方法。他们将灰分圆整成这四种氧化物物系，病标绘在相应的 相图上，根据液相温度和完全凝固前的结晶过程的特征来预测结渣倾向。经与燃用 灰特性差异较大煤种的六台电站锅炉的现场经验比较，此预测方法己获得确证。 h u g g i n s 2 9 】等就煤灰熔融温度对相平衡性质的依赖关系进行了研究，发现煤灰 熔融温度与相平衡性质有良好的相关性。 李帆【3 9 】等采用重庆中梁山煤灰也对煤灰熔融温度与c a o a 1 ：o ，一s i o ，和f e o 一：0 ，一s i o ：三元相图的关系进行了研究，结果表明在高温下混合灰样的矿物组 成与三元系统相图的矿物组成基本一致。v i n c e n t 采用新西兰煤灰，也对煤灰熔融温 度与三元系统的关系进行了研究，结果表明根据煤灰在三元相图中的组成点可以推 测其熔融温度。所谓的三元相图是指以碱性氧化物、酸性助熔氧化物和酸性非助熔 氧化物为定点的正三角形相图。 j a k 3 3 】等采用舢2 0 3 s i o ，一c a o f e o f e ，0 ，五元系统预测i g c c 煤气化系统 中的结渣情况。通过该五元系统计算得到液相温度下渣系中固相比例，为i g c c 系统 的设计和安全运行提供了有益的指导。 刘迎晖【5 0 】等人采用c a o f e o a 1 ：0 ，一s i o ，一m g o 五元物系的相图计算方法 来预测煤灰的熔融特性及在软化温度下的矿物组成。五元系统相图计算不仅可以预 测灰熔点、相变趋势、而且它可定量预测灰渣中的晶体和熔融相组成，因而有助于 更深入完整地了解煤燃烧时矿物质地物理变化。结果表明煤灰中随着c a o 添加量的 增大，灰熔点先降低后上升，并存在一个最小值，这是由于低温共熔物形成引起的， 预测结果与x 射线衍射试验结果进行比较，有相同趋势。 1 4 主要研究内容 本文在进行煤灰结渣特性分析研究的同时，尝试将神经网络原理应用于对煤灰 熔融特性的分析。本文应用b p 神经网络这一工具，来研究煤灰各组分含量与煤灰 熔融特性之间的关系。通过对1 7 0 组数据，应用神经网络进行分析，预测煤灰熔点 温度，以揭示b p 神经网络各种算法的特点，以及在研究本文内容时的利弊，并通 过改变主要参数进行试验，以提高b p 神经网络预测煤灰熔融特性的精度。通过分 析预测误差离散点，揭示出影响煤灰熔融特性的主要因素。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章煤灰结渣特性的因素分析 电站锅炉的结渣主要指炉膛中的灼热灰渣与未燃尽的煤粉冲刷到水冷壁、屏式 过热器等辐射受热面上呈液态或半液态粘附着，结成紧密的灰渣层。结渣一旦形成， 渣块就会越积越厚，破坏炉内工况，使炉内燃烧恶化。由于灰渣导热系数低，热阻 大，使炉内吸热降低，严重影响锅炉出力，从而破坏炉内总体热平衡过程。结渣还 会使排烟温度升高，降低锅炉效率。此外，大渣块从炉膛上部落下，不但影响锅炉 排渣，使锅炉被迫停炉，而且还会发生炉膛爆炸事故。可见，锅炉结渣直接影响着 锅炉运行的安全性、经济性和可靠性。 炉内结渣是一种非常复杂的现象，影响结渣的因素很多，除煤质特性与炉膛结 渣密切相关外，锅炉的结构特性、燃烧器形式与布置以及锅炉的运行方式都对锅炉 结渣有影响。本文主要探讨煤质特性与炉膛结渣的关系。 