电厂燃煤结渣倾向的判断课件.ppt

华北电力科学研究院有限责任公司化学环保研究所孙钊,电厂燃煤结渣倾向的判断,主要内容,概述,我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占主导地位，并且这种能源结构在短期内不会改变，因此火电仍然是我国的主力电源，确保火电机组安全稳定经济运行，对于满足国民经济发展要求，促进社会经济持续健康发展具有重要意义。,概述,水冷壁管壁渣块1,水冷壁管壁渣块2,燃烧器渣块,在火电机组运行中，锅炉结焦是影响机组安全稳定经济运行的一个普遍现象，同时也是长期存在的问题。电厂锅炉主要以煤为燃料，其燃烧产物中含有大量的灰粒、硫和氮的氧化物等物质，这些物质在锅炉运行过程中，有时会以各种形式沉积在受热面的表面，造成受热面的结焦。锅炉结焦，不仅会降低锅炉运行的热经济性，甚至会影响锅炉的安全运行，严重时还会发生设备损坏、人身伤害事故。因此，锅炉的结焦和防治问题，一直以来都是电厂锅炉工作人员致力于研究和解决的问题。,一、锅炉结焦的原因及危害,锅炉结焦是个比较复杂的物理化学过程，根据其结焦机理的研究，可以分为两种形式。,锅炉结渣,在煤粉炉中，炉膛燃烧火焰中心温度在15001700之间，燃煤中的灰分在这样高的温度下，熔化为液态或软化状态。由于炉膛内水冷壁的吸热，火焰温度靠近水冷壁的部分越来越低，随着火焰温度变化，燃煤中的灰分也从液态或软化状态逐渐变为固态，而当灰分在软化状态时受到冷却而粘结在受热面上，就形成了结渣，也称高温结焦。,锅炉积灰,锅炉受热面上的积灰有粘结性和疏松性积灰两种。煤粉在锅炉中不完全燃烧时，烟气中含有很多未燃烬的碳颗粒，这些碳粒子对烟气中的CO2、SO2、H2O发挥吸附作用，进而形成硫酸蒸汽。当烟气流经处于低温区域的锅炉尾部受热面时，如果烟气中的硫酸蒸汽及受热面金属壁温度低于烟气露点，则烟气中的硫酸蒸汽就会凝结在受热面管壁上，由于其具有很强的粘性，粘住灰粒，并形成水泥状的堵灰。粘结性积灰的发生取决于燃料中的含硫量。,锅炉积灰,同时，另一种疏松灰是煤粉炉中比较常见的积灰方式，它发生在锅炉的所有受热面上。当烟气冲刷受热面管束时，在管子的背面形成涡流区，烟气中小的灰粒由于惯性动能小，被卷进旋涡撞在管壁上，并通过静电引力和摩擦阻力等方式粘结在管壁上面，形成积灰。,1.煤质因素的影响,锅炉结焦的原因,在发电厂燃用的煤质对锅炉结焦具有直接影响，如果煤质恶劣，那么主要特点为灰分大、发热量低、挥发分低及水分高，不但会导致锅炉燃烧不稳定，同时在燃烧过程中也需进行投油助燃，造成严重的浪费。优质燃煤灰熔点通常为12501500，但劣质燃煤则在1100以下，因此劣质燃煤则更容易出现炉内结焦。,2.灰熔点因素的影响,结焦的出现主要是因为在熔化环境下受热面上的灰沉积。从这一点可看出灰的熔点对结焦具有直接影响。如果在燃煤过程中含有大量的FeO、Na2O、K2O及Fe2S3，就会导致灰熔点降低，从而发生结焦现象。反之如果是含有大量Al2O3及SiO2时，则会显著增高灰熔点，可降低结焦发生率。炉内环境对灰熔点具有直接影响，如果烟气中存在大量CO和H2等还原性气体，就会导致灰熔点有所降低，通常会是在200左右，主要原因是还原性气体可将其灰分中熔点较高的Fe2O3进行还原，最终成为熔点比较低的氧化铁，两者进行转化过程中的温度差约在200300，在此过程中也就会出现严重的结焦。,锅炉结焦的原因,3.设计安装和操作使用因素的影响,在炉内燃烧过程中如果出现不合理调整，不管是一次风携带过细煤粉，还是风速及风压过低等问题，均会导致煤粉气流擦墙，从而最终出现锅炉结焦。