煤粉燃燒過(guò)程中灰粒子在耐火材料上的結(jié)渣是威脅燃燒設(shè)備安全運(yùn)行和降低熱力裝置經(jīng)濟(jì)效率的一個(gè)重要因素，從煤灰的熔融特性、熔灰的黏性以及灰的化學(xué)組成等方面判斷均與煤灰的結(jié)渣沉積有直接關(guān)系。
根據(jù)煤灰中硅、鋁的含量關(guān)系將熔融煤渣歸結(jié)為結(jié)晶型灰渣、塑性灰渣和玻璃體渣. 而且灰渣的結(jié)晶程度主要受到燃燒溫度和氣氛等因素的影響。在微觀上主要體現(xiàn)在晶粒的細(xì)化程度和晶間缺陷上，因此，這種分類方式并不能準(zhǔn)確反映熔融煤灰在燃燒設(shè)備內(nèi)壁上的沉積程度. 同時(shí)，煤粉爐內(nèi)燃燒時(shí)，溫度較高，煤灰成分的熔點(diǎn)并不一致，加之灰分與耐火材料一般含有硅、鋁成分，熔融煤灰在耐火材料上的結(jié)渣過(guò)程實(shí)質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的多相凝聚過(guò)程。這個(gè)過(guò)程直到使相互之間結(jié)合的自由能降到最小。這使得結(jié)渣過(guò)程中既有凝結(jié)成核的晶相，又有無(wú)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(jié)合較差，而非晶相成分則容易導(dǎo)致灰渣凝聚成塊， 因此耐火材料表面處灰渣的結(jié)晶程度直接影響到兩者的結(jié)合強(qiáng)度。
為研究煤粉燃燒過(guò)程對(duì)耐火材料的結(jié)渣特性，實(shí)驗(yàn)選取2種耐火材料，根據(jù)使用特點(diǎn)加工制作成長(zhǎng)90 mm、寬60 mm、厚度為5 mm的耐火板，并在1 550 ℃下燒結(jié)5 h而成。A型耐火板為剛玉質(zhì)耐火板，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) : 剛玉 90% , Cr2O3為5% , ZrSiO4為5% ; B型耐火板為SiC質(zhì)耐火板，其成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) : 剛玉15% , Cr2O3為10% ，ZrSiO4為5% ，SiC為70%。實(shí)驗(yàn)煤樣的灰成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) ) : SiO2為47.29% , A l2O3 為34.65% , Fe2O3為 3.23% , TiO2 為0.35% , CaO為3.06% , MgO為1.26% , SO3為3.57% , P2O5為1.53% , K2O為 1.19% , 燒失量為3.87%. 煤樣通過(guò)磨煤機(jī)制粉后 , 噴入到煤粉燃燒實(shí)驗(yàn)爐中進(jìn)行燃燒 , 得到布置于沿煤粉氣流不同位置處耐火板的結(jié)渣渣樣. 通過(guò)對(duì)渣樣成分變化與結(jié)晶程度來(lái)分析灰渣與剛玉質(zhì)耐火板的結(jié)渣特性. 由此可知，實(shí)驗(yàn)煤樣的灰分中 Fe2O3，TiO2，CaO等堿性金屬氧化物的含量較少，灰熔點(diǎn)較高；但是中性A l2O3含量較高，而 SO3，P2O5， K2O，Na2O高溫條件下氣化 , 灰渣中的含量一般較少，對(duì)結(jié)渣的特性影響不大，因此影響灰渣與耐火板之間結(jié)合強(qiáng)弱主要取決于 A l2O3，Fe2O3，TiO2和CaO與耐火板在高溫下的物相變化特性以及由此導(dǎo)致的結(jié)晶程度的變化。
不同煤種的可燃成分存在較大的差別，這對(duì)于煤粉在爐內(nèi)的著火、燃燒過(guò)程的溫度分布都會(huì)產(chǎn)生較大影響. 煤樣的著火性能主要取決于揮發(fā)分與灰分的含量，一般揮發(fā)分含量越高，越容易著火，灰含量越高，著火所需吸熱量越大，著火性能下降；同時(shí)較低的氧含量也有利于提高燃料的可燃性。煤的元素分析結(jié)果表明，在空氣干燥條件下，煤樣的灰分27.73% , 揮發(fā)分9.82%. 因此，煤樣的著火性能一 般。煤粉燃燒過(guò)程距離煤粉火嘴不同位置處的測(cè)點(diǎn)測(cè)試所得最高溫度分別為x1 = 1210 ℃, x2 = 1 179 ℃, x3 = 1 430 ℃, x4 = 1 320 ℃, x5 = 1 017 ℃ , x6 = 778 ℃。
