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燃煤锅炉卫燃带耐火材料结渣机理与结渣程度的模糊评判

何金桥  
【摘要】: 我国燃煤锅炉的用煤通常灰分高、热值和挥发分低。为提高煤的着火、稳燃和燃烬能力,燃煤锅炉广泛采用了卫燃带技术,但却出现了严重的结渣问题。卫燃带的结渣会改变炉内燃烧空气动力工况及炉膛出口烟温,进而改变锅内汽水换热工况。这会影响锅炉稳定运行,甚至酿成锅炉安全事故。为减轻和避免卫燃带结渣,就必须在充分研究煤灰在卫燃带耐火材料上的沉积结渣机理的基础上,对煤灰在卫燃带耐火材料上的结渣程度进行合理评判。这对于合理选用和设计锅炉卫燃带耐火材料、调整和改善煤燃烧,确保燃煤锅炉安全有效地运行具有重要的现实意义。 本文依托国家自科基金项目——熔融煤灰在耐火材料上的沉积机理与行为[50576005],首先通过高温muffle炉中熔融煤灰对卫燃带耐火材料板上的静态侵蚀实验,从微观上分析了熔融煤灰在耐火板结渣侵蚀时的化学反应机理、渣/板成分在耐火板表面上的扩散偏析机理;其次考虑到煤粉火炬燃烧行程各处燃烧状况的影响,通过煤粉火炬中耐火板上煤灰沉积结渣的模拟实验,研究分析了不同燃烧行程处耐火板上灰渣沉积扩散机理;最后结合我国应用普遍的四角切圆燃烧锅炉的卫燃带结渣严重的现状,于石门电厂进行了历时8个月的卫燃带耐火材料煤灰结渣试验,更加系统全面地研究了煤灰在耐火材料上的结渣机理。 侵蚀实验研究结果表明:渣/板成分的选择性扩散偏析有利于粘结界面处灰渣的成核结晶,有利于降低煤灰对耐火板的粘结作用。氧化性气氛条件下,煤灰中碱性成分在高铝质耐火板中更容易扩散侵蚀,在1350℃~1500℃的炉内温度范围内,煤灰的碱酸比由0.053增加到0.174时,煤灰对高铝质耐火材料的侵蚀速度增加了0.09μm/(℃.h)。 煤粉火炬各处灰渣沉积扩散和微观物相转化的研究表明:碱性成分有利于氧化铝质耐火板上的灰渣成核结晶,对SiC质耐火板上的熔融灰渣的成核结晶作用不明显,但沉积效应明显。Al_2O_3对碳化硅质卫燃带上熔融煤灰冷却过程的成核结晶起到显著促进作用。 电厂锅炉内SiC质卫燃带沉积结渣渣样的微观分析研究表明:SiC质耐火板没有明显的侵蚀层,而且沉积在其表面的灰渣主要成分为各种碱性氧化物所转化的复杂结晶物;并且渣/板粘结界面存在扩散偏析现象。这也验证了结渣机理分析的合理性。 实验结果也表明:粘结界面处灰渣的结晶度对渣/板之间的粘结程度密切相关。渣/板粘结处渣样的结晶度越大,渣板之间的粘结程度越小。一般而言,渣板粘结处灰渣结晶度小于30%时将发生严重结渣,而当大于70%后结渣较为轻微。氧化铝质耐火材料制作的卫燃带更适合应用于燃用灰分中碱性金属氧化物含量较高煤种的锅炉,而SiC质耐火材料卫燃带则适合应用于燃煤锅炉燃烧温度较低,还原性气氛较强的初始燃烧段。 本文最后从煤灰在耐火板上的结渣粘结机理出发,结合渣/板粘结处灰渣的结晶度指标对熔融煤灰在耐火板上的结渣程度进行模糊聚类评判,全面地反映了熔融煤灰在耐火板材料上的结渣程度,并能够对这一结渣过程给予准确的数值描述,避免了结渣程度评判的片面性。


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