另外锅炉运行过程中，如果出现不合理使用配风，或风量不足则会导致氧量下降，一旦炉内出现还原性气体，就会出现严重的低温结焦。如果燃烧过程中送引风量比较大，锅炉温度和煤粉粘结温度相比偏高时，则容易出现高温结焦，另外如果出现炉膛及制粉系统漏风，那么也就会加大炉内风量，炉内温度也会随之下降，延长燃烧过程；冷灰斗处出现漏风情况，会使火焰中心抬高、火焰拉长，对于炉膛中的温度则会导致出口处较高，出现结焦现象。,锅炉结焦的原因,1.结焦对锅炉运行安全性的影响,（1） 锅炉炉膛内结焦后，水冷壁受热面辐射吸热量降低，使炉膛出口烟温升高，对流受热面热负荷增加，从而导致蒸汽温度、金属壁温超温；（2） 由于结焦的不均匀性，使得过热器热偏差增大，同时造成水冷壁局部受热不均，对其热偏差及水循环安全性带来不利影响；（3） 炉膛上部结焦焦块掉落时，可能砸坏冷灰斗水冷壁管，造成炉膛灭火或排渣口堵塞，使锅炉被迫停运；焦块掉落时，如有人员在冷灰斗附近工作，还可能影响人身安全；（4） 炉内焦块掉落后，如除渣时间长，炉膛持续漏入冷风太多，会使燃烧不稳甚至灭火。,锅炉结焦的危害,2.结焦对锅炉运行经济性的影响,（1） 锅炉受热面结焦后，传热效果下降，吸热量大大减少，排烟温度升高，锅炉热效率下降；（2） 燃烧器出口结焦后，造成炉内动力工况发生变化，可能造成气流偏斜、燃烧恶化，使得机械不完全燃烧热损失、化学不完全燃烧热损失增大；（3） 对流受热面结焦后，造成通风阻力增大，引风机耗电量增加，厂用电量上升；（4） 水冷壁结焦后，吸热量和蒸发量减少，使锅炉负荷受到影响；（5） 炉膛出口受热面结焦，会影响蒸汽温度，甚至增加通风阻力，严重时还可能造成烟气通道的堵塞，限制锅炉出力。,锅炉结焦的危害,主要内容,锅炉结焦与煤灰成分的关系,煤灰主要成分为硅、铝、铁、钙、镁、钾、钠、钛、锰、硫和磷等元素的氧化物及其盐类。在锅炉燃烧中，可根据灰成分来比较准确地估算煤灰熔融性和流动性，并可根据灰中钾、钠等碱金属氧化物的含量来判断煤灰对燃烧室的腐蚀情况和锅炉的沾污、结渣倾向。在煤灰成分中，Fe2O3、CaO、MgO、Na2O及K2O属碱性组分，SiO2、Al2O3及TiO2属酸性组分。利用二者的比值可以大致推算灰渣粘温特性及计算结渣指数，这对电厂运行具有较大的参考价值。,锅炉结焦与煤灰成分的关系,结渣指数与积灰指数的计算方法：结渣指数 Rs=(灰中碱性氧化物/灰中酸性氧化物) St,d积灰指数 Rf=(灰中碱性氧化物/灰中酸性氧化物) Na2O,%其中：St,d为煤中干燥基全硫的含量,%； 碱性氧化物为Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O的含量之和,% ； 酸性氧化物为SiO2、Al2O3、TiO2的含量之和,% ； Na2O,%为煤灰中氧化钠含量,%。用Rs和Rf可对煤种的结渣和积灰进行分类(表1)。,锅炉结焦与煤灰成分的关系,锅炉结焦与煤灰成分的关系,通常煤灰熔融温度随灰中碱性氧化物与酸性氧化物比值（B/A）的增大而降低。为了避免锅炉严重结渣，选用煤灰中碱性氧化物含量相对较少的煤为宜，这种煤灰的熔融温度一般较高。