何金橋, 鄢曉忠, 陳冬林

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,中國(guó)長(zhǎng)沙 410076)

煤粉的燃燒先后經(jīng)歷預(yù)熱、揮發(fā)分的析出和燃燒、焦炭顆粒的著火燃燒和燃盡等幾個(gè)階段.焦炭顆粒的燃燒反應(yīng)是一個(gè)氣固接觸反應(yīng)[1].由于爐內(nèi)空氣動(dòng)力工況,尤其是風(fēng)粉混合不合理,煤粉氣流中處于不同燃燒階段的熔融焦炭顆粒就很容易碰撞到鍋爐爐膛耐火板和受熱面上,其中的固定碳繼續(xù)燃燒,而礦物成分則沉積在爐壁上,形成結(jié)渣和積灰[1-2].煤粉氣流在爐內(nèi)燃燒時(shí)的溫度變化,不僅具有較大的變化梯度,而且火焰中心處溫度高達(dá)1600℃以上,因此煤灰中的一些礦物成分可能轉(zhuǎn)化為氣態(tài),一些可能以熔融的液態(tài)出現(xiàn)[1,3-5];而且煤中礦物成分的變化也受升溫速度的影響,加之煤的粒度不均和風(fēng)粉混合的不均勻,使得礦物相的成分變化更加復(fù)雜[6-7].我國(guó)鍋爐用煤通常灰分高、熱值和揮發(fā)分低.為提高此類(lèi)煤的著火、穩(wěn)燃和燃盡能力,鍋爐相應(yīng)地采用了衛(wèi)燃帶技術(shù),但卻出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)渣問(wèn)題[8-9].熔融煤灰在衛(wèi)燃帶上的結(jié)渣性能與耐火材料性質(zhì)密切相關(guān),即與其表面的黏結(jié)性能、微觀結(jié)構(gòu)特征以及殘余應(yīng)力狀態(tài)有密切關(guān)系,因此煤灰在耐火板上結(jié)渣黏結(jié)時(shí),既有機(jī)械結(jié)合,又有分子間作用下的擴(kuò)散滲透結(jié)合及物理化學(xué)作用下的冶金結(jié)合[10-11].在爐內(nèi)溫度條件下,灰粒在耐火板上的結(jié)渣過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的多相凝聚過(guò)程[12-13],并盡可能使相互之間結(jié)合的自由能降到最小[14],這使得結(jié)渣過(guò)程中既有凝結(jié)成核的晶相,又有無(wú)定形的非晶玻璃相存在.晶相成分耐溫性較好,不同晶相間的結(jié)合較差,而非晶相成分則容易導(dǎo)致灰渣凝聚成塊[15-16].因此,煤粉氣流燃燒條件下煤灰與耐火板結(jié)合處灰渣的結(jié)晶程度,直接決定了灰渣與耐火材料之間的黏結(jié)強(qiáng)度.

我國(guó)燃煤火力發(fā)電廠的鍋爐爐型以四角切圓燃燒煤粉鍋爐為主[17],燃用高灰分、低熱值和揮發(fā)份煤種時(shí),衛(wèi)燃帶的使用導(dǎo)致該類(lèi)型電站鍋爐普遍存在結(jié)渣問(wèn)題[18-19].因此,分析研究實(shí)際運(yùn)行鍋爐中衛(wèi)燃帶表面上煤灰結(jié)渣行為既有利于促進(jìn)該類(lèi)型鍋爐有效燃用混煤,又能充分發(fā)揮衛(wèi)燃帶的促進(jìn)著火、穩(wěn)燃和提高燃盡率的作用.

