一種識別煤灰中不同礦物成分結(jié)渣傾向的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用計算機控制掃描電鏡（CCSEM）技術(shù)識別煤灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的方法，其利用CCSEM分析煤灰及原煤中礦物種類及各種礦物成分的含量、礦物顆粒的球形度及類球形顆粒的數(shù)目比例；繪制煤灰與原煤中化學組成相同礦物的球形度分布圖，根據(jù)燃燒前后化學組成相同礦物的類球形顆粒比例是否增加來判斷該礦物成分發(fā)生熔融的可能性；確定煤灰中各礦物成分的來源礦物以分析各成分類球形顆粒比例變化的原因，從而識別各礦物組成煤灰顆粒的熔融與結(jié)渣傾向。通過分析不同礦物組成煤灰顆粒球形度的變化，清晰識別了各礦物組成煤灰顆粒的熔融行為，為煤灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的識別及針對易結(jié)渣礦物成分從煤礦物源頭上尋求解決方法，提供了理論與技術(shù)指導。
【專利說明】一種識別煤灰中不同礦物成分結(jié)渣傾向的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃煤鍋爐安全經(jīng)濟運行領(lǐng)域，具體涉及一種利用煤燃燒時礦物顆粒球形度的變化來識別煤灰中各礦物成分的熔融與結(jié)渣傾向的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]燃煤火電廠中，由于煤中礦物質(zhì)的高溫轉(zhuǎn)化導致的鍋爐內(nèi)灰沉積(包括結(jié)渣、沾污、腐蝕等)問題普遍存在，是目前危及鍋爐安全經(jīng)濟運行的一大難題，而結(jié)渣是灰沉積問題中極重要的一種。結(jié)渣是由軟化或熔融的灰顆粒碰撞在水冷壁和主要受輻射熱的受熱面上生成的熔渣，表面往往堆積較堅硬的灰渣燒結(jié)層。在我國，煤源緊缺導致了電站鍋爐燃用的煤質(zhì)多變，由于實際煤質(zhì)與設(shè)計煤質(zhì)偏差過大引起的爐內(nèi)結(jié)渣會大大降低鍋爐出力和熱效率，更嚴重者，還可能引起鍋爐的停運、維修、改造，甚至是爆炸，造成極大的經(jīng)濟損失。
[0003]為了鍋爐的安全經(jīng)濟運行，火電廠運行人員需提前掌握燃用煤的結(jié)渣傾向等指標，工程界通常采用煤灰的化學組成或灰熔點溫度來判斷，由煤灰主要元素成分計算出的判別指數(shù)，如堿酸比、硅鋁比、鐵鈣比及硅比等來評價煤種的結(jié)渣傾向，或采用經(jīng)典的灰錐法測定的煤灰軟化溫度來表征熔融特性和評價結(jié)渣傾向。這些判別方法都能在一定范圍內(nèi)滿足煤粉結(jié)渣傾向的預測，但也有較大局限性，因為國內(nèi)外的大量研究表明:飛灰中不同的礦物成分，因其化學來源與熔融性質(zhì)不同，結(jié)渣傾向會有較大差異。如以石英和莫來石形式存在的灰顆粒是熱穩(wěn)定的成分，較難發(fā)生熔融造成結(jié)渣，而硅鋁酸鹽與堿性礦物Na、K、Ca等結(jié)合生成的低熔點硅鋁酸鹽灰顆粒則會導致灰結(jié)渣問題。將煤灰作為一個整體來分析煤種的結(jié)渣傾向可能引入誤差，只有識別煤灰中不同的礦物成分，了解不同礦物成分燃燒后的熔融行為，才可能清晰的分析并定量主要引起灰結(jié)渣問題的礦物成分。