圖2為燃燒過(guò)程不同溫度測(cè)點(diǎn)處剛玉質(zhì)耐火板向火側(cè)的結(jié)渣渣樣形貌. 各耐火板上的灰渣除 x6 處為沉積灰外，其余各處渣樣與耐火板結(jié)合的較為緊密，x1 , x2 , x3 和 x4 處渣樣表面上的渣顆粒相互之間以及與底層渣均相互黏連，特別是 x1 , x2 處的渣顆粒則分散的更為均勻、致密. 焦炭顆粒開始著火燃燒區(qū)域，其表面化學(xué)反應(yīng)按下式進(jìn)行 :
C + O2 →CO2 ，2C + O2 →2CO
在濃度差作用下，表面的CO2 向顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，反應(yīng)生成CO而CO則向周圍環(huán)境擴(kuò)散與氧進(jìn)一步反應(yīng)生成CO2，因此掉落在x2 處耐火板上的煤粒由于與氧的接觸空間少，易形成還原性的灰渣環(huán)境，導(dǎo)致灰渣在較低的溫度下產(chǎn)生熔融，造成了較為嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。由于受還原性氣氛作用，x1 , x2 處煤灰熔融性較為明顯，基本上形成了大渣塊；盡管 x3 , x4 處的測(cè)點(diǎn)溫度較高 , 但是仍為顆粒狀灰渣 , 這說(shuō)明此兩處灰渣表面的灰分熔融程度較低，流動(dòng)性較差，不足以聚合成大渣塊.。圖3為燃燒過(guò)程不同溫度測(cè)點(diǎn)處碳化硅耐火板向火側(cè)的結(jié)渣渣樣形貌. 耐火板上的灰渣均比較松散，與碳化硅質(zhì)耐火板黏結(jié)作用較弱，尤其 x6 處熔融煤灰已成為積灰，輕輕掃去，即可見(jiàn)到耐火板本色。但是受還原性氣氛作用，x1 , x2 處煤灰熔融性較為明顯，基本上形成了大渣塊； x3 , x4 處的灰渣，仍為顆粒狀灰渣，但與圖 2對(duì)應(yīng)位置處的渣樣比較可知，該煤樣熔渣在 A型耐火板上的黏結(jié)作用明顯強(qiáng)于 B型耐火板. x3 , x4 處 A型耐火板上的冷卻熔渣收縮明顯，熔融狀的玻璃態(tài)物質(zhì)較好地潤(rùn)濕了渣粒灰渣處的A型耐火板，并使渣、板黏連在一起，B型耐火板除x1 , x2除外，渣粒之間和渣、板之間的這種潤(rùn)濕作用不明顯。
燃用煤樣的灰分中Si, A l的含量較為豐富，而堿性的Fe2O3 ，TiO2 ，CaO等的含量較少因此從化學(xué)反應(yīng)平衡作用來(lái)看，A型耐火板上的渣板結(jié)合作用將朝著A l2O3 減少的方向，B型耐火板上一般會(huì)有一薄層SiO2保護(hù)層，將朝著 SiO2 減少的結(jié)合方向進(jìn)行結(jié)合這將使得渣、板之間的結(jié)合作用減弱。這說(shuō)明碳化硅質(zhì)更適用灰中Fe2O3 ，TiO2 , CaO等堿性氧化物的量較少的酸性煤灰。
3 結(jié) 論
(1) 為減少的結(jié)渣 , SiC質(zhì)耐火材料更適合應(yīng)用于燃用灰分中堿性金屬氧化物含量較低的酸性煤灰煤種.
(2) 煤粉中的酸性A l2O3含量較高，堿性金屬氧化物的含量較低，高溫熔融煤灰中的 A l2O3 與剛玉質(zhì)耐火板接觸時(shí)的黏結(jié)作用，取決于熔渣中 A l2O3 的相變特點(diǎn)和其它成分在剛玉中的沉積特點(diǎn)因此，環(huán)境溫度和氣氛對(duì)渣板之間的影響較大.
(3) 灰渣的結(jié)晶度較好地反映了灰渣與耐火板黏結(jié)作用。實(shí)驗(yàn)粉煤灰樣中堿性氧化物含量低 ，在同等條件，SiC質(zhì)耐火板上的灰渣結(jié)晶度大，渣板之間的結(jié)合作用差. 因此，使用SiC質(zhì)耐火材料有利于提高對(duì)該種煤粉燃燒時(shí)的抗結(jié)渣性能。