2 1 煤灰成分对结渣的影响 2 1 1 灰成分及其特性 灰分是由金属氧化物和非金属氧化物及其盐类组成的复杂物质，以s i o ，和 趾2 0 3 为主，主要有f e 2 0 3 、c a o 、m g o 、t i o ，、s o ，、n a ，o 和k ，o 等，以及m n 、 v 和m o 等一些元素的氧化物。可将灰中各氧化物分成两类：一类为酸性氧化物， 即s i o ：、a i ：o ，；另一类为碱性氧化物，即f e ，o ，、c a o 、m g o 等。对于灰的结渣性 能来说，灰的熔融特性是应特别予以关注的，煤灰没有固定的熔化温度，仅有一个 熔化范围。我国和世界上大多数国家以角锥法在半还原性气氛中测定三个特征温 度：变形温度d t ，即灰锥尖开始变圆或弯曲时的温度：软化温度s t ，即灰锥体弯 曲到锥尖触及托板或锥体变成球形和高度不大于底长的半球时的温度；流动温度 f t ，即灰锥完全熔化或展成高度小于等于1 5 毫米薄层的温度，也称为熔化温度。 也有国家用热显微镜观测柱体式样的熔融特征来确定其特征温度。在锅炉设计中， 大多采用软化温度s t 作为灰的熔点。根据灰熔点的高低，把煤灰分成易熔、中等 熔融、难熔、极难熔。而灰黏度是表征高温熔融状态下灰的流动特性，通常根据牛 顿摩擦定律，采用黏度计测定。【3 0 】 2 1 2 碱金属的影响 煤中若含有较多的碱性矿物质的灰，则极易发生结渣问题，在8 0 0 - l 0 0 0 时， 许多含钠的成分能和硅酸盐发生反应，因此含钠的成分会参与煤中矿物质的玻璃化 过程，在加热时生成易熔的共晶体。碱金属化合物在高温区中可能发生蒸发，变成 7 华北电力大学硕士学位论文 以氧化物、氯化物、氢氧化物及其硫酸盐的蒸汽或气体，然后冷凝在温度较低的受 热面上，在管子上这些化合物又和金属及烟气相互作用，形成积灰的初始层。钠在 火焰高温区短时间内可能以原子钠或氧化钠的形式存在，因为水蒸气的存在而形成 n a o h ，当温度较低时，会与二氧化碳，二氧化硫，氧气和三氧化硫反应生成硫酸 钠和碳酸钠氢氧化钠会随着温度降低而产生硫酸钠和氯化钠。氯化钠和氯化钾等碱 金属盐对形成碱性粘结灰有作用，硫酸钠等碱的硫酸盐和铁、铝的硫酸盐发生化合 反应，其产物的熔化温度为5 0 0 - 、一6 0 0 ，是二次沉积灰的成分，因此碱金属化合物 不仅促进一次灰的形成，而且也促进二次灰的形成。 氧化钙是低熔点共晶体的重要组分。氧化钙增加，可使低熔点共晶体组分上升， 当( s i o ：+ a 1 ：o ，) c a o 的值在一定范围内时，可使流动温度降到最低。氧化钙含量 的变化对灰熔融特性的影响是比较复杂的。【3 1 】【4 7 】 2 1 3 灰中铁氧化物含量的影响 铁在煤中以三种形态存在，单质铁、氧化亚铁和三氧化二铁，因为三氧化二铁 的熔点最高，所以铁的完全氧化态会提高煤灰的特征温度。随着灰中含铁量的增加， 灰在氧化性气氛和在还原性气氛中的熔点差增加。这是因为在还原性气氛中，氧化 亚铁会与二氧化硫、氧化钙等形成低熔点共晶体，其含量越多，低熔点共晶体越多， 而在氧化性气氛下，氧化亚铁会被氧化成三氧化二铁，三氧化二铁比氧化亚铁熔点 高五百摄氏度。试验证明，对低熔点的煤，当锅炉燃烧空气量不足或局部存在还原 性气氛时，结渣会更加严重。但对于含铁量小的褐煤来说，灰中铁的形态对熔化温 度的影响较小。【5 l j 2 1 4 硅酸盐含量的影响 煤灰中氧化硅的含量一般占首位。当积灰是硅酸盐化合物型积灰时，原始层的 形成不是由于碱金属化合物的汽化和凝结，而是因极细微的雾状硅化物沉于管壁的 结果。