[0004]綜上所述，對煤灰中不同礦物組成的結(jié)渣傾向的識別對于電站鍋爐的安全經(jīng)濟運行意義重大。計算機控制掃描電鏡(Computer-Controlled Scanned ElectronMicroscope, CCSEM)技術(shù)是目前世界上唯一可逐顆粒的識別大量礦物物理與化學性質(zhì)的技術(shù)，它既能分析煤灰單顆粒的化學組成，又能針對單顆粒分析其表征熔融行為的形狀因子一 “球形度”。采用單顆粒的球形度分析來指代灰顆粒熔融性的理論依據(jù)是礦物在高溫燃燒環(huán)境會發(fā)生熔融而傾向于轉(zhuǎn)化為球形。球形度被定義為經(jīng)顆粒“周長”計算出的顆粒半徑除以經(jīng)“面積”計算出的顆粒半徑，即表達式:[(Perimeter/2 π ) / (Area/ π )1/2]，顆粒的周長、面積與球形度數(shù)據(jù)均在CCSEM對應能譜軟件的“Particles”功能分析后自動得出。完美球形的球形度數(shù)值為1，顆粒形狀越不規(guī)則，則球形度數(shù)值越大，采用國內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)驗，將球形度< 1.2的顆粒定義為類球形顆粒。
[0005]采用球形度變化有效評價單顆粒煤灰熔融傾向的難點和重點是需要綜合分析灰顆粒、與灰顆粒相同化學組成的原煤礦物、及灰顆粒起源礦物的球形度。燃燒后某化學組成煤灰顆粒的類球形顆粒比例若增加，可能是來自原礦物的熔融，或幾種礦物的共同熔融，甚至是其它類球形顆粒對應礦物的直接轉(zhuǎn)化；而如果發(fā)現(xiàn)某類化學組成的煤灰成分類球形顆粒比例減少，則只可能是源于另一些熱穩(wěn)定的礦物中非球形顆粒的轉(zhuǎn)化。因此，采用球形度識別灰熔融傾向，需與灰成分的起源分析相結(jié)合。國內(nèi)學者于敦喜、徐明厚等人已經(jīng)利用CCSEM技術(shù)通過分析約3000個礦物顆粒，得到了煤粉和煤灰中存在的主要礦物質(zhì)的種類與含量，因此，目前的現(xiàn)有技術(shù)已可實現(xiàn)灰成分的起源分析，但對于利用燃燒時各種類的礦物顆粒的球形度變化來識別煤灰中不同礦物成分的熔融與結(jié)渣傾向，未見國內(nèi)外有相關(guān)記載。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于此，本發(fā)明的目的在于提供一種利用CCSEM技術(shù)識別煤灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的方法，該方法可以辨別煤粉燃燒后各種灰成分是否造成結(jié)渣危害。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種利用CCSEM技術(shù)識別煤灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的方法，包括以下步驟:
[0009](I)收集煤粉燃燒后的煤灰，利用計算機控制掃描電鏡(CCSEM)技術(shù)分析其礦物種類及各種礦物成分的含量；利用計算機控制掃描電鏡(CCSEM)技術(shù)分析原煤中礦物的種類和含量；同時，利用計算機控制掃描電鏡(CCSEM)技術(shù)得到煤粉與煤灰中所有礦物顆粒的球形度，并計算出能夠表征熔融的形狀接近球體的類球形顆粒的數(shù)目與比例；
[0010](2)利用步驟(I)的分析結(jié)果，繪制煤灰與原煤中化學組成相同的礦物的球形度分布圖，根據(jù)燃燒前后化學組成相同的礦物的類球形顆粒比例是否增加來判斷該礦物成分發(fā)生熔融的可能性；
[0011](3)分析煤灰中各礦物成分的來源礦物，確定該礦物成分是來自于原煤中化學組成相同的礦物燃燒后的直接轉(zhuǎn)化，還是來自于其它礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化；