,碱性氧化物B为Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O的含量之和,% ；酸性氧化物A为SiO2、Al2O3、TiO2的含量之和,% ；样品1B/A=0.11Rs=0.100.6Rf=0.040.2属于不熔灰、不结渣样品2B/A=0.07Rs=0.040.6Rf=0.010.2属于不熔灰、不结渣,实例,主要内容,锅炉结焦与煤灰熔融性的关系,煤灰熔融性是动力用煤重要的质量参数，它用4个特征温度表示：变形温度(DT)，软化温度(ST)，半球温度(HT)和流动温度(FT)。煤灰的熔融温度可反映煤中矿物质在锅炉中的动态，根据它可预计锅炉的结渣和沾污倾向。变形温度(DT)与锅炉轻微结渣和吸热表面轻微积灰温度相对应；软化温度(ST)与锅炉大量结渣和大量积灰的温度相对应；流动温度(FT)与灰渣呈液态或从吸热表面滴下及在燃烧床炉栅上严重结渣的温度相关联。,锅炉结焦与煤灰熔融性的关系,在煤灰熔融性的4个特征温度中，软化温度(ST)最为重要，一般都根据它来选择合适的燃烧设备、工艺或煤源。灰熔融温度越高，锅炉越不易结渣；反之，结渣越严重。高硫煤会使灰熔融温度降低，导致锅炉结渣或加重结渣。从结渣指数Rs计算公式中可知，它与煤的全硫含量成正比。,锅炉结焦与煤灰熔融性的关系,根据灰熔融温度的高低，通常把煤灰分成易熔、中等熔融、难熔、不熔4种(表3)。,锅炉结焦与煤灰熔融性的关系,此外，长渣煤、短渣煤与结渣也有较大的关系。若DT与FT之间温差较小，如小于100，则该煤种属短渣煤，燃烧时会在很短时间内出现大面积严重结渣。反之，若DT与FT之间温差较大，如大于200，则该煤种属长渣煤，不易结渣。下表给出了短渣煤与结渣的关系。,主要内容,煤结渣特性的综合判断,煤结渣特性的判断实例,ST1260,主要内容,1.做好燃煤管理,1.1 燃煤采购燃煤采购是保证燃煤质量、预防锅炉结焦的第一关。因此，电厂应严格根据锅炉设计煤种的主要特性(灰分、灰熔点、水分、挥发分)来组织燃料采购。在无法满足要求时，应尽可能选用成分比较稳定、含灰量、含石量少的煤。,锅炉结焦的防治措施,1.做好燃煤管理,1.2 入场煤管理根据来煤矿点、煤种不同，对采购的优质煤、劣质煤、标准燃煤分类堆放，并做好入场煤的化验工作。严格入场煤的检质，坚决杜绝严重不符合电厂锅炉燃烧要求的燃煤进场，否则将造成锅炉严重结焦、燃烧恶化等影响锅炉安全稳定运行的后果。,锅炉结焦的防治措施,2022/11/26,31,1.做好燃煤管理,1.3 合理掺烧根据入场煤化验数据，掌握各种煤的主要特性，包括挥发份、灰分、水分等，了解各煤种特性，按照锅炉燃烧要求将不同煤种进行科学搭配、合理掺烧。同时，每天及时准确地做好入炉煤的化验分析，为运行人员提供参考，以便针对性地调整入炉煤配比和上煤方式，建立起适合掺烧煤种的运行工况，以达到充分燃烧并防止结焦的目的。,锅炉结焦的防治措施,2.合理调整燃烧,2.1 组织炉内空气动力场试验确保冷态动力场良好，是保证燃烧稳定、预防结焦的基础。利用锅炉检修后、启动前的机会，组织进行炉内空气动力场试验，通过反复的检查、调整，实现炉内各角风量基本平衡、充满程度良好、不出现切圆偏斜现象；各喷燃器出口风速(风压)适当，其出口气流有足够刚度、没有刷墙现象。通过试验，要找出燃烧器合理的配风方式和最佳的调节挡板位置，使炉内建立起良好的空气动力工况，确保锅炉的安全、稳定、经济运行。,锅炉结焦的防治措施,2.合理调整燃烧,2.2 做好热态运行的燃烧调整锅炉运行过程中，要加强对炉内燃烧工况的观察和调整，保持合理的送、引风配合，维持适当的炉膛负压，火焰中心高度适中；要保持合理的一、二次风速配比，避免火焰偏斜直接冲刷炉壁，保证着火迅速、燃烧良好；要保持合理的风粉配比，保证炉内适当的过剩空气量，使氧量供应充足、燃烧完全，避免在炉壁附近产生还原性气氛。