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

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。Al2O3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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 文献综述

1.1引言

1.2卫燃带对锅炉的影响

1.2.1卫燃带的稳燃机理

1.2.2卫燃带对锅炉运行的影响

1.3煤的矿物物理化学行为对结渣的影响

1.3.1煤的矿物组成及其对结渣的影响

1.3.2煤的矿物成分物相转化研究

1.3.3煤的矿物成分晶相研究

1.4燃烧过程煤灰输运行为对结渣的影响

1.5受热面上煤灰粒子的沉积与结渣侵蚀机理

1.5.1金属管壁表面上煤灰的沉积与结渣机理

1.5.2卫燃带结渣机理

1.6硅酸盐领域耐火材料抗渣研究

1.7燃煤锅炉结渣防治技术

1.7.1锅炉设计的优化

1.7.2锅炉运行的优化

1.7.3结渣预测

1.8本文工作

第二章 煤灰在耐火材料上的静态高温侵蚀实验研究

2.1实验研究

2.1.1实验器材

2.1.2实验过程及要求

2.1.3分析方法及仪器

2.2渣/板试样的形貌特点

2.2.1不同环境气氛下的渣/板试样特点

2.2.2不同煅烧时间的渣/板试样特点

2.2.3不同灰量的渣/板试样特点

2.2.4不同煅烧温度的渣/板试样特点

2.2.5不同细度煤灰的渣/板试样特点

2.3熔融煤灰在耐火材料上的表面行为

2.3.1熔融煤灰在碳化硅质耐火材料上的表面行为

2.3.2熔融煤灰在氧化铝质耐火材料上的表面行为

2.4熔融煤灰化学成分对耐火材料的侵蚀性分析

2.5熔融煤灰在耐火材料表面的物相转化研究

2.5.1温度的影响

2.5.2细度的影响

2.5.3环境气氛的影响

2.5.4灰量的影响

2.6本章小结

第三章 煤粉火炬中耐火材料上煤灰沉积与侵蚀的模拟实验研究

3.1燃烧过程中卫燃带耐火材料板上的结渣实验

3.1.1实验原料和器材

3.1.2实验装置及过程

3.2煤粉火炬燃烧过程中耐火板上灰渣表面特点

3.2.1煤炭坝煤燃烧过程中灰渣表面特点

3.2.2石门煤燃烧过程灰渣表面特点

3.3耐火材料板上的煤灰沉积成分扩散对结渣的影响

3.3.1碳化硅质耐火板上沉积熔渣断面特点

3.3.2中铝质耐火板沉积熔渣断面特点

3.3.3 Fe、Ti、Cr、Zr的扩散与侵蚀

3.3.4 Ca、Mg、Na、K的沉积扩散与侵蚀

3.3.5 Si、Al的沉积扩散与侵蚀

3.3.6 S的沉积扩散与侵蚀

3.4煤粉火炬中耐火材料上的沉积灰渣物相转化

3.4.1碳化硅质耐火材料上的沉积灰渣的物相转化

3.4.2中铝质耐火材料上的沉积灰渣的物相转化

3.5本章小结

第四章 卫燃带耐火材料上灰渣的结晶特性

4.1耐火板界面灰渣结晶特性对锅炉结渣的影响

4.2灰渣结晶度的XRD衍射图谱特点及其影响因素

4.2.1灰渣样品XRD衍射图谱的特点

4.2.2影响卫燃带耐火板上灰渣的结晶度的因素

4.3基于样条特性的灰渣结晶度的拟合计算

4.3.1样条函数的基本方程

4.3.2端点条件

4.3.3方程组求解

4.3.4基于XRD衍射图谱的结晶度样条函数的构造与结晶度的求解

4.4侵蚀实验中耐火材料上煤灰的结晶特性

4.4.1温度、成分对结晶特性的影响

4.4.2环境气氛对结晶特性的影响

4.4.3煤灰细度对结晶特性的影响

4.4.4沉积灰质量对结晶特性的影响

4.5燃烧过程中熔融煤灰的结晶特性

4.5.1煤灰成分对结晶度的影响

4.5.2温度对结晶度的影响

4.6本章小结

第五章 燃煤电厂锅炉卫燃带结渣试验研究

5.1石门电厂1#炉卫燃带结渣概述

5.1.1四角切圆燃烧锅炉炉膛结构及风粉混合对结渣的影响

5.1.2卫燃带对锅炉煤粉燃烧的影响

5.1.3石门电厂1#锅炉卫燃带结渣现状

5.2锅炉SiC质卫燃带结渣形貌

5.2.1石门电厂1#锅炉内SiC质卫燃带的布置及试验

5.2.2 SiC质卫燃带上熔融煤灰沉积结渣特点

5.3沉积灰渣的物相转化与结晶特性

5.3.1灰渣测试样的制取

5.3.2沉积灰渣物相转化

5.3.3沉积灰渣的结晶特性

5.4 SiC质卫燃带上灰渣成分扩散

5.4.1灰渣测试样的制取

5.4.2渣板结合界面处成分扩散

5.4.3灰渣在SiC质耐火板上的沉积扩散特性

5.5本章小结

第六章 煤灰在典型耐火材料上结渣的模糊聚类分析

6.1模糊聚类分析的原理

6.1.1模糊关系的定义

6.1.2模糊相似关系的建立

6.1.3模糊聚类综合评判模型分析

6.2熔融煤灰在典型耐火材料上结渣的模糊聚类关系分析

6.2.1结渣过程模糊聚类关系

6.2.2隶属度函数分析

6.2.3模糊聚类基本过程

6.3应用实例分析

6.3.1结渣过程模糊因数集及评判集的建立

6.3.2结渣因数集与评判阈值的无量纲化处理

6.3.3聚类权及白化函数值的确定

6.3.4确定聚类系数

6.3.5结渣程度的评判结果分析

6.4本章小结

第七章 全文总结

7.1本文的主要结论与创新

7.2对未来工作的展望与建议

参考文献

致谢

博士生期间发表的论文及主要科研工作