积灰管壁在显微镜下是非常粗糙不平的，金属氧化膜是像针状或草丛一样的 结构，雾状氧化硅形成直径约为o 2 微米的微细颗粒就落在这些针状物之间，且外 面往往包有凝结的碱金属氧化物，它可以在那些细粒间或细粒和其他飞灰颗粒间起 粘结作用。当原始层形成后，表面温度提高，加上其他易熔物质的作用，积灰将逐 渐增长。一般来说，氧化硅的汽化温度都相当高，但硅酸盐共熔体的熔点却又相当 的低。氧化硅含量在1 0 4 0 时，对灰的熔化温度影响不大，含量在4 0 - - 8 0 时，熔化温度略有升高，但氧化硅在这一范围内增加时，熔化温度和软化温度的差 值，却有明显的上升趋势。【4 3 】 8 华北电力大学硕士学位论文 2 1 5 三氧化二铝含量的影响 三氧化二铝在煤中的含量较多，同时它也是高熔点矿物质。煤中三氧化二铝的 含量会对软化温度产生影响，当其含量大于1 5 时，软化温度会明显增大，当含量 大于3 6 时，不管其他成分如何变化，软化温度都大于1 5 0 0 摄氏度。 4 0 1 2 1 6 灰分含量的影晌 灰熔融温度与灰分含量也有一定关系，它能反映煤的结渣性高低。随着煤种的 不同，大致在灰分为1 0 - - - 2 5 的范围内，灰熔点将出现最低值。这说明，煤的灰 分特别高或特别低时，煤的结渣能力要比中等灰分的煤弱。灰分为7 l5 时，其 灰熔点迅速降低。【4 l j 2 2 矿物组成对煤灰结渣特性的影响【4 3 1 煤的灰分是由煤中的各种矿物质经燃烧、分解后转换而来的，煤灰的组成成分 主要取决于煤中矿物组成，由显微镜观察表明，煤中常见以下几种矿物组分。 ( 1 ) 高岭石。也叫高岭岩。其化学组成是硅铝氧化物( a 1 ，o ，2s i o ，2h ，o ) 还 有与高岭石的组成相类似的偏高岭石( 础，0 ，2 s i o ，) 、莫来石、水云母、伊利石 和蒙脱石等矿物。煤灰熔融温度的显著差别取决于石英、高岭石和长石的含量；随 着高岭石含量的增加，煤灰熔融温度逐渐提高，对高岭石含量相同的煤灰，熔融温 度随长石含量增加而降低，同时钙长石( c a o a i ：o ，- 2 s i o ，) 与其他矿物也会发 生低温共熔现象。高岭石的含量与煤灰煤灰熔融性有很好的相关性( 相关系数r = o 8 9 ) 硬石膏的存在会降低高岭石的熔融温度。在弱还原气氛下，煤灰中高熔点的 矿物质莫来石( 3a 1 ：o ，2 s i o ，) 对灰熔点影响较大，其含量越高，灰熔点越高。 ( 2 ) 硫化铁矿。以硫铁矿( f e s ，) 为主，有时也有少量呈斜方晶体的白铁矿( f e s ， 与黄铁矿为类质同晶体) ，以及砷黄铁矿( f e s ，f e a s ，) 和磁黄铁矿( f e 。s ，) 等 其他硫化铁矿。【4 5 】 ( 3 ) 石英类矿物。以各种砂岩( s i o ，) 为主，也有玉髓等矿物。 ( 4 ) 碳酸盐矿物。以方解石( c a c o ，) 和白云石( c a c o ，m g c o ，) 为主，在侏 罗纪形成的煤中也常见有菱铁矿( f e c o ，) 的存在。如早、中侏罗纪煤系中的打通 和汝萁沟等许多矿区的煤中常有相当数量的菱铁矿存在。 ( 5 ) 其他矿物。常见的有石膏( c a s o 。h ：o ) ，但数量一般很少，受过一定程度 氧化的高硫煤中有时也可发现有绿矾( f e s o 。7 h ，o ) 存在。 