[0012](4)結(jié)合步驟(3)針對煤灰中各礦物成分分析得到的結(jié)果，分析步驟(2)中觀測到的類球形顆粒比例變化的原因，即燃燒后煤灰顆粒發(fā)生形狀變化的原因，從而確定煤灰中易結(jié)渣礦物成分的來源礦物，及識別各礦物組成煤灰顆粒的熔融與結(jié)渣傾向。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:通過分析不同礦物組成煤灰顆粒球形度的變化，清晰識別了各礦物組成煤灰顆粒的熔融行為，進而為煤灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的識別，及針對易結(jié)渣礦物成分從煤礦物源頭上尋求解決方法，提供了理論與技術(shù)指導。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為煤中主要礦物成分向灰轉(zhuǎn)化時的含量變化示意圖；
[0015]圖2為燃燒前后各礦物成分的顆粒球形度分布示意圖(將球形度< 1.2的礦物或灰顆粒定義為類球形顆粒；球形度> 1.2的礦物或灰顆粒定義為非球形顆粒)；
[0016]圖3為Si元素燃燒前后在各礦物成分中的質(zhì)量分布示意圖；
[0017]圖4為K元素燃燒前后在各礦物成分中的質(zhì)量分布示意圖；
[0018]圖5為煤中高嶺石與灰中莫來石成分中堿性金屬含量變化的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。[0020]本實施例所公開的利用CCSEM技術(shù)識別煤灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的方法，具體步驟如下:
[0021](I)本實施例所選原煤為大同煙煤，收集煤粉在實驗室規(guī)模沉降爐中1300°C、空氣氣氛燃燒后的煤灰；
[0022](2)利用CCSEM技術(shù)分析原煤及煤灰中各礦物成分的含量,如圖1所不，分析的具體方法為:將煤粉或煤灰粉末與巴西棕櫚蠟均勻混合后經(jīng)熔融、冷卻固化、研磨、拋光，在掃描電鏡中得到清晰的背散射圖像；對背散射圖像中顯示為白色的礦物顆粒進行能譜分析得到單礦物顆粒的無機元素組成；分析多個放大倍數(shù)、幾何粒徑范圍0.5-211 μ m內(nèi)的礦物顆粒，在能譜“Particles”功能中選取足量的圖像數(shù)目，以保證對每個樣品自動分析3000個左右的礦物顆粒；將每個礦物顆粒按照表I所示的元素組成定義為各具體種類的礦物；將定義為同種礦物的所有顆粒質(zhì)量加和后除以總礦物質(zhì)量即為該礦物種類的含量；通過CCSEM分析，發(fā)現(xiàn)原煤中含量較大的礦物成分為高嶺石、黃鐵礦、石英、方解石以及成分復雜的難識別礦物等，而灰中主要的成分為莫來石成分、K硅鋁酸鹽、難識別礦物成分、Fe硅鋁酸鹽、石英等；
[0023](3)針對步驟(2)給出的灰中含量較大的礦物成分，繪制煤粉與煤灰中這些成分對應顆粒的球形度分布圖，如圖2所示，識別各成分燃燒前后類球形顆粒比例的變化，其中莫來石成分和Fe硅鋁酸鹽成分燃燒后類球形顆粒比例增大，K硅鋁酸鹽和石英燃燒后類球形顆粒比例減少，而難識別礦物中類球形顆粒比例基本不變；
[0024](4)基于燃燒后礦物含量變化與典型元素在各礦物中的遷移，分析灰中各成分的起源礦物，如莫來石成分來自于煤中高嶺石的直接轉(zhuǎn)化(圖1)，F(xiàn)e硅鋁酸鹽明顯來自于黃鐵礦分解產(chǎn)物與硅鋁酸鹽的結(jié)合，K硅鋁酸鹽來自于石英、高嶺石與黃鐵礦中的K的轉(zhuǎn)化與反應(圖1，圖3和圖4)，石英明顯來自于原煤中石英的轉(zhuǎn)化(圖1)，而難識別礦物成分也是直接來自于煤中的難識別礦物(圖1);