,锅炉结焦的防治措施,3.确定煤粉细度,根据煤种情况，可以通过对分离器及系统通风量的调整，保持合适的煤粉细度和均匀度，使煤粉适时着火、燃烧，避免造成结焦。实际生产中，煤粉细度的选择，应兼顾稳燃、炉膛及炉膛出口受热面是否结焦、机械不完全燃烧损失、制粉电耗等多种因素综合考虑确定。,锅炉结焦的防治措施,4.降低炉膛热负荷,积极提高锅炉运行热效率，在效率提高的情况下，同样的负荷燃用的燃料量减少，炉膛热负荷降低，在炉膛容积一定的条件下，燃料在炉内的停留时间就会延长一些，燃烧比较完全，有利于减少结焦现象；要维持给水在较高温度下运行，以减少送入炉内的燃料量。此外，还要避免长期或较大的超负荷运行。,锅炉结焦的防治措施,5.及时清焦吹灰,严格按照要求进行锅炉吹灰，保证受热面清洁，如有积灰和结焦现象，时间短时清除起来比较容易，所以应该及时清除，以防结焦加剧。要定期分析锅炉运行工况，对易结焦的燃煤要重点分析减温水量的变化和炉膛出口温度的变化规律，以及过热器、再热器管壁温度变化的情况。发现锅炉结焦严重时应申请适当降低负荷运行，并加强吹灰。,锅炉结焦的防治措施,主要内容,煤灰成分分析试验的开展,电科院于2016年购置了电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）和微波消解仪，用于开展煤灰成分分析试验及其前处理方法的相关研究。发表文章ICP-OES法测定煤灰成分的前处理方法比较利用三种不同酸体系的微波消解法和四硼酸锂碱熔法对煤灰标准物质进行前处理，采用电感耦合等离子体发射光谱法同时测定煤灰标物中的钾、钠、钙、镁、铁、铝、钛、磷、硅。将测定结果转化成氧化物后与标准物质的标定值进行对比分析，给出了测定每种元素的最优前处理方法及三种不同酸体系的微波消解方法推荐检测的元素。,煤灰中各个元素存在的形态非常繁杂，含量范围变化很大，通常以有机物和无机物的形式存在。煤灰中的矿物质经过高温燃烧反应，会生成各类金属和非金属的氧化物及盐类，即煤灰成分。煤灰的组成成分与电力生产关系非常密切。煤灰成分分析的结果可以为判断和防止灰渣对锅炉设备的侵蚀作用提供依据，还可以预测冲灰管道是否结垢及其严重程度，更是决定灰渣综合合理利用途径的有效参考数据。煤灰成分分析实验是电厂设计和生产运行的需要，也是电力用煤特性检测的重要的一个环节。,引言,煤灰的成分不同，导致其主要组成成分也不同，而不同组成成分的化学性质也差异也很大。根据煤灰的组成即可初步判断煤灰的熔融温度。煤灰中的 Al2O3是增高灰熔融性温度的最主要的成分。氧化铝的特点是熔点高且不溶于水，在煤灰的熔融过程中充分发挥了“骨架”的作用。Al2O3含量大于 20%的煤灰，其软化温度 ST 一般均大于 1250；Al2O3大于 30%的煤灰，ST 均大于 1350 ；Al2O3大于 35%时，ST 大于 1400；Al2O3大于40%时，ST 几乎都大于 1500。煤灰中的 Al2O3含量一般在 20%-30%左右，最低可达 7%-8%左右，最高可超过 46%。,引言,煤灰成分的传统分析方法采用的是国家标准方法GB /T1574-2007，该方法要对样品进行多次预处理，整个分析过程非常繁琐，涉及的仪器很多，空白值较高，挥发性的元素如汞、砷、硒极易损失，造成测量结果有较大偏差。原子发射光谱法是电力行业标准DL/T 1037-2016推荐方法。样品经用四硼酸锂在高温下熔融后，用稀硝酸提取，提取液采用电感耦合等离子体发射光谱仪进行测定。该方法可以同时测定多种元素，简单快速。