煤中主要结晶矿物( 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( 1 5 ) 是方石英、蒙脱石、赤铁矿、菱铁矿、白云石、氯 9 华北电力大学硕士学位论文 化物和重晶石等。通常，富含石英、高岭石、伊利石的煤，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，灰熔融温度较低。煤经高温灰 化后，由于发生了物理化学变化，煤中的主要结晶矿物变成石英、粘土矿物、长石、 硅酸钙、赤铁矿和硬石膏。灰熔融性试验表明，硅酸盐矿物含量高的煤灰，熔融温 度较高；如果硅酸盐含量少，而硫酸盐和氧化物矿物含量高，则煤灰熔融温度较低。 2 3 添加剂对煤灰结渣特性的影响【5 2 】 煤灰熔融特性取决于煤中的矿物质组成与其氧化物的成分和配比。当选用不同 物质( 或氧化物) 为添加剂掺混入煤后，通过煅烧熔融手段可改变煤灰的化学组成， 以实现控制煤灰熔融特性的目的。有研究已表明，煤灰中掺入酸性氧化物( 即耐熔 剂) 可提高灰熔点，反之掺入碱性氧化物( 也即助熔剂) 可降低煤灰的熔融温度。 2 3 1 耐熔剂的作用与反应 高岭石中主要成分之一是酸性氧化物：o ，的晶体物质，具有牢固的晶体结构， 熔点很高( 2 0 5 0 ) ，在煤灰熔化过程中起“骨架 作用；a l ，o ，含量越高，“骨架 的成分越多，熔点就越高。但由于砧：o ，晶体具有固定熔点，当温度达到相关铝酸 盐类物质的熔点时，该晶体即开始熔化并很快呈流体状，因此：o ，含量越高，软 化温度和熔化温度的温差就越小。舢，o ，晶体需要其他“溶剂”来促成熔化。x 射线 衍射分析结果表明，添加高岭石的煤灰混合物在高温下软化熔融时，主要生成钙长 石、方石英、铁橄榄石、铁尖晶石和莫来石等。 2 3 2 助熔剂的作用与反应 碱性氧化物的助熔作用已为许多研究者所证实。添加c a o 后灰熔点呈下降趋 势，煤灰中c a o 质量分数达到1 0 - 3 0 时，灰熔点最低；当c a o 质量分数超过 4 0 时，灰熔点反而又急剧上升。若煤灰中s i o ，与舢，0 ，质量比大于3 ，s i o ，质量分 数大于5 0 ，c a o 质量分数为2 0 - - 2 5 时，煤灰熔融温度最低，而后增加c a o 含 量，煤灰熔融温度又开始提高。根据x 射线衍射分析结果，在煤灰中添加c a o 进 行软化熔融时，主要生成了钙长石、钙黄长石、铝酸钙、硅钙石等几种矿物质，同 时发生共熔。煤中矿物质在燃烧前后，其成分和数量均发生了变化，这是由矿物质 在高温条件下发生一系列化学反应的结果。矿物质在燃烧后形成的灰成分都是以氧 化物来表示，但各种氧化物都不可能永远以一种形式存在，是以复杂化合物( 共晶 体、共熔体) 形式存在。煤灰各类矿物质中，铁化合物具有最低的熔化温度。铁在 煤中常常以黄铁矿、菱铁矿或者以白云石和方解石的混合物出现，很少以其它形式 出现。灰中低熔点的灰分容易析出，通常是灰渣中某些组分开始熔化，另一些组分 发生热解效应和反应生成共熔体，而共熔体的熔点往往还低于单一组分的熔点。且 10 华北电力大学硕士学位论文 共熔体还有熔解尚呈固态的高熔点矿物质组分的能力。因此，煤灰在燃烧过程中的 特性是灰渣熔化温度比组成它的单质氧化物的熔化温度低的多。见下列对照表。 