锅炉高温灰渣的控制Word下载.docx

1、后者一般是由反映矿区周围地质面貌的矿物质碎粒和片屑组成，它分为：“共成矿物质”和“外部矿物质”。共成矿物质是在成碳过程中与煤在同时、同地、相同条件下形成，分布较均匀。因与固有矿物质具有相似特性，有人把它称为“化合灰”，一般难以用机械的方法除去。“外部矿物质”是在煤硬化后通过隙缝进入和开采运输时混入的矿石、泥沙等杂质，分布不均，变化大，用机械方法可部分除去。这时各个煤粒可分别出现下列不同成分如表1-1：物质种类无矿物质煤单一矿物质黄铁矿石英矿物共生体煤-矿物质共生体密度 g/cm21.35.02.72.53.01.52.0熔融温度115017001200160012001500表 1-1图 1-

2、1（2） 矿物质的组成：1） 酸酐：硅酸酐、硫酸酐、碳酸酐、磷酸酐等； 2） 氧化物：Si 、Al、 Fe 、Ca 、Mg 、Na、 K等物质的氧化物；3） 硫化物：要是FeS2。 上述酸酐和金属氧化物的有机结合构成的一系列简单和复杂的盐，其组成、结构目前还不十分清楚。1.1.2 煤中矿物质的存在形式：大体上呈四大类：页岩、粘土、硫分和碳酸盐其他还有一些次要矿物质及微量成分，见表1-2。类别典型矿物质页岩钾云母 K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O钠云母 Na2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O粘土 （Ca,Mg）O.Al2O3.5SiO2.nH2O高岭土高岭土 Al2O3.2SiO

3、2.2H2O硫化物黄铁矿，白铁矿等碳酸盐方解石，白云石，菱铁矿，铁白云石等盐类矿物质NaCl，KCl，CaSO4等氧化物SiO2，Fe2O3，Fe3O4等表 1-21.1.3 矿物质中的主要元素及其存在形式：（1） Si 、Al Si 、Al主要存在于粘土矿物群中。（2） Fe 除主要存在于黄铁矿（包括白铁矿）外，另外存在于菱铁矿（FeCO3）、赤铁矿（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）中。铁含量有的可高达40%以上。（3） Ca主要存在于碳酸盐类的方解石（CaCO3）、白云石（CaCO3 MgCO3）中，此外还存在于磷灰石（9CaO 32PO5 CaF2）等中。Ca还会以有机物的形式结合在腐

4、殖酸中。 Mg除存在于白云石中外，还存在于黑云母（K2O MgO Al2O 33SiO2 2H2O）等中。 Ca的含量在煤中变化较大，一般褐煤中含有较多的Ca，有的可达50%以上。Mg在煤中一般很少超过5%。（4） Na、 K 一般含量小于2%左右，但有的可达5%6%，K主要存在于硅酸盐中，Na大部分以NaCl形态含在有机化合物中，此外还有一些Na和 K的氢氧化物和碳酸盐。（5） Cl、 P 、S Cl在煤中的存在形式至今还没有统一的结论，一般认为Cl一部分以NaCl形式存在，其余的则以离子态与有机质联在一起。煤中的磷多以磷酸钙的氟化物形态出现。 硫份部分以有机物形式存在，但偶尔也会以硫酸盐形

5、式出现。后者通常存在于露出地面的风化煤中。硫酸盐里硫的份额极小一般低于0.01%，研究意义不大。有机硫在整个煤层中大体是均匀的，很难除去，除非煤的物性发生重大变化，有机硫一般占总硫量的2040%左右。其余硫分是以黄铁矿（包括白铁矿）形式呈现，煤中硫份一般只占14%。1.2 原煤在磨制等机械加工过程中的偏析和富集一般煤粉颗粒直径范围为01000um，大多2050um的颗粒；煤粒中存在的主要是煤-矿物质界面，在研磨、分离、输送过程中，破裂易于在颗粒内的固-固界面上发生，不仅破坏了煤灰本身原有结构，而且把灰分颗粒中的各矿物质分离开，使矿物质产生偏析。磨制的煤粉中矿物质的分布一般为:（1） 铝硅酸盐粘

6、土矿物质，磨制后存在于粒径小于20微米的煤粉颗粒中；（2） 以石英形式存在的SiO2和碳酸盐（集中在中间颗粒，即2075微米范围内的煤粒中;（3） 硫化铁，主要是FeS2，趋向于集中在中间偏低粒径，即1045微米范围内的煤粒中;（4） 氯化物分布在所有粒径的煤粒中。1.3 燃烧过程灰粒粒径形成和分布规律 煤粉经过燃烧后形成的飞灰含有各种不同粒径的灰颗粒，一般粒度均小于200，但大部分是1020。（1） 对于原生灰分，与煤中有机物相联系的Na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

