燃煤電站鍋爐碳化硅質衛燃帶表面結渣行為

何金橋, 鄢曉忠, 陳冬林

(長沙理工大學能源與動力工程學院,中國長沙 410076)

煤粉的燃燒先后經歷預熱、揮發分的析出和燃燒、焦炭顆粒的著火燃燒和燃盡等幾個階段.焦炭顆粒的燃燒反應是一個氣固接觸反應[1].由于爐內空氣動力工況,尤其是風粉混合不合理,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,其中的固定碳繼續燃燒,而礦物成分則沉積在爐壁上,形成結渣和積灰[1-2].煤粉氣流在爐內燃燒時的溫度變化,不僅具有較大的變化梯度,而且火焰中心處溫度高達1600℃以上,因此煤灰中的一些礦物成分可能轉化為氣態,一些可能以熔融的液態出現[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粉混合的不均勻,使得礦物相的成分變化更加復雜[6-7].我國鍋爐用煤通常灰分高、熱值和揮發分低.為提高此類煤的著火、穩燃和燃盡能力,鍋爐相應地采用了衛燃帶技術,但卻出現了嚴重的結渣問題[8-9].熔融煤灰在衛燃帶上的結渣性能與耐火材料性質密切相關,即與其表面的黏結性能、微觀結構特征以及殘余應力狀態有密切關系,因此煤灰在耐火板上結渣黏結時,既有機械結合,又有分子間作用下的擴散滲透結合及物理化學作用下的冶金結合[10-11].在爐內溫度條件下,灰粒在耐火板上的結渣過程是一個復雜的多相凝聚過程[12-13],并盡可能使相互之間結合的自由能降到最小[14],這使得結渣過程中既有凝結成核的晶相,又有無定形的非晶玻璃相存在.晶相成分耐溫性較好,不同晶相間的結合較差,而非晶相成分則容易導致灰渣凝聚成塊[15-16].因此,煤粉氣流燃燒條件下煤灰與耐火板結合處灰渣的結晶程度,直接決定了灰渣與耐火材料之間的黏結強度.

我國燃煤火力發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、低熱值和揮發份煤種時,衛燃帶的使用導致該類型電站鍋爐普遍存在結渣問題[18-19].因此,分析研究實際運行鍋爐中衛燃帶表面上煤灰結渣行為既有利于促進該類型鍋爐有效燃用混煤,又能充分發揮衛燃帶的促進著火、穩燃和提高燃盡率的作用.

1 衛燃帶表面灰渣形貌

1.1 煤顆粒燃盡度分析

石門電廠一期工程2臺300 MW機組配備的鍋爐,為典型的四角切圓燃燒鍋爐.衛燃帶位置見圖1中的陰影部分,SiC質衛燃帶耐火板位于煤粉氣流的燃燒區.實際運行情況表明,該型鍋爐在燃燒設計煤種時,通過添加衛燃帶增強了著火、穩燃能力.受煤炭資源的供求制約,電廠往往需要燃用本地煤種,由于我國西南地區煤種灰分普遍較高,石門電廠鍋爐爐膛中發生了嚴重結渣現象.該爐在連續8個月運行過程中,飛灰中可燃物的平均質量分數為1.88%,爐渣中的則為1.77%.由此可知,脫離風粉氣流并沖刷、黏附在分析用耐火板上的煤灰顆粒中可燃物含量更高,并使得衛燃帶的沉積面區域形成局部還原性的結渣氣氛[20].

圖1 燃燒器區域衛燃帶布置Fig.1 A rrangement of refractory liners in combustion area

1.2 衛燃帶表面灰渣形貌分析

圖2為灰渣與衛燃帶耐火板黏結處形貌.其中右上角為黏結在耐火板上的灰渣,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合緊密的強黏結性渣,這些渣存在明顯的玻璃體團聚體,其中充滿了氣孔,結合部位的渣塊表面呈明顯的黑色,并呈向內收縮的趨勢;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性渣,通過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散偏析現象[20].由此可見,黏結作用主要通過灰渣中的非晶玻璃態成分的滲透黏連來進行,黏結成分越高的地方渣-板黏結越緊密.

2 灰渣在衛燃帶上的物相轉化行為

2.1 灰渣測試樣的制取與測試

為了分析渣層中不同形貌灰渣的成分與結晶特性,首先通過刀具從渣塊切削貼近耐火板一側的沉積渣樣后,將渣樣分別磨制成粉,然后進行XRD衍射分析.與耐火板黏結的灰渣中存在兩種特性的灰渣:一種灰渣與耐火板結合得較為緊密,為強黏結性渣;另一種則較為松散,比較容易去除,為弱黏結性渣.分析中應用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,步長為0.02°,掃描范圍 (2θ)為 10°～80°.

2.2 灰渣物相轉化分析

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

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

由化學反應動力學觀點可知,這些成分聚集在耐火板附近,通過冶金化學反應作用生成具有更低自由能的物相,以減少熱力和環境氣氛作用的影響.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,該渣層中物相轉換與結晶特性直接影響到灰渣在耐火板上的黏結強弱.

