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粉煤燃烧衍生之中空型飞灰隔热特性研究
张育诚1、蔡幸芬2
工业技术研究院能源与环境研究所
工业节能技术组 热能应用研究室
新能源技术组储氢与生物能源技术研究室
E—mail:Y.C.chang@itri.org.tw
摘 要:化石燃料藉由燃烧设备进行燃烧反应程序中,化石燃料除灰份外,尚有部分
碳元素颗粒于未完全燃烧之过程,与灰份等微量物质形成烟道气中悬浮之微米级飞灰。
飞灰碳元素颗粒表面,因经历高温反应而形成多孔质构造,依其物化特性经由适当之分
选技术,增加其材料之均相性,有助于提升其隔热防火性能,若能加以运用此种材料,则
将有助于减少加热设备之热量损失(heatloss)。本研究藉由BabcockAustralia公司设
计监造之燃煤汽电锅炉,以不同燃烧条件下所衍生之飞灰产物,进行材料热物性与组织
结构分析,进而评估其添加于轻质材料开发之可行性。根据研究结果显示,飞灰表面微
观结构具有微米级颗粒尺寸,并具备中空球型体。同时当飞灰LOI为6.17%时,热传导
系数达0.105W/m—K,飞灰材料具备隔热特性。
关键词:飞灰、未燃碳、隔热、中空型
研究员1 副研究员2
一、前言
na,A1:0。)、氧化铁(Ironoxides,Fe。0。),以及不同含量之碳、钙、镁及硫等化合物,成份
中包含之Si02、A1203、Fe20。,促使飞灰成为一波索兰(Pozzolans)材料。煤炭燃料中含
有一定比例之灰份组成,经由燃烧之热能转换程序,产生固体残留物煤灰,部分煤灰悬浮
于烟道气中,藉由烟气之浮力载送至系统尾端。飞灰中含有燃料内未完全燃烧之碳元素
颗粒,在形成过程中,由于急剧之温度变化,形成其多孔质构造,且大部份组成以玻璃相
存在,小部份为晶相结构。
透过扫瞄式电子显微镜(SEM)确认粉煤燃烧产生的飞灰大部份呈圆球状,同时具有
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良好的润滑效果。飞灰的性质受煤源、磨煤细度、燃烧方式、机组负载、燃烧控制、集灰方
法等之影响,飞灰之化学组成以元素而论,主要是硅、铝和铁,次要元素为钙、镁、硫、钾、
钠及未燃碳[1]。
以扫描式电子显微镜观察其结构,发现有两种不同外观形态,一为玻璃球体,另一为
多孔性质之构造,同时经由能量散射表面元素测定结果,显示玻璃球体为由氧化硅、氧化
铝及氧化镁等组成,而多孔性结构则为碳成份组成,其碳重量百分率含量高达98.5%,亦
即为未燃碳之部份[2]。飞灰具有亲水表面及多孔构造之特性,其颗粒尺寸为决定粉体
活性之最大物理特性,通常尺寸小之颗粒具有较佳之反应性,乃因其具备之比面积(spe-
cific
areas)相对于大颗粒尺寸大,形成较大比例之氢氧化物可反应之空间。另一重要因
素为小颗粒之飞灰于燃烧系统出口处逸散时,因其颗粒尺寸小可快速冷却,造成急剧之
温度变化形成易反应之结构[3]。
隔热性能为对于热梯度存在时,所产生之热流动现象之抑制特性,此将温度高的热
量往温度低的地方传送之传输系数,即为热传导能力之决定因素。一般而言,热传导系
数低于0.175w/m—K的材料则称为隔热材料。热传导系数是衡量隔热材料性能的主
要指针。热传导系数越小,则通过材料传送的热量就越少,其隔热性能也越好。
飞灰之质量特性将会是决定其应用特性之重要关键,当飞灰的性质未能符合需求
时,除可藉由前段系统操作中之煤源、混拌煤、煤细度、燃烧条件及调整集灰方式等来改
善飞灰质量,同时亦可透过分选技术进行均相处理。飞灰分选技术可概分为:筛选、风
选、浮选、静电分选、磁选、重液分选、综合处理及再燃烧等方法,其适用之技术依其飞灰
之物化特性而定,飞灰经由适切之分选程序处理后,其均匀性将会大幅提高,同时对于其
未燃碳含量偏高之现象,亦将获得改善。
国内飞灰来源主要为燃煤机组,其中以燃煤电厂及燃煤汽电共生厂为大宗,煤炭为
成本上较经济的能源,同时加上近期油价日渐飙涨,促使煤炭燃料之应用市场稳定。然
而燃煤机组因面临环保压力,所增加之污染防制成本负担,则必须藉由降低成本及提高
效率等方式,维持燃煤机组之营运。因此透过效率改善之机制,进而提升飞灰质量,增加
飞灰之衍生价值,为一良好降低成本的方式。本研究中采用等动量飞灰自动取样设备,
于燃煤机组不同操作状
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