我国煤炭资源地域分布广，探明储量大，开采成本低，因此被当作主要燃料广泛地应用于电力生产当中。电厂锅炉在实际燃用煤炭时，因煤中碱及碱土金属类矿物质的存在，锅炉尾部受热面会出现大面积的积灰结渣现象，导致换热管传热条件恶化，管壁腐蚀，甚至引发超温爆管和非计划停炉，给发电设备的平稳安全运行带来严重威胁。近期发现的新疆准东煤田，储量巨大，煤质优良，但煤中富含钙钠的特性使其在实际燃烧过程中出现严重的灰污问题，大大限制了该煤种的大规模广泛利用。因此，研究燃煤飞灰的沉积特性对于保证发电设备稳定运行以及实现准东煤的大规模利用具有重要意义。
本文选择了三种性质差异显著的典型煤灰：辽宁调兵山电厂循环流化床锅炉外置式换热器中床料灰、内蒙古通辽电厂霍林河褐煤飞灰以及新疆五彩湾煤矿准东煤灰。本文重点考察了烟气流速、换热管表面温度、灰颗粒的粒径分布等宏观参数对煤灰沉积特性的影响，获得了积灰过程“分阶段、变速率”进行的基本规律；考虑到准东煤中碱金属赋存形态及含量与燃烧温度之间的关系，开展了制灰温度对五彩湾准东煤灰沉积特性影响的试验，获得了有价值的认识和结论。
首先，本文完成了对热态飞灰沉积试验台的可视化改造，建立了积灰图像分析的基本方法，为实现积灰全程的实时观察奠定了良好的硬件基础。锅炉受热面附近的高温高污环境给原位观察煤灰沉积的发生机制带来了严重困难，试验台的可视化改造工作十分必要。本文对积灰采样头和炉膛支管的位置进行了合理搭配，制造了无阻碍的视野通路，利用自行设计的耐高温观察视窗，借助自动调焦的摄录一体化视频采样系统，将灰粒沉积过程的细节信息全面详实的予以记录。本文将生物学分析软件Image Pro Plus成功应用于煤灰沉积图像中灰层厚度的测量，在此基础上获得了表征飞灰沉积特性的“灰层生长速率曲线”。
其次，开展了调兵山灰和通辽褐煤飞灰在不同烟气流速、不同探针表面温度下的灰沉积特性试验；对调兵山电厂床料灰开展了不同粒径范围下的积灰特性试验。结果发现，在一定范围内增大烟气流速将对煤灰沉积产生抑制作用；而提高探针表面温度，积灰层生长速率加快。这可能是因为高速气流具有较强的冲刷作用，而灰粒在高温表面容易吸热软化，增强了粘附性。粒径影响的试验发现，同一灰样不同粒径下的灰颗粒，其化学成分及相对含量不同，这导致了粗灰和细灰的沉积倾向差异。试验结果表明细灰易沉积且先沉积，形成的粗糙初始沉积层极大改善了后续灰粒的附着环境，本文称上述效应为“积灰面一次粗糙化”。
最后，进行了五彩湾准东煤在不同探针表面温度、不同烟气流速以及不同制灰温度下的工况试验。结果发现，五彩湾准东煤灰在较高的探针表面温度下具有更快的灰层生长速率，而减小模拟烟气流速也有利于积灰层的生长发展，这与调兵山灰及通辽褐煤飞灰试验结果一致，对其原因的分析也相似。在不同制灰温度下，发现所得灰样的粒径和成分含量差异显著，800℃所制灰样粒径远大于500℃及650℃下的情况；中温和低温灰的粒径分布差异较小，650℃时灰粒粒度最细。对灰中碱金属含量变化情况进行检测，发现随着制灰温度的升高，Na元素含量下降，而Ca元素含量上升；Mg、Al、K等元素含量变化趋势不单调。推测原因为Na在高温下以气态化合物形式挥发，而CaCO3在高温下发生分解反应释放出了CO2，上述高温反应的进行引起了各元素相对含量的升降。积灰特性试验表明，准东煤高温灰的沉积趋势显著强于两种低温灰，而500℃及650℃下煤灰的沉积特性曲线接近，积灰趋势较低。图像分析中还发现，准东煤灰的沉积层在生长过程中，其边界始终保持凹凸不平的状态，与调兵山及通辽褐煤电厂灰平滑的灰层边线差别明显。推测原因为准东煤灰中富含Na、Ca等元素，燃烧中形成的低熔点化合物降低了其灰熔点和烧结温度；考虑到小粒径灰粒吸热快易软化，大粒径灰粒的热耐受力强，因此灰层中细灰相对集中的区域出现熔化坍塌，使得灰层边线出现凹坑；粗灰份额相对高处则可支撑原状，成为灰层边线上的凸峰。上述粗糙表面同初始沉积层一样，极大提高了后续灰粒的粘附效率，本文称该效应为“积灰面二次粗糙化”。
- 作 者：
- 王林
- 学科专业：
- 动力工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 哈尔滨工业大学
- 导师姓名：
- 王辉
- 学位年度：
- 2015
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