[0025](5)根據(jù)步驟(3)- (4)的結(jié)果，分析出煤灰中各礦物成分的熔融與結(jié)渣傾向:燃燒時煤中高嶺石直接向莫來石成分轉(zhuǎn)化，莫來石成分類球形顆粒比例增加約23%，圖5表征的是兩種成分直接轉(zhuǎn)化時堿性金屬的含量變化，表明高嶺石向莫來石轉(zhuǎn)化時部分堿性金屬加入導致了莫來石成分熔點降低，造成結(jié)渣問題。Fe硅鋁酸鹽類球形顆粒比例增加約19%，主要是由于大量堿性金屬Fe的加入導致硅鋁酸鹽熔點降低而造成結(jié)渣。K硅鋁酸鹽的礦物來源主要是熱穩(wěn)定的石英和高嶺石，因此熔點并未降低，體現(xiàn)為類球形顆粒比例反而降低。石英的類球形顆粒比例也減少，主要是由于石英是熱穩(wěn)定的礦物成分，原煤中石英直接轉(zhuǎn)化成灰時明顯未發(fā)生熔融。煤中難識別礦物向灰中轉(zhuǎn)化時，類球形顆粒比例未明顯增加，因此未發(fā)生熔融，也不會明顯導致結(jié)渣問題。針對大同煙煤的實例表明，造成結(jié)渣問題的主要灰成分是燃燒后類球形顆粒比例明顯增加的莫來石成分和Fe硅鋁酸鹽，其它礦物成分燃燒后則并未發(fā)生明顯熔融。
[0026]由此可見，利用本發(fā)明能夠清晰識別造成鍋爐結(jié)渣的主要灰成分，對灰礦物成分的煤中起源分析還可為從源頭上尋求結(jié)渣控制方法提供理論支持。
[0027]本發(fā)明不限于實施例的限制，針對無煙煤、褐煤等其它種類的動力用煤，也可清晰的識別出它們?nèi)急M后煤灰的礦物成分與含量，分析出各成分顆粒的球形度變化及來源礦物，最終得到主要造成結(jié)渣問題的灰礦物成分，利用此發(fā)明的方法也可用于對其它固體燃料進行灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的分析。
[0028]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明保護的范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0029]表1 CCSEM礦物分類與元素成分判定規(guī)則
[0030]
【權(quán)利要求】
1.一種識別煤灰中各礦物成分結(jié)渣傾向的方法，包括以下步驟: (1)收集煤粉燃燒后的煤灰，分析其中的礦物種類及各種礦物成分的含量，并分析原煤中礦物的種類和含量；同時，獲得煤粉與煤灰中所有礦物顆粒的球形度，并計算出能夠表征熔融的形狀接近球體的類球形顆粒的數(shù)目與比例； (2)利用步驟(I)的分析結(jié)果，繪制煤灰與原煤中化學組成相同的礦物的球形度分布圖，根據(jù)燃燒前后化學組成相同的礦物的類球形顆粒比例是否增加來判斷該礦物成分發(fā)生熔融的可能性； (3)分析煤灰中各礦物成分的來源礦物，確定該礦物成分是來自于原煤中化學組成相同的礦物燃燒后的直接轉(zhuǎn)化，還是來自于其它礦物質(zhì)的轉(zhuǎn)化； (4)結(jié)合步驟(3)針對煤灰中各礦物成分分析得到的結(jié)果，分析步驟(2)中觀測到的類球形顆粒比例變化的原因，即燃燒后煤灰顆粒發(fā)生形狀變化的原因，從而確定煤灰中易結(jié)渣礦物成分的來源礦物，及識別各礦物組成煤灰顆粒的熔融與結(jié)渣傾向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述原煤及煤灰中各礦物成分的含量的方法如下:將煤粉或煤灰粉末與巴西棕櫚蠟均勻混合后經(jīng)熔融、冷卻固化、研磨、拋光，在掃描電鏡中得到清晰的背散射圖像；對背散射圖像中顯示為白色的礦物顆粒進行能譜分析得到單礦物顆粒的無機元素組成；分析多個放大倍數(shù)、幾何粒徑范圍0.5-211 μ m內(nèi)的礦物顆粒，在能譜“Particles”功能中選取足量的圖像數(shù)目，以保證對每個樣品自動分析3000個左右的礦物顆粒；將定義為同種礦物的所有顆粒質(zhì)量加和后除以總礦物質(zhì)量即為該礦物種類的含量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的方法，所述煤為煙煤、無煙煤或褐煤。
【文檔編號】G01N15/00GK103592207SQ201310576293
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月18日
【發(fā)明者】溫昶, 徐明厚, 于敦喜, 王建培 申請人:華中科技大學