飞灰中碳的晶相结构及微量元素对微波衰减影响的机理研究

The unburned carbon content of fly ash in a coal-fired boiler is a very important parameter to optimize the combustion process. It exerts a direct effect on the efficiency of the boiler. Most power plants apply the microwave technique to measure the unburned carbon content in fly ash, but the mechanism of carbon crystallite structure and trace element in the fly ash on microwave attenuation has not been stuied ever before. The proposer found there are three types relationships between the unbured carbon content in fly ash and the microwave power attenuation. The microwave attenuation is related with the microstructure of unburned carbon,so we want to further study the mechanism of carbon crystallite structure and trace element in the fly ash on microwave attenuation.The reaserch will simulate the actual stution of coal combustion in boiler, study the crystallite structure of the carbon after treatment at different condition. The quantify relationship between unburned carbon content in fly ash ,crystallite structue parameters and microwave attenuation will be found. The effect trace element in fly ash on microwave attenuation will also be stuied.

实时准确测量燃煤锅炉飞灰含碳量，及时调整运行方式，这对燃煤电厂节能、降耗有重大意义。目前,国内外普遍采用微波法对飞灰含碳量在线测量，但微波与飞灰中不同晶相结构的碳及其它微量元素的作用机理还未进行深入研究。本项目基于申请人实验发现的微波衰减与飞灰含碳量之间存在正比、反比和波动三种趋势，飞灰残碳的微波吸收特性与其微观结构相关，进一步提出了研究飞灰残碳的晶相结构参数及微量元素对微波吸收的机理。本研究将模拟煤粉在锅炉中实际的燃烧气氛，探索不同煤质经过不同的燃烧条件未燃尽碳的晶相结构，获得微波衰减、飞灰含碳量及碳的晶相结构参数之间的定量关系，同时探索飞灰中的微量元素对微波衰减的影响。

为了锅炉燃烧优化调整，很多电厂安装了微波在线测碳装置，但实际使用效果不佳，分析飞灰残碳晶的相结构不同，对微波能量的损耗不同，同时飞灰中的金属氧化物也对微波监测信号产生干扰，最终导致测量结果不准确。本项目对加热温度、煤种、煤中的矿物质、飞灰中金属氧化物及碱金属氧化物、飞灰粒径等因素对微波衰减影响的机理进行研究，主要取得以下成果：.1. 碳的晶相结构随加热温度的升高向有序化发展，在微波场中以偶极子的形式进行取向，极化效应导致微波能量的损耗增大；不同煤种生成的煤焦具有明显不同的介电性能，各煤焦内部的碳结构差异是其根本原因，由碳晶相的堆积状态以及不同类型碳组成所构建出的碳骨架结构，在本质上决定了不同的煤焦在微波场中对能量的损耗强弱；高温环境下（高于1300°C）矿物质中的SiO2发生碳热还原反应生成SiC，对加热过程中碳层的发展产生催化效果，较低温度条件时（低于1300°C）矿物质的迁移行为也促进了碳层的排列结构，从而导致介电性能和微波能量损耗的增大。.2. 实际锅炉的飞灰对微波的损耗主要是介电损耗，且介电损耗随含碳量增加而增大，含碳量高于4%以后增加趋势凸显；Fe2O3、Al2O3、MgO三种金属氧化物均可对微波损耗产生影响，含量越多引起损耗就越大，并且Fe2O3的作用最为明显，含量为20%的Fe2O3的介电损耗甚至大于含碳量3%的值；CaO含量发生变化不会引起介电损耗的改变。.3. 飞灰比电阻随碱金属氧化物含量的增加而减小，在相等含量下，含K2O 的飞灰比电阻最小；Na2O 和K2O 含量增加对飞灰的介电损耗具有增大作用，Na2O 含量高于10%的飞灰介电损耗增加趋势凸显。.4. 去碳前飞灰的介电损耗随含碳量的增加而增大，在飞灰含碳量最大的粒径段处，介电损耗出现峰值，但去碳后飞灰的介电损耗随着粒径的减小而增大，粒径越小，介电损耗越明显。.研究结果揭示了碳的晶相结构、矿物质的高温转化、飞灰中金属氧化物对微波损耗的作用机理，定性和定量分析了各因素对煤焦或飞灰的介电损耗的影响，为微波测碳仪的改进和研制提供依据和理论基础。