,引言,微波消解技术是近几年发展起来的一种快速、有效的溶样方法。此前有不少学者对这种方法进行了研究，郭欣等采用V2O5-HNO3-H2SO4-H2O2作为消解酸，利用微波技术对煤样进行了消解，取得了较好的消解效果。刘晶提出称取0.1g煤灰用10mL硝酸和1mL氢氟酸分解，加入10mL4%硼酸溶液分解氟化物沉淀。郭方方称取0.03g煤灰样品加入3mL硝酸、2mL盐酸、0.3mL氢氟酸和0.5mL磷酸进行微波消解。王珲研究了不同温度以及HNO3、HNO3/H2O2、HNO3/HF和HNO3/HF+H3BO3四种酸对飞灰微波消解效果和元素分析的影响。但按照上述方法对本实验室的煤样进行消解时发现，得到的溶液不澄清，有白色絮状物，未完全消解，这可能是由于煤质的不同导致消解过程未能进行完全造成的。,引言,本文研究了四种前处理方法处理煤灰样品后，用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测定其主要成分的结果差异。探究出各元素最适合的前处理方法，以期获得更好的实验结果，进一步为电厂粉煤灰的综合利用提供依据。,引言,仪器与试剂,电感耦合等离子体发射光谱仪（PE8000，Perkin Elmer，USA）、微波消解仪（Multiwave PRO，Anton Paar，The Republic of Austria）、高温炉（GW300C，煤炭科学研究总院，中国）、磁力搅拌器（C-MAG HS 7，IKA，Germany）。混合标准溶液（126）100mg/L（包含实验要用到的铝、铁、钙、钾、钠、镁、钛元素）；混合标准溶液（040）50mg/L（包含实验要用到硅元素）；磷元素标准溶液100mg/L；硝酸GR，氢氟酸GR，过氧化氢GR，硼酸GR。煤灰成分分析标准物质GBW11131。实验用水为超纯水（电阻率18.2M*cm）。,实验部分,样品处理,由于本实验室平时所检测的煤灰样品硅、铝含量很高，故选取较为接近的标准样品GBW11131作为试验样品。样品处理方法参照GB/T212 - 2008煤的工业分析方法4.1缓慢灰化法。,实验部分,实验过程,实验部分,综合文献提出的方法以及试验经验，提出了四种样品前处理方法，如下表所示，同时做空白试验。方法1、方法2和方法3是三种不同酸体系的微波消解法，方法4是电力行标推荐的四硼酸锂碱熔法。,方法1-3中用到的微波消解程序如下表所示，微波消解仪最大压力增加速率0.5bar/s，最大压力40.0bar。消解程序结束后，用超纯水将样品转移到定制的50mL样品瓶中，用称重法进行测量称重。,实验部分,ICP-OES标准溶液浓度配置如表3所示。样品稀释数据如表4所示。,表3 标准溶液浓度配制表,表4 样品稀释倍数表,实验部分,调整ICP-OES仪器至最佳工作状态，分别检测标准空白、标准溶液、样品空白、样品试液。仪器的工作条件如下表所示。,实验部分,分析谱线的选择,ICP-OES方法测定元素含量时，优先选择强度高的谱线，同时考虑受干扰最少的谱线作为分析线。通过前期大量试验，得出现阶段每一元素的最优谱线，如下表所示。,结果与讨论,样品分析,两次重复测定取平均值，按照换算系数将元素浓度换算成氧化物所占百分含量，与标准值进行逐一对比。,结果与讨论,氧化钾的测定结果如图1所示。标值是0.88%，方法2的测定结果最接近标值，方法3也在可接受范围内。方法1和方法4的误差率达到35%和57%，不推荐作为检测氧化钾的方法。氧化钠的测定结果如图2所示。标值是0.41%，方法1的结果相当吻合，方法2和3也在可接受范围内。