7、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1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0.020.5灰尘微粒。（2） 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。（3） 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。图 1-2 飞灰颗粒典型尺寸分布（4） 由于飞灰在炉内的生成机理不同，使得飞灰颗粒尺寸呈双峰形分布

8、（如图1-2），第一个峰值在1左右，第二个峰值位于1012。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。1.4 灰粒向受热面的输运过程 灰颗粒向受热面壁面输运是结渣的重要环节，但只有较少颗粒能够到达受热面壁面，绝大部分颗粒会携带其组份离开锅炉，成为飞灰，只不过是颗粒中的组份在高温和燃烧条件下发生了不同程度的燃烧和烧结。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（如图1-3）。（1） 对于尺寸小于1颗粒和气相灰分，费克扩散、小粒子的布

9、朗扩散和湍流旋涡扩散是重要的输运机理。（2） 对于小于10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。图1不同尺寸灰渣输运机理。（3） 对于大于10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壁面。灰粒撞击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10m/s25m/s时，直径为510灰粒就有脱离气流冲击水冷壁面的可能性。图 1-3 不同尺寸灰渣运输机理 单位时间内灰颗粒到达

10、壁面的数量与原煤灰份、燃煤量成正比，因此从颗粒与壁面的接触率上看，负荷高、灰份大的煤相对结渣倾向也大。2、初始灰渣层（壁面玷污层）的形成 主要是硫酸钠、硫酸钾等易气化矿物质的凝结和极细飞灰对受热面的玷污过程（锅炉投运后，受热面管子周围就会形成白色、很细的薄灰沉积层），沾污的形成通常经历了以下三个过程：内白层、烧结内层和外部烧结层：种类反应产物沉积机理捕捉效率含铁有机物分解和氧化氧化物微粒热泳、电泳沉积相当高分解氧化物微粒和大颗粒微粒（5m）热泳、电泳沉积，大颗粒惯性撞击低硫化物（主要是FeS2）熔融态的中间硫化物和氧化物颗粒惯性撞击高硅酸盐玻璃花熔融富铁硅酸盐颗粒中等表 2-1 煤中含铁矿物在

11、火焰中的行为（1） 内白层的形成。内白层的形成主要依靠含硫酸钠较多的挥发性灰组分的气相扩散冷凝和微小颗粒的热迁移及电泳沉积共同作用。这些微小颗粒由范德华力和静电力保持在管壁上，这些含有低熔点硫酸钠（熔点1175）的小颗粒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。内白层具有良好的绝热性能，它的形成使得管外壁温度升高。（2） 内白层向烧结层的过渡阶段。内白层形成后，挥发性的灰组分碱金属钠钾盐在内白层上冷凝沉积，同时较大颗粒在惯性力的作用下冲击到管壁的内白层上，当内白层温度升高到一定程度，这些低熔点的碱金属盐很容易出现液相并具有一定的粘度，这时它将捕获惯性力输送的灰颗粒，从而时内白

12、层不断的增厚。（3） 外部烧结层的形成。随着内白层的变厚，积灰表面温度升高到接近烟气温度，挥发性组分将不再得到冷凝，这时候积灰表面主要是捕获由惯性力输运的大颗粒。而在持续高温的情况下，积灰表面的迎烟侧开始形成连续的液固黏性基体，它能裹住并粘附灰粒，捕获所有冲击到其上的颗粒，并与它们结合成坚实牢靠的积灰。 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。由于从工程和运行控制角度考虑，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

13、薄，对锅炉的安全运行不构成影响。因此，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。3、灰渣的形成3.1 灰渣的分类按灰渣粘聚的紧密程度由弱到强可分为七种，见表3-1：渣型代号灰渣特征附着灰G无粘聚特征，灰粒呈松散堆积状微粘聚渣F外形上有粘聚特性，容易切割，切割下的灰呈疏松块状弱粘聚渣E灰渣粘聚特性加强，容易切割，但有一定的硬度粘聚渣D灰渣粘聚在一起，较硬，切刮困难，但仍然可以从渣探针上切割下来强粘聚渣C粘聚灰渣更硬，无法从渣探针上切割下来，渣棒为不规则的粘聚硬渣粘熔渣B灰渣有熔融与半熔渣粘聚起来，无法切割熔融渣A灰渣全熔，渣棒为流渣覆盖，有渣泡形成表 3-13.2 灰渣