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合得較為緊密,有些地方結合較差,據此得到的強黏結渣和弱黏結渣的XRD圖譜,其結晶物相的含量見表1.

由表1可見,強黏結性渣和弱黏結性渣在結晶物相組成上與貼板沉積渣基本一致,但結晶形態具有一定的差別.這種差別主要體現在SiO2的形態上.緊貼耐火板的強黏結性渣和弱黏結性渣中均存在鱗石英,其中強黏結性渣中的鱗石英含量高達44.8%以上,弱黏結性渣中鱗石英的含量則只有5%左右,遠小于強黏結性渣中鱗石英的含量,由此可見,鱗石英將造成渣板之間較強的黏結作用.在貼近耐火板的3個渣樣中,(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離子向耐火板一側的擴散作用.成分分布特性也表明,在還原性氣氛下,堿性金屬陽離子易在SiC耐火板上沉積,形成低溫共熔體,產生較強的黏結作用.

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

2.3 灰渣的結晶特性

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,這說明衛燃帶耐火板物理化學性質對熔融煤灰的沉積結渣具有較大的影響,這種物理化學作用對灰渣的結晶度也將產生較大的影響,并進而影響到渣板之間結合作用的強弱.

石門電廠1號鍋爐SiC質衛燃帶耐火板上黏結的灰渣既有強黏結性渣,也有弱黏結性渣.經對其渣樣XRD圖譜的擬合分析,貼板沉積渣的結晶度為54%;強黏結性渣的結晶度約為36.12%;弱黏結性渣的結晶度約為57%,這與貼板沉積渣的結晶度較為一致.衛燃帶有利于著火和穩燃,因而被布置在距離煤粉氣流出口較近的區域,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態也表明了這一點.盡管如此,耐火板表面強黏結性渣不多,耐火板SiC質耐火板基材較為穩定,與熔融灰渣總體上發生冶金結合的機會較少,熔融煤灰與耐火板之間主要通過機械結合的方式相互黏結在一起.

3 SiC質衛燃帶上灰渣成分擴散

3.1 灰渣測試樣的制取

由于耐火板質地堅硬,而且比較厚實,通過大型的切削工具難以達到實驗測試所需要的表面特性.因此,對已經出現渣板分離的耐火板采取捶擊的方式來制樣,這樣有利于保護耐火板表面灰渣的結合形貌,制作好的灰渣尚須噴金處理.分析時,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 渣板結合界面處成分擴散

圖4為SiC質耐火板與強黏結性渣結合處的渣板微觀結構.在該結合處存在許多較細的非熔融態的微晶顆粒;即使進一步放大,其形貌仍不發生改變.在這些微晶顆粒中長出了許多顆粒形狀鮮明的晶體結構.圖4中各測點處的元素分布經EDS能譜分析后,各測點元素成分及其質量分數見表2.測點7與測點5成分相差不大,測點6處為外來渣樣,故這2個測點成分數據未列入表2.

圖4 黏結渣樣形貌Fig.4 SEM photos of bonding slag specimen

表2 黏結渣樣測點元素含量Tab.2 Element content at measurement points of bonding slag specimen %

圖4中測點1、2處的白色晶體狀物質有些聚集在一塊,而有些則分散于微晶顆粒中,物相結晶作用顯著.

經對白色晶體成分的測試,其中Ca、S的含量較高,主要為CaSO4.在渣板結合的邊緣地帶存在兩個發射狀的管狀晶體,其中一個位于渣樣表面,另一個則位于耐火板表面.測點3檢測數據表明,該種結晶形態的渣樣中Si含量較低,而堿性金屬陽離子及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.測點4檢測結果表明,此處主要為方晶石.測點5、7處的灰渣呈熔融狀態,Si含量均較高,其中測點5處Si的質量分數高達84%以上,因此兩測點處的主要物質為鱗石英,它的存在加強了渣板之間的黏結作用.測點6為耐火板制樣時掉落在該位置的外來渣樣,仍存在一定量的CaSO4晶體,但其顏色不如測點1、2處鮮明,表明此處還存在其他的硅鋁酸鹽成分.

結合處的灰渣物相表明,渣、板之間主要通過晶粒較小的方晶石和鱗石英來進行黏結,片狀的鱗石英晶間作用較強,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、板之間黏結作用較弱.這與渣、板之間的實際結渣情況一致.

4 結 論

(1)還原性氣氛下堿性金屬陽離子在SiC耐火板發生擴散沉積,并形成低溫共熔體,從而造成與SiC質衛燃帶的黏連結渣.

(2)處于燃燒區中的SiC質衛燃帶耐火板與熔融灰渣不易發生冶金結合,熔融煤灰與耐火板之間主要通過機械結合的方式相互黏結在一起.

(3)渣、板之間主要通過晶粒較細的方晶石和鱗石英黏結的,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、板之間黏結作用較弱.

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