作者简介: 张堃(1981),男,浙江大学热能工程研究所在读硕士研究生,研读方向为锅炉结渣控制及结渣机理。
煤灰中化学成分
对熔融和结渣特性影响的探讨
张 堃,黄镇宇,修洪雨,杨卫娟,周俊虎,岑可法
(浙江大学,浙江杭州 310027)
[摘 要] 煤灰中化学成分对煤灰的熔融和结渣特性的影响比较复杂。采用SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、CaCO 3、Na 2CO 3等化学品替代煤灰中的化学成分,通过人工控制灰样的成分和含量的变化,用XRD 等测试手段,结合渣样的抗剪切强度加以分析,探讨煤灰中化学成分对熔融行为和结渣特性的影响规律。[关键词] 煤灰;灰成分;剪切强度;熔融;结渣;化学成分
[中图分类号]TK16 [文献标识码]A [文章编号]10023364(2005)12002704
锅炉炉内结渣问题长期困扰电厂的运行,其中煤灰的熔融特性是影响炉内结渣的主要因素之一,而煤灰的熔融特性又受煤灰成分的影响,本文尝试用可控制成分和含量的人工灰样替代煤灰进行结渣研究。
1 试验依据和方法
1.1 试验依据
煤中矿物质主要有石英(SiO 2)、白云石(CaCO 3 Mg CO 3)、方解石(CaCO 3)、黄铁矿(FeS 2)以及高岭石(Al 2O 3 2SiO 2 2H 2O)等。试验表明[1]
,煤中矿物成分在800 之前主要发生的化学反应有:
(1)白云石受热分解
CaCO 3 M gCO 3→Mg O+CaO+2CO 2(1)(2)方解石受热分解CaCO 3→CaO+CO 2
(2)(3)高岭石失水转变成为偏高岭石Al 2O 3 2SiO 2 2H 2O →A l 2O 3 2SiO 2+2H 2O (3)
矿物间的反应几乎没有。当温度高于900 后偏
高岭石还会分解为无定形的Al 2O 3和SiO 2
[2]
。同时,
众多结渣机理试验所用的高温灰化煤灰中,Fe 元素以Fe 2O 3形式存在,转化过程为:黄铁矿(FeS 2)→磁黄铁矿(Fe 1-x S,其中x =0~0.2)→磁铁矿(Fe 3O 4)→赤铁
矿(Fe 2O 3)[3]。因此,可用SiO 2、A l 2O 3、Fe 2O 3、Ca -CO 3、Na 2CO 3等人工样品替代煤灰成分进行熔融和结渣特性的研究。由于CaCO 3、N a 2CO 3平时性质稳定,在加热后极易自身分解或与其它物质反应释放出CO 2,故用来代替CaO 和Na 2O 。
因为人工灰样的配比可以调控,以此来简化试验
条件,排除杂质干扰。在改变人工灰样的成分、含量、加热气氛等条件下,通过熔点、生成物相以及抗剪切强度等特性的变化,找出熔融和结渣的规律,分析内在结渣机理。1.2 试验方法1.2.1 灰成分分析
依据GB/T 15741995,使用XJK12型陶瓷化学成分分析仪进行分析。1.2.2 人工灰配比
将煤灰成分中的K 2O 合并至Na 2O 中,并将T iO 2、M gO 等含量不高的杂质忽略,全部折合换算成SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、CaO 、N a 2O 的百分含量后,用等质量比的SiO 2、Al 2O 3、Fe 2O 3、CaCO 3、Na 2CO 3替代其中的化学成分进行人工灰配制。在研究其中一种成分的影响时,将这种成分的含量从0变化到高值,其余组分不变。这里高值根据国内众多煤种中此成分的高水
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平含量来选取。
1.2.3 熔点测量
依据GB/T2191996煤灰熔融性测试方法进行测量。
1.2.4 物相分析
将人工灰样在所需要的气氛中加热至软化温度,恒温1h使样品充分反应后迅速取出,放入有流动氮气保护的容器中快速冷却以保持原有矿物组成[2],避免在冷却过程中发生晶型转变。样品取出粉碎研磨后用D/m ax rA型X射线衍射仪进行XRD分析。1.2.5 抗剪切强度计算
将人工灰用阿拉伯树胶溶液调和,在固定的压力下用模具制成尺寸为d10mm 10mm的灰柱,在所需要的气氛中加热至所需温度,恒温1h后取出,放入有流动氮气保护的容器中冷却。在试验机上进行垂直于轴向的剪切试验,记录样品被剪断前的最大读数,计算出相应的剪切强度。
2 试验结果和分析
2.1 煤灰与人工灰熔融特性比较
选取黄陵、神木和新汶等3种典型煤种进行人工灰配比,其熔融特性对比如图1所示。可以看出,煤灰与人工灰熔融行为非常相似。
图1 煤灰与对应人工灰的熔融特性比较
2.2 灰成分对熔融和结渣特性的影响
选择神木煤灰进行人工配灰并调整其成分和含量,各成分取值见表1。
表1 人工配灰的各项取值
成分SiO2Al2O3Fe2O3CaO Na2O K2O M gO TiO2含量53.5119.628.389.84 1.81 1.13 1.73 1.55折算56.7520.818.8910.44 3.12
高值6238162082.2.1 SiO2的影响(图2、图3)
由图2可见,当人工灰中不含SiO2时软化温度很高;随着SiO2含量的增加,灰样的软化温度逐渐降低。样品中的XRD图谱显示有钙长石(CaO Al2O3 2SiO2)产生,钙长石自身熔点较高,但含硅氧化物群与硅酸盐矿物群之间会产生低共熔现象,从而导致熔点降低[4];随着SiO2含量的进一步上升并超过一定比例时,软化温度又有上升趋势。XRD显示出熔点较高的钙长石衍射峰进一步增强,从而使样品熔点升高。因此,推测生成钙长石的反应为:
CaCO3→CaO+CO2(4) CaO+2SiO2+Al2O3→CaO Al2O3 2SiO2(5)
图2 SiO2含量与熔点的关系
由图3可见,随着温度的升高,所有样品的抗剪切强度都在逐步升高。不含SiO2的样品熔点最高,故在1000 、1100 的情况下液相量很少,抗剪切强度很低;在1200 时抗剪切强度大幅度上升,说明此时样品反应加速,结渣情况严重。而SiO2含量为56.75%和62%的样品在1000 时就有一定液相产生,表现出一定的抗剪切强度,并随温度升高而增高,在1200 时已经有较多的液相出现,样品弯曲变形严重,剪切强度无法测量。
图3 SiO2含量与温度对样品抗剪切强度的影响
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