14、的烧结原理（1） 烧结的宏观定义：在高温下（不高于熔点），矿物质固体颗粒或颗粒团的相互粘接、键联，晶粒长大，空隙（气孔）和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。微观定义：固态中分子（或原子）间存在互相吸引，通过加热使质点获得足够的能量进行迁移和传质，使粉末体产生颗粒黏结，产生强度并导致致密化和再结晶的过程称为烧结。烧结温度Ts与其熔点Tm之间关系的一般规律：金属粉末Ts（0.30.4）Tm；无机盐类Ts0.57Tm；硅酸盐类Ts（0.80.9）Tm。（2） 传质在烧结初期或较低温度下以表面扩散为主：对扩散传质，延长烧结

15、时间并不能达到致密化。温度升高，加快烧结。温度起决定性作用。（3） 传质在烧结中期或灰渣层中部，含有一定比例的液相成份，为具有活泼液相传质过程：1） 溶解-沉淀传质：较小颗粒在颗粒接触点处溶解，通过液相传质在较大颗粒或颗粒的自由表面上沉积，最终使晶粒长大和渣层致密化。影响因素：颗粒原始粒度越小、粉末特性 ：溶解度越润湿、液相数量越大、烧结温度越大，粘度越低，传质越快。2） 颗粒重排：颗粒在毛细管力作用下，通过粘性流动或在一些颗粒间接触点上由于局部应力的作用而进行的重新排列，使颗粒堆积的更加紧密。液相数量；固-液二面角；固液润湿性。 （4） 在烧结后期或灰渣层上部主要是流动传质，黏度越小、物料的

16、粒度越细，烧结得越快。颗粒尺寸从10m1m，烧结速率 10倍。粘度 是控制烧结率的重要因素，受温度影响大，T，烧结率。如：T变化100，约变化1000倍。表明黏度越小，物料的粒度越细，烧结得越快。1） 粘性流动：在高温下，依靠液体粘性流动而致密化是大多数硅酸盐材料烧结的主要传质过程。2） 塑性流动：在烧结过程中，当液相含量很少时，烧结物质内部质点在高温和表面张力作用下，超过屈服值f后，流动速率才与作用的剪切应力成正比。3.3、灰渣沉积过程的主要特点（1） 电站锅炉炉内中心温度约为15001700，煤粒燃烧时其本身温度要比炉内温度高200300，因而煤灰在炉膛中心几乎全部为液态。在液态灰颗粒受惯

17、性作用而向水冷壁运动过程中，如果灰颗粒运动速度快，受到的冷却效果差，熔融的灰颗粒就很容易粘附，使渣层迅速积聚长大。（2） 灰颗粒的聚合力：颗粒以固相作为主体和骨架，点状液相成份为粘连点和传质通道，通过传质在两个颗粒（团）的液相接触面形成新的稳定结构。灰颗粒整体的变形温度DT和熔化温度FT差值越大，其内部各组份融化出现液相的温度差距就越大，液固两相结构存在的温度范围也就越大，其内部粘度、结合力就越大，结构越稳定，同时对外呈现的粘合力也就越大。（3） 由于各灰渣颗粒组份的不均匀性、各矿物质颗粒在燃烧过程的相对独立性以及灰渣在气流场和温度场中分布的不均匀性，组份不同的煤灰颗粒在燃烧过程中的中间产物和

18、最终产物也会有较大差别；大部分颗粒并不会与壁面或渣层接触，能够与壁面接触、接触后能够粘附、粘附后能够存在至灰渣沉积层加剧阶段的颗粒概率随炉内工况不同而不断发生变化。例如有的惯性颗粒可能只是对灰渣颗粒进行冲击后就自动离开；有的灰颗粒到达受热面时可能直接附着在壁面上，也可能叠加在先生灰渣颗粒上（这种行为比例比粘附壁面比例更大），只是增加了渣层重量和被外界力量扰动的体积，没有对壁面的粘附起到推动和加剧作用；有的还可能与其它颗粒发生凝聚现象，不但内部结构力增强，体积也相对缩小，变得致密坚固。因此对灰颗粒的结渣倾向分析，不能完全按原煤的均匀组份进行分析。1） 富含低熔点组份的颗粒在热扩散过程中有趋近受热

