锅炉高温灰渣的控制培训教程.doc

《锅炉高温灰渣的控制培训教程.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉高温灰渣的控制培训教程.doc（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、京能集团运行人员培训教程BEIH Plant Course电站锅炉高温灰渣的控制Control of power plant boiler high temperature ashMAJTD NO.100.24目录1、 原煤矿物质在加工过程中发生可能影响锅炉运行的转变32、 初始灰渣层（壁面玷污层）的形成73、 灰渣的形成84、 结渣积灰的危害125、 灰渣的形成、转变、扩展（增厚、流散）和脱落过程146、 影响灰渣黏粘力、塑性强度和结渣速率的基本物质177、 煤灰中几种氧化物对灰渣粘度即强度的影响188、 煤中矿物质对煤灰熔融性的影响199、 烧结时间的影响2110、 煤灰的结渣倾向特性常用

2、的判别指数和判别方法2211、 锅炉结构特性对灰渣特性的影响2812、 锅炉运行工况对灰渣特性的影响3013、 各部位灰渣特征3114、 高温灰渣的控制33 锅炉灰渣是由原煤中的矿物质在生产过程中经过分选、输送、磨制、分离、热解、着火、燃烧等阶段后的产物，其特性与原态矿物质有很大不同，对锅炉产生的磨损、灰渣沉积、腐蚀和玷污作用有着不同的机理和特征，如图0-1。图0- 11、 原煤矿物质在加工过程中发生可能影响锅炉运行的转变1.1 矿物质在原煤中的存在形态1.1.1 煤中矿物质的组成：（1） 矿物质的分类： 矿物质是泛指煤中包含的一切非煤无机物质（如图1-1）。不同种类的煤含有的矿物质在数量、称

3、分、组成上不同，就是同一种煤亦有差异，它不仅决定于产地和分布并且在一定程度上还受开采储存和运输等因素的影响。 煤中矿物质按其来源有两类：“固有矿物质”和“外来矿物质”。前者为成碳的植物中含有的不可燃部分，量少、分布均匀，一般只占煤重的13%，占总矿物质约6%。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

4、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 1-1（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

5、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 Al2O3.2SiO2.2H2O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（

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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（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

11、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

12、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

13、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、电泳沉积相当高碳酸盐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）分解和氧化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惯性撞击中等表 2-1 煤中含铁矿物在火焰中的行为（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

14、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

15、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