表2 - 1 煤灰中一般氧化物的熔点 氧化物熔点( ) 化学性质 s i 0 2 1 7 1 6 酸性 a 1 2 0 3 2 0 4 3 酸性 m g o 2 7 9 9 碱性 c a o2 5 2 1 碱性 f e 2 0 3 1 5 6 0 碱性 n a 2 0 1 2 7 7 升华碱性 k 2 0 3 4 9 分解碱性 t i 0 2 1 8 3 8 酸性 表2 - 2 煤灰共熔体的熔点 共熔体成分熔点( ) f e o f e s9 4 0 f e o a 1 2 0 3 s i 0 2 1 0 7 3 c a o f e o1 0 7 4 n a 2 0 a 1 2 0 3 6s i 0 2 1 1 0 0 n a 2 s 0 4 c a s 0 4 9 1 2 2 4 根据燃料特性对受热面结渣的预测方法 2 4 1 根据灰渣单一成分含量进行预测 ( 1 ) 用灰中碱金属氧化物含量来预测 碱金属氧化物中n a 2 0 含量对锅炉沾污最为显著，表2 3 是以n a 2 0 含量作为判 断煤种结渣的判别标准。 对烟煤型灰使用上表中的n a ：o 含量判断锅炉结渣时要非常小心，有许多烟煤 型灰在n a 2 0 含量为1 0 - - 2 5 时，锅炉结渣仍然很轻。 华北电力大学硕士学位论文 灰中n a ：o ( ) 2 5 烟煤型灰 结渣倾向低 由 高严重 灰中n a 2 0 ( ) 8 褐煤型灰 结渣倾向低 由 高严重 也可用碱金属氧化物的总含量来预测煤灰结渣倾向，把碱金属氧化物总含量折 算成n a 2 0 当量 当量n a 2 0 - - ( n a 2 0 + 0 6 5 9 k 2 0 ) a 1 0 0 式中a 煤的灰分； o 6 5 9 n a 2 0 和k 2 0 摩尔当量比。 采用当量n a 2 0 判断烟煤型灰结渣倾向的界限见表2 0 。 ( 2 - 1 ) 当量n a 2 0 ( ) 2 5 结渣倾向低 中 高严重 对于褐煤型灰和烟煤型灰，碱金属在灰中的存在形式是不同的，在褐煤型灰中， 碱金属主要与有机质相结合，形成钠和钾的腐殖酸盐，在锅炉高温下，很容易升华 而造成沾污；而在烟煤型灰中，当碱金属含量高时，其大部分被包含于难挥发的化 合物中，如正长石等。因此，烟煤中碱金属含量高低对结渣的影响没有褐煤中显著。 ( 2 ) 用活性钠化合物含量来预测 因为碱金属造成结渣的主要原因是，煤灰中活性钠化合物的挥发、凝聚并与 s i o ，、s o ，形成低熔点的复合化合物，因而可通过测定溶解于弱酸中的活性钠化合 物含量来区分非活性钠化合物和活性钠化合物，并以活性钠化合物来确定煤的结渣 倾向。 ( 3 ) 用煤中铁含量来预测 利用f e ，o ，含量判别煤的结渣倾向的标准为： 12 华北电力大学硕士学位论文 f e 2 0 1 1 5 ，强结渣。 根据上文论述，煤灰中铁的存在形态对结渣倾向有很大的影响，并造成结渣倾 向在还原性气氛和氧化性气氛中的不同，因此用铁含量来预测煤灰结渣特性时，应 把铁的氧化程度和百分含量都表示出来，铁的氧化程度用f c ：o ，百分率表示 f e 2 0 3 = f e 2 0 3x1 0 0 f e 2 0 3 + 1 1 1 f c o + i 4 3 f e( 2 _ 2 ) 试验表明，在正常运行情况下，炉膛渣中f c 2 0 ，的平均百分率为2 0 。 2 4 2 根据煤灰成分综合比值进行预测 ( 1 ) 硅比g g = s i 0 2 1 0 0 ( s i 0 2 + c a o + m g o + 当量f e 2 0 3 ) ( 2 3 ) 式中，当量f e 2 0 3 = f e 2 0 3 + 1 1 1 f c o + 1 4 3 f e