19、面的特征，这一点对分析评价灰渣初始沉积和发展速率有重要意义。低温粘接面上形成的灰渣成份（如水冷壁管壁上的结渣）总是偏离原煤矿物质平均成份。2） 与烟气接触的热表面熔融状态存在的温度环境越高、时间越长，其组份越均匀并趋近于煤灰矿物质的平均组份，这对分析熔融渣发展趋势和评价其高温流动特性和粘度特性有重大意义。如卫燃带和火焰直接冲刷形成的灰渣。3） 处于两相状态的颗粒在相变过程中，各组份重组结合，新结构的能级与反应温度、反应界面决定的能量级比较一致，有向同一结构形式发展的趋势，在降温冷却过程中呈现出新结晶结构熔点降低的趋势。4） 单一颗粒呈现机械混合物相变温度区宽的特点，各组份特性差别越大，相变区越

20、宽；组份不同，相变的开始和结束温度差距就大，灰渣的流动性能相对。5） 液相成份有对有毛细管结构的组织体产生浸润的作用，使以液相成份结晶重组的构架范围有向其它颗粒或颗粒团、壁面结构扩展的趋势，成为颗粒黏结并进一步凝聚、互溶的的基点。（4） 灰渣沉积层生成和发展的基本条件是：灰渣颗粒或灰渣团、层以及与壁面初次相互接触时，其接触面有一定的液相成份，呈现出足够的黏性和塑性，并且这一粘接力大于其自重、气流扰动和其它灰颗粒的惯性冲击。1）灰渣层或团、颗粒冷表面：作为原始直接与壁面接触粘连的，因被其本身高的热阻把其与高温烟气隔离，处于被低温受热面吸热冷却状态，不能维持高温，液相成份逐步降低的表面。冷表面与壁

21、面的结合力是决定灰渣层能否进一步增厚的的主要因素，其主要由液相基点、接触面和传质速度决定。 冷却速度：冷表面与受热面之间的热阻，受热面的壁温，其中是否存在继续燃烧放热的可燃物，如S、H、C等；在火焰偏斜、未燃尽熔融颗粒直接冲刷粘附，以及卫燃带以及超温管壁上，会发生冷却速度降速慢甚至升温的情况；屏式受热面壁温超温。 与壁面或其它固定物进行传质，形成新的结合方式的速度：如高温腐蚀，这种情况往往与火焰直接冲刷和管壁超温同时发生。 再结晶生成熔点更低的复合结晶结构：最终结晶结构熔点的极限温度是壁面温度，还原性气氛、低价Fe等的浓度等，这决定于煤种的熔融特性和壁面反应气氛。 冷表面的粗糙度和垂直方向的支

22、持力，如卫燃带、燃烧器水冷套让管区、屏式受热面水平结构、冷灰斗斜坡、高温腐蚀区等。火焰直接冲刷往往同时具备了灰颗粒粘附力增强的几个因素：高温环境、还原性气氛、高温腐蚀、各种矿物质的富集，因此结渣严重往往是必然现象。如果在热阻较小的受热面上产生了严重结焦现象，必然也同时意味着，火焰推迟至受热面上燃烧而并非处于降温阶段。燃煤成份严重偏离设计值，含结渣倾向严重的组份的颗粒有较大比例处于烟气切圆外层，结渣速率大于灰渣脱落速率，新的粘接性颗粒更多的是直接粘附在壁面后，然后与附近颗粒连接成片，为原有的频临脱落的颗粒提供了新的连接力量。卫燃带具备了表面粗糙、温度高、火焰成份扩散距离小的条件，因此也属于结渣敏

23、感区。2）灰渣层或团、颗粒热表面：一般情况下，粘附在受热面上的惯性颗粒的热表面能否持续呈现一定程度的熔融性和粘度，是捕捉其它惯性颗粒并维持塑性状态而不发生流渣和断裂，促使灰渣沉积层继续沿增厚的关键。当其处于完全熔融状态，固相成份很少时，就会达到牛顿流体状态，而成为流渣。 灰渣层热表面的灰颗粒能否呈可以流动（非浸润）的熔融状态，是结渣由粘聚渣向粘熔渣转变的基本条件。 液态熔渣作为多种组分的复合熔体，热表面下的灰渣层在降温过程中随着固相结晶的析出，将发生一系列液、固两相反应，形成复合晶体，同时沿降温进程还会逐渐生成玻璃相，整个过程机理是很复杂的。这种液、固两相熔体通常称为塑性流体，其粘度为熔体的塑