1 衛(wèi)燃帶表面灰渣形貌

1.1 煤顆粒燃盡度分析

石門(mén)電廠一期工程2臺(tái)300 MW機(jī)組配備的鍋爐,為典型的四角切圓燃燒鍋爐.衛(wèi)燃帶位置見(jiàn)圖1中的陰影部分,SiC質(zhì)衛(wèi)燃帶耐火板位于煤粉氣流的燃燒區(qū).實(shí)際運(yùn)行情況表明,該型鍋爐在燃燒設(shè)計(jì)煤種時(shí),通過(guò)添加衛(wèi)燃帶增強(qiáng)了著火、穩(wěn)燃能力.受煤炭資源的供求制約,電廠往往需要燃用本地煤種,由于我國(guó)西南地區(qū)煤種灰分普遍較高,石門(mén)電廠鍋爐爐膛中發(fā)生了嚴(yán)重結(jié)渣現(xiàn)象.該爐在連續(xù)8個(gè)月運(yùn)行過(guò)程中,飛灰中可燃物的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.88%,爐渣中的則為1.77%.由此可知,脫離風(fēng)粉氣流并沖刷、黏附在分析用耐火板上的煤灰顆粒中可燃物含量更高,并使得衛(wèi)燃帶的沉積面區(qū)域形成局部還原性的結(jié)渣氣氛[20].

圖1 燃燒器區(qū)域衛(wèi)燃帶布置Fig.1 A rrangement of refractory liners in combustion area

1.2 衛(wèi)燃帶表面灰渣形貌分析

圖2為灰渣與衛(wèi)燃帶耐火板黏結(jié)處形貌.其中右上角為黏結(jié)在耐火板上的灰渣,左下角為去除渣塊后的耐火板表面.

圖2 黏結(jié)界面處渣板形貌Fig.2 M orphology of bonding interface between slag and refractory liner

由圖2可知,耐火板表面的左上角存在與耐火板結(jié)合緊密的強(qiáng)黏結(jié)性渣,這些渣存在明顯的玻璃體團(tuán)聚體,其中充滿(mǎn)了氣孔,結(jié)合部位的渣塊表面呈明顯的黑色,并呈向內(nèi)收縮的趨勢(shì);其他部位則可以明顯地看到耐火板材料基材,但在基材表面仍然分散存在一些弱黏結(jié)性渣,通過(guò)刀片輕輕刮擦即可得到渣樣.這表明熔融煤灰在耐火板上的確存在表面擴(kuò)散偏析現(xiàn)象[20].由此可見(jiàn),黏結(jié)作用主要通過(guò)灰渣中的非晶玻璃態(tài)成分的滲透黏連來(lái)進(jìn)行,黏結(jié)成分越高的地方渣-板黏結(jié)越緊密.

2 灰渣在衛(wèi)燃帶上的物相轉(zhuǎn)化行為

2.1 灰渣測(cè)試樣的制取與測(cè)試

為了分析渣層中不同形貌灰渣的成分與結(jié)晶特性,首先通過(guò)刀具從渣塊切削貼近耐火板一側(cè)的沉積渣樣后,將渣樣分別磨制成粉,然后進(jìn)行XRD衍射分析.與耐火板黏結(jié)的灰渣中存在兩種特性的灰渣:一種灰渣與耐火板結(jié)合得較為緊密,為強(qiáng)黏結(jié)性渣;另一種則較為松散,比較容易去除,為弱黏結(jié)性渣.分析中應(yīng)用X射線衍射儀為D/max2500型X射線衍射儀,Cu靶Ka1輻射源,管電流為250 mA,管電壓為 40 kV,掃描速度為4(°)/min,步長(zhǎng)為0.02°,掃描范圍 (2θ)為 10°～80°.

2.2 灰渣物相轉(zhuǎn)化分析

圖3為渣板黏結(jié)界面處灰渣XRD圖譜.由圖3可知,貼板沉積渣中存在大量的Mg、Ca、Fe等堿性金屬陽(yáng)離子.

圖3 渣板黏結(jié)界面處灰渣XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of ash slag at bonding interface

由化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)可知,這些成分聚集在耐火板附近,通過(guò)冶金化學(xué)反應(yīng)作用生成具有更低自由能的物相,以減少熱力和環(huán)境氣氛作用的影響.物相鑒定表明,貼板沉積渣中的Fe主要以Fe+2態(tài)的形式存在.這也再次表明,耐火板表面沉積灰渣處形成了還原性氣氛.由此可見(jiàn),該渣層中物相轉(zhuǎn)換與結(jié)晶特性直接影響到灰渣在耐火板上的黏結(jié)強(qiáng)弱.

