PDF《结渣初始层沉积物热力学性质的第一性原理计算》

e l e c t r o n i c s t r u c t u r e;

p h o n o n s p e c t r a;

c o a l a s h;

f i r s t - p r i n c i p l e s 上海理工大学学报2013年 第3 5卷 由于煤灰结渣过程涉及多个学科, 包括材料科 学、 煤及灰渣化学、 反应动力学、 锅炉原理、 多相流体 力学、 燃烧理论与技术、 传热传质学等, 所以其过程 非常复杂. 目前在工程领域, 预测结渣倾向的方法是 基于经验指标, 因此在效果上不很理想. 据统计, 我 国有一半以上的电站锅炉有积灰结渣的问题[ 1] . 对 于结渣的机理, 已经有大量的文献从宏观方面进行 了讨论[ 2-4 ] , 从宏观的研究结果可以看出, 初始沉积 层是结渣最终生成的基础, 它一旦形成, 就为煤灰的 进一步沉积创造了有利条件, 此后沉积层的厚度将 随时间按指数的关系增长. 炉内灰粒向水冷壁扩散 的机理有3种, 其中的扩散和热迁移在初始沉积层 的形成过程中起着主要作用[ 5] , 只有当灰粒的尺寸 小于5u m 时才能受这两个作用的影响, 石英 S i O

2、 矾土 A l 2O

3 和赤铁矿 F e 2O

3 [ 6] 是这些灰粒的主要成 分, 值得注意的是, 在煤灰中含量较少的 F e 2O

3 却 在初始沉积层中大量的沉积. 对于这种选择性沉积 的解释还少有报道, 所以, 对这3种矿物作更深入的 微观分析对比是非常必要的. 第一性原理即从头算方法( f i r s t -p r i n c i p l e s o r a b i n i t i o ) , 其仅用最基本的常数, 没有任何其它经验数据 的依赖, 求出薛定谔方程, 就可以去预测特定材料体 系的性质和状态. 因此, 它是基于量子力学和量子密 度泛函理论而发展起来的一种理论性很强的方法. 随 着计算机技术飞速发展, 近年来, 在固体力学的性质 和电子结构等方面, 用第一性原理的研究方法取得了 很大的成效[ 7-8 ] . 在煤灰中无机矿物质的结构模型的 研究方面, 也对矿物质宏观的特性作了很好的解释, 并且预测了一些现象[

9 ] . 本文通过对 S i O

2、 A l 2O

3 和Fe2O

3 的电子结构、 热力学性质的计算, 给出了煤灰 结渣初始层主要沉积矿物质的热力学性质随温度的 变化规律, 以此为进一步研究提供理论依据.

1 实验和计算方法 1.

1 实验实验所用样品取自一台来自扬子石化公司热电 厂的2

2 0t / h四角切圆的燃烧锅炉, 该炉用平朔烟煤 做燃料, 它的煤质分析数据是挥发分Va d=2

5 .

2 3 %, 水分 Ma d=3 .

2 3 %, 发热量 Q n e t , a d=2

0 .

7 4M J / k g , 灰分A a d=

3 2 .

4 6 %, 硫含量S t , d=0 .

9 7 %. 4种样品的质 量分数和 X―射线衍射的分析结果见表1 . 表中数据表明, 实验室煤灰与炉内飞灰的成分相 差不大, 这是由于煤中无机组分在炉内转变成煤灰后 表1 各试样的灰成分分析和 X-射线衍射分析结果[ 6] T a b.

1 R e s u l t s o f s a m p l e c o m p o s i t i o n s a n a l y s i s a n d X - r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s 样品 ω /% S i O

2 A l 2O

3 F e 2O

3 C a O M g O X―射线衍射结果 煤粉

4 5.

1 5

4 2.

0 8 4.

4 0 2.

3 4 0.

5 0 高岭石, S i O 2, 黄铁 矿, 方解石, 伊利石 飞灰

4 7.

2 6

4 2.

8 1 3.

6 3 2.

5 1 0.

6 2 莫来石, F e 2O 3, F e 3O 4( 很少) , S i O

2 内层结渣 沉积物

1 7.

6 1 9.

3 4

6 7.

0 4 1.

9 5 0.

7 7 莫来石, F e 2O 3, F e 3O

4 外层结渣 沉积物

3 1.

4 5