24、性粘度。 临界粘度和临界粘度温度。熔渣由真实液态过渡到塑性状态，往往在粘度曲线上产生明显的折变，这是由于在折变点的温度下，熔体突然有大量晶体析出的缘故。通常把这一折变点对应的粘度一一绝对粘度区域和塑性粘度区域的准分界点叫做这种熔渣的临界粘度，而其对应的温度叫做临界粘度温度或简称临界温度。 灰渣对壁面的结合力是决定非熔融渣厚度的关键因素，而完全熔融渣作为牛顿流体，其厚度则主要由其临界粘度和温度决定。3）灰渣层或团、颗粒中间层：由于灰渣层本身的高热阻，一个灰渣层从厚度方向上，由冷表面至热表面，温度大梯度升高，液相成份比例逐步增加，对于处于相对疏松粘聚状态的沉积层结构，其粘合力是逐步增加的；而对处于

25、融聚状态的沉积层结构，其塑性粘度和强度逐步降低，是符合塑性流体特征的两相结构。 因此一个沉积层的内部结构主要是由其各层形成时的结构决定的，后期的传质过程有加强的作用，当传质结束或缓慢时，其结构是相对稳定的。4）灰渣强度：颗粒与颗粒之间的结合力（灰渣强度），主要由颗粒与颗粒以及颗粒团之间的结合方式决定，在发生熔融状态时各颗粒连接处组份可能发生化学和结晶反应，生成粘度发生变化的新结构，其粘度和强度比原颗粒团大大提高，但其熔点可能降低，液固两相中液相比例增加，因此会有灰渣层整体强度和速度同时提高的现象。 松散、颗粒独立存在、无黏粘基点的附着灰强度主要取决于其颗粒度、孔隙率和吸附能力。 比较松散、多孔

26、的黏粘性灰渣强度主要取决于粘连基点密度、均匀度、粘连点的结构形式和结晶重组程度，这与颗粒及颗粒团大小即相互之间的接触面、冷却结晶时的液相比例以及液相浸润速度和时间有关，低熔点成份越多、浸润范围越大，以结晶体连接的范围越大，结合力也就越大；浸润范围取决于颗粒（团）之间接触面的毛细孔率、液相比例和浸润时间，冷却速度越快浸润范围就会越小；有效的毛细孔率主要是由颗粒度和液相的浸润能力决定的，这都与颗粒（团）的形状结构有关。随着液相比例的增加，浸润范围的扩展，灰渣的黏粘性逐步加强。一般情况下，低熔点成份越多、燃烧温度越高，颗粒的黏粘性越强，最后形成的灰渣强度也就越大。5）灰渣沉积速率： 煤灰颗粒到达壁面

27、时有一定的黏粘力和塑性，是结渣的基本条件；灰渣层冷表面的冷却速度、灰渣温度、相同空间具有黏粘力的灰渣的浓度，是决定灰渣层能否继续团聚的基本条件，即冷表面在尚未失去自身黏粘力或来自受热面结构的结合力时，新的热渣与之交叠并提供了与受热面结构的结合力，其团聚后与受热面结构总的结合力大于由气流扰动和重力产生的脱离力，团聚现象才能继续发生。 高温腐蚀斑点、浇注料以及各处斜坡、水平管等是增加灰渣层与壁面附加结合力、使灰渣层热表面的灰颗粒能否呈可以流动（非浸润）的熔融状态，使粘聚渣向粘熔渣转变的基本条件；灰渣的变形温度DT和熔化温度FT差值同向决定灰渣厚度。4、结渣积灰的危害 （1） 降低炉内受热面的传热能

28、力。热阻大，一般污染数小时后水冷壁传热能力会降低30%60%。结渣引起炉内火焰中心后移，炉膛出口烟温升高，排烟热损失增大，锅炉效率降低1%2%（如图4-1）。锅炉中对流换热系数比较和常见物质导热系数比较见表4-1项目对流换热系数（W/m2。K）导热系数（W/m。介质汽水侧烟气侧金属沉积物数值1.11.71042020040100.033表 4-1（2） 灰渣引起其沉积部位受热面管材沾污和腐蚀，并造成后部受热面超温。（3） 喷燃器出口结渣会影响煤粉气流正常喷射，甚至喷口被焦渣堵住。另外，焦渣易引起气流偏移，形成局部高温，烧坏喷燃器。图 4-1（4） 出现积灰结渣的恶性循环。水冷壁管在沾污的过程中，由于沾污层热阻很大，灰层表面的温度不断提高，当局部热负荷过大，炉内空气动力组织不良、火炬中心贴墙及灰熔点较低时，都会使积灰结渣过程迅速增长，严重影响锅炉的正常运行。即使是正常运行的锅炉，由于沾污，水冷壁管温亦大大高于饱和水温度。对一般锅炉，光管水冷壁灰污层温度只比火炬温度低250400，因此为下一步积灰、结渣加剧提供了高温条件。当运行不正常、操作不当、煤质变劣等条件出现时，便会产生积灰、结渣恶性循环