论文部分内容阅读
【摘 要】 矿物质是引起锅炉结渣的根本原因。本文介绍了煤中矿物质来源、煤灰分的组成和结渣的形成过程，分析了影响锅炉结渣的因素，从而对煤中矿物质到锅炉受热面结渣的整个形成过程有了一个全面的认识和了解。
【关键词】 矿物质；煤；灰分；结渣特性
【Abstract】 Mineral matter in coal is the first cause for ash deposition. In this paper， the source of mineral matter， composition of coal ash ， slag formation and the influence factors of slag formation are introduced， which accordingly can provide a comprehensive knowledge and understanding on whole forming process， from mineral matter in coal to ash deposition in heating surface. Moreover， slag-preventing measures are summarized.
【Key Words】 mineral matter； coal； ash； slagging characteristic
引言：
煤是植物殘骸在适宜的地质环境中，逐渐堆积而达到一定厚度，并被水或泥沙覆盖，经过了漫长的地质年代，经历了物理、化学和生物的复杂作用，逐渐形成的有机生物岩石。煤中除水分外所有无机物质总称为矿物质。这些矿物质是引起燃煤锅炉受热面结渣、磨损和超温爆管的根本原因。
1 煤中矿物质的来源和煤的灰分
1.1煤中矿物质的来源
煤中的矿物质一般有三个来源：原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质。原生矿物质指存在于成煤植物中的矿物质，主要是碱金属和碱土金属的盐类。原生矿物质参与煤的分子结构，与有机质紧密的结合在一起，在煤中呈细分散分布，很难用机械方法脱除。这类矿物质含量较少，一般仅为1%～2%。次生矿物质指成煤过程中，由外界混入煤层中的矿物质，以多种形态嵌布于煤中。如煤中的高岭土、方解石、黄铁矿、石黄、长石、云母等。外来矿物质指在采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石，其主要成分是二氧化硅、氧化铝、碳酸钙、硫酸钙和硫化亚铁等。
1.2煤的灰分
煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧时，煤中矿物质在一定温度下经过一系列分解化合等剩下的残渣。这些残渣主要是由金属和非金属的氧化物和盐类组成。
2 结渣形成过程
干净的水冷壁，一般不易发生结渣。因为在这种情况下，灰渣颗粒在接近温度相对低得多的水冷壁表面区域时，受到急剧的冷却而被完全固化，灰渣粘附性大大降低。
水冷壁结渣是由熔融或半熔融颗粒撞击到管壁上或管壁上原积有粘性灰所引起的。结渣形成过程是，首先在水冷壁表面应存在粘性的初始沉积物，然后通过壁温的提高和粘附捕捉，以及反复的理化作用等，形成厚而硬的结渣。通常，其形成过程包括以下三个步骤：
2.1初始沉积层的形成
初始沉积层有两种性质的沉积，一是直径小于30微米的颗粒的沉积；二是灰渣中某些含铁和碱金属等成分的选择性沉积。前者形成的初始沉积层结构松散，特别是沉积初期，不会形成粘聚和粘附强度大的熔融成分，沉积层厚度在锅炉运行后不久则会相对趋于稳定，只影响烟气与工质的传热，不会破坏锅炉的正常工作；后者由于是以氧化物和硫化物形式呈现的初始沉积物，会形成较低温度的共熔体混合物，沉积层结构致密，粘附强度大，且包含有直接撞击粘附在管壁上的黄铁矿，因此这种初始沉积物具有使沉积层增厚，导致受热面结渣的作用。
2.2一次沉积层的形成