方法4的误差率为78%，不推荐作为检测氧化钠的方法。,图1 氧化钾测定结果,图2 氧化钠测定结果,结果与讨论,氧化钙的测定结果如图3所示。标值为5.50%，方法4的结果与标值完全吻合，其他3种方法所得结果也很满意，说明这四种方法均能对钙元素进行熔融和消解。氧化镁的测定结果如图4所示。标值为0.76%，方法4的结果较为满意。方法2和方法3误差率为14%和18%，结果不太满意。方法1的误差率为62%，不推荐作为检测氧化镁的方法。,图3 氧化钙测定结果,图4 氧化镁测定结果,结果与讨论,氧化铁的测定结果如图5所示。标值为4.36%，方法4所得结果最满意，方法2和方法3的结果较为满意，而方法1的误差率为19%，和标值相差过多，不推荐作为检测氧化铁的方法。氧化铝的测定结果如图6所示。标值为33.78%，方法4的结果很满意，误差率仅为0.15%。其余3种方法的测定结果与标值相差太大，说明微波消解方法对于铝的消解还需进一步研究，通过改变酸的配比，或者加入过氧化氢等试剂，以期达到更好的消解效果。由于煤灰中氧化铝的含量很大，对电厂的正常运行有很大的参考意义，推荐使用方法4作为检测氧化铝的方法。,图5 氧化铁测定结果,图6 氧化铝测定结果,结果与讨论,二氧化钛的测定结果如图7所示。标值为1.77%，方法4的测定结果与标值完全吻合，方法1和2也有较为满意的结果，方法3的结果相对于其他三种方法较差。五氧化二磷的测定结果如图8所示。标值为0.18%，方法2的结果最好，方法1和3也有较为满意的结果。方法4的误差率高达39%，不推荐作为检测五氧化二磷的方法。,图7 二氧化钛测定结果,结果与讨论,图8 五氧化二磷测定结果,二氧化硅的测定结果如图9所示。标值为50.08%，方法2和方法4的结果均满意。方法3的误差率为8%，可以接受。方法1的误差率为15%，不推荐作为检测二氧化硅的方法。,图9 二氧化硅测定结果,结果与讨论,四种前处理方法对于样品的处理结果各不相同，检测结果也是各有千秋。检测各种氧化物的最优方法：K2O-方法2；Na2O-方法1；CaO-方法4；MgO-方法4；Fe2O3-方法4；Al2O3-方法4；TiO2-方法4；P2O5-方法2；SiO2-方法4。四硼酸锂碱熔法（方法4）对于含量较高的元素具有很好的熔融效果，尤其是Al和Si。微波消解的三种方法推荐检测的氧化物分别是：方法1- Na2O、CaO、TiO2、P2O5；方法2- K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、P2O5、SiO2；方法3- K2O、Na2O、CaO、MgO、Fe2O3、TiO2、P2O5、SiO2。,结果与讨论,样品分析,通过对比分析可以得出：方法1由于在消解时没有加入盐酸，且没有静置混合后的酸液待其充分反应，导致消解结果不理想；方法2加入了磷酸，与方法3相比没有较大的影响，可以认为没有必要加入磷酸；方法3在加入了氢氟酸后静置了24小时，而方法2静置了1小时，两者没有较大差别，可以认为只要保证几种酸液充分反应就可以进行后续试验，不需要静置过长时间。,结果与讨论,样品分析,四硼酸锂碱熔法是电力行业标准推荐方法，但由于试验环境会对其产生一定影响，导致该方法对煤灰中微量元素的检测较微波消解法没有优势。微波消解酸溶法的前处理过程干扰较小，试验操作简单，适用于检测煤灰中的微量元素。下一步试验计划加入强氧化剂，以期对煤灰中硅、铝等高含量的元素有更好的消解效果。,结论,谢谢！,2022/11/26,62,