由耐火板表面處灰渣的分布可知,渣層中的成分分布并不均勻,這使得熔融煤灰與耐火板在有些地方結(jié)合得較為緊密,有些地方結(jié)合較差,據(jù)此得到的強(qiáng)黏結(jié)渣和弱黏結(jié)渣的XRD圖譜,其結(jié)晶物相的含量見(jiàn)表1.

由表1可見(jiàn),強(qiáng)黏結(jié)性渣和弱黏結(jié)性渣在結(jié)晶物相組成上與貼板沉積渣基本一致,但結(jié)晶形態(tài)具有一定的差別.這種差別主要體現(xiàn)在SiO2的形態(tài)上.緊貼耐火板的強(qiáng)黏結(jié)性渣和弱黏結(jié)性渣中均存在鱗石英,其中強(qiáng)黏結(jié)性渣中的鱗石英含量高達(dá)44.8%以上,弱黏結(jié)性渣中鱗石英的含量則只有5%左右,遠(yuǎn)小于強(qiáng)黏結(jié)性渣中鱗石英的含量,由此可見(jiàn),鱗石英將造成渣板之間較強(qiáng)的黏結(jié)作用.在貼近耐火板的3個(gè)渣樣中,(Fe0.896Al0.104)(Al1.896 Fe0.104)O4和Mg2Al4Si5O18在貼板沉積渣中的含量高于其他兩渣樣中的含量,這表明了堿性金屬陽(yáng)離子向耐火板一側(cè)的擴(kuò)散作用.成分分布特性也表明,在還原性氣氛下,堿性金屬陽(yáng)離子易在SiC耐火板上沉積,形成低溫共熔體,產(chǎn)生較強(qiáng)的黏結(jié)作用.

表1 渣板結(jié)合處灰渣結(jié)晶物相含量Tab.1 Content of crystal phases in slag at bonding interface%

2.3 灰渣的結(jié)晶特性

灰渣的物相分析表明,不同位置處的灰渣不僅形貌不同,而且其組成也存在較大的差別,這說(shuō)明衛(wèi)燃帶耐火板物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)熔融煤灰的沉積結(jié)渣具有較大的影響,這種物理化學(xué)作用對(duì)灰渣的結(jié)晶度也將產(chǎn)生較大的影響,并進(jìn)而影響到渣板之間結(jié)合作用的強(qiáng)弱.

石門(mén)電廠1號(hào)鍋爐SiC質(zhì)衛(wèi)燃帶耐火板上黏結(jié)的灰渣既有強(qiáng)黏結(jié)性渣,也有弱黏結(jié)性渣.經(jīng)對(duì)其渣樣X(jué)RD圖譜的擬合分析,貼板沉積渣的結(jié)晶度為54%;強(qiáng)黏結(jié)性渣的結(jié)晶度約為36.12%;弱黏結(jié)性渣的結(jié)晶度約為57%,這與貼板沉積渣的結(jié)晶度較為一致.衛(wèi)燃帶有利于著火和穩(wěn)燃,因而被布置在距離煤粉氣流出口較近的區(qū)域,由于煤燃燒不充分,爐壁附近易形成還原性氣氛,渣樣中鐵化合物的價(jià)態(tài)也表明了這一點(diǎn).盡管如此,耐火板表面強(qiáng)黏結(jié)性渣不多,耐火板SiC質(zhì)耐火板基材較為穩(wěn)定,與熔融灰渣總體上發(fā)生冶金結(jié)合的機(jī)會(huì)較少,熔融煤灰與耐火板之間主要通過(guò)機(jī)械結(jié)合的方式相互黏結(jié)在一起.

3 SiC質(zhì)衛(wèi)燃帶上灰渣成分?jǐn)U散

3.1 灰渣測(cè)試樣的制取

由于耐火板質(zhì)地堅(jiān)硬,而且比較厚實(shí),通過(guò)大型的切削工具難以達(dá)到實(shí)驗(yàn)測(cè)試所需要的表面特性.因此,對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)渣板分離的耐火板采取捶擊的方式來(lái)制樣,這樣有利于保護(hù)耐火板表面灰渣的結(jié)合形貌,制作好的灰渣尚須噴金處理.分析時(shí),微觀掃描采用加速電壓為250 kV的JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(SEM);元素成分的分析采用EDAX-9100型射線能譜儀(EDS).

3.2 渣板結(jié)合界面處成分?jǐn)U散

圖4為SiC質(zhì)耐火板與強(qiáng)黏結(jié)性渣結(jié)合處的渣板微觀結(jié)構(gòu).在該結(jié)合處存在許多較細(xì)的非熔融態(tài)的微晶顆粒;即使進(jìn)一步放大,其形貌仍不發(fā)生改變.在這些微晶顆粒中長(zhǎng)出了許多顆粒形狀鮮明的晶體結(jié)構(gòu).圖4中各測(cè)點(diǎn)處的元素分布經(jīng)EDS能譜分析后,各測(cè)點(diǎn)元素成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2.測(cè)點(diǎn)7與測(cè)點(diǎn)5成分相差不大,測(cè)點(diǎn)6處為外來(lái)渣樣,故這2個(gè)測(cè)點(diǎn)成分?jǐn)?shù)據(jù)未列入表2.

圖4 黏結(jié)渣樣形貌Fig.4 SEM photos of bonding slag specimen

表2 黏結(jié)渣樣測(cè)點(diǎn)元素含量Tab.2 Element content at measurement points of bonding slag specimen %

圖4中測(cè)點(diǎn)1、2處的白色晶體狀物質(zhì)有些聚集在一塊,而有些則分散于微晶顆粒中,物相結(jié)晶作用顯著.

經(jīng)對(duì)白色晶體成分的測(cè)試,其中Ca、S的含量較高,主要為CaSO4.在渣板結(jié)合的邊緣地帶存在兩個(gè)發(fā)射狀的管狀晶體,其中一個(gè)位于渣樣表面,另一個(gè)則位于耐火板表面.測(cè)點(diǎn)3檢測(cè)數(shù)據(jù)表明,該種結(jié)晶形態(tài)的渣樣中Si含量較低,而堿性金屬陽(yáng)離子及Al的含量較高,特別是Fe、Ti的含量比較突出且不存在硫分,其物相主要為硅鋁酸鹽、TiO2和(Fe0.896Al0.104)(Al1.896Fe0.104)O4.測(cè)點(diǎn)4檢測(cè)結(jié)果表明,此處主要為方晶石.測(cè)點(diǎn)5、7處的灰渣呈熔融狀態(tài),Si含量均較高,其中測(cè)點(diǎn)5處Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)84%以上,因此兩測(cè)點(diǎn)處的主要物質(zhì)為鱗石英,它的存在加強(qiáng)了渣板之間的黏結(jié)作用.測(cè)點(diǎn)6為耐火板制樣時(shí)掉落在該位置的外來(lái)渣樣,仍存在一定量的CaSO4晶體,但其顏色不如測(cè)點(diǎn)1、2處鮮明,表明此處還存在其他的硅鋁酸鹽成分.

結(jié)合處的灰渣物相表明,渣、板之間主要通過(guò)晶粒較小的方晶石和鱗石英來(lái)進(jìn)行黏結(jié),片狀的鱗石英晶間作用較強(qiáng),但是由于耐火板上熔融的片狀鱗石英含量較少,而方晶石則較多,故渣、板之間黏結(jié)作用較弱.這與渣、板之間的實(shí)際結(jié)渣情況一致.

4 結(jié) 論

(1)還原性氣氛下堿性金屬陽(yáng)離子在SiC耐火板發(fā)生擴(kuò)散沉積,并形成低溫共熔體,從而造成與SiC質(zhì)衛(wèi)燃帶的黏連結(jié)渣.

(2)處于燃燒區(qū)中的SiC質(zhì)衛(wèi)燃帶耐火板與熔融灰渣不易發(fā)生冶金結(jié)合,熔融煤灰與耐火板之間主要通過(guò)機(jī)械結(jié)合的方式相互黏結(jié)在一起.

(3)渣、板之間主要通過(guò)晶粒較細(xì)的方晶石和鱗石英黏結(jié)的,但由于耐火板上熔融的片狀鱗石英含量較少,方晶石較多,因此渣、板之間黏結(jié)作用較弱.

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