由于熔渣可以湿润金属和耐火材料，其与受热面之间的粘附强度大，而且煤灰成分一般也都能相互湿润，故在粘性强的初始沉积层形成之后，随后沉积的颗粒与初始沉积层之间也具有较大的粘附力，使沉积层厚度进一步增加。又因为初始沉积层形成之后，水冷壁吸热减少，炉内环境温度升高，沉积速度加快；随着时间的延长，初始沉积层和受热面之间及沉积物之间的烧结和生成低共熔体，强度增加，沉积层增加，沉积层表面温度又升高，烟气温度也又升高。如此恶性循环，直到沉积到沉积面的熔融或半熔融态颗粒基本上不再发生凝固，即形成了粘稠的“捕捉”表面。
2.3二次沉积层的形成
“捕捉”表面形成之后，不仅熔融颗粒，而且只要是撞击上的固体颗粒一般均会被捕捉，沉积层厚度快速增加。被捕集的固体颗粒熔解在粘稠的沉积表面上，表面灰熔融性和粘度升高，从而发生凝固，又形成新的捕捉表面。如此反复，直到沉积表面的温度达到重力作用下流动的界限粘度值得温度时，沉积层厚度不再增加。这时撞击上的固体或熔融状态的颗粒由于重力作用，将沿管壁表面向下流动而堆于冷灰斗处。
3 影响锅炉结渣的因素
影响锅炉结渣的主要因素是煤灰成分、炉膛环境温度、炉内空气动力场。
3.1煤灰成分的影响
煤灰成分与组成是产生结渣的根源。灰熔融性温度的高低影响达到受热面颗粒的状态及数量。灰熔融性温度低，会有较多的颗粒在到达受热面时仍处于熔融或半熔融状态。灰渣粘度的大小影响颗粒在受热面上铺展的程度。粘度低的熔渣往往更易于湿润受热面；因此，锅炉受热面的结渣与灰渣熔融特性和灰渣流动特性密切相关。
3.2炉膛温度的影响
炉膛环境温度由煤质和燃烧设备决定。整个炉膛内各点的温度是不一样的。中心温度高，壁面处温度低。就宏观来说，较低的炉膛平均温度，可以降低煤种的结渣性。
3.3炉内空气动力场的影响
炉内空气动力场的组织，对锅炉结渣具有重要的作用。炉内空气动力场不良，火焰偏斜，不仅燃烧不完全，而且出现局部还原性气氛、气流刷墙和局部高温等现象，就会引起受热面结渣。
4 结束语
本文简要介绍了煤中矿物质的来源、煤灰分的组成、受热面结渣的过程以及结渣的影响因素，从而对煤中矿物质与受热面结渣之间的关系有了一个全面的认识和了解，对锅炉设计人员和现场工程技术以及运行人员找到防止结渣的有效措施有重要的指导意义。
作者简介：丁慧芳（1981-），女，工程师，2007年毕业于华中科技大学热能工程专业，从事锅炉设计工作。
【关键词】 矿物质；煤；灰分；结渣特性
【Abstract】 Mineral matter in coal is the first cause for ash deposition. In this paper， the source of mineral matter， composition of coal ash ， slag formation and the influence factors of slag formation are introduced， which accordingly can provide a comprehensive knowledge and understanding on whole forming process， from mineral matter in coal to ash deposition in heating surface. Moreover， slag-preventing measures are summarized.
【Key Words】 mineral matter； coal； ash； slagging characteristic
引言：
煤是植物殘骸在适宜的地质环境中，逐渐堆积而达到一定厚度，并被水或泥沙覆盖，经过了漫长的地质年代，经历了物理、化学和生物的复杂作用，逐渐形成的有机生物岩石。煤中除水分外所有无机物质总称为矿物质。这些矿物质是引起燃煤锅炉受热面结渣、磨损和超温爆管的根本原因。
1 煤中矿物质的来源和煤的灰分
1.1煤中矿物质的来源
煤中的矿物质一般有三个来源：原生矿物质、次生矿物质和外来矿物质。原生矿物质指存在于成煤植物中的矿物质，主要是碱金属和碱土金属的盐类。原生矿物质参与煤的分子结构，与有机质紧密的结合在一起，在煤中呈细分散分布，很难用机械方法脱除。这类矿物质含量较少，一般仅为1%～2%。次生矿物质指成煤过程中，由外界混入煤层中的矿物质，以多种形态嵌布于煤中。如煤中的高岭土、方解石、黄铁矿、石黄、长石、云母等。外来矿物质指在采煤过程中混入煤中的顶、底板和夹矸层中的矸石，其主要成分是二氧化硅、氧化铝、碳酸钙、硫酸钙和硫化亚铁等。
1.2煤的灰分
煤的灰分是指煤中所有可燃物质完全燃烧时，煤中矿物质在一定温度下经过一系列分解化合等剩下的残渣。这些残渣主要是由金属和非金属的氧化物和盐类组成。
2 结渣形成过程
干净的水冷壁，一般不易发生结渣。因为在这种情况下，灰渣颗粒在接近温度相对低得多的水冷壁表面区域时，受到急剧的冷却而被完全固化，灰渣粘附性大大降低。
水冷壁结渣是由熔融或半熔融颗粒撞击到管壁上或管壁上原积有粘性灰所引起的。结渣形成过程是，首先在水冷壁表面应存在粘性的初始沉积物，然后通过壁温的提高和粘附捕捉，以及反复的理化作用等，形成厚而硬的结渣。通常，其形成过程包括以下三个步骤：
2.1初始沉积层的形成
初始沉积层有两种性质的沉积，一是直径小于30微米的颗粒的沉积；二是灰渣中某些含铁和碱金属等成分的选择性沉积。前者形成的初始沉积层结构松散，特别是沉积初期，不会形成粘聚和粘附强度大的熔融成分，沉积层厚度在锅炉运行后不久则会相对趋于稳定，只影响烟气与工质的传热，不会破坏锅炉的正常工作；后者由于是以氧化物和硫化物形式呈现的初始沉积物，会形成较低温度的共熔体混合物，沉积层结构致密，粘附强度大，且包含有直接撞击粘附在管壁上的黄铁矿，因此这种初始沉积物具有使沉积层增厚，导致受热面结渣的作用。
2.2一次沉积层的形成
由于熔渣可以湿润金属和耐火材料，其与受热面之间的粘附强度大，而且煤灰成分一般也都能相互湿润，故在粘性强的初始沉积层形成之后，随后沉积的颗粒与初始沉积层之间也具有较大的粘附力，使沉积层厚度进一步增加。又因为初始沉积层形成之后，水冷壁吸热减少，炉内环境温度升高，沉积速度加快；随着时间的延长，初始沉积层和受热面之间及沉积物之间的烧结和生成低共熔体，强度增加，沉积层增加，沉积层表面温度又升高，烟气温度也又升高。如此恶性循环，直到沉积到沉积面的熔融或半熔融态颗粒基本上不再发生凝固，即形成了粘稠的“捕捉”表面。
2.3二次沉积层的形成
“捕捉”表面形成之后，不仅熔融颗粒，而且只要是撞击上的固体颗粒一般均会被捕捉，沉积层厚度快速增加。被捕集的固体颗粒熔解在粘稠的沉积表面上，表面灰熔融性和粘度升高，从而发生凝固，又形成新的捕捉表面。如此反复，直到沉积表面的温度达到重力作用下流动的界限粘度值得温度时，沉积层厚度不再增加。这时撞击上的固体或熔融状态的颗粒由于重力作用，将沿管壁表面向下流动而堆于冷灰斗处。
3 影响锅炉结渣的因素
影响锅炉结渣的主要因素是煤灰成分、炉膛环境温度、炉内空气动力场。
3.1煤灰成分的影响
煤灰成分与组成是产生结渣的根源。灰熔融性温度的高低影响达到受热面颗粒的状态及数量。灰熔融性温度低，会有较多的颗粒在到达受热面时仍处于熔融或半熔融状态。灰渣粘度的大小影响颗粒在受热面上铺展的程度。粘度低的熔渣往往更易于湿润受热面；因此，锅炉受热面的结渣与灰渣熔融特性和灰渣流动特性密切相关。
3.2炉膛温度的影响
炉膛环境温度由煤质和燃烧设备决定。整个炉膛内各点的温度是不一样的。中心温度高，壁面处温度低。就宏观来说，较低的炉膛平均温度，可以降低煤种的结渣性。
3.3炉内空气动力场的影响
炉内空气动力场的组织，对锅炉结渣具有重要的作用。炉内空气动力场不良，火焰偏斜，不仅燃烧不完全，而且出现局部还原性气氛、气流刷墙和局部高温等现象，就会引起受热面结渣。
4 结束语
本文简要介绍了煤中矿物质的来源、煤灰分的组成、受热面结渣的过程以及结渣的影响因素，从而对煤中矿物质与受热面结渣之间的关系有了一个全面的认识和了解，对锅炉设计人员和现场工程技术以及运行人员找到防止结渣的有效措施有重要的指导意义。
作者简介：丁慧芳（1981-），女，工程师，2007年毕业于华中科技大学热能工程